Materialvetenskapen tar gärna naturen och de speciella egenskaperna hos levande varelser som potentiellt skulle kunna överföras till material som modell. En forskargrupp ledd av kemisten professor Andreas Walther från Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) har lyckats förse material med en bioinspirerad egenskap:Råtunt styvt nanopapper blir omedelbart mjukt och elastiskt med en knapptryckning.

"Vi har utrustat materialet med en mekanism så att styrkan och styvheten kan moduleras via en elektrisk strömbrytare, " förklarade Walther. Så snart en elektrisk ström tillförs, nanopappret blir mjukt; när strömflödet upphör, den återfår sin styrka. Ur ett applikationsperspektiv, denna omkopplingsförmåga kan vara intressant för dämpningsmaterial, till exempel. Arbetet, som också involverade forskare från University of Freiburg och Cluster of Excellence on Living, Adaptiv, och energiautonoma materialsystem (livMatS) finansierade av den tyska forskningsstiftelsen (DFG), publicerades i Naturkommunikation .

Inspiration från havsbotten:Mekanisk strömbrytare har en skyddande funktion

Den naturbaserade inspirationen i det här fallet kommer från sjögurkor. Dessa marina varelser har en speciell försvarsmekanism:när de attackeras av rovdjur i deras livsmiljö på havsbotten, sjögurkor kan anpassa och stärka sin vävnad så att deras mjuka yttre omedelbart stelnar. "Detta är ett adaptivt mekaniskt beteende som är fundamentalt svårt att replikera, " sa professor Andreas Walther. Med deras arbete som nu publicerats, hans team har lyckats efterlikna grundprincipen i en modifierad form med ett attraktivt material och en lika attraktiv växlingsmekanism.

Forskarna använde nanofibriller av cellulosa som extraherades och bearbetades från trädens cellvägg. Nanofibriller är ännu finare än mikrofibrerna i standardpapper och resulterar i en helt transparent, nästan glasliknande papper. Materialet är styvt och starkt, tilltalande för lätt konstruktion. Dess egenskaper är till och med jämförbara med de hos aluminiumlegeringar. I sitt arbete, forskargruppen applicerade elektricitet på dessa nanofibrillbaserade nanopapper av cellulosa. Med hjälp av specialdesignade molekylära förändringar, materialet blir flexibelt som ett resultat. Processen är reversibel och kan styras med en på/av-brytare.

"Det här är extraordinärt. Allt material runt omkring oss är inte särskilt föränderligt, de växlar inte lätt från styv till elastisk och vice versa. Här, med hjälp av el, vi kan göra det på ett enkelt och elegant sätt, ", sa Walther. Utvecklingen går alltså bort från klassiska statiska material mot material med egenskaper som kan anpassas adaptivt. Detta är relevant för mekaniska material, som därmed kan göras mer motståndskraftig mot frakturer, eller för adaptiva dämpningsmaterial, som kan växla från styv till följsam när den är överbelastad, till exempel.

Inriktning på ett material med egen energilagring för autonom på/av-omkoppling

På molekylär nivå, processen går ut på att värma upp materialet genom att applicera en ström och därmed reversibelt bryta tvärbindningspunkter. Materialet mjuknar i korrelation med den applicerade spänningen, dvs. ju högre spänning, ju fler tvärbindningspunkter bryts och desto mjukare blir materialet. Professor Andreas Walthers framtidsvision börjar också vid strömförsörjningspunkten:Medan det för närvarande behövs en strömkälla för att starta reaktionen, nästa mål skulle vara att producera ett material med ett eget energilagringssystem, så att reaktionen i huvudsak utlöses "internt" så snart, till exempel, en överbelastning uppstår och dämpning blir nödvändig. "Nu måste vi fortfarande vända strömbrytaren själva, men vår dröm skulle vara att det materiella systemet skulle kunna åstadkomma detta på egen hand."