Örümcek ağı

Örümcekler avlarını yakalamak için hafif, güçlü ağlar örerler. NTNU araştırmacıları, potansiyel olarak yararlı özelliklere sahip yeni bir malzeme oluşturmak için ağın en güçlü kısımlarını, parmaklıkları ve dış kenarı taklit ettiler.

NTNU’daki araştırmacılar, örümcek ipeğinden esinlenerek benzeri görülmemiş sertlik ve tokluğa sahip yeni bir elastomer geliştirdiler.

Son derece güçlü örümcek ipeğinden ilham alan Norveç Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’ndeki (NTNU) araştırmacılar, daha önce görülen tokluk ve sertlik arasındaki dengelere meydan okuyan yeni bir malzeme geliştirdiler.

Malzeme, kauçuk benzeri bir esnekliğe sahip olduğu için elastomer olarak bilinen bir polimer türüdür. Yeni geliştirilen elastomer, bir tekrar ünitesinde sekiz hidrojen bağına sahip moleküllere sahiptir ve malzemeye uygulanan stresi eşit olarak dağıtmaya ve onu çok dayanıklı hale getirmeye yardımcı olan bu bağlardır.

NTNU Yapı Mühendisliği Bölümü’nde mekanik ve malzeme profesörü olan Zhiliang Zhang, “Sekiz hidrojen bağı olağanüstü mekanik özelliklerin kökenidir” diyor. Materyal NTNU NanoLab’da geliştirildi ve kısmen Norveç Araştırma Konseyi tarafından finanse edildi.

Sert ve sert madde

Normalden daha fazla sayıda hidrojen bağı sunma fikri doğadan geldi. Doktora ve doktora sonrası çalışmasının bir parçası olarak yeni malzemeyi geliştiren Yizhi Zhuo, “Örümcek ipeği aynı tür yapıyı içeriyor” diyor. “Bunun çok özel mülklerle sonuçlanabileceğini biliyorduk.”

Sert ve Yumuşak Etki Alanları Arasındaki Arayüz

Araştırmacılar, atomik kuvvet mikroskobu adı verilen özellikle güçlü bir mikroskop kullanarak sert ve yumuşak alanlar arasındaki arayüze baktılar. Kredi: Zhang ve diğerleri (2021)

Bilim adamları daha önce örümcek ipeğinin – özellikle örümcek ağının parmaklarını ve dış kenarını sağlayan dragline ipeğinin – hem son derece sert hem de sert olduğunu belirtmişlerdi.

Sertlik ve tokluk mühendislikte farklı özelliklerdir ve genellikle zıttır. Sert malzemeler deforme olmadan önce çok fazla gerilime dayanabilirken, sert malzemeler kırılmadan önce çok fazla enerji emebilir. Örneğin cam serttir ama sert değildir.

Daha fazla tokluk

Şimdiye kadar, sentetik elastomerlerde örümcek ipeğinin ikili sertliğini ve tokluğunu kopyalamak mümkün değildi. “Ticari malzemelerle, daha yüksek sertliğe sahip olmak istiyorsanız, daha düşük tokluğa sahipsiniz. Bu bir takas. İkisine birden sahip olamazsın,” diyor Zhang.

Sabit Etki Alanları Çatlakların Yayılmasını Önler

Sabit alanlar (burada gösterilen
turuncu) çatlakları önlemek
malzeme aracılığıyla yayılır. Kredi: Zhang ve diğerleri (2021)

Takımın yeni elastomeri, farklı sert ve yumuşak alanlara sahiptir. Ekip, onu tasarlayıp yaptıktan sonra, malzemenin altında yatan yapıya bakmak ve sert ve yumuşak bölgeler arasındaki arayüzü gözlemlemek için bir nanometrenin kesirlerinin çözünürlüğüne sahip bir atomik kuvvet mikroskobu kullandı.

Stresi dağıtan sekiz hidrojen bağının yanı sıra, sert ve yumuşak alanlar arasındaki sertlikteki uyumsuzluğun, düz bir yol boyunca devam etmek yerine herhangi bir çatlağı dallanmaya teşvik ederek enerjiyi daha da dağıtmaya yardımcı olduğunu gördüler. Zhang, “Zig-zagınız varsa, büyük bir kırılma yüzeyi yaratır ve daha fazla enerji harcarsınız, böylece daha yüksek tokluğa sahip olursunuz” diyor.

Zhiliang Zhang

Zhiliang Zhang, NTNU Yapı Mühendisliği Bölümü’nde mekanik ve malzeme profesörü. Kredi bilgileri: Jianying O

Esnek elektronikte bir gelecek mi?

Mekanik özelliklerinin yanı sıra, malzeme optik olarak şeffaftır ve araştırmalar, 80 °C’nin üzerindeki sıcaklıklarda bile kendi kendini iyileştirebileceğini göstermektedir. Üretim büyütülebilirse, yeni malzeme bir gün esnek elektroniklerde, özellikle de hasara ve kırılmaya daha yatkın giyilebilir cihazlarda kullanılabilir.

Zhang ve meslektaşları, Mart ayında malzemeleri için bir patent başvurusunda bulundular, ancak buna diğer arzu edilen özellikleri tanıtmak için çalışmaya devam ediyorlar. Materyallerindeki yumuşak alanlar, PDMS olarak bilinen silikon bazlı bir polimerden oluşuyor, ancak araştırmacılar, diğer maddelerle deneyler yaparak mekanik özellikleri daha da geliştirebileceklerinden şüpheleniyorlar.

Ayrıca malzemenin özelliklerini, buzlanmayı önleyici – düşük sıcaklıklarda buzun yapışmasını durduran – ve kirlenme önleyici – midye ve alg gibi suda yaşayan organizmaların ona yapışmasını önleyecek şekilde genişletmek istiyorlar, böylece aşırı koşullarda kullanılabilir. Arktik olarak. Zhang, “Bu materyal iyi bir başlangıç ​​noktası, ancak başka işlevler eklemek istiyoruz” diyor.

Referans: Yizhi Zhuo, Zhijie Xia, Yuan Qi, Takashi Sumigawa, Jianyang Wu, Petr Šesták, Yinan Lu, Verner Håkonsen, Tong Li, Feng Wang, Wei Chen, Senbo Xia tarafından “Ektuple Hydrogen Bonding ile Eşzamanlı Sertleştirme ve Sertleştirme Elastomerleri” Rong Long, Takayuki Kitamura, Liangbin Li, Jianying He ve Zhiliang Zhang, 3 Mayıs 2021, Gelişmiş Malzemeler.
DOI: 10.1002/adma.202008523

Araştırma, 255507 ve 245963 numaralı Norveç Araştırma Konseyi tarafından finanse edildi.





#Olağanüstü #Mekanik #Özelliklerle #Eşi #görülmemiş #Yeni #Malzeme