Gli scienziati dei materiali della Rice University stanno guardando alla natura:i dischi nelle spine umane e la pelle nei pesci che si tuffano nell'oceano, per esempio, per indizi sulla progettazione di materiali con proprietà apparentemente contraddittorie, flessibilità e rigidità.

Nella ricerca che appare online sulla rivista Interfacce materiali avanzati , studente laureato Peter Owuor, il ricercatore Chandra Sekhar Tiwary e i colleghi dei laboratori di Rice Professor Pulickel Ajayan e Jun Lou hanno scoperto che potrebbero aumentare la rigidità, o "modulo elastico, " di un morbido polimero a base di silicio infondendolo con minuscole sacche di gallio liquido.

Tali compositi potrebbero trovare impiego in materiali ad alto assorbimento di energia e ammortizzatori e in strutture biomimetiche come i dischi intervertebrali artificiali, loro hanno detto.

Owuor ha affermato che la saggezza convenzionale nella progettazione dei compositi negli ultimi 60 anni è stata che l'aggiunta di una sostanza più dura aumenta il modulo e l'aggiunta di una più morbida riduce il modulo. Nella maggior parte dei casi, è corretto.

"La gente non l'aveva davvero guardata dall'altra parte, " ha detto. "È possibile aggiungere qualcosa di morbido dentro qualcos'altro che è anche morbido e ottenere qualcosa che ha un modulo più alto? Se guardi il mondo naturale, ci sono molti esempi in cui trovi esattamente questo. Come scienziati dei materiali, abbiamo voluto studiare questo, non da un punto di vista biologico, ma piuttosto da un punto di vista meccanico."

Per esempio, i dischi tra le vertebre nelle spine umane, che agiscono sia come ammortizzatori che come legamenti, sono costituiti da uno strato esterno duro di cartilagine e da un morbido, interno gelatinoso. E la pelle esterna dei pesci e dei mammiferi oceanici che si immergono in profondità contiene una miriade di minuscole camere piene di olio, alcune non più grandi di un virus e altre più grandi di intere cellule, che consentono agli animali di resistere alle intense pressioni che esistono migliaia di piedi sotto la superficie dell'oceano. superficie.

La scelta dei materiali di base per modellare questi sistemi viventi è stata relativamente facile, ma trovare un modo per unirli per imitare la natura si è rivelato difficile, disse Tiwary, un associato di ricerca post-dottorato presso il Dipartimento di Scienza dei materiali e Nanoingegneria della Rice.

polidimetilsilossano, o PDMS, è stato scelto come strato incapsulante morbido per una serie di motivi:è economico, inerte, non tossico e ampiamente utilizzato in tutto, dal mastice e sigillanti per acquari, ai cosmetici e agli additivi alimentari. Si asciuga anche chiaro, che ha reso facile vedere le bolle di liquido che il team voleva incapsulare. Per quello, i ricercatori hanno scelto il gallio, che come il mercurio è liquido a temperatura ambiente, ma a differenza del mercurio non è tossico e relativamente facile da lavorare.

Owuor ha detto che ci sono voluti quasi quattro mesi per trovare una ricetta per incapsulare bolle di gallio all'interno del PDMS. I suoi campioni di prova hanno il diametro di una piccola moneta e lo spessore di un quarto di pollice. Curando lentamente il PDMS, Owuor sviluppò un processo mediante il quale poteva aggiungere goccioline di gallio di varie dimensioni. Alcuni campioni contenevano una grande camera interna, e altri contenevano fino a una dozzina di goccioline discrete.

Ogni campione è stato sottoposto a decine di test. Uno strumento di analisi meccanica dinamica è stato utilizzato per misurare quanto il materiale si è deformato sotto carico, e varie misure come rigidità, tenacità ed elasticità sono state misurate in una varietà di condizioni. Per esempio, con una quantità relativamente piccola di raffreddamento, il gallio può essere trasformato in un solido. Quindi il team è stato in grado di confrontare alcune misurazioni effettuate quando le sfere di gallio erano liquide con le misurazioni effettuate quando le sfere erano solide.

I collaboratori Roy Mahapatra e Shashishekarayya Hiremath dell'Indian Institute of Science di Bangalore hanno utilizzato la modellazione degli elementi finiti e le simulazioni idrodinamiche per aiutare il team ad analizzare il comportamento dei materiali sotto stress meccanico. Basato su questo, i ricercatori hanno determinato che le sacche di gallio liquido fornivano al composito caratteristiche di assorbimento e dissipazione di energia più elevate rispetto ai normali PDMS o PDMS con sacche piene d'aria.

"Ciò che abbiamo dimostrato è che mettere un liquido all'interno di un solido non lo renderà sempre più morbido, e grazie ai nostri collaboratori siamo in grado di spiegare perché questo è il caso, " Ha detto Tiwary. "Speriamo ora di utilizzare questa comprensione per cercare di progettare materiali che traggano vantaggio da queste proprietà".

Owuor e Tiwary hanno affermato che il solo utilizzo della nanoingegneria da solo potrebbe non fornire il massimo effetto. Anziché, la natura impiega strutture gerarchiche con caratteristiche di varie dimensioni che si ripetono su scale più grandi, come quelli che si trovano nelle camere piene di olio nella pelle dei pesci.

"Se guardi la membrana (del pesce) e la sezioni, c'è uno strato in cui hai sfere con grandi diametri, e mentre ti muovi, i diametri continuano a diminuire, " disse Owuor. "Le camere sono viste su tutta la scala, dal nano- fino alla microscala.

Tiwary ha detto, "Ci sono importanti caratteristiche su scala nanometrica in natura, ma non è tutto nano. Potremmo scoprire che l'ingegneria su scala nanometrica da sola non è sufficiente. Vogliamo vedere se possiamo iniziare a progettare in modo gerarchico".