Auto-montaje, materiales compuestos biomiméticos poseen propiedades eléctricas inusuales

"La naturaleza sabe cómo pasar de la escala pequeña, a mayor escala atómica", dijo Melik Demirel, profesor de ciencias de la ingeniería y la mecánica y titular de la Cátedra Lloyd y Dorothy Huck Foehr en Materiales biomiméticos. "Los ingenieros han utilizado reglas de mezcla para mejorar las propiedades, pero se han limitado a una sola escala. Nunca hemos ido hasta el siguiente nivel jerárquico de la ingeniería. El desafío clave es que hay fuerzas aparentes a diferentes escalas de las moléculas a granel. "

Materiales compuestos, por definición, están compuestos por más de un componente. reglas Mezcla dicen que, mientras que las proporciones de un componente a otro puede variar, existe un límite en las propiedades físicas del material compuesto. De acuerdo con Demirel, su equipo ha roto ese límite, al menos en la escala nanométrica.

"Si tiene un material compuesto de polímero conductor de las cantidades de polímero y compuesto de metal están limitados por la regla de las mezclas", dijo Demirel. "Las reglas gobiernan todo lo relacionado con la matriz y el relleno. Tomamos materiales, un biopolímero y un material conductor de grosor atómico, dejar que ellos organizan por sí mismo montaje, y se rompió la regla de las mezclas."

materiales del equipo se componen de un polímero biomimético basado en proteínas con repeticiones en tándem producidos por la duplicación de genes e inspirado por la estructura de las proteínas de los dientes del anillo de calamar, y la realización de carburo de titanio 2D MXene, una capa de metal sólo unos pocos-moléculas de espesor. Este compuesto en capas auto-ensambla y los que medie de polímero la distancia entre las capas de metal. Mediante el uso de la ingeniería genética de las proteínas de repetición en tándem, un biopolímero que se repite una secuencia conservada, los investigadores pueden controlar la distancia entre capas de capas conductoras sin cambiar las fracciones compuestas. El objetivo de los investigadores es crear materiales de auto-montaje con un control sin precedentes sobre sus propiedades físicas utilizando la biología sintética.

Debido a que los polímeros auto-ensambla en una red reticulada, las relaciones de matriz-a de relleno en pequeñas áreas pueden romper las reglas de mezcla, y las propiedades eléctricas de la capas cambios materiales. Los investigadores informan de los resultados de su trabajo en un número reciente de ACS Nano.

Este material compuesto de metal polímero biomimético puede ser tanto flexible y conductora en las mezclas adecuadas a granel. En la escala microscópica, cuando la simetría estructural se rompe, la conductividad eléctrica depende de la dirección.

"Lo que es único es que ahora se puede obtener conductividad eléctrica en el plano que difiere de la conductividad fuera del avión", dijo Demirel.

Mientras la corriente va a lo largo del plano de las capas de material en 2D, la conductividad es lineal, pero si la corriente se dirige a través de las capas, la conductividad se convierte en no lineal.

"Ahora podemos hacer un dispositivo de almacenamiento", dijo Demirel. "También podríamos hacer diodos, interruptores, reguladores y otros dispositivos electrónicos. Queremos hacer materiales que están diseñados con propiedades deseadas para la construcción de nuevas funcionalidades, que son difíciles de alcanzar o previamente inalcanzable."

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