Ibland, att bryta mot regler är inte en dålig sak. Speciellt när reglerna är uppenbara naturlagar som gäller i bulkmaterial, men andra krafter uppträder i nanoskalan.

"Naturen vet hur den ska gå från det lilla, atomär skala till större skala, sa Melik Demirel, professor i ingenjörsvetenskap och mekanik och innehavare av Lloyd och Dorothy Foehr Huck-stolen i biomimetiska material. "Ingenjörer har använt blandningsregler för att förbättra egenskaper, men har begränsats till en enda skala. Vi har aldrig gått ner till nästa nivå av hierarkisk ingenjörskonst. Den viktigaste utmaningen är att det finns uppenbara krafter i olika skalor från molekyler till bulk."

Kompositer, per definition, består av mer än en komponent. Blandningsregler säger att, medan förhållandet mellan en komponent och en annan kan variera, det finns en gräns för kompositens fysikaliska egenskaper. Enligt Demirel, hans lag har brutit den gränsen, åtminstone på nanoskala.

"Om du har en ledande polymerkomposit begränsas mängden polymer och metallförening av regeln om blandningar, ", sa Demirel. "Reglerna styr allt om matrisen och fillern. Vi tog material - en biopolymer och ett atomärt tunt ledande material - lät dem organisera sig genom att själva montera, och bröt regeln om blandningar."

Teamets material är sammansatt av en biomimetisk polymer baserad på tandemupprepningsproteiner producerade genom genduplicering och inspirerade av strukturen hos bläckfiskringtandproteiner, och ledande titankarbid 2-D MXene, ett endast några få molekyler tjockt lager av metall. Denna skiktade komposit monteras själv och polymeren förmedlar avståndet mellan metallskikten. Genom att använda genteknik av tandemupprepningsproteiner - en biopolymer som upprepar en konserverad sekvens - kan forskarna kontrollera avståndet mellan skikten för ledande skikt utan att ändra de sammansatta fraktionerna. Forskarnas mål är att skapa självmonterande material med oöverträffad kontroll över deras fysikaliska egenskaper med hjälp av syntetisk biologi.

Eftersom polymeren självmonteras till ett tvärbundet nätverk, förhållandena mellan matris och fyllmedel i små områden kan bryta blandningsreglerna, och de elektriska egenskaperna hos det skiktade materialet förändras. Forskarna redovisar resultatet av sitt arbete i ett färskt nummer av ACS Nano .

Denna biomimetiska polymermetallkomposit kan vara både flexibel och ledande i de rätta bulkblandningarna. På mikroskopisk skala, när den strukturella symmetrin är bruten, elektrisk ledningsförmåga beror på riktning.

"Det unika är att du nu kan få elektrisk ledningsförmåga i planet som skiljer sig från ledningsförmåga utanför planet, sa Demirel.

Så länge strömmen går längs planet för 2D-materialskikten, konduktiviteten är linjär, men om strömmen riktas över lagren, konduktiviteten blir olinjär.

"Nu kan vi göra en lagringsenhet, " sa Demirel. "Vi kan också göra dioder, växlar, regulatorer och andra elektroniska apparater. Vi vill göra material som är designade med önskade egenskaper för att bygga nya funktionaliteter, som är svåra att uppnå eller tidigare ouppnåeliga."