Forskare vid Rice University har skapat ett syntetiskt material som blir starkare av upprepad stress ungefär som att kroppen stärker ben och muskler efter upprepade träningspass.

Arbete av Pulickel Ajayans rislab, professor i maskinteknik och materialvetenskap och i kemi, visar potentialen för att förstyva polymerbaserade nanokompositer med kolnanorörsfyllmedel. Teamet rapporterade sin upptäckt denna månad i tidskriften ACS Nano .

Tricket, det verkar, ligger i komplexet, dynamiskt gränssnitt mellan nanostrukturer och polymerer i noggrant konstruerade nanokompositmaterial.

Brent Carey, en doktorand i Ajayans labb, hittade den intressanta egenskapen när han testade högcykelutmattningsegenskaperna hos en komposit han gjorde genom att infiltrera en skog av vertikalt inriktade, flerväggiga nanorör med polydimetylsiloxan (PDMS), en inert, gummiartad polymer. Till hans stora förvåning, Att upprepade gånger ladda materialet verkade inte skada det alls. Faktiskt, stressen gjorde det styvare.

Carey, vars forskning sponsras av ett NASA-stipendium, använde dynamisk mekanisk analys (DMA) för att testa sitt material. Han upptäckte att efter häpnadsväckande 3,5 miljoner kompressioner (fem per sekund) under ungefär en veckas tid, kompositens styvhet hade ökat med 12 procent och visade på potentialen för ytterligare förbättringar.

"Det krävdes lite justeringar för att få instrumentet att göra detta, ", sa Carey. "DMA antar i allmänhet att ditt material inte förändras på något permanent sätt. I de tidiga testerna, programvaran fortsatte att berätta för mig, "Jag har skadat provet!" när stelheten ökade. Jag var också tvungen att lura det med en olöslig programslinga för att uppnå det höga antalet cykler."

Materialforskare vet att metaller kan härda under upprepad deformation, ett resultat av skapandet och fastsättningen av defekter - så kallade dislokationer - i deras kristallina gitter. Polymerer, som är gjorda av långa, upprepade kedjor av atomer, uppför dig inte på samma sätt.

Teamet är inte säkra på exakt varför deras syntetiska material beter sig som det gör. "Vi kunde utesluta ytterligare tvärbindning i polymeren som en förklaring, " sade Carey. "Datan visar att det finns väldigt lite kemisk interaktion, om någon, mellan polymeren och nanorören, och det verkar som att det här vätskegränssnittet utvecklas under stress."

"Användningen av nanomaterial som fyllmedel ökar denna gränsyta enormt för samma mängd tillsatt fyllmedel, " sa Ajayan. "Därför, de resulterande gränsyteffekterna förstärks jämfört med konventionella kompositer.

"För konstruerade material, folk skulle älska att ha en sådan här komposit, ", sa han. "Detta arbete visar hur nanomaterial i kompositer kan användas kreativt."

De hittade också en annan sanning om detta unika fenomen:Att bara komprimera materialet förändrade inte dess egenskaper; bara dynamisk stress - att deformera den om och om igen - gjorde den styvare.

Carey drog en analogi mellan deras material och ben. "Så länge du regelbundet stressar ett ben i kroppen, den kommer att förbli stark, " sa han. "T.ex. benen i racketarmen på en tennisspelare är tätare. Väsentligen, detta är en adaptiv effekt som vår kropp använder för att motstå de belastningar som den utsätts för.

"Vårt material är liknande i den meningen att en statisk belastning på vår komposit inte orsakar någon förändring. Du måste dynamiskt stressa det för att förbättra det."

Brosk kan vara en bättre jämförelse - och möjligen till och med en framtida kandidat för nanokompositersättning. "Vi kan föreställa oss att detta svar är attraktivt för att utveckla konstgjort brosk som kan svara på krafterna som appliceras på det men förblir böjligt i områden som inte är stressade, " sa Carey.

Båda forskarna noterade att detta är den typ av grundforskning som ställer fler frågor än den svarar. Även om de enkelt kan mäta materialets bulkegenskaper, det är en helt annan historia att förstå hur polymeren och nanorören interagerar på nanoskala.

"Människor har försökt ta itu med frågan om hur polymerskiktet runt en nanopartikel beter sig, " sa Ajayan.
"Det är ett mycket komplicerat problem. Men i grunden, det är viktigt om du är en ingenjör av nanokompositer.

"Ur det perspektivet, Jag tycker att detta är ett vackert resultat. Det säger oss att det är möjligt att konstruera gränssnitt som får materialet att göra okonventionella saker."