Bioinspirierte Materialien (BIM) sind synthetische Materialien, deren Struktur und Eigenschaften natürlichen Materialien oder lebender Materie ähneln. Aufgrund ihrer Haltbarkeit und Selbstheilungseigenschaften haben diese Materialien das Potenzial, Strukturmaterialien, Textilien und Schutzausrüstung weiterzuentwickeln.
Dr. Vanessa Restrepo, Assistenzprofessorin am J. Mike Walker ’66 Department of Mechanical Engineering, und ihr Team im Bio-Inspired Materials (BIM) Lab wollen bioinspirierte Materialien mit verbessertem Verhalten entwickeln, indem sie sich auf die Natur von Proteinen konzentrieren Entwicklung von Opferbindungsverbundwerkstoffen (Verbindungen, die brechen, bevor die Hauptstrukturverbindung unterbrochen wird) unter Verwendung nichtlinearer Klebematerialien.
Dieser Artikel wurde veröffentlicht in Materialien & Design.
Diese Forschung könnte sich bei ungünstigen Wetterbedingungen erheblich auf die elektrische Leitungsinfrastruktur auswirken. Mithilfe dieser Materialien könnten sich die Kabel immer weiter ausdehnen, um das zusätzliche Gewicht von Eisansammlungen oder plötzlichen Baumstürzen durch starken Wind zu tragen. Diese Flexibilität könnte Kabelbrüche verhindern und somit weniger Unterbrechungen im Stromnetz zur Folge haben.
„Unser Engagement gilt weiterhin der Weiterentwicklung bioinspirierter Materialien und ihrer Anwendungen in verschiedenen Branchen“, sagte Restrepo. „Wir sind begeistert von der potenziellen Wirkung und dem Beitrag dieser Materialien zu einer widerstandsfähigeren und nachhaltigeren Produktentwicklung.“
Unter nichtlinearen Klebstoffen versteht man laut Restrepo im Gegensatz zu herkömmlichen Klebstoffen ein von einem bilinearen Weg abweichendes Kraft-Weg-Verhalten. Im Gegensatz zu herkömmlichen Klebstoffen folgt das Kraft-Weg-Verhältnis nichtlinearer Klebstoffe keinem geradlinigen, zweistufigen Muster. Stattdessen zeigt es ein komplexeres und variableres Verhalten, wenn äußere Kräfte angewendet werden.
Um diese Forschung anzugehen, verwendet Restrepo eine skalenübergreifende Strategie, bei der nichtlineare Klebematerialien und entgegengesetzt gerichtete Magnete integriert werden, um Opferbindungsverbunde zu bilden, die denen ähneln, die in Proteinen wie der Perlmutt-Grenzfläche zu finden sind, bei der es sich um eine mehrschichtige Ziegel-und- Mörtel Naturmaterial 3000-mal bruchsicherer als seine Bestandteile.
Ihr Ansatz umfasst die Verwendung von Verbundwerkstoffen mit Opferbindung, die natürliche biologische Mechanismen nachahmen und bei mechanischem Versagen eine Energiedissipation und Selbstheilung ermöglichen. Die äußere Belastung bricht die Opferbindungen von Verbundwerkstoffen mit Opferbindung auf, und die gegenüberliegenden Magnete bringen die getrennte Grenzfläche zusammen, was die Neubildung ihrer Opferbindungen und die Selbstreparatur des Verbundwerkstoffs nach dem Aushalten großer Belastungen ermöglicht.
„Dies unterscheidet sich erheblich von aktuellen Materialien, denen diese intrinsischen Selbstreparaturfähigkeiten fehlen, was zu Einweg- und Wegwerfprodukten führt“, sagte sie. „Unsere vorgeschlagene Forschung befasst sich mit der Möglichkeit, vielseitig einsetzbare, selbstreparierende Energiedissipationsmechanismen wie Absturzsicherungen zu schaffen.“
Der Einsatz dieser innovativen Materialien könnte zu langlebigeren, kostengünstigeren und nachhaltigeren Produkten führen, die seltener ausgetauscht werden müssen, was schließlich zur Entwicklung selbstreparierender Materialien führen könnte, die in verschiedenen Alltagsgegenständen wie Schutzausrüstung und Textilien verwendet werden.
Das BIM-Labor arbeitete mit Dr. Ramses Martinez, außerordentlicher Professor an der Purdue University, zusammen, um diese Forschung durchzuführen. Diese Methode wurde kürzlich von Restrepo und seinem Team patentiert.
Mehr Informationen:
Vanessa Restrepo et al., Skalenübergreifendes Design energiedissipativer Verbundwerkstoffe unter Verwendung selbstreparierender Schnittstellen basierend auf Opferbindungen, Materialien & Design (2023). DOI: 10.1016/j.matdes.2023.112283