Узлы размером меньше человеческого волоса делают материалы необычайно прочными

  • Пользователь Алексей Коровин опубликовал
  • 10 марта 2023 г., 14:29:33 MSK
  • 0 комментариев
  • 37 просмотров
Микроархитектурный материал, изготовленный из крошечных узелков, оказывается более жестким и долговечным, чем не завязанные аналоги.

В рамках последнего достижения в области материалов с нано- и микроархитектурой инженеры Калифорнийского технологического института разработали новый материал, состоящий из множества взаимосвязанных узлов микромасштабного масштаба.

Узлы делают материал намного прочнее, чем материалы с идентичной структурой, но без узлов: они поглощают больше энергии и способны больше деформироваться, сохраняя при этом способность возвращаться к своей первоначальной форме неповрежденными. Эти новые узловатые материалы могут найти применение в биомедицине, а также в аэрокосмической промышленности благодаря их долговечности, возможной биосовместимости и чрезвычайной деформируемости.

"Возможность преодолеть общий компромисс между деформируемостью материала и прочностью при растяжении [способность растягиваться без разрушения] предлагает новые способы проектирования устройств, которые являются чрезвычайно гибкими, долговечными и могут работать в экстремальных условиях", - говорит бывший аспирант Калифорнийского технологического института Видианто П. Местопо (MS ' 19, PhD '22), сейчас в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса. Моэстопо является ведущим автором статьи о наноразмерных узлах, которая была опубликована 8 марта в Научные достижения.

Моэстопо помогал разрабатывать материал в лаборатории Джулии Р. Грир, профессора материаловедения, механики и медицинской инженерии Рубена Ф. и Донны Меттлер; директора Фонда Флетчера Джонса Института нанонауки Кавли; и старшего автора Научные достижения бумага. Грир находится на переднем крае создания таких материалов с наноархитектурой, или материалов, структура которых спроектирована и организована в нанометровом масштабе и которые, следовательно, проявляют необычные, часто неожиданные свойства.

"Попытка понять, как узлы повлияют на механическую реакцию материалов с микроархитектурой, была новой нестандартной идеей", - говорит Грир. "Мы провели обширные исследования по изучению механической деформации многих других типов микротекстиля, например, решеток и тканых материалов. Погружение в мир узлов позволило нам глубже понять роль трения и рассеивания энергии и оказалось значимым".

Каждый узел имеет около 70 микрометров в высоту и ширину, а каждое волокно имеет радиус около 1,7 микрометра (примерно одна сотая радиуса человеческого волоса). Хотя это не самые маленькие узлы, когда-либо сделанные - в 2017 году химики завязали узел, состоящий из отдельной цепочки атомов, - это первый случай, когда материал состоящая из множества узлов, такого масштаба еще никогда не создавалась. Кроме того, это демонстрирует потенциальную ценность включения этих наноразмерных узлов в материал - например, для наложения швов или привязывания в биомедицине.

Материалы с узлами, которые были созданы из полимеров, обладают прочностью на разрыв, которая намного превосходит материалы без узлов, но в остальном структурно идентичные, в том числе те, в которых отдельные нити переплетены, а не завязаны узлом. По сравнению со своими не завязанными аналогами, материалы с завязками поглощают на 92 процента больше энергии и требуют более чем в два раза большего напряжения для разрыва при натяжении.

Узлы не были завязаны, а скорее изготовлены в завязанном состоянии с использованием передовой 3D-литографии высокого разрешения, способной создавать структуры в наноразмерном масштабе. Образцы, подробно описанные в Научные достижениябумага содержит простые узлы - нависающий узел с дополнительной закруткой, который обеспечивает дополнительное трение для поглощения дополнительной энергии при растяжении материала. В будущем команда планирует исследовать материалы, изготовленные из более сложных узлов.

Интерес Моэстопо к узлам вырос из исследований, которые он проводил в 2020 году во время карантина из-за COVID-19. "Я наткнулся на некоторые работы исследователей, которые изучают механику физических узлов в отличие от узлов в чисто математическом смысле. Я не считаю себя альпинистом, моряком или математиком, но я завязывал узлы на протяжении всей своей жизни, поэтому я подумал, что стоит попробовать вставить узлы в мои проекты", - говорит он.

Комментарии

0 комментариев