Edderkopptråder ga ideen til tøft materiale
Forskere ved NTNU har utviklet et nytt, syntetisk materiale, en elastomer som er stivere og sterkere enn andre. Edderkopptråder er forbildet.
Inspirert av ekstremt sterk edderkopptråd har forskere ved NTNU utviklet et nytt materiale som trosser tidligere kompromisser mellom styrke og stivhet. Materialet er en type polymer, kjent som elastomer fordi de har gummilignende, altså elastiske, egenskaper.
Polymerer er kjemiske forbindelser av kjedeformede molekyler som gjentar seg. Den nyutviklede elastomeren har molekyler med åtte hydrogenbindinger per repeterende del.
De åtte hydrogenbindingene er selve grunnlaget for de ekstraordinære, mekaniske egenskapene.
Det er disse hydrogenbindingene som hjelper til med å fordele belastningen på materialet, og gjør at det tåler så mye.
– De åtte hydrogenbindingene er selve grunnlaget for de ekstraordinære, mekaniske egenskapene, sier Zhiliang Zhang, professor i mekanikk og materialer ved NTNUs Institutt for konstruksjonsteknikk.
Materialet ble utviklet ved NTNU NanoLab og arbeidet er delvis finansiert av Norges forskningsråd.
- Les også: Den brennende isens hemmeligheter
Stiv og sterk substans
Ideen til å tilføre materialet flere hydrogenbindinger enn vanlig kom fra naturen.
– Edderkoppens tråder har den samme typen struktur, sier Yizhi Zhuo, som utviklet det nye materialet som del av arbeidet med doktorgraden og postdoktorperioden. – Vi visste at dette kunne gi svært spesielle egenskaper.
Forskere har tidligere notert seg at edderkoppens tråder er både eksepsjonelt stive og sterke. Helt spesifikt har de studert forankringssilken, også kalt linetråden, som eikene og den ytre delen av edderkoppnettet lages av.
Stivhet og styrke er to atskilte egenskaper innenfor ingeniørkunsten, og er ofte motstridende. Stive materialer kan tåle stor belastning før de deformeres, mens sterke materialer kan absorbere mye energi før de brekker. Glass er for eksempel stivt, men ikke sterkt.
Elastomer enten sterk eller stiv
Inntil nå har det ikke vært mulig å kopiere både stivheten og styrken til edderkopptrådene i elastomerer.
– Med kommersielle materialer har det vært sånn at om du vil ha høyere stivhet, får du lavere styrke. Det er et kompromiss. Du har ikke fått begge deler, sier professor Zhang.
Om du har et sikksakk-mønster, lager du en større frakturoverflate og fordeler mer energi, sånn at du får større styrke.
Teamets nye elastomer har atskilte harde og myke områder. Etter å ha utviklet og lagd den, brukte de atomkraftmikroskop med en oppløsning på en brøkdel av en nanometer, for å se på den underliggende strukturen i materialet, og for å observere grensene mellom de harde og de myke områdene.
I tillegg til at de åtte hydrogenbindingene fordelte belastningene, hjalp ulikhetene i stivhet mellom de harde og myke områdene til å redusere belastningen ytterligere ved at sprekker som oppsto forgrenet seg istedenfor å fortsette langs en rett linje.
– Om du har et sikksakk-mønster, lager du en større frakturoverflate og fordeler mer energi, sånn at du får større styrke, sier Zhang.
En fremtid innenfor bærbar elektronikk?
Ved siden av de mekaniske egenskapene, er materialet gjennomsiktig. Forskningen antyder at det til og med kan reparere seg selv ved temperaturer over 80°C.
Om produksjonen kan skaleres opp, kan det nye materialet en dag bli brukt i fleksibel elektronikk, mer bestemt innenfor bærbar elektronikk som er utsatt for å bli skadet eller brekke.
Zhang og kollegene sendte inn en patentsøknad på materialet i mars, men de fortsetter med å arbeide for å gi det enda flere ønskede egenskaper.
- Les også: Får problematisk is til å sprekke opp
Vil motvirke isdannelse og begroing
De myke delene av materialet er laget av en silisiumbasert polymer kalt PDMS, men forskerne håper at de kan forbedre de mekaniske egenskapene enda mer ved å eksperimentere med andre materialer.
De ønsker også å få materialet til å motvirke isdannelse, sånn at is ikke fester seg til det ved lave temperaturer. De vil i tillegg at det skal hindre begroing, sånn at akvatiske organismer som muslinger og alger ikke fester seg til materialet, for da kan det brukes under ekstreme forhold, som i Arktis.
– Dette materialet er et godt utgangspunkt, men vi ønsker å gi det flere funksjoner, sier professor Zhang.
Arbeidet ble finansiert av Forskningrådet stipendnummer 255507 og 245963.
Referanse: Zhuo, Y., Xia, Z., Qi, Y., Sumigawa, T., Wu, J., Šesták, P., Lu, Y., Håkonsen, V., Li, T., Wang, F., Chen, W., Xiao, S., Long, R., Kitamura, T., Li, L., He, J., Zhang, Z., Simultaneously Toughening and Stiffening Elastomers with Octuple Hydrogen Bonding. Adv. Mater. 2021, 33, 2008523. https://doi.org/10.1002/adma.202008523