Selbstorganisierende, biomimetischen Komposite besitzen ungewöhnliche elektrische Eigenschaften

„Die Natur weiß, wie aus der kleinen, atomaren Skala zu größeren Skalen zu gehen“, sagte Melik Demirel, Professor für Ingenieurwissenschaften und Mechanik und Inhaber der Lloyd und Dorothy Föhr Huck Chair in Biomimetic Material. „Ingenieure haben Mischungsregeln verwendet, um Eigenschaften zu verbessern, haben aber auf einen einzigen Maßstab beschränkt. Wir haben noch nie auf die nächste Ebene der hierarchischen Engineering gegangen. Die größte Herausforderung ist, dass es offensichtlich Kräfte auf verschiedenen Ebenen von Molekülen an Masse. "

Verbunde per Definition sind aus mehr als einer Komponente zusammengesetzt ist. Mischung Regeln sagen, dass, während die Verhältnisse von einer Komponente zur anderen variieren kann, gibt es eine Grenze auf die physikalischen Eigenschaften des Verbund. Nach Demirel hat sein Team diese Grenze gebrochen, zumindest auf der Nanoskala.

„Wenn Sie einen leitenden Polymer-Verbund haben die Mengen an Polymer und Metallverbindung durch die Mischungsregel beschränkt“, sagte Demirel. „Die Regeln regeln alles über die Matrix und Füllstoff. Wir Materialien nahmen, ein Biopolymer und ein atomar dünnes leitendes Material, lassen Sie sie Montag durch Selbst organisieren, und brachen die Mischungsregel.“

Die Materialien des Teams sind aus einem biomimetischen Polymer besteht, basierend auf Tandem-Repeat-Proteine, die durch Gen-Duplikation erzeugt und durch die Struktur der SQUID-Ring Zähne Proteine ​​inspiriert und Dirigieren Titancarbid MXene 2D, ein nur wenige Moleküle dicken Schicht aus Metall. Diese Schichtverbund durch Selbstorganisation und das Polymer vermittelt der Abstand zwischen den Metallschichten. Durch die Verwendung von gentechnischen Tandem-Repeat-Proteinen, einen Biopolymer, das eine konservierte Sequenz wiederholt, können die Forscher steuern, um den Zwischenschicht-Abstand von leitenden Schichten, ohne die Verbundfraktionen zu verändern. Ziel der Forscher ist selbstorganisierende Materialien mit bisher unerreichter Kontrolle über ihre physikalischen Eigenschaften unter Verwendung von synthetischen Biologie zu erstellen.

Da das Polymer durch Selbstorganisation in ein vernetztes Netzwerk, die Matrix-zu-Füllstoff-Verhältnisse in winzigen Bereichen kann die Mischung Regeln brechen, und die elektrischen Eigenschaften des geschichteten Materials ändert. Die Forscher berichten über die Ergebnisse ihrer Arbeit in einer kürzlich erschienenen Ausgabe von ACS Nano.

Dieser biomimetische Polymermetallverbundwerkstoff kann sowohl flexibel als auch leitende in den richtigen bulk Mischungen sein. Auf mikroskopischer Skala, wenn die strukturelle Symmetrie gebrochen wird, hängt die elektrische Leitfähigkeit auf Richtung.

„Einzigartig ist, dass jetzt können Sie in der Ebene liegende elektrische Leitfähigkeit erhalten, dass unterscheidet sich von Out-of-Ebene Leitfähigkeit“, sagte Demirel.

Solange der Strom entlang der Ebene der Materialschichten 2D wird, ist die Leitfähigkeit linear, aber, wenn der Strom durch die Schichten geleitet wird, wird die Leitfähigkeit nicht linear.

„Jetzt können wir ein Speichergerät machen“, sagte Demirel. „Wir könnten auch machen Dioden, Schalter, Regler und andere elektronische Geräte. Wir wollen Materialien machen, die mit den gewünschten Eigenschaften für den Aufbau von neuen Funktionalitäten entwickelt werden, die nur schwer zu erreichen oder vorher unerreichbar.“

Quelle: Penn State. "Self-assembling, biomimetic composites possess unusual electrical properties." ScienceDaily. ScienceDaily, 4 June 2020. <www.sciencedaily.com/releases/2020/06/200604171208.htm>.