Kredit:Burcu Dursun, Penn State
Naturen skapar skiktade material som ben och pärlemor som blir mindre känsliga för defekter när de växer. Nu har forskare skapat, med hjälp av biomimetiska proteiner mönstrade på bläckfiskringtänder, sammansatta skiktade 2D-material som är motståndskraftiga mot brott och extremt töjbara.
"Forskare rapporterade sällan denna gränssnittsegenskap för benet och pärlemor eftersom det var svårt att mäta experimentellt", säger Melik Demirel, Lloyd och Dorothy Foehr Huck ordförande i Biomimetic Materials och chef för Center for Advanced Fiber Technologies, Penn State.
Sammansatta 2D-material består av atomtjocka lager av ett hårt material, som grafen eller en MXene - vanligtvis en övergångsmetallkarbid, nitrid eller karbonitrid - separerade av lager av något för att limma ihop lagren. Medan stora bitar av grafen eller MXener har bulkegenskaper, kommer 2D-kompositernas styrka från gränssnittsegenskaper.
"Eftersom vi använder ett gränssnittsmaterial som vi kan modifiera genom att upprepa sekvenser, kan vi finjustera egenskaperna," sa Demirel. "Vi kan göra det väldigt flexibelt och väldigt starkt på samma gång."
Han noterade att materialen också kan ha unika värmeledningsregimer, eller egenskaper, som sprider värme i en riktning starkare än vid 90 grader. Resultaten av detta arbete publicerades idag (25 juli) i Proceedings of the National Academy of Sciences .
"Detta material skulle vara bra för innersulor för löparskor," sa Demirel. "Det kunde kyla foten och den upprepade böjningen skulle inte bryta innersulan."
Dessa 2D-kompositer skulle kunna användas för flexibla kretskort, bärbara enheter och annan utrustning som kräver styrka och flexibilitet.
Enligt Demirel förklarar inte traditionell kontinuumteori varför dessa material är både starka och flexibla, men simuleringar visade att gränssnittet är viktigt. Vad som tydligen händer är att med en högre procentandel av materialet som består av gränssnittet, går gränssnittet sönder på platser när materialet är under stress, men materialet som helhet går inte sönder.
"Gränssnittet går sönder, men materialet gör det inte", sa Demirel. "Vi förväntade oss att de skulle bli följsamma, men helt plötsligt är de inte bara följsamma, utan supertöjbara."
Andra som arbetade med detta projekt från Penn State var Mert Vural, postdoktor; Tarek Mazeed, postdoktor; Oguzhan Colak, doktorand; och Reginald F. Hamilton, docent i ingenjörsvetenskap och mekanik.
Dong Li och Huajian Gao, professor i mekanisk och rymdteknik, båda vid Nanyang Technological University, Singapore, arbetade med denna forskning. + Utforska vidare
