211service.com
Stærke, lette og strækbare materialer
Forskere har spredt små blodplader af aluminiumoxid i en polymer for at lave et materiale, der er sejt, elastisk og let. Materialet kan føre til længerevarende knogle- og tandimplantater og lettere, mere brændstofeffektive bil- og flydele. Det kan også bruges til at lave bøjelig, gennemsigtig elektronik.
Kopieringsart: Et tværsnit af perlemor eller perlemor viser calciumcarbonatplader arrangeret i lag adskilt af en biopolymer (øverst). Forskere har efterlignet nacres struktur ved at sprede aluminiumoxidplader i biopolymeren chitosan (nederst), hvilket giver en nanokomposit, der er stærk, elastisk og let.
I deres bestræbelser på at skabe stærke, men lette materialer, har kemikere og materialeforskere længe forsøgt at efterligne nanostrukturer, der findes i naturen. Skaller, knogler og tandemalje består alle af stive keramiske blodplader arrangeret i en polymermatrix som mursten i mørtel. Disse hybridmaterialer kombinerer styrken af keramik og strækbarheden af polymerer.
I 2007 konstruerede forskere fra University of Michigan lerforstærkede polymerer, der var ekstremt stærke, men skøre: det kræver meget energi at deformere dem, men når de deformeres, knækker de brat. Forskere ved MIT lykkedes med at lave stive, men mindre sprøde ler-polymer-kompositter, som vil tåle en vis strækning, før de går i stykker. (Se ultrahårde nanoteknologiske materialer.)
Ludwig Gauckler , professoren i materialer ved det schweiziske føderale institut for teknologi i Zürich, i Schweiz, der ledede det nye arbejde, siger, at hans gruppes komposit er endnu bedre. Det er fem gange så stærkt som materialet fremstillet på MIT, siger han, men det er stadig strækbart. En film af kompositten er allerede lige så stærk som aluminiumsfolie, siger Gauckler, men hvis den strækkes, kan den udvide sig med op til 25 procent af sin størrelse; aluminiumsfolie ville gå i stykker ved 2 procent.
En ekstra fordel ved hybridmaterialet er, at det er let, siger materialeforsker Andre Studart fra Harvard, der var involveret i arbejdet. Materialet er halvt til en fjerdedel så tungt som stål af samme styrke, siger Studart, og det ville være en god erstatning for glasfiber, som er almindeligt brugt i bildele. Fordi materialets styrke kommer fra blodpladerne diffunderet igennem det, siger Studart, vil det være stærkt i to retninger og ikke kun i én retning, som i tilfældet med fiberforstærket materiale.
Desuden, mens materialet er gennemsigtigt nu, kan dets struktur modificeres for at gøre det gennemsigtigt, hvilket gør det velegnet til dentalt materiale og gennemsigtige elektroniske kredsløb.
For at samle deres materiale dispergerer forskerne aluminiumoxidplader i ethanol og spreder blandingen over vand. Blodpladerne arrangerer sig selv i et enkelt lag på overfladen af vandet. Derefter dypper forskerne en glasplade i opløsningen og overfører blodpladerne til glasset. Til sidst afsætter de et lag af den biokompatible polymer chitosan oven på blodpladerne. Forskerne gentager denne proces, indtil tykkelsen af den endelige komposit er et par tiere mikrometer, og derefter piller de materialet af glaspladen med et barberblad.
Ved udformningen af materialet studerede forskerne omhyggeligt den mekaniske struktur af Nacre, det skinnende lag på indersiden af muslingeskaller, og forsøgte at forbedre det. Nacre har blodplader lavet af calciumcarbonat arrangeret i lag inde i en proteinbaseret polymer. Der er noget helt særligt ved størrelsen af disse blodplader, siger Studart. Nacre bruger specifik blodpladelængde og -tykkelse for at opnå den høje styrke og [strækbarhed], som du ser i metaller.
Forholdet mellem blodpladernes længde og tykkelse skal være helt rigtigt, siger Studart. Hvis det er for højt, knækker blodpladerne, når materialet strækkes. Hvis den er for lav, er materialet ikke særlig stift.
Forskerne valgte at arbejde med blodplader af aluminiumoxid, som er fem gange så stærke som de calciumcarbonat-blodplader, der findes i perlemor. De gjorde også deres blodplader tyndere - omkring 200 nanometer på tværs, i modsætning til de 500 til 1.000 nanometer af de naturligt forekommende blodplader - for at mindske sandsynligheden for fejl i deres struktur. Det bedste gennemsnitlige længde-til-tykkelse-forhold, beregnede forskerne, er 40, så de gjorde blodpladerne 5 til 10 mikrometer lange. Stærkere blodplader giver os mulighed for at bruge et højere forhold og derfor opnå højere styrke sammenlignet med skaller med en lavere koncentration af blodplader, siger Studart. Lave koncentrationer er vigtige, siger han, fordi det betyder, at kompositten har mere polymer og har meget [strækbarhed].
Dette er det tætteste nogen er kommet på at duplikere den mekaniske struktur og opførsel af et naturligt materiale, siger Francois Barthelat , en mekanisk ingeniørprofessor og biomimetisk materialeforsker ved McGill University i Montreal, Quebec. Men før materialet kan bruges, siger han, skal forskerne udvikle en hurtigere måde at lave det i større mængder.
Princeton University kemiprofessor Ilhan Aksay mener, at teknikken skal være let at modificere, så den er velegnet til bulkfremstilling. Man kunne lave store former med denne teknik, siger han. Han forestiller sig, at materialet kan være nyttigt til knogle- og tandimplantater.
Gauckler siger, at materialet har brug for mange forbedringer, før det kan bruges i praksis. En bedre polymer ville gøre kompositten stærkere. Forskerne skal også finde en måde at få bedre binding mellem aluminiumoxidet og polymeren på. For nu, siger Gauckler, har vi vist, at vi kan [komme tæt på] at gøre et lige så godt stykke arbejde som naturen.