Parfois, enfreindre les règles n'est pas une mauvaise chose. Surtout lorsque les règles sont des lois apparentes de la nature qui s'appliquent aux matériaux en vrac, mais d'autres forces apparaissent à l'échelle nanométrique.

"La nature sait passer du petit, échelle atomique à des échelles plus grandes, " a déclaré Melik Demirel, professeur de sciences de l'ingénieur et de mécanique et titulaire de la chaire Lloyd et Dorothy Foehr Huck en matériaux biomimétiques. "Les ingénieurs ont utilisé des règles de mélange pour améliorer les propriétés, mais ont été limités à une seule échelle. Nous ne sommes jamais passés au niveau supérieur de l'ingénierie hiérarchique. Le principal défi est qu'il existe des forces apparentes à différentes échelles, des molécules au volume. »

Matériaux composites, par définition, sont composés de plus d'un composant. Les règles de mélange disent que, tandis que les rapports d'un composant à un autre peuvent varier, il y a une limite sur les propriétés physiques du composite. Selon Demirel, son équipe a dépassé cette limite, au moins à l'échelle nanométrique.

"Si vous avez un composite polymère conducteur les quantités de polymère et de composé métallique sont limitées par la règle des mélanges, " a déclaré Demirel. "Les règles régissent tout ce qui concerne la matrice et la charge. Nous avons pris des matériaux - un biopolymère et un matériau conducteur atomiquement mince - les avons laissés s'organiser par auto-assemblage, et enfreint la règle des mélanges."

Les matériaux de l'équipe sont composés d'un polymère biomimétique basé sur des protéines répétées en tandem produites par duplication de gènes et inspirées de la structure des protéines des dents annulaires de calmar, et le carbure de titane conducteur 2-D MXene, une couche de métal de seulement quelques molécules d'épaisseur. Ce composite en couches s'auto-assemble et le polymère régule la distance entre les couches métalliques. En utilisant le génie génétique des protéines répétées en tandem, un biopolymère qui répète une séquence conservée, les chercheurs peuvent contrôler la distance intercouche des couches conductrices sans modifier les fractions composites. L'objectif des chercheurs est de créer des matériaux auto-assemblants avec un contrôle sans précédent sur leurs propriétés physiques en utilisant la biologie synthétique.

Parce que le polymère s'auto-assemble en un réseau réticulé, les ratios matrice/remplissage dans de minuscules zones peuvent enfreindre les règles de mélange, et les propriétés électriques du matériau en couches changent. Les chercheurs rapportent les résultats de leurs travaux dans un récent numéro de ACS Nano .

Ce composite métallique polymère biomimétique peut être à la fois flexible et conducteur dans les mélanges en vrac appropriés. A l'échelle microscopique, lorsque la symétrie structurelle est brisée, la conductivité électrique dépend de la direction.

"Ce qui est unique, c'est que maintenant vous pouvez obtenir une conductivité électrique dans le plan qui diffère de la conductivité hors du plan, " dit Demirel.

Tant que le courant passe dans le plan des couches matérielles 2D, la conductivité est linéaire, mais si le courant est dirigé à travers les couches, la conductivité devient non linéaire.

« Maintenant, nous pouvons créer un périphérique de stockage, " dit Demirel. " On pourrait aussi faire des diodes, commutateurs, régulateurs et autres appareils électroniques. Nous voulons fabriquer des matériaux conçus avec les propriétés souhaitées pour créer de nouvelles fonctionnalités, qui sont difficiles à réaliser ou inaccessibles auparavant."