211service.com
Mocne, lekkie i rozciągliwe materiały
Naukowcy rozprowadzili maleńkie płytki tlenku glinu w polimerze, aby stworzyć materiał, który jest wytrzymały, rozciągliwy i lekki. Materiał może prowadzić do trwalszych implantów kostnych i dentystycznych oraz lżejszych, bardziej paliwooszczędnych części samochodowych i samolotowych. Można go również wykorzystać do wykonania giętkiej, przezroczystej elektroniki.
Kopiowanie natury: Przekrój masy perłowej lub masy perłowej pokazuje płytki węglanu wapnia ułożone w warstwy oddzielone biopolimerem (góra). Naukowcy naśladowali strukturę masy perłowej, rozpraszając płytki tlenku glinu w biopolimerowym chitozanie (na dole), co daje nanokompozyt, który jest mocny, rozciągliwy i lekki.
Chemicy i naukowcy zajmujący się materiałami od dawna próbują naśladować nanostruktury występujące w naturze, starając się stworzyć mocne, ale lekkie materiały. Muszle, kości i szkliwo zębów składają się ze sztywnych płytek ceramicznych ułożonych w matrycy polimerowej, jak cegły w zaprawie murarskiej. Te hybrydowe materiały łączą w sobie wytrzymałość ceramiki i rozciągliwość polimerów.
W 2007 roku naukowcy z University of Michigan zaprojektowali polimery wzmocnione gliną, które były niezwykle wytrzymałe, ale kruche: odkształcenie ich wymaga dużo energii, ale kiedy się odkształcą, nagle pękają. Naukowcom z MIT udało się stworzyć sztywne, ale mniej kruche kompozyty glinowo-polimerowe, które będą tolerować pewne rozciąganie przed pęknięciem. (Zobacz Ultrawytrzymałe materiały nanotechnologiczne .)
Ludwig Gauckle , profesor materiałów w Szwajcarskim Federalnym Instytucie Technologii w Zurychu w Szwajcarii, który kierował nowymi pracami, mówi, że kompozyt jego grupy jest jeszcze lepszy. Mówi, że jest pięć razy mocniejszy niż materiał wyprodukowany w MIT, ale wciąż jest rozciągliwy. Folia kompozytu jest już tak mocna jak folia aluminiowa, mówi Gauckler, ale po rozciągnięciu może rozszerzyć się nawet o 25 procent swojej wielkości; folia aluminiowa pękłaby w 2 procentach.
Dodatkową zaletą materiału hybrydowego jest to, że jest lekki, mówi badacz materiałów z Harvardu Andre Studart, który był zaangażowany w prace. Materiał jest od pół do jednej czwartej cięższy od stali o tej samej wytrzymałości, mówi Studart, i byłby dobrym zamiennikiem włókna szklanego, które jest powszechnie stosowane w częściach samochodowych. Ponieważ siła materiału pochodzi od płytek przez niego dyfundowanych, mówi Studart, będzie on mocny w dwóch kierunkach, a nie tylko w jednym, jak w przypadku materiału wzmocnionego włóknem.
Co więcej, chociaż materiał jest teraz półprzezroczysty, jego strukturę można zmodyfikować, aby uczynić go przezroczystym, dzięki czemu nadaje się do materiałów dentystycznych i przezroczystych obwodów elektronicznych.
Aby złożyć materiał, naukowcy dyspergują płytki tlenku glinu w etanolu i rozprowadzają mieszaninę na wodzie. Płytki układają się w jedną warstwę na powierzchni wody. Następnie naukowcy zanurzają szklaną płytkę w roztworze, przenosząc płytki krwi na szkło. Na koniec osadzają warstwę biokompatybilnego chitozanu polimerowego na wierzchu płytek krwi. Naukowcy powtarzają ten proces, aż grubość gotowego kompozytu wyniesie kilkadziesiąt mikrometrów, po czym za pomocą żyletki zdzierają materiał z płytki szklanej.
Projektując materiał, naukowcy dokładnie przestudiowali mechaniczną strukturę masy perłowej, błyszczącej warstwy wewnętrznej muszli, i starali się ją ulepszyć. Masa perłowa ma płytki wykonane z węglanu wapnia ułożone warstwami wewnątrz polimeru na bazie białka. Jest coś wyjątkowego w wielkości tych płytek krwi, mówi Studart. Masa perłowa wykorzystuje określoną długość i grubość płytek krwi, aby osiągnąć wysoką wytrzymałość i [rozciągliwość] obserwowaną w metalach.
Stosunek między długością a grubością płytek musi być odpowiedni, mówi Studart. Jeśli jest zbyt wysoki, płytki pękają podczas rozciągania materiału. Jeśli jest za niski, materiał nie jest zbyt sztywny.
Naukowcy zdecydowali się pracować z płytkami tlenku glinu, które są pięć razy silniejsze niż płytki węglanu wapnia znajdujące się w masie perłowej. Stworzyli również cieńsze płytki krwi – o średnicy około 200 nanometrów, w przeciwieństwie do 500 do 1000 nanometrów naturalnie występujących płytek krwi – aby zmniejszyć prawdopodobieństwo wad ich struktury. Najlepszy średni stosunek długości do grubości, jak obliczyli naukowcy, wynosi 40, więc stworzyli płytki o długości od 5 do 10 mikrometrów. Silniejsze płytki pozwalają nam na zastosowanie wyższego stosunku, a tym samym na osiągnięcie większej wytrzymałości w porównaniu do muszli, przy mniejszej koncentracji płytek – mówi Studart. Niskie stężenia są ważne, mówi, ponieważ oznacza to, że kompozyt ma więcej polimeru i ma dużo [rozciągliwości].
Mówi, że jest to najbliższe powielaniu mechanicznej struktury i zachowania naturalnego materiału Francois Barthelat , profesor inżynierii mechanicznej i badacz materiałów biomimetycznych na Uniwersytecie McGill w Montrealu, Quebec. Ale zanim materiał będzie można wykorzystać, mówi, naukowcy będą musieli opracować szybszy sposób wytwarzania go w większych ilościach.
Profesor chemii na Uniwersytecie Princeton Ilhan Aksay uważa, że technika ta powinna być łatwa do zmodyfikowania, tak aby nadawała się do masowej produkcji. Za pomocą tej techniki można tworzyć duże kształty, mówi. Wyobraża sobie, że materiał mógłby być przydatny do implantów kostnych i dentystycznych.
Gauckler mówi, że materiał wymaga wielu ulepszeń, zanim będzie można go praktycznie wykorzystać. Lepszy polimer wzmocniłby kompozyt. Naukowcy muszą również znaleźć sposób na lepsze wiązanie tlenku glinu z polimerem. Na razie, mówi Gauckler, pokazaliśmy, że możemy [zbliżyć się] do wykonywania tak dobrej pracy, jak natura.