211service.com
Starka, lätta och stretchiga material
Forskare har spridit små plättar av aluminiumoxid i en polymer för att göra ett material som är segt, stretchigt och lätt. Materialet kan leda till mer hållbara ben- och tandimplantat och lättare, mer bränslesnåla bil- och flygplansdelar. Den kan också användas för att göra böjbar, transparent elektronik.
Kopieringsnatur: Ett tvärsnitt av pärlemor, eller pärlemor, visar kalciumkarbonatplättar arrangerade i lager åtskilda av en biopolymer (överst). Forskare har efterliknat pärlemors struktur genom att sprida aluminiumoxidplättar i biopolymeren kitosan (botten), vilket ger en nanokomposit som är stark, stretchig och lätt.
I sina ansträngningar att skapa starka men lätta material har kemister och materialforskare länge försökt efterlikna nanostrukturer som finns i naturen. Skal, ben och tandemalj består alla av styva keramiska blodplättar arrangerade i en polymermatris som tegelstenar i murbruk. Dessa hybridmaterial kombinerar styrkan hos keramer och töjbarheten hos polymerer.
År 2007 konstruerade forskare vid University of Michigan lerförstärkta polymerer som var extremt starka men spröda: det tar mycket energi att deformera dem, men när de deformeras går de abrupt sönder. Forskare vid MIT lyckades göra styva men mindre spröda lera-polymerkompositer, som tål viss sträckning innan de går sönder. (Se Ultra-Tough Nanotech Materials.)
Ludwig Gauckler , professorn i material vid Swiss Federal Institute of Technology Zürich, i Schweiz, som ledde det nya arbetet, säger att hans grupps komposit är ännu bättre. Det är fem gånger så starkt som materialet tillverkat vid MIT, säger han, men det är fortfarande stretchigt. En film av kompositen är redan lika stark som aluminiumfolie, säger Gauckler, men om den sträcks kan den expandera med upp till 25 procent av sin storlek; aluminiumfolie skulle gå sönder vid 2 procent.
En ytterligare fördel med hybridmaterialet är att det är lätt, säger materialforskaren Andre Studart från Harvard, som var involverad i arbetet. Materialet är hälften till en fjärdedel så tungt som stål med samma hållfasthet, säger Studart, och det skulle vara ett bra substitut för glasfiber, som vanligtvis används i bildelar. Eftersom materialets styrka kommer från blodplättarna som sprids genom det, säger Studart, kommer det att vara starkt i två riktningar och inte bara i en riktning, som i fallet med fiberförstärkt material.
Dessutom, även om materialet är genomskinligt nu, kan dess struktur modifieras för att göra det transparent, vilket gör det lämpligt för dentalt material och transparenta elektroniska kretsar.
För att montera sitt material dispergerar forskarna aluminiumoxidplättar i etanol och sprider blandningen över vatten. Blodplättarna ordnar sig i ett enda lager på vattenytan. Sedan doppar forskarna en glasskiva i lösningen och överför blodplättarna till glaset. Slutligen avsätter de ett lager av den biokompatibla polymeren kitosan ovanpå blodplättarna. Forskarna upprepar denna process tills tjockleken på den slutliga kompositen är några tiotals mikrometer, och sedan drar de bort materialet från glasplattan med ett rakblad.
Vid utformningen av materialet studerade forskarna noggrant den mekaniska strukturen hos pärlemor, det glänsande lagret på insidan av snäckskal, och försökte förbättra den. Nacre har blodplättar gjorda av kalciumkarbonat arrangerade i lager inuti en proteinbaserad polymer. Det är något väldigt speciellt med storleken på dessa blodplättar, säger Studart. Nacre använder specifik blodplättslängd och tjocklek för att uppnå den höga hållfastheten och [töjbarheten] som du ser i metaller.
Förhållandet mellan längden och tjockleken på blodplättarna måste vara precis rätt, säger Studart. Om den är för hög går blodplättarna sönder när materialet sträcks. Om den är för låg är materialet inte särskilt styvt.
Forskarna valde att arbeta med blodplättar av aluminiumoxid, som är fem gånger så starka som de kalciumkarbonatplättar som finns i pärlemor. De gjorde också sina blodplättar tunnare - cirka 200 nanometer tvärs över, i motsats till 500 till 1 000 nanometer av de naturligt förekommande blodplättarna - för att minska sannolikheten för brister i deras struktur. Det bästa genomsnittliga förhållandet mellan längd och tjocklek, beräknade forskarna, är 40, så de gjorde blodplättarna 5 till 10 mikrometer långa. Starkare blodplättar gör att vi kan använda ett högre förhållande och därför uppnå högre styrka, jämfört med skal, med en lägre koncentration av blodplättar, säger Studart. Låga koncentrationer är viktiga, säger han, eftersom det betyder att kompositen har mer polymer och har mycket [töjbarhet].
Det här är det närmaste någon har kommit till att duplicera den mekaniska strukturen och beteendet hos ett naturligt material, säger Francois Barthelat , en mekanisk ingenjörsprofessor och biomimetiska materialforskare vid McGill University, i Montreal, Quebec. Men innan materialet kan användas, säger han, måste forskarna utveckla ett snabbare sätt att göra det i större mängder.
Princeton University kemiprofessor Ilhan Aksay tycker att tekniken ska vara lätt att modifiera så att den passar för bulktillverkning. Man skulle kunna göra stora former med den här tekniken, säger han. Han föreställer sig att materialet kan vara användbart för ben- och tandimplantat.
Gauckler säger att materialet behöver många förbättringar innan det kan användas praktiskt. En bättre polymer skulle göra kompositen starkare. Forskarna måste också hitta ett sätt att få bättre bindning mellan aluminiumoxiden och polymeren. För nu, säger Gauckler, har vi visat att vi kan [komma nära] att göra ett lika bra jobb som naturen.