Qualche volta, infrangere le regole non è una brutta cosa. Specialmente quando le regole sono leggi apparenti della natura che si applicano al materiale sfuso, ma altre forze appaiono su scala nanometrica.

"La natura sa andare dal piccolo, scala atomica a scale più grandi, " ha detto Melik Demirel, professore di ingegneria e meccanica e titolare della cattedra Lloyd e Dorothy Foehr Huck in materiali biomimetici. "Gli ingegneri hanno utilizzato regole di miscelazione per migliorare le proprietà, ma sono stati limitati a una singola scala. Non siamo mai scesi al livello successivo dell'ingegneria gerarchica. La sfida chiave è che ci sono forze apparenti su scale diverse, dalle molecole alla massa".

compositi, per definizione, sono composti da più di un componente. Le regole della miscela dicono che, mentre i rapporti tra un componente e l'altro possono variare, c'è un limite alle proprietà fisiche del composito. Secondo Demirel, la sua squadra ha infranto quel limite, almeno su scala nanometrica.

"Se si dispone di un composito polimerico conduttore, le quantità di polimero e composto metallico sono limitate dalla regola delle miscele, " ha detto Demirel. "Le regole governano tutto ciò che riguarda la matrice e il riempitivo. Abbiamo preso dei materiali - un biopolimero e un materiale conduttore atomicamente sottile - li abbiamo organizzati per autoassemblaggio, e ha infranto la regola dei miscugli".

I materiali del team sono composti da un polimero biomimetico basato su proteine ​​ripetute in tandem prodotte dalla duplicazione genica e ispirate alla struttura delle proteine ​​dei denti dell'anello di calamaro, e conduzione di carburo di titanio 2-D MXene, uno strato di metallo spesso poche molecole. Questo composito stratificato si autoassembla e il polimero media la distanza tra gli strati metallici. Utilizzando l'ingegneria genetica delle proteine ​​ripetute in tandem, un biopolimero che ripete una sequenza conservata, i ricercatori possono controllare la distanza tra gli strati degli strati conduttori senza modificare le frazioni composite. L'obiettivo dei ricercatori è creare materiali autoassemblanti con un controllo senza precedenti sulle loro proprietà fisiche utilizzando la biologia sintetica.

Poiché il polimero si autoassembla in una rete reticolata, i rapporti matrice-riempitivo in aree minuscole possono infrangere le regole della miscela, e le proprietà elettriche del materiale stratificato cambiano. I ricercatori riportano i risultati del loro lavoro in un recente numero di ACS Nano .

Questo composito metallico polimerico biomimetico può essere sia flessibile che conduttivo nelle corrette miscele sfuse. A scala microscopica, quando la simmetria strutturale è rotta, la conduttività elettrica dipende dalla direzione.

"Ciò che è unico è che ora puoi ottenere una conduttività elettrica nel piano che differisce dalla conduttività fuori dal piano, " disse Demirel.

Finché la corrente scorre lungo il piano degli strati di materiale 2-D, la conducibilità è lineare, ma se la corrente è diretta attraverso gli strati, la conducibilità diventa non lineare.

"Ora possiamo creare un dispositivo di archiviazione, " disse Demirel. "Potremmo anche fare diodi, interruttori, regolatori e altri dispositivi elettronici. Vogliamo realizzare materiali progettati con le proprietà desiderate per la costruzione di nuove funzionalità, che sono difficili da raggiungere o precedentemente irraggiungibili".