Bio-geïnspireerde proteïne creëert rekbare 2D gelaagde materialen

De natuur creëert gelaagde materialen zoals bot en parelmoer die minder gevoelig worden voor defecten naarmate ze groeien. Nu hebben onderzoekers, met behulp van biomimetische eiwitten die zijn gevormd op inktvisringtanden, samengestelde gelaagde 2D-materialen gemaakt die bestand zijn tegen breken en extreem rekbaar zijn.

“Onderzoekers rapporteerden zelden deze interface-eigenschap voor het bot en parelmoer omdat het moeilijk experimenteel te meten was”, zegt Melik Demirel, Lloyd en Dorothy Foehr Huck Chair in Biomimetic Materials en directeur van het Center for Advanced Fiber Technologies, Penn State.

Composiet 2D-materialen zijn opgebouwd uit atoomdikke lagen van een hard materiaal, zoals grafeen of een MXeen – meestal een overgangsmetaalcarbide, nitride of carbonitride – gescheiden door lagen van iets om de lagen aan elkaar te lijmen. Terwijl grote brokken grafeen of MXenen bulkeigenschappen hebben, komt de sterkte van 2D-composieten voort uit grensvlakeigenschappen.

“Omdat we een grensvlakmateriaal gebruiken dat we kunnen wijzigen door sequenties te herhalen, kunnen we de eigenschappen verfijnen”, zei Demirel. “We kunnen het tegelijkertijd heel flexibel en heel sterk maken.”

Hij merkte op dat de materialen ook unieke thermische geleidingsregimes of eigenschappen kunnen hebben, waardoor de warmte sterker in één richting wordt verspreid dan bij 90 graden. De resultaten van dit werk zijn vandaag (25 juli) gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences.

“Dit materiaal zou geweldig zijn voor inlegzolen voor hardloopschoenen”, zei Demirel. “Het zou de voet kunnen afkoelen en de herhaalde buiging zou de binnenzool niet breken.”

Deze 2D-composieten kunnen worden gebruikt voor flexibele printplaten, draagbare apparaten en andere apparatuur die kracht en flexibiliteit vereist.

Volgens Demirel verklaart de traditionele continuümtheorie niet waarom deze materialen zowel sterk als flexibel zijn, maar simulaties hebben aangetoond dat de interface ertoe doet. Wat blijkbaar gebeurt, is dat met een hoger percentage van het materiaal dat uit het grensvlak bestaat, het grensvlak breekt op plaatsen wanneer het materiaal onder spanning staat, maar het materiaal als geheel niet breekt.

“De interface breekt, maar het materiaal niet”, zegt Demirel. “We hadden verwacht dat ze compliant zouden worden, maar ineens is het niet alleen compliant, maar ook super rekbaar.”

Anderen die aan dit project uit Penn State werkten, waren Mert Vural, postdoctoraal fellow; Tarek Mazeed, postdoctoraal onderzoeker; Oguzhan Colak, afgestudeerde student; en Reginald F. Hamilton, universitair hoofddocent in Engineering Science and Mechanics.

Ook aan dit onderzoek werkten Dong Li en Huajian Gao, hoogleraar mechanische en ruimtevaarttechniek, beide aan de Nanyang Technological University, Singapore.