Knopen kleiner dan mensenhaar maken materialen ongewoon sterk

In de nieuwste vooruitgang op het gebied van nano- en micro-architected materialen, hebben ingenieurs bij Caltech een nieuw materiaal ontwikkeld dat is gemaakt van talloze onderling verbonden microschaalknopen.

De knopen maken het materiaal veel taaier dan identiek gestructureerde maar niet gekartelde materialen: ze absorberen meer energie en kunnen meer vervormen terwijl ze toch onbeschadigd in hun oorspronkelijke vorm kunnen terugkeren. Deze nieuwe geknoopte materialen kunnen toepassingen vinden in de biogeneeskunde en in ruimtevaarttoepassingen vanwege hun duurzaamheid, mogelijke biocompatibiliteit en extreme vervormbaarheid.

“Het vermogen om de algemene wisselwerking tussen materiaalvervormbaarheid en treksterkte te overwinnen [the ability to be stretched without breaking] biedt nieuwe manieren om apparaten te ontwerpen die extreem flexibel en duurzaam zijn en onder extreme omstandigheden kunnen werken’, zegt voormalig Caltech-afgestudeerde student Widianto P. Moestopo, nu aan het Lawrence Livermore National Laboratory. Moestopo is de hoofdauteur van een paper over knopen op nanoschaal dat werd gepubliceerd op 8 maart in Wetenschappelijke vooruitgang.

Moestopo hielp bij de ontwikkeling van het materiaal in het laboratorium van Julia R. Greer, de Ruben F. en Donna Mettler Professor of Materials Science, Mechanics and Medical Engineering; Fletcher Jones Foundation directeur van het Kavli Nanoscience Institute; en senior auteur van het artikel. Greer loopt voorop bij het creëren van dergelijke nano-architected materialen, of materialen waarvan de structuur is ontworpen en georganiseerd op nanometerschaal en die daardoor ongebruikelijke, vaak verrassende eigenschappen vertonen.

“Beginnen met het begrijpen hoe de knopen de mechanische respons van micro-architected materialen zouden beïnvloeden, was een nieuw out-of-the-box idee”, zegt Greer. “We hadden uitgebreid onderzoek gedaan naar het bestuderen van de mechanische vervorming van veel andere soorten microtextiel, bijvoorbeeld roosters en geweven materialen. Door ons in de wereld van knopen te wagen, kregen we diepere inzichten in de rol van wrijving en energiedissipatie, en bleek zinvol te zijn.”

Elke knoop is ongeveer 70 micrometer hoog en breed, en elke vezel heeft een straal van ongeveer 1,7 micrometer (ongeveer een honderdste van de straal van een mensenhaar). Hoewel dit niet de kleinste knopen zijn die ooit zijn gemaakt – in 2017 legden chemici een knoop gemaakt van een individuele streng van atomen – is dit de eerste keer dat een materiaal is gemaakt dat is samengesteld uit talloze knopen op deze schaal. Verder toont het de potentiële waarde aan van het opnemen van deze knopen op nanoschaal in een materiaal, bijvoorbeeld voor hechting of vastbinden in de biogeneeskunde.

De geknoopte materialen, die zijn gemaakt van polymeren, vertonen een treksterkte die ver uitstijgt boven die van niet-geknoopte maar anderszins structureel identieke materialen, inclusief materialen waarbij individuele strengen met elkaar verweven zijn in plaats van geknoopt. In vergelijking met hun ongeknoopte tegenhangers absorberen de geknoopte materialen 92 procent meer energie en hebben ze meer dan twee keer zoveel kracht nodig om te breken wanneer ze worden getrokken.

De knopen werden niet vastgebonden, maar vervaardigd in een geknoopte toestand door gebruik te maken van geavanceerde 3D-lithografie met hoge resolutie die in staat is structuren op nanoschaal te produceren. De monsters beschreven in de Wetenschappelijke vooruitgangpapier bevat eenvoudige knopen – een bovenhandse knoop met een extra draai die zorgt voor extra wrijving om extra energie te absorberen terwijl het materiaal wordt uitgerekt. In de toekomst is het team van plan materialen te onderzoeken die zijn opgebouwd uit complexere knopen.

Moestopo’s interesse in knopen kwam voort uit onderzoek dat hij in 2020 uitvoerde tijdens de COVID-19-lockdowns. “Ik kwam enkele werken tegen van onderzoekers die de mechanica van fysieke knopen bestuderen, in tegenstelling tot knopen in puur wiskundige zin. Ik beschouw mezelf niet als een klimmer, een zeeman of een wiskundige, maar ik heb mijn hele leven knopen gelegd, dus ik dacht dat het de moeite waard was om knopen in mijn ontwerpen te stoppen”, zegt hij.

Het artikel heeft een ironische titel: “Knoops zijn niet voor niets: ontwerp, eigenschappen en topologie van hiërarchische met elkaar verweven microarchitected-materialen.” Naval Research.