Глиняный торт-наполеон породил пластиковую сталь
Данный материал может понадобиться для лёгких, но наряду с этим прочных бронежилетов, корпусов летательных автомобилей и аппаратов, медицинских трансплантатов либо подробностей другой техники. Металлическая прочность в нём сочетается с прозрачностью, дешевизной, малыми и биодеградацией затратами энергии для производства.
Необычную разработку создали в университете Мичигана (University of Michigan). Американские исследователи решили давешнюю проблему, мучавшую учёных несколько год.
В случае если разные нанообъекты типа углеродных трубок, нанопластинок либо наностержней демонстрируют весьма большую прочность (отнесённую к их размерам, конечно же) благодаря (среди другого) собственной бездефектной структуре, то при создании из таких же элементов куска материала макроскопического размера «нанопрочность» куда-то улетучивается.
Дабы перенести прочность, характерную наночастицам, на макроуровень, исследователям было нужно прибегнуть к заимствованию идеи у природы: они решили создать слоёный пирог (либо торт-наполеон), подражающий узким слоям раковин моллюсков.
Первые образцы пластиковой стали (фотографии Science/University of Michigan).
Основной создатель новации — Николас Котов (Nicholas Kotov). В работе ему помогали коллеги из университета Мичигана: Джоерг Лаханн (Joerg Lahann), Айялусами Рамамурти (Ayyalusamy Ramamoorthy), Эллен Арруда (Ellen Arruda) и Энтони Ваас (Anthony Waas).
Они создали робота, что сооружает слоистый (с толщиной слоёв нанометрового порядка) композитный материал, поочерёдно нанося на стеклянную подложку то «кирпичи», то «строительный раствор» из особых ёмкостей.
Кирпичами для пластиковой стали послужили наночешуйки глины, взвешенные в воде (вернее, это была пудра из материала Na+-Montmorillonite — MTM, с громаднейшим поперечником частиц в 110 нанометров), а цементом — полимерный клей поливиниловый спирт (PVA) плюс глутаральдегид (glutaraldehyde).
По окончании нанесения каждого слоя робот ждал его подсыхания и лишь позже наносил новый слой.
Неспециализированный принцип строения пластиковой стали.
Коричневым продемонстрированы нанопластинки MTM, жёлтым — PVA, голубым — стеклянная подложка, тёмным и зелёным — молекулы глутаральдегида (иллюстрация University of Michigan).
Опытный образец пластиковой стали имеет размеры приблизительно как у пластинки жевательной резинки, а толщину — как у полиэтиленового пакета. Он прозрачен, лёгок и прочен.
Действительно, упругое растяжение пластиковой стали далеко не такое хорошее, как у полимеров типа полиэтилена. Наоборот, она достаточно «дубовая».
Кусочек «пластистали», созданный в университете Мичигана, содержит 300 двойных слоёв (другими словами любой таковой слой, со своей стороны, складывается из одного слоя MTM и одного слоя PVA). Дабы последовательно нанести их все, автоматическому аппарату потребовалось пара часов.
Срез пластиковой стали под электронным микроскопом (фото Science/University of Michigan).
В чём секрет прочности нового материала? Авторы разработки говорят, что тут «энергетически оптимизирована геометрия водородных связей», каковые создают то, что Котов назвал «эффектом велкро».
В «кладке» из глиняных нанопластинок и слоёв клея нет ни трещин, ни выступов, она весьма стройна и напоминает кладку из кирпичей. Но основное: при происхождении напряжений и сдвигов оборванные водородные связи тут же восстанавливаются в новом месте, неизменно удерживая все элементы композита совместно. «Мы продемонстрировали, что возможно добиться фактически совершенной передачи нагрузки между полимерной матрицей и пластинками», — поясняет Николас.
Нужно заявить, что данное изучение, совершённое в группе Котова (Kotov group), есть частью её работы по созданию весьма прочных материалов способом послойной сборки (Layer-by-Layer Assembly). Тут задействован неспециализированный принцип последовательного нанесения слоёв нанометровой толщины для композита, а вот состав материалов, прочих ингредиентов и клеёв — различается.
Доктор наук Котов (фото с сайта umich.edu).
Котов полагает, что именно этот способ в будущем разрешит создавать громадные подробности с высокими механическими особенностями, каковые мы привыкли видеть в наночастицах. Основное, дабы всё это предельно автоматизировать.
Но кроме того при построения достаточно больших изделий автоматизация вероятна. «Мы всё ещё находимся на этапе предварительных изучений, — говорит Котов, но уже строим в отечественной лаборатории машину, которая сможет создавать кусочки пластиковой стали величиной метр на метр».
Подробнее об данной работе вы имеете возможность почитать в пресс-релизе университета, статье авторов пластиковой стали в Science, а ещё — в этом PDF-документе (1,17 мегабайта).
Кстати, с Николасом Котовым постоянные читатели «Мембраны» привычны ещё по одной работе: он принимал участие в разработке краски, ощущающей повреждения и механическое напряжение в покрытом ею материале.
Тут учёным кроме этого удалось совместить макроскопические куски материала с наночастицами так, что оказался композит со строго заданными особенностями. Действительно, в то время, когда столь необыкновенная краска покажется на прилавках, неизвестно, а вот разработка производства пластиковой стали, по словам Котова, возможно коммерциализирована в течение всего одного-двух лет.
