模仿蜘蛛网 NTNU专家创造出具备优秀刚度和韧性的新弹性材料

模仿蜘蛛网最坚固的部分--辐(spoke)和外缘(outer edge),来自挪威科技大学(NTNU)的科研专家近日创造出了一种具有前所未有的刚度和韧性的新弹性材料。这种材料打破了以前看到的韧性和刚度之间的权衡。

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这种材料是一种被称为弹性体的聚合物,因为它具有类似橡胶的弹性。新开发的弹性体的特点是在一个重复单元中有八个氢键的分子,正是这些氢键帮助均匀地分配施加在该材料上的压力,使其如此耐用。

机械和材料教授张志良(Zhiliang Zhang,音译)

NTNU 结构工程系的机械和材料教授张志良(Zhiliang Zhang,音译)说:“八个氢键是非凡机械性能的起源。这种材料是在 NTNU 纳米实验室开发的,部分资金来自挪威研究委员会”。

开发这种新材料的卓一志(Yizhi Zhuo,音译)表示:“引入比通常数量更多的氢键的想法来自于大自然。蜘蛛丝含有同样的结构。我们知道它可以导致非常特殊的特性”。科学家们之前已经注意到,蜘蛛丝--特别是提供蜘蛛网辐条和外缘的拖网丝--既特别坚硬又有韧性。

该团队的新弹性体具有明显的硬域和软域。在设计和制造之后,该团队使用原子力显微镜--分辨率为几分之一纳米--来观察材料的基本结构,并观察硬区和软区之间的界面。

他们看到,除了八个氢键分布应力外,硬域和软域之间的硬度不匹配也有助于进一步耗散能量,鼓励任何裂缝分支,而不是沿着直线继续前进。如果你有一个之字形,你会创造一个大的断裂面,耗散更多的能量,所以你有更高的韧性。

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