As vezes, quebrar as regras não é uma coisa ruim. Especialmente quando as regras são leis aparentes da natureza que se aplicam ao material a granel, mas outras forças aparecem em nanoescala.

"A natureza sabe ir desde o pequeno, escala atômica para escalas maiores, "disse Melik Demirel, professor de ciências da engenharia e mecânica e titular da cátedra Lloyd e Dorothy Foehr Huck em Materiais Biomiméticos. "Os engenheiros usaram regras de mistura para melhorar as propriedades, mas foram limitados a uma única escala. Nunca descemos para o próximo nível de engenharia hierárquica. O principal desafio é que existem forças aparentes em diferentes escalas, desde as moléculas até o volume ”.

Compósitos, por definição, são compostos por mais de um componente. As regras de mistura dizem que, enquanto as razões de um componente para outro podem variar, há um limite nas propriedades físicas do composto. De acordo com Demirel, sua equipe quebrou esse limite, pelo menos em nanoescala.

"Se você tiver um composto de polímero condutor, as quantidades de composto de polímero e metal são limitadas pela regra das misturas, "disse Demirel." As regras governam tudo sobre a matriz e enchimento. Pegamos materiais - um biopolímero e um material condutor atomicamente fino - e os deixamos se organizar por auto-montagem, e quebrou a regra das misturas. "

Os materiais da equipe são compostos por um polímero biomimético baseado em proteínas repetidas em tandem produzidas por duplicação de genes e inspiradas na estrutura das proteínas dos dentes do anel de lula, e conduzindo carboneto de titânio 2-D MXene, uma camada de metal com apenas algumas moléculas. Este composto em camadas se auto-monta e o polímero medeia a distância entre as camadas de metal. Usando a engenharia genética de proteínas repetidas em tandem - um biopolímero que repete uma sequência conservada - os pesquisadores podem controlar a distância entre as camadas condutoras sem alterar as frações compostas. O objetivo dos pesquisadores é criar materiais de automontagem com controle sem precedentes sobre suas propriedades físicas usando biologia sintética.

Como o polímero se auto-monta em uma rede reticulada, as proporções de matriz para preenchimento em áreas minúsculas podem quebrar as regras de mistura, e as propriedades elétricas das mudanças de material em camadas. Os pesquisadores relatam os resultados de seu trabalho em uma edição recente da ACS Nano .

Este compósito de metal polímero biomimético pode ser flexível e condutor nas misturas de massa adequadas. Na escala microscópica, quando a simetria estrutural é quebrada, a condutividade elétrica depende da direção.

"O que é único é que agora você pode obter condutividade elétrica no plano que difere da condutividade fora do plano, "disse Demirel.

Enquanto a corrente estiver indo ao longo do plano das camadas de material 2-D, a condutividade é linear, mas se a corrente for direcionada através das camadas, a condutividade torna-se não linear.

"Agora podemos fazer um dispositivo de armazenamento, "disse Demirel." Também poderíamos fazer diodos, comuta, reguladores e outros dispositivos eletrônicos. Queremos fazer materiais que são projetados com as propriedades desejadas para a construção de novas funcionalidades, que são difíceis de alcançar ou anteriormente inatingíveis. "