2020年6月5日
有时候，违反规则并不是一件坏事。特别是当规则是适用于大块材料的明显自然法则，但其他力出现在纳米尺度时。
“大自然知道如何从小的原子尺度到更大的尺度，”Melik Demirel说，他是工程科学和力学教授，也是Lloyd和Dorothy Fo亚博老虎机网登录ehr-Huck仿生材料讲座的主持人。亚博网站下载“工程师们已经使用混合规则来增强性能，但仅限于单一的尺度。我们从未深入到层次工程的下一个层次。关键的挑战在于，从分子到体积，存在着不同尺度的作用力。”
根据定义，复合材料由多个组件组成。混合规则表明，虽然一种成分与另一种成分的比例可能不同，但复合材料的物理性质是有限的。据德米雷尔说，他的团队已经突破了这一限制，至少在纳米尺度上是如此。
“如果你有一个导电聚合物复合材料，聚合物和金属化合物的数量受到混合物规则的限制，”德米雷尔说。“规则支配着矩阵和填充材料的一切。我们采用了一种生亚博网站下载物聚合物和一种原子薄的导电材料，让它们通过自组装来组织，打破了混合物的规则。”
该团队的材料由一种仿生亚博网站下载聚合物组成，该聚合物基于基因复制产生的串联重复蛋白，灵感来自鱿鱼环齿蛋白的结构，以及导电的碳化钛2D MXene，这是一种只有几个分子厚的金属层。这种层状复合材料可以自组装，聚合物可以调节金属层之间的距离。通过使用串联重复蛋白(一种重复保守序列的生物聚合物)的基因工程，研究人员可以在不改变复合组分的情况下控制导电层的层间距离。研究人员的目标是利用合成生物学技术创造出具有前所未有的物理特性的自组装材料。亚博网站下载
由于聚合物自组装成一个交联网络，微小区域的基质与填料的比例会打破混合规则，层状材料的电学性质也会发生变化。研究人员在最近一期的《科学》杂志上报告了他们的研究结果ACS Nano.
这种仿生聚合物-金属复合材料在合适的体积混合物中既具有柔性又具有导电性。在微观尺度上，当结构对称性被破坏时，电导率取决于方向。
“独特之处在于，现在你可以得到不同于面外导电性的面内导电性。”德米雷尔说。
只要电流沿着二维材料层的平面，电导率是线性的，但如果电流直接穿过层，电导率就变成非线性的。
“现在我们可以制造一种存储设备，”德米雷尔说。“我们还可以生产二极管、开关、调节器和其他电子设备。我们希望制造出具有理想性能的材料亚博网站下载，用于建造新的功能，这是很难实现或以前无法实现的。”
宾夕法尼亚州立大学的工程科学和力学博士后朱皓月(Haoyue Zhu)和荣惠勋(Huihun Jung)也参与了这个项目;亚博老虎机网登录以及副研究员本杰明·d·艾伦。该项目的其他研究人员包括Mert Vural，瑞典Linköping大学博士后研究员，前宾夕法尼亚州立大学博士后研究员，以及Abdon Pena-Francesch，即将成为宾夕法尼亚州立大学博士研究生和密歇根大学助理教授。
陆军研究办公室和空军科学研究办公室基础科学计划支持这项工作。亚博老虎机网登录
来源:https://www.psu.edu/