27.07.2022 - The Pennsylvania State University

Bioinspiriertes Protein schafft dehnbare 2D-Schichtmaterialien

Die Natur bringt geschichtete Materialien wie Knochen und Perlmutt hervor, die mit zunehmendem Wachstum unempfindlicher gegen Defekte werden. Jetzt haben Forscher mit Hilfe biomimetischer Proteine, die den Ringzähnen von Tintenfischen nachempfunden sind, geschichtete 2D-Verbundmaterialien geschaffen, die bruchfest und extrem dehnbar sind.

"Forscher haben diese Grenzflächeneigenschaft für Knochen und Perlmutt nur selten beschrieben, weil sie experimentell schwer zu messen war", sagt Melik Demirel, Lloyd und Dorothy Foehr Huck Chair in Biomimetic Materials und Direktor des Center for Advanced Fiber Technologies an der Penn State.

2D-Verbundwerkstoffe bestehen aus atomdicken Schichten eines harten Materials wie Graphen oder einem MXen - in der Regel ein Übergangsmetallcarbid, -nitrid oder -carbonitrid -, die durch Schichten aus einem Klebstoff getrennt sind. Während große Graphen- oder MXen-Brocken Masseneigenschaften haben, beruht die Stärke von 2D-Verbundwerkstoffen auf den Grenzflächeneigenschaften.

"Da wir ein Grenzflächenmaterial verwenden, das wir durch wiederholte Sequenzen modifizieren können, können wir die Eigenschaften fein abstimmen", so Demirel. "Wir können es sehr flexibel und gleichzeitig sehr stark machen.

Er wies darauf hin, dass die Materialien auch einzigartige Wärmeleitregime oder Eigenschaften haben können, die Wärme in einer Richtung stärker verbreiten als in einem Winkel von 90 Grad. Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.

"Dieses Material würde sich hervorragend für Einlegesohlen von Laufschuhen eignen", so Demirel. "Es könnte den Fuß kühlen und die wiederholte Biegung würde die Einlegesohle nicht beschädigen.

Diese 2D-Verbundwerkstoffe könnten für flexible Leiterplatten, tragbare Geräte und andere Geräte verwendet werden, die Stärke und Flexibilität erfordern.

Demirel zufolge erklärt die herkömmliche Kontinuumstheorie nicht, warum diese Materialien sowohl stark als auch flexibel sind, aber Simulationen haben gezeigt, dass die Grenzfläche eine Rolle spielt. Bei einem höheren Anteil des Materials an der Grenzfläche bricht die Grenzfläche an einigen Stellen, wenn das Material belastet wird, aber das Material als Ganzes bricht nicht.

"Die Grenzfläche bricht, aber das Material nicht", so Demirel. "Wir haben erwartet, dass sie nachgiebig werden, aber plötzlich ist es nicht nur nachgiebig, sondern auch super dehnbar."

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