891
Ученые разработали новый чрезвычайно прочный материал
— Технологии&Авто
Инженеры Калифорнийского технологического института совершили значительный прорыв в области нано- и микроархитектурных материалов, создав новый материал, состоящий из нескольких взаимосвязанных микромасштабных узлов.
По сравнению со структурно идентичными, но несвязанными материалами наличие узлов в этом новом материале значительно повышает его прочность, позволяя ему поглощать больше энергии и больше деформироваться, прежде чем вернуться к своей первоначальной форме без повреждений. Эти новые материалы с узлами могут найти применение в биомедицинской, а также в аэрокосмической отрасли, благодаря их долговечности, возможной биологической совместимости и чрезвычайной деформируемости.
«Возможность преодолеть общий компромисс между деформируемостью материала и вязкостью на разрыв [способностью растягиваться без разрушения] предлагает новые пути разработки устройств, которые чрезвычайно гибки, долговечны и могут работать в экстремальных условиях», — говорит бывший выпускник Калтеха студент Widianto P. Moestopo (MS’19, доктор философии’22), сейчас в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса. Moestopo является ведущим автором статьи о наноразмерных узлах, опубликованной 8 марта в Science Advances.
Moestopo помог разработать материал в лаборатории Джулии Р. Грир, профессора материаловедения, механики и медицинской инженерии Рубена Ф. и Донны Мэттлер; директор Фонда Флетчера Джонса Института нанонауки Кавли; и старший автор научной работы. Грир находится в авангарде создания таких материалов с наноархитектурой или материалов, структура которых разработана и организована в нанометровом масштабе и которые, следовательно, демонстрируют необычные, часто поразительные свойства.
Прочность на разрыв материала, созданного с микромасштабными узлами (слева), по сравнению с материалом, не имеющим узлов, но в остальном структурно идентичен (справа).
«Начать понимание того, как узлы будут влиять на механическую реакцию микроархитектурных материалов, было новой готовой идеей», — говорит Грир. «Мы провели масштабные исследования по изучению механической деформации многих других типов микротекстиля, например решеток и тканых материалов. Уходя в мир узлов, мы смогли глубже понять роль трения и рассеяния энергии, и это оказалось важным».
Каждый узел имеет примерно 70 микрометров в высоту и ширину, а каждое волокно имеет радиус примерно 1,7 микрометра (приблизительно одну сотую радиуса человеческого волоса). Хотя это не самые маленькие узлы, когда-либо созданные — в 2017 году химики завязали узел, изготовленный из отдельной цепи атомов, — это впервые когда-либо созданный материал, состоящий из многочисленных узлов в таком масштабе. Кроме того, это демонстрирует потенциальную ценность включения этих наноразмерных узлов в материал, например для сшивания или связывания в биомедицине.
Узловые материалы, созданные из полимеров, проявляют прочность на разрыв, которая значительно превосходит материалы, не имеющие узлов, но в остальном структурно идентичны, включая те, где отдельные нити переплетены вместо узлов. По сравнению со своими аналогами без узлов, узловые материалы поглощают на 92 процента больше энергии и требуют более чем вдвое большего напряжения, чтобы лопнуть при вытяжении.
Узлы не были завязаны, а изготовлены в завязанном состоянии с помощью усовершенствованной 3D-литографии высокого разрешения, способной создавать структуры в наноразмерные. Образцы, описанные в документе Science Advances, содержат простые узлы — верхний узел с дополнительным скручиванием, который обеспечивает дополнительное трение для поглощения дополнительной энергии при растяжении материала. В будущем команда планирует изучить материалы, сделанные из более сложных узлов.
Интерес Мостопо к узлам возник в результате исследований, проводимых в 2020 году во время карантина через COVID-19. «Я наткнулся на несколько работ исследователей, изучающих механику физических узлов в отличие от узлов в чисто математическом смысле. Я не считаю себя альпинистом, моряком или математиком, но я вязал узлы на протяжении всей своей жизни и подумал, что стоит попытаться вставить узлы в свои проекты», — говорит он.
По материалам: Portaltele
Поделиться новостью
