Ученые смоделировали новый самовосстанавливающийся материал
Правило выживания гласит, что выживают сильнейшие, но ученые из Университета Питтсбурга обнаружили, что хрупкие самовосстанавливающиеся материалы иногда имеют гораздо больше шансов выдержать экстремальные нагрузки.
Команда ученых опубликовала в издании Langmuir новую модель самовосстанавливающегося материала из наноразмерных гелевых частиц. Он может использоваться в качестве покрытия или композитного материала. Исследователи также обнаружили, что идеальное количество слабых связей может создать сверхпрочный материал, способный перенести большие нагрузки.
Несмотря на то, что регенерирующие наногели уже создаются в лабораториях, точная природа их механических свойств и оптимальная структура остаются загадкой. Американским ученым впервые удалось описать процесс самовосстановления наногеля и создать основу для разработки более совершенной структуры таких материалов.
На фото видно, как растягивается образец и лабильные связи (красный цвет) предотвращают разрыв материала.
Частицы наногеля имеют крепкие связи, сохраняющие общую прочность материала, и лабильные (подвижные, неустойчивые) связи, которые обладают высокой реакционной активностью и позволяют материалу легко менять форму. Команда ученых работала с наногелем Кристофа Матыяшевского (Krzysztof Matyjaszewski), самовосстанавливающимся материалом, состоящим из губчатых микроскопических полимерных частиц, связанных друг с другом несколькими связями, похожими на щупальца. Компьютерная модель позволила исследователям протестировать эффективность различных механизмов связи. Частицы полимеров были впервые расположены аналогично частицам наногеля и связаны друг с другом одной сильной связью-щупальцем.
Имитация нагрузок, однако, показала, что хоть такая конструкция (с одной прочной связью) позволяет пережить кратковременную большую нагрузку, она не может противостоять растяжению. Ученые обнаружили, что при присоединении нескольких параллельных связей наногель смог поглощать больше нагрузок и самовосстанавливаться.
В процессе поиска наиболее эффективной конструкции ученые сконструировали наногель с несколькими параллельными лабильными связями. Согласно расчетной модели, даже небольшое количество лабильных связей позволило создать материал с очень высокой устойчивостью к внешним воздействиям
Так, образец, в котором только 30% связей являются параллельными лабильными связями по 4 шт. может выдержать давление на 200% большее, чем образец, который имеет только стабильные связи.
С другой стороны, слишком большое количество лабильных связей делает материал очень хрупким и лишает его способности к самовосстановлению.
Смоделированная учеными конструкция встречается и в природе - так устроена раковина моллюска галиотиса. Она представляет собой набор микроскопических керамических пластин, скрепленных небольшим количеством мягкого белка, благодаря чему хорошо поглощает силу удара. Подобные материалы очень востребованы в создании различных конструкций от бронежилетов до обшивки космических кораблей.
Команда ученых опубликовала в издании Langmuir новую модель самовосстанавливающегося материала из наноразмерных гелевых частиц. Он может использоваться в качестве покрытия или композитного материала. Исследователи также обнаружили, что идеальное количество слабых связей может создать сверхпрочный материал, способный перенести большие нагрузки.
Несмотря на то, что регенерирующие наногели уже создаются в лабораториях, точная природа их механических свойств и оптимальная структура остаются загадкой. Американским ученым впервые удалось описать процесс самовосстановления наногеля и создать основу для разработки более совершенной структуры таких материалов.
На фото видно, как растягивается образец и лабильные связи (красный цвет) предотвращают разрыв материала.
Частицы наногеля имеют крепкие связи, сохраняющие общую прочность материала, и лабильные (подвижные, неустойчивые) связи, которые обладают высокой реакционной активностью и позволяют материалу легко менять форму. Команда ученых работала с наногелем Кристофа Матыяшевского (Krzysztof Matyjaszewski), самовосстанавливающимся материалом, состоящим из губчатых микроскопических полимерных частиц, связанных друг с другом несколькими связями, похожими на щупальца. Компьютерная модель позволила исследователям протестировать эффективность различных механизмов связи. Частицы полимеров были впервые расположены аналогично частицам наногеля и связаны друг с другом одной сильной связью-щупальцем.
Имитация нагрузок, однако, показала, что хоть такая конструкция (с одной прочной связью) позволяет пережить кратковременную большую нагрузку, она не может противостоять растяжению. Ученые обнаружили, что при присоединении нескольких параллельных связей наногель смог поглощать больше нагрузок и самовосстанавливаться.
В процессе поиска наиболее эффективной конструкции ученые сконструировали наногель с несколькими параллельными лабильными связями. Согласно расчетной модели, даже небольшое количество лабильных связей позволило создать материал с очень высокой устойчивостью к внешним воздействиям
Так, образец, в котором только 30% связей являются параллельными лабильными связями по 4 шт. может выдержать давление на 200% большее, чем образец, который имеет только стабильные связи.
С другой стороны, слишком большое количество лабильных связей делает материал очень хрупким и лишает его способности к самовосстановлению.
Смоделированная учеными конструкция встречается и в природе - так устроена раковина моллюска галиотиса. Она представляет собой набор микроскопических керамических пластин, скрепленных небольшим количеством мягкого белка, благодаря чему хорошо поглощает силу удара. Подобные материалы очень востребованы в создании различных конструкций от бронежилетов до обшивки космических кораблей.
Ещё новости по теме:
18:20