Inspirerad av extremt starkt spindelsilke, forskare vid NTNU har utvecklat ett nytt material som trotsar tidigare sett avvägningar mellan seghet och styvhet.

Materialet är en typ av polymer som kallas en elastomer eftersom den har en gummiliknande elasticitet. Den nyutvecklade elastomeren har molekyler som har åtta vätebindningar i en upprepad enhet, och det är dessa bindningar som hjälper till att jämnt fördela belastningen på materialet och göra det så hållbart.

"De åtta vätebindningarna är ursprunget till de extraordinära mekaniska egenskaperna, säger Zhiliang Zhang, professor i mekanik och material vid NTNU:s institution för konstruktionsteknik. Materialet är utvecklat vid NTNU NanoLab och delvis finansierat av Norges forskningsråd.

Ämne som är stel och seg

Idén att införa ett högre antal vätebindningar än vanligt kom från naturen. "Spindelsilke innehåller samma typ av struktur, " säger Yizhi Zhuo, som utvecklade det nya materialet som en del av sin doktorsexamen. och postdokarbete. "Vi visste att det kunde resultera i mycket speciella egenskaper."

Forskare har tidigare noterat att spindelsilke - speciellt draglinesilke, som ger ekrarna och den yttre kanten på ett spindelnät — är både exceptionellt styv och seg.

Styvhet och seghet är distinkta egenskaper inom teknik, och är ofta i opposition. Styva material tål mycket påfrestningar innan de deformeras, medan tuffa material kan absorbera mycket energi innan de går sönder. Glas, till exempel, är stel men inte seg.

Större seghet

Tills nu, att replikera den dubbla styvheten och segheten hos spindelsilke i syntetiska elastomerer har inte varit möjligt. "Med kommersiellt material, om du vill ha högre styvhet, du har lägre seghet. Det är en avvägning. Du kan inte ha båda, säger Zhang.

Teamets nya elastomer har distinkta hårda och mjuka domäner. Efter att ha utformat och gjort det, laget använde ett atomkraftmikroskop – med en upplösning av bråkdelar av en nanometer – för att titta på materialets underliggande struktur, och observera gränssnittet mellan de hårda och mjuka områdena.

De såg att såväl som de åtta vätebindningarna som fördelar stress, oöverensstämmelsen i styvhet mellan de hårda och mjuka områdena hjälpte till att sprida energi ytterligare genom att uppmuntra eventuella sprickor att förgrena sig istället för att fortsätta längs en rak bana. "Om du har en sicksack, du skapar en stor sprickyta och avleder mer energi, så du har högre seghet, säger Zhang.

En framtid inom flexibel elektronik?

Förutom dess mekaniska egenskaper, materialet är optiskt transparent och forskning tyder på att det till och med kan självläka vid temperaturer högre än 80 °C. Om produktionen kan skalas upp, det nya materialet skulle en dag kunna användas i flexibel elektronik – särskilt bärbara enheter som är mer benägna att skadas och går sönder.

Zhang och hans kollegor lämnade in patent på sitt material i mars, men de fortsätter att arbeta med att introducera andra önskvärda egenskaper till den. De mjuka domänerna i deras material består av en kiselbaserad polymer känd som PDMS, men forskarna misstänker att de skulle kunna förbättra de mekaniska egenskaperna ytterligare genom att experimentera med andra ämnen.

De skulle också vilja utöka materialets egenskaper till att omfatta anti-isning – förhindra att is fastnar på det vid låga temperaturer – och anti-fouling – förhindra vattenlevande organismer som musslor och alger att fästa på det – så att det kan användas under extrema förhållanden, såsom Arktis. "Detta material är en bra utgångspunkt, men vi vill lägga till lite annan funktionalitet, säger Zhang.