Bio-geïnspireerde cellulose-nanofibrillen kunnen worden gecontroleerd door elektriciteit

Fig.1: Elektrisch schakelen van biogeïnspireerde nanocomposieten op basis van CNF en waterstofgebonden polymeren, gebruikmakend van een joule-verwarming om thermo-reversibele supramoleculaire bindingen in het polymeerbindmiddel te moduleren. Credit: Nature Communications (2021). DOI: 10.1038 / s41467-021-21599-1

De materiaalkunde neemt graag de natuur en de bijzondere eigenschappen van levende wezens die mogelijk op materialen kunnen worden overgedragen als model. Een onderzoeksteam onder leiding van scheikundige professor Andreas Walther van de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz (JGU) is erin geslaagd materialen een bio-geïnspireerde eigenschap te geven: flinterdun, stijf nanopapier wordt onmiddellijk zacht en elastisch met een druk op de knop.

“We hebben het materiaal uitgerust met een mechanisme zodat de sterkte en stijfheid kunnen worden gemoduleerd via een elektrische schakelaar”, legt Walther uit. Zodra een elektrische stroom wordt aangelegd, wordt het nanopapier zacht; wanneer de stroom stopt, herwint het zijn kracht. Vanuit toepassingsperspectief zou deze omschakelbaarheid interessant kunnen zijn voor bijvoorbeeld dempende materialen. Het werk, waarbij ook wetenschappers van de Universiteit van Freiburg en de Cluster of Excellence on Living, Adaptive and Energy-autonome Materials Systems (livMatS), gefinancierd door de Duitse Research Foundation (DFG), betrokken waren, werd gepubliceerd in Nature Communications​

Inspiratie van de zeebodem: mechanische schakelaar heeft een beschermende functie

De op de natuur gebaseerde inspiratie komt in dit geval van zeekomkommers. Deze zeedieren hebben een speciaal verdedigingsmechanisme: wanneer ze worden aangevallen door roofdieren in hun leefgebied op de zeebodem, kunnen zeekomkommers hun weefsel aanpassen en versterken zodat hun zachte buitenkant onmiddellijk verstijft. “Dit is een adaptief mechanisch gedrag dat fundamenteel moeilijk te repliceren is”, zei professor Andreas Walther. Nu hun werk is gepubliceerd, is zijn team erin geslaagd het basisprincipe in gewijzigde vorm na te bootsen met een aantrekkelijk materiaal en een even aantrekkelijk schakelmechanisme.

De wetenschappers gebruikten cellulose-nanofibrillen die werden geëxtraheerd en verwerkt uit de celwand van bomen. Nanofibrillen zijn nog fijner dan de microvezels in gewoon papier en resulteren in een volledig transparant, bijna glasachtig papier. Het materiaal is stijf en sterk, aantrekkelijk voor lichtgewicht constructie. De eigenschappen zijn zelfs vergelijkbaar met die van aluminiumlegeringen. In hun werk paste het onderzoeksteam elektriciteit toe op deze op cellulose nanofibril gebaseerde nanopapiers. Door speciaal ontworpen moleculaire veranderingen wordt het materiaal daardoor flexibel. Het proces is omkeerbaar en kan worden bediend met een aan / uit-schakelaar.

“Dit is buitengewoon. Alle materialen om ons heen zijn niet erg veranderlijk, ze schakelen niet gemakkelijk van stijf naar elastisch en vice versa. Hier kunnen we, met behulp van elektriciteit, dat op een eenvoudige en elegante manier doen”, aldus Walther . De ontwikkeling verschuift dus van klassieke statische materialen naar materialen met eigenschappen die adaptief kunnen worden aangepast. Dit is relevant voor mechanische materialen, die zo beter bestand zijn tegen breuk, of voor adaptieve dempingsmaterialen, die bijvoorbeeld bij overbelasting kunnen overschakelen van stijf naar meegevend.

Gericht op een materiaal met een eigen energieopslag voor autonoom aan / uit schakelen

Op moleculair niveau houdt het proces in dat het materiaal wordt verwarmd door een stroom aan te leggen en zo de verknopingspunten omkeerbaar te verbreken. Het materiaal wordt zachter in correlatie met de aangelegde spanning, dwz hoe hoger de spanning, hoe meer verknopingspunten worden verbroken en hoe zachter het materiaal wordt. De toekomstvisie van professor Andreas Walther begint ook op het punt van de stroomvoorziening: hoewel momenteel een stroombron nodig is om de reactie te starten, zou het volgende doel zijn om een ​​materiaal te produceren met een eigen energieopslagsysteem, zodat de reactie in wezen “intern” geactiveerd zodra bijvoorbeeld een overbelasting optreedt en demping noodzakelijk wordt. “Nu moeten we de schakelaar zelf nog omdraaien, maar onze droom zou zijn dat het materiaalsysteem dit op eigen kracht zou kunnen doen.”