打破常规的复合材料具有新颖的电性能

宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学教授梅利克·德米雷尔（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。 ”

根据定义，复合材料由不止一种组分组成。混合规则说，虽然一种组分与另一种组分的比例可以变化，但复合材料的物理性能受到限制。根据Demirel的说法，他的团队至少在纳米级上突破了这一极限。

Demirel说：“如果您使用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（一种生物聚合物和一种原子薄的导电材料），让它们通过自组装进行组织，打破了混合规则。”

该团队的材料包括仿生聚合物，该仿生聚合物基于基因重复产生的串联重复蛋白，并受鱿鱼齿齿蛋白质的结构启发，而碳化钛MXene是导电2D材料。随着这种层状复合材料的自组装，聚合物介导了MXene层之间的距离。通过基因工程串联重复蛋白，该蛋白重复一个保守的序列，研究人员能够控制导电MXene层的层间距离，而无需改变复合部分。研究人员的目标是利用合成生物学来创造自组装材料，并对其物理特性进行前所未有的控制。

由于聚合物自组装成交联网络，因此聚合物基体与MXene填料之间的比例可能会在很小的区域破坏混合规则，从而改变层状材料的电性能。研究人员在ACS Nano上的一篇论文中报告了他们的工作结果。

仿生聚合物-金属复合物在适当的本体混合物中可以是柔性的，也可以是导电的。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。”