新型自组装复合材料展示出超乎寻常的电学性能

复合材料是由两种或两种以上组分材料构成,按照其混合规则在复合材料中两种混合组分的比例可以随意变化,但是复合材料的物理性能却会受到组分特性的限制。然而,对于宾夕法尼亚州立大学仿生材料学系主任Melik Demirel及其团队而言,他们至少在纳米级上已经突破了这一限制。

Demirel指出:“如果使用的是导电聚合物复合材料,则聚合物和金属化合物的含量会受混合物原则的限制。这些规则支配着基体和填料,但我们采用了材料-生物聚合物和原子薄的导电材料,可让它们实现自组装从而打破了混合规则。”

自组装仿生复合材料具有不同寻常的电气性能
仿生复合材料是通过拓扑相互作用产生的,从而扩大了物理性质(例如电导率)的范围。

工程科学与力学教授,劳埃德(Lloyd)和多萝西·福尔(Dorothy Foehr Huck)仿生材料主席,工程学和力学教授Melik Demirel说:“自然界知道如何从小原子级发展到更大规模。”“工程师们使用混合规则来增强性能,但仅限于单个尺度。我们从未深入到层次工程的下一个层次。关键的挑战是从分子到整体,不同尺度上存在明显的作用力。 ”

Demirel说:“如果您使用的是导电聚合物复合材料,则聚合物和金属化合物的数量受混合物规则的限制。”“这些规则支配着有关基质和填料的一切。我们采用了材料-生物聚合物和原子薄的导电材料-让它们通过自组装进行组织,打破了混合规则。”获取更多前沿科技信息访问:https://byteclicks.com

该团队的材料由仿生聚合物组成,在鱿鱼齿齿蛋白结构的启发下,该仿生聚合物基于基因重复产生的串联重复蛋白,并能传导碳化钛2D MXene。该层状复合材料实现了自组装,通过使用串联重复蛋白的基因工程,研究人员可以控制导电层的层间距离,而无需改变复合材料。研究人员的目标是利用合成生物学技术,创造出一种对自身物理性能具有空前控制能力的自组装材料。

该项研究的最新成果发布在ACS Nano杂志上。这种仿生聚合物金属复合材料在适当的本体混合物中可以既具有柔韧性又具有导电性。在微观尺度上,当结构对称性破裂时,电导率取决于方向。只要电流沿着2D材料层的平面流动,电导率就是线性的,但是如果电流流过这些层,电导率就会变成非线性的。

这种仿生聚合物金属复合材料在适当的本体混合物中可以既具有柔韧性又具有导电性。在微观尺度上,当结构对称性破裂时,电导率取决于方向。

Demirel说:“独特之处在于,现在您可以获得与面外电导率不同的面内电导率。”

只要电流沿着2D材料层的平面流动,电导率就是线性的,但是如果电流流过这些层,电导率就会变成非线性的。

“现在我们可以制造一个存储设备了,” Demirel说。“我们还可以制造二极管、开关、调节器和其他电子设备。我们希望制造具有所需性能的材料,以构建难以实现或以前无法实现的新颖功能。”

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