North Carolina State University forskare har utvecklat en fiber som kombinerar elasticiteten hos gummi med styrkan hos en metall, vilket resulterar i ett tuffare material som skulle kunna införlivas i mjuk robotik, förpackningsmaterial eller nästa generations textilier.

"Ett bra sätt att förklara materialet är att tänka på gummiband och metalltrådar, " säger Michael Dickey, motsvarande författare till en artikel om arbetet och Alcoa professor i kemisk och biomolekylär teknik vid NC State.

"Ett gummiband kan sträcka sig väldigt långt, men det krävs inte mycket kraft för att sträcka den, " Dickey säger. "En metalltråd kräver mycket kraft för att sträcka den, men det kan inte krävas mycket påfrestningar – det går sönder innan du kan sträcka det väldigt långt. Våra fibrer har det bästa av två världar."

Forskarna skapade fibrer bestående av en galliummetallkärna omgiven av ett elastiskt polymerhölje. När man utsätts för stress, fibern har styrkan av metallkärnan. Men när metallen går sönder, fibern brister inte – polymerhöljet absorberar spänningen mellan brotten i metallen och överför spänningen tillbaka till metallkärnan. Detta svar liknar hur mänsklig vävnad håller ihop brutna ben.

"Varje gång metallkärnan går sönder avleder den energi, låter fibern fortsätta att absorbera energi när den förlängs, " säger Dickey. "Istället för att knäppa i två när den sträcks, den kan sträcka sig upp till sju gånger sin ursprungliga längd innan den går sönder, samtidigt som det orsakar många ytterligare brott i tråden längs vägen.

"Att tänka på det på ett annat sätt, fibern kommer inte att knäcka och tappa en tung vikt. Istället, genom att frigöra energi upprepade gånger genom interna pauser, fibern sänker vikten långsamt och stadigt."

I material, seghet är ett materials förmåga att absorbera energi och deformeras utan att gå sönder. Du kan tänka på det som mängden kraft ett material kan absorbera när det deformeras över ett avstånd. Den nya fibern är mycket segare än antingen metalltråden eller polymermanteln i sig.

"Det finns ett stort intresse för tekniska material för att efterlikna hudens seghet – och vi har utvecklat en fiber som har överträffat hudens seghet men ändå är elastisk som huden, " säger Dickey.

Dessutom, galliumkärnan är ledande – även om den förlorar sin ledningsförmåga när den inre kärnan går sönder. Fibrerna kan också återanvändas genom att metallkärnorna smälts samman igen.

"Vi använde gallium för detta proof of concept-arbete, men fibrerna skulle kunna trimmas för att ändra deras mekaniska egenskaper, eller för att behålla funktionalitet vid högre temperaturer, genom att använda olika material i kärnan och skalet, " säger Dickey.

"Detta är bara ett bevis på konceptet, men det har mycket potential. Vi är intresserade av att se hur dessa fibrer kan användas i mjuk robotteknik eller när de vävs in i textilier för olika applikationer."

Pappret, "Shärda sträckbara fibrer genom seriell frakturering av en metallisk kärna, " publiceras i tidskriften Vetenskapens framsteg .