Edderkopptråder ga idé til nytt materiale

Forskere ved NTNU har utviklet et nytt, syntetisk materiale, stivere og sterkere enn andre. Edderkopptråder er forbildet. Foto: Dag Erlandsen

Edderkopptråder ga idé til nytt materiale

24. september 2021 kl. 11:22
Dag ErlandsenJournalist og daglig leder

Inspirert av ekstremt sterk edderkopptråd har forskere ved NTNU utviklet et nytt materiale, med genial kombinasjon mellom styrke og stivhet.


Det melder nettstedet Gemini, som formidler forskningsnytt fra NTNU og SINTEF.

Materialet er en type polymer – elastomer på fint – med gummilignende, elastiske egenskaper.

Molekyler som gjentar seg
Polymerer er kjemiske forbindelser av kjedeformede molekyler som gjentar seg. Den nye elastomeren har molekyler med åtte hydrogenbindinger per repeterende del, og her ligger selve grunnlaget for de ekstraordinære, mekaniske egenskapene. Hydrogenbindingene hjelper til med å fordele belastningen på materialet, som gjør at det tåler mer, forteller 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.

Som regel motstridende egenskaper
Ideen om å tilføre materialet flere hydrogenbindinger enn vanlig kommer fra naturen.

– Edderkoppens tråder har den samme typen struktur som dette materialet, sier Yizhi Zhuo, som utviklet ideen i forbindelse med doktorgradsarbeidet sitt. Ferdig med doktorgraden fortsatte han arbeidet. – Vi visste at dette kunne gi svært spesielle egenskaper.

Forskere har tidligere notert seg at edderkoppens tråder er både eksepsjonelt stive og eksepsjonelt sterke. Helt spesifikt har de studert forankringssilken, også kalt linetråden, som eikene og den ytre delen av edderkoppnettet er laget 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 for eksempel, er stivt, men ikke sterkt.

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

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

Men om du har et sikksakk-mønster, lager du en større frakturoverflate og fordeler mer energi, slik at du får større styrke.

Harde og myke områder
Teamets nye elastomer har atskilte harde og myke områder. Etter å ha utviklet materialet, brukte de atomkraftmikroskop med en oppløsning på en brøkdel av en nanometer, for å se på den underliggende strukturen og observere grensene mellom de harde og de myke områdene.

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

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

Framtid 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.

Jobber med 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, slik at is ikke fester seg ved lave temperaturer. I tillegg vil de at det skal hindre begroing, slik at akvatiske organismer som muslinger og alger ikke fester seg til materialet. Da kan det også brukes under ekstreme forhold, som i Arktis.

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

 

Lyst til å lese mer? Her er en del eksterne lenker om prosjektet:

Arbeidet ble finansiert av Forskningrådet, med stipendnummer 255507 og 245963.

Referanse: Zhuo, Y., Xia, Z., Qi, Y., Sumigawa, T., Wu, J., Šesták, P., Lu, Y., Håkonsen, V., Li, T., Wang, F., Chen, W., Xiao, S., Long, R., Kitamura, T., Li, L., He, J., Zhang, Z., Simultaneously Toughening and Stiffening Elastomers with Octuple Hydrogen Bonding. Adv. Mater. 2021, 33, 2008523. https://doi.org/10.1002/adma.202008523