La seta di ragno ispira un nuovo materiale dalle straordinarie proprietà meccaniche

Ispirati dalla seta di ragno estremamente resistente, i ricercatori di NTNU hanno sviluppato un nuovo materiale che sfida i compromessi visti in precedenza tra durata e robustezza.

Il materiale è un tipo di polimero noto come elastomero perché ha una flessibilità simile alla gomma. Gli elastomeri di nuova concezione presentano molecole contenenti otto legami idrogeno in un’unità ripetitiva, e sono questi legami che aiutano a distribuire uniformemente lo stress sul materiale e lo rendono estremamente durevole.

Gli otto legami idrogeno sono l’origine dello straordinario proprietà meccaniche“, afferma Zhiliang Zhang, professore di meccanica e materiali presso il Dipartimento di ingegneria strutturale di NTNU. Il materiale è stato sviluppato presso NTNU NanoLab ed è stato parzialmente finanziato dal Consiglio di ricerca norvegese.

materiale solido e solido

L’idea di introdurre un numero maggiore del solito di legami idrogeno è venuta dalla natura. “La seta di ragno ha lo stesso tipo di struttura”, afferma Yizhi Zhuo, che ha sviluppato nuovo materiale Come parte di un dottorato di ricerca. Lavoro post-dottorato. “Sapevamo che avrebbe potuto portare a proprietà molto speciali”.

Gli scienziati hanno precedentemente notato che la seta di ragno, in particolare la seta di trascinamento, che fornisce il filo e il bordo esterno della tela del ragno, è eccezionalmente dura e dura.

La durezza e la tenacità sono proprietà distinte in ingegneria e spesso sono opposte. I solidi possono sopportare molta pressione prima di deformarsi, mentre i solidi possono assorbire molta energia prima di rompersi. Il vetro, per esempio, è duro ma non duro.

Maggiore durezza

Finora si sono ripetute la doppia durezza e tenacità di ragnatele Nelle plastiche sintetiche non è possibile. “Con i materiali commerciali, se vuoi avere una durezza maggiore, hai una tenacità inferiore. È un compromesso. Non puoi avere entrambe le cose”, afferma Chang.

Il nuovo elastomero del team presenta sfere dure e morbide distintive. Dopo averlo ideato e realizzato, il team ha utilizzato un file Microscopio a forza atomica– con precisione frazionaria nanometrica – per osservare la struttura di base del materiale, osservando l’interfaccia tra le regioni dure e morbide.

Hanno visto che oltre agli otto legami di idrogeno Distribuendo lo stress, la discrepanza di durezza tra i domini duro e morbido ha aiutato a dissipare ulteriormente l’energia incoraggiando eventuali crepe a diramarsi piuttosto che continuare in un percorso rettilineo. “Se hai una forma a zigzag, crei una grande superficie per rompere e dissipare più energia, quindi hai durezza“dice Zhang.

Un futuro nell’elettronica flessibile?

Oltre alle sue proprietà meccaniche, il materiale è otticamente trasparente e la ricerca indica che può autorigenerarsi a temperature superiori a 80°C. Se la produzione può essere aumentata, il nuovo materiale potrebbe un giorno essere utilizzato nell’elettronica flessibile, in particolare nei dispositivi indossabili che sono più suscettibili a danni e rotture.

Zhang e i suoi colleghi hanno depositato un brevetto per il loro materiale a marzo, ma continuano a lavorare per introdurre altre proprietà desiderabili al suo interno. I domini morbidi nel loro materiale sono costituiti da un polimero a base di silicio noto come PDMS, ma i ricercatori sospettano che potrebbero migliorare ulteriormente le proprietà meccaniche sperimentando con altri materiali.

Vogliono anche espandere le proprietà del materiale per includere l’antigelo – che impedisce al ghiaccio di attaccarsi a basse temperature – e l’antivegetativa – che impedisce agli organismi acquatici come cozze e alghe di attaccarsi ad esso – in modo che possa essere utilizzato in condizioni estreme, come l’Artico. “Questo materiale è un buon punto di partenza, ma vogliamo aggiungere qualche funzionalità in più”, afferma Zhang.