Самая прочная керамика подражает перламутру
Мать жемчуга – как раз так с германского возможно перевести слово «перламутр». Данный прекрасный природный материал воодушевляет не только ювелиров на создание прекрасных украшений, но и химиков, каковые желают во что бы то ни начало воссоздать неповторимые особенности вещества в лаборатории.
Медлительно приближаясь к собственной цели, они уже добились больших результатов.
Роберту Ритчи (Robert Ritchie) и его колегам из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (LBNL), решившим воспроизвести перламутр – один из самых прекрасных и прочных материалов планеты, – удалось создать керамический материал, владеющий прочностью в 300 раз большей, чем у его составляющих. Для этого учёные взяли на вооружение биомимикрию – молодую науку, разрешающую создавать неестественные материалы, методы и способы, повторяющие творения природы.
Те, кто хоть в один раз пробовал сломать раковины мидий и других моллюсков, знают, как не просто это сделать, кроме того не обращая внимания на то что толщина стенок подчас минимальна.
На данной фотографии прекрасно видны «цемент» полимера и «кирпичики» арагонита: под действием внешней силы составляющие разъезжаются относительно друг друга, наряду с этим полимер трудится как смазка (фото Lawrence Berkeley National Laboratory).
Как раз перламутр даёт моллюскам такую крепкую природную защиту. Его состав это 95% минерала арагонита (кристаллы жёсткого, но просто ломающегося CaCO3) и мягкие органические молекулы.
Сам же перламутр практически в три тысячи раз менее хрупкий, нежели арагонит.
Над тайнами перламутра учёные бьются уже давно, и многие интересные подробности строения данного материала уже раскрыты.
Но всё равняется человеку пока не удалось создать что-либо подобное по разбросу физических черт начальных конечного продукта и материалов (в этом случае это перламутр). Как раз исходя из этого последнее достижение учёных выглядит столь впечатляющим на фоне остальных.
На протяжении изучений химики узнали, что большая прочность перламутра определяется его структурой. Как раз её авторы работы и постарались воссоздать.
Для этого они совершили контролируемое замораживание водной суспензии оксида алюминия (глинозёма) с добавкой достаточно распространённого полимера полиметилметакрилата (ПММА).
О собственных достижениях исследователи отчитались в издании Science.
Шероховатость гибридной керамики кроме этого определяет её прочность, поскольку воздействует на процесс сдвига «кирпичиков», соответственно – и рассеивание энергии. На врезке продемонстрированы достаточно большие брикеты нового материала.
Ранее учёным получалось взять образцы столь прочного вещества только в виде узких плёнок. В том месте же – фотография, полученная посредством сканирующего электронного микроскопа, показывает поведение материала под нагрузкой.
Повреждение распространяется в виде маленьких трещин (фото Lawrence Berkeley National Laboratory).
Базой их открытия стала работа двухгодичной давности, выполненная вторыми исследователями из Беркли: Эдуардо Сейзом (Eduardo Saiz) и Энтони Томсиа (Antoni Tomsia). Тогда учёные поняли, что возможно создать очень прочную неестественную замену людской кости, замораживая морскую воду.
Сейчас химики сперва также заморозили воду, но чтобы создать матрицу, которая стала базой чтобы получить каркас из пластин (ламелей) глинозёма (он занял поры, не заполненные льдом). После этого лёд был удалён выпариванием, и на его место был введён полимер.
Прочность материала определяется его свойством рассеивать энергию деформации. В этом случае полимер между пластинками оксида алюминия разрешает им «скользить» относительно друг друга и тем самым распределять нагрузку, совершенно верно так же, как это делают протеиновые структуры в раковинах моллюсков.
Роберт Ритчи (на стуле) и его коллеги (слева направо): Максимильен Лони (Maximilien Launey), Даан Хейн Алсем (Daan Hein Alsem), Эдуардо Сейз и Энтони Томсиа (фото Lawrence Berkeley National Laboratory).
Но химики смогли не только создать пластинчатый каркас. Они взяли возможность оказывать влияние на толщину пластин, их макроскопическую ориентацию, шероховатость и химию границ раздела ламелей.
Сжимая каркас перпендикулярно слоям на протяжении спекания, они кроме этого взяли «кирпичики» оксида алюминия, добились уплотнения и формирования керамических мостиков между ними. Возможность варьирования всех этих параметров разрешит в будущем взять материалы с другими особенностями, и громадна возможность – среди них найдутся те, что будут кроме того лучше нынешних.
«Мы постарались сымитировать природные механизмы упрочнения, вынудив частички глинозёма выстраиваться в иерархические структуры, — говорит Ритчи в пресс-релизе лаборатории. — В будущем мы сохраняем надежду, что изучение уже взятых композитов разрешит улучшить синтез лёгких небиологических материалов с прочностью и уникальной твёрдостью».
В будущем химики собираются взять материалы с ещё большей прочностью. Они сохраняют надежду добиться новых впечатляющих результатов, поменяв соотношение оксид алюминия/ПММА в сторону повышения содержания керамики, заменив полимер на другой, а также заместив целый полимер металлом.
Учёные из Беркли уверены в том, что металл не только разрешит пластинкам сдвигаться относительно друг друга (при таких размерах это в полной мере осуществимо), но и примет на себя часть нагрузки. К тому же в отличие от полимера он может действующий при больших температурах.
Результатом станет лёгкий и прочный композитный материал, которому постоянно найдётся использование как в энергетической, так и в транспортной отрасли, уверены исследователи. Достаточно привести несложный пример: многие детали автомобиля, выполненные из для того чтобы композита, будут весить намного меньше металлических, что позитивно скажется на расходе горючего.
Но, перед тем как задумка станет действительностью (разрешающей взять пользу производителям), нужно будет не только усовершенствовать сам материал, но и организовать его массовое производство.
