Denne artikkelen er produsert og finansiert av NTNU - les mer.

Edderkoppnettets fabelaktige egenskaper inspirerte forskerne til å lage det nye materialet.
Edderkoppnettets fabelaktige egenskaper inspirerte forskerne til å lage det nye materialet.

Edderkopptråder ga ideen til nytt, tøft materiale

Forskere har utviklet et syntetisk materiale som er stivere og sterkere enn andre. Edderkopptråder er forbildet.

Inspirert av ekstremt sterk edderkopptråd har forskere ved NTNU utviklet et nytt materiale som trosser tidligere kompromisser mellom styrke og stivhet.

Materialet er en type polymer, kjent som elastomer som har elastiske egenskaper.

Syntetiske polymerer lages i laboratoriet og er hovedkomponenten i plastprodukter. Polymerer er kjemiske forbindelser av kjedeformede molekyler som gjentar seg. Den nyutviklede elastomeren har molekyler med åtte hydrogenbindinger per repeterende del.

Det er disse hydrogenbindingene som hjelper til med å fordele belastningen på materialet og gjør at det tåler så mye.

Zhiliang Zhang, professor i mekanikk og materialer ved NTNUs Institutt for konstruksjonsteknikk.
Zhiliang Zhang, professor i mekanikk og materialer ved NTNUs Institutt for konstruksjonsteknikk.

– De åtte hydrogenbindingene er selve grunnlaget for de ekstraordinære, mekaniske egenskapene, sier Zhiliang Zhang, professor i mekanikk og materialer ved NTNUs Institutt for konstruksjonsteknikk.

Materialet ble utviklet ved NTNU NanoLab og arbeidet er delvis finansiert av Norges forskningsråd.

Stiv og sterk substans

Ideen til å tilføre materialet flere hydrogenbindinger enn vanlig kom fra naturen.

– Edderkoppens tråder har den samme typen struktur. Vi visste at dette kunne gi svært spesielle egenskaper, sier Yizhi Zhuo, som utviklet det nye materialet som del av arbeidet med doktorgraden og postdoktorperioden.

Forskere har tidligere notert seg at edderkoppens tråder er både eksepsjonelt stive og sterke. Helt spesifikt har de studert forankringssilken, også kalt linetråden, som eikene og den ytre delen av edderkoppnettet lages av.

Stivhet og styrke er to atskilte egenskaper innenfor ingeniørkunsten og er ofte motstridende. Stive materialer kan tåle stor belastning før de deformeres, mens sterke materialer kan absorbere mye energi før de brekker. Glass er for eksempel stivt, men ikke sterkt.

Elastomer enten sterk eller stiv

Inntil nå har det ikke vært mulig å kopiere både stivheten og styrken til edderkopptrådene i elastomerer.

– Med kommersielle materialer har det vært sånn at om du vil ha høyere stivhet, får du lavere styrke. Det er et kompromiss. Du har ikke fått begge deler, sier professor Zhang.

Teamets nye elastomer har atskilte harde og myke områder. Etter å ha utviklet og lagd dette, undersøkte de resultatet i atomkraftmikroskop med en oppløsning på en brøkdel av en nanometer.

De kunne se på den underliggende strukturen i materialet og observere grensene mellom de harde og de myke områdene.

De åtte hydrogenbindingene fordelte belastningene. I tillegg hjalp ulikhetene i stivhet mellom de harde og myke områdene til å redusere belastningen ytterligere ved at sprekker som oppsto, forgrenet seg istedenfor å fortsette langs en rett linje.

Forskerne så på veggene mellom de myke og de harde områdene ved å bruke et atomkraftmikroskop.
Forskerne så på veggene mellom de myke og de harde områdene ved å bruke et atomkraftmikroskop.

– Om du har et sikksakk-mønster, lager du en større frakturoverflate og fordeler mer energi, sånn at du får større styrke, sier Zhang.

En fremtid innenfor bærbar elektronikk?

Ved siden av de mekaniske egenskapene, er materialet gjennomsiktig. Forskningen antyder at det til og med kan reparere seg selv ved temperaturer over 80°C.

Om produksjonen kan skaleres opp, kan det nye materialet en dag bli brukt i fleksibel elektronikk, mer bestemt innenfor bærbar elektronikk som er utsatt for å bli skadet eller brekke.

Zhang og kollegene sendte inn en patentsøknad på materialet i mars, men de fortsetter med å arbeide for å gi det enda flere ønskede egenskaper.

Vil motvirke isdannelse og begroing

De myke delene av materialet er laget av en silisiumbasert polymer kalt PDMS, men forskerne håper at de kan forbedre de mekaniske egenskapene enda mer ved å eksperimentere med andre materialer.

De ønsker også å få materialet til å motvirke isdannelse, sånn at is ikke fester seg til det ved lave temperaturer.

De vil i tillegg at det skal hindre begroing, sånn at organismer som muslinger og alger ikke fester seg til materialet, for da kan det brukes under ekstreme forhold, som i Arktis.

– Dette materialet er et godt utgangspunkt, men vi ønsker å gi det flere funksjoner, sier professor Zhang.

Referanse:

Yizhi Zhuo mfl.: Simultaneously Toughening and Stiffening Elastomers with Octuple Hydrogen Bonding. Adv. Mater., 2021. Doi.org/10.1002/adma.202008523

Powered by Labrador CMS