I materialens värld, styvhet och elasticitet är vanligtvis på motsatta ändar av kontinuumet. Vanligtvis, ju mer elastiskt material, desto mindre kan den bära laster och motstå krafter. Ju stelare den är, desto mer benägen är den att brista vid lägre töjningar när belastningen eller kraften överstiger dess kapacitet. Ett mål för många materialvetare är att skapa ett material som sammanför det bästa av två världar.

På UC Santa Barbara, forskare har kommit ett steg närmare det målet. I en nyligen publicerad studie, författarna Kayetan Chorazewicz, Sameer Sundrani och Kollbe Ahn beskriver en mekanism genom vilken ett material kan göras mycket töjbart utan att offra dess styrka och styvhet. Pappret, "Bioinspirerade funktionella gradienter för seghetsförstärkning i syntetiska polymersystem, " visas i journalen Makromolekylär kemi och fysik .

För inspiration, forskare letade inte längre än till stranden.

"Du kan se både styvhet och töjbarhet med musslors byssus-trådar, " sa medförfattaren Chorazewicz. Musslor tillbringar sina liv i den steniga tidvattenzonen, där deras förmåga att hålla fast är en fråga om liv och död. Trådarna som de utsöndrar på klipporna måste båda vara tillräckligt töjbara för att de ska kunna hitta rätt "grepp" på oregelbundna ytor och absorbera det konstanta dunkandet av vågor, men ändå styva nog att hålla musslorna själva från att studsa runt i strömmarna och slå mot strukturerna som de är fästa på. Den optimala kombinationen av de två egenskaperna är bland hemligheterna bakom deras framgång i en så varierande och ogästvänlig miljö.

De tar avstamp från blötdjuren, forskarna designade ett funktionellt graderat material – en relativt ny klass av material som drar fördel av skillnader i deras sammansättning – för att skapa en syntetisk version av musslornas byssus-trådar som inte bara minimerar avvägningen mellan flexibilitet och styrka, men kan också användas i våta miljöer.

Nyckeln till denna teknologi är en tvärbunden kombination av monomeren bensylakrylat (BZA) med trietylenglykoldimetakrylat (TEGDMA), en vanlig polymer som används i dentala restaureringsfyllmedel. Tvärbindning, enligt forskarna, i motsats till att skapa en "smörgås" av individuella lager av BZA eller TEGDMA, ger det resulterande materialet förmågor som ingen av dem ensamma skulle ha:förmågan att motstå påfrestningar vid ett brett temperaturintervall, och förmågan att bära belastningar. Sampolymerkombinationen kan ytterligare trimmas så att dess lager skulle ha varierande nivåer av elasticitet på samma sätt som byssus-trådar uppvisar en elasticitetsgradient som ändras från dess mjuka kollagenfiberkärna till dess hårda yttre nagelband. På det här sättet, spänningar på materialet kan antingen absorberas effektivt eller motstås direkt.

"Det kan också förhindra sprickor från att spridas i hela materialet, " sa medförfattaren Sundrani. Skulle det bli överdriven stress, töjningsenergin skulle omdirigeras och begränsas och en del av materialet skulle kunna offras i en "fördelaktig delaminering" som skulle undvika fel på hela strukturen.

Denna teknik har ett brett utbud av applikationer.

"Dessa dagar, allt fler material ersätts av konstruerade polymerer, sa tidningens senior, motsvarande författare Ahn, som har arbetat mycket med musselinspirerade biomimetiska polymerer. "Vi kan föreställa oss vilket polymerbaserat material som helst som kräver lastbärande, " han lade till, inklusive hårdare plast, skyddsutrustning som hjälmar, konstruktionsdelar och mer hållbara flygplan, fordons- och vattenskoterkomponenter.

Dessutom, medicinens områden, bioteknik, bioelektronik och till och med mjuk robotik skulle kunna dra nytta av sådana funktionellt graderade material, som kan användas för att tillverka proteser, konstgjorda leder och organ, eller mjuka ställdon och maskiner.

"En annan mycket praktisk tillämpning skulle vara att applicera graderade material som vårt på beläggningar över redan existerande material istället för att ersätta dem helt, till exempel, styva plaster eller till och med biomedicinska implantat, " sa Sundrani.

"Vad våra funktionellt graderade material föreslår, " noterade Chorazewicz, "är en ny klass av material för att uppfylla ett brett utbud av dessa roller snarare än en specifik nisch - och eftersom dessa material är avstämbara, de kan vara så hårda eller mjuka som behövs för den avsedda användningen."

Denna artikel är resultatet av ett unikt samarbete inspirerat av UCSB:s Research Mentorship Program (RMP), ett sommarsessionsprogram som kombinerar högpresterande gymnasieungdomar och seniorer med universitetsforskare för att utföra originalforskning. När de startade denna forskning, både Chorazewicz och Sundrani var high school seniorer. Tack vare deras ovanliga drivkraft och det fortsatta mentorskap och vägledning som Ahn tillhandahåller efter deras sex veckor med RMP, de yngre författarna till denna artikel kunde bedriva forskning, skriva sin uppsats och publicera i en peer-reviewed vetenskaplig tidskrift innan de ens började sin collegekarriär. Chorazewicz och Sundrani krediterar Ahn för hans nivå av engagemang i deras begynnande och lovande vetenskaps- och ingenjörskarriärer, medan Ahn erkänner engagemanget från sina tidigare RMP-studenter.