Die Natur schafft geschichtete Materialien wie Knochen und Perlmutt, die mit zunehmendem Wachstum weniger empfindlich für Defekte werden. Jetzt haben Forscher unter Verwendung von biomimetischen Proteinen, die auf Ringzähnen von Tintenfischen gemustert sind, geschichtete 2D-Verbundmaterialien geschaffen, die bruchfest und extrem dehnbar sind.
„Forscher berichteten selten über diese Grenzflächeneigenschaft für Knochen und Perlmutt, da sie experimentell schwer zu messen war“, sagte Melik Demirel, Lloyd-und-Dorothy-Föhr-Huck-Lehrstuhl für Biomimetische Materialien und Direktor des Center for Advanced Fiber Technologies, Penn State.
2D-Verbundmaterialien bestehen aus atomdicken Schichten eines harten Materials wie Graphen oder MXen – normalerweise ein Übergangsmetallcarbid, -nitrid oder -carbonitrid –, die durch Schichten aus etwas getrennt sind, um die Schichten zusammenzukleben. Während große Stücke von Graphen oder MXen Masseneigenschaften haben, beruht die Festigkeit von 2D-Verbundwerkstoffen auf Grenzflächeneigenschaften.
„Da wir ein Grenzflächenmaterial verwenden, das wir durch Wiederholung von Sequenzen modifizieren können, können wir die Eigenschaften fein abstimmen“, sagte Demirel. „Wir können es gleichzeitig sehr flexibel und sehr stark machen.“
Unter Verwendung biomimetischer Proteine, die auf Ringzähnen von Tintenfischen gemustert sind, haben Forscher zusammengesetzte geschichtete 2D-Materialien geschaffen, die bruchfest und extrem dehnbar sind. Bildnachweis: Burcu Dursun, Penn State
Er stellte fest, dass die Materialien auch einzigartige Wärmeleitungsregime oder Eigenschaften haben können, die Wärme in einer Richtung stärker verteilen als bei 90 Grad. Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden heute (25. Juli) im veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences.
„Dieses Material wäre toll für Einlegesohlen für Laufschuhe“, sagt Demirel. „Es könnte den Fuß kühlen und das wiederholte Biegen würde die Innensohle nicht beschädigen.“
Diese 2D-Verbundwerkstoffe könnten für flexible Leiterplatten, tragbare Geräte und andere Geräte verwendet werden, die Festigkeit und Flexibilität erfordern.
Laut Demirel erklärt die traditionelle Kontinuumstheorie nicht, warum diese Materialien sowohl stark als auch flexibel sind, aber Simulationen zeigten, dass die Grenzfläche wichtig ist. Was offenbar passiert, ist, dass bei einem höheren Prozentsatz des Materials, das aus der Grenzfläche besteht, die Grenzfläche stellenweise bricht, wenn das Material unter Spannung steht, aber das Material als Ganzes nicht bricht.
„Die Schnittstelle bricht, aber das Material nicht“, sagt Demirel. „Wir haben erwartet, dass sie nachgiebig werden, aber plötzlich ist es nicht nur nachgiebig, sondern auch super dehnbar.“
Andere, die an diesem Projekt von Penn State arbeiteten, waren Mert Vural, Postdoktorand; Tarek Mazeed, Postdoktorand; Oguzhan Colak, Doktorand; und Reginald F. Hamilton, außerordentlicher Professor für Ingenieurwissenschaften und Mechanik.
An dieser Forschung arbeiteten auch Dong Li und Huajian Gao, Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, beide an der Nanyang Technological University, Singapur.
Bioinspirierte dehnbare molekulare Verbundwerkstoffe aus 2D-Schichtmaterialien und Tandem-Wiederholungsproteinen, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2120021119.