自然灵感材料用途液体加强

大米ü。 nanoengineers创建使用来自大自然的线索液体,固体复合物

材料科学家在莱斯大学正在寻找自然 - 在人类棘盘和海洋潜水的鱼皮肤,例如 - 有关看似矛盾的特性设计物料线索 - 柔性和刚度。

closeup of silicone disc containing internal pockets filled with droplets of 镓

灵感来自于大自然在莱斯大学创建硅和镓的复合材料设计的纳米材料实验室。 (由Jeff fitlow / Rice大学照片)

在研究中出现的杂志在线 先进材料界面,研究生彼得owuor,科学家钱德拉sekhar tiwary,并从同事 实验室 大米教授 普克尔·阿贾雅恩卢君 发现,他们可以通过与液体镓的微小的口袋注入它增加一个软硅系聚合物的刚性,或“弹性模量”。

这种复合物能找到高能量吸收材料和减震器以及像人工椎间盘仿生结构的使用,他们说。

owuor说,传统的智慧 复合设计,为过去60年 一直认为加入硬的物质的增加的模量和增加的更软一个减小的模量。在大多数情况下,这是正确的。

“人们并没有真正看着它从周围的其他方法,”他说。 “是否有可能增加一些内软别的东西,这也是软的和得到的东西,具有更高的弹性模量?如果你看一下自然世界,有很多的,你找到正是这样的例子。作为材料科学家,我们来研究这个,不是从生物学的角度,而是从机械之一“。

Rice University graduate student Peter owuor in the laboratory

彼得owuor(由Jeff fitlow / Rice大学照片)

例如, 光盘 在人刺,其作用既像减震器和韧带的椎骨之间,是由软骨的坚韧外层和软的,胶状内部。和深潜的海洋鱼类和哺乳动物的外皮含有无数微小的充油室 - 即让动物承受下面海洋的存在脚成千上万的巨大压力 - 某些不超过病毒和别人比整个细胞大而变大表面。

选择从基础材料到这些生命系统模型是比较容易的,但要找到一个办法把他们聚在一起,以模仿自然很困难,说: tiwary在材料科学和纳米工程学的饭的部门博士后研究助理。

聚二甲基硅氧烷,或 PDMS,被选定为许多原因软封装层:它的价格便宜,惰性,无毒,并广泛应用于一切从填缝和水族馆密封剂到化妆品和食品添加剂。它也明确干燥,这使得它很容易看到液体就想封装团队的气泡。为此,研究人员选择 ,其中相同的汞在室温下为液体,但不同于汞是无毒的,并且相对容易的工作用。

gloved h和s placing a sample into a laboratory instrument

研究了镓的液体如何封装液滴研究者增加硅盘的刚度。 (由Jeff fitlow / Rice大学照片)

owuor 说花了近四个月来找到封装内PDMS镓的泡沫配方。他的测试样品大约一个小硬币的直径并不亚于四分之一英寸厚。慢慢固化的PDMS,owuor开发一个过程,他可以添加各种尺寸的液滴镓。一些样品包含在一个大的内部腔室中,和其他含有多达十几个离散的液滴。

各样品经受数十测试。动态机械分析仪用于测量该材料在负载下多少变形,并且在各种条件下进行测定等的刚性,韧性和弹性的各种措施。例如,用冷却的相对小的量,镓可以变成固体。所以团队能够比较采取了一些测量时镓球用时,该球状物固体所采取的措施的液体。

合作者 罗伊mahapatra 与科学在班加罗尔的印度理工学院shashishekarayya hiremath采用有限元建模和仿真流体力学帮助球队分析材料怎么机械应力下的表现。在此基础上,研究人员确定,液态镓的口袋,得到比普通PDMS或PDMS与空气填充袋复合更高的能量吸收和消散特性。

test tube filled with liquid 镓

镓在室温下是液体。 (由Jeff fitlow / Rice大学照片)

“我们已经证明是把液体内部的固体并不总是使它柔软,并感谢我们的合作者,我们能够解释为什么是这样的话,” tiwary说。 “未来我们希望用这样的认识来尝试工程材料,利用这些特性的优势。”

owuor和tiwary说只是单独使用纳米设计可能无法提供一个最大的效果。相反,采用自然 层次结构 大小不等的功能,重复在更大的尺度,就像那些在鱼皮充油室中。

“如果你看一下(鱼的)膜和你部分吧,还有就是你有大直径的球体,而当你移动时,直径继续下降,一层” owuor说。 “该室看到在整个的规模,从纳米一路出到微观。

tiwary说,“自然界有重要的纳米尺度的功能,但它不是全部纳米。我们可能会发现,在工程仅在纳米尺度是不够的。我们要看到,如果我们能在一个分层的方式开始设计。”

ajayan 是材料科学和纳米工程,本杰明·米太阳城网站网址系主任。和mary绿林工程安德森教授及化学系教授。

这项研究是由科学研究空军办公室的支持。另外太阳城网站网址共同作者包括楼,阿林chipara和罗伯特vajtai。

关于玉博伊德

玉博伊德是科学编辑和公共事务的莱斯大学的办公室新闻和媒体关系的副主任。