Prosta sztuczka zmienia komercyjny polimer w najtwardsze włókno na świecie

W materiałoznawstwie wytrzymałość jest miarą ilości energii, jaką materiał może wchłonąć przed pęknięciem. Na przykład kevlar może wchłonąć około 80 dżuli na gram przed pęknięciem, ale jest to przyćmione przez niektóre naturalne materiały, które są znacznie twardsze. Na przykład jedwab wytwarzany przez gigantycznego pająka z nadrzecznej kuli może wchłonąć około 390 dżuli na gram przed pęknięciem.

Dlatego istnieje duże zainteresowanie znalezieniem nowych materiałów, które mogą dorównać lub przewyższyć właściwości naturalnych materiałów w zastosowaniach wymagających wysokiego poziomu pochłaniania energii.

Dziś Nicola Pugno z Uniwersytetu w Trydencie we Włoszech ujawnia niezwykle prostą sztuczkę, która radykalnie zwiększa wytrzymałość niemal każdego rodzaju włókna. Rzeczywiście, Pugno mówi, że wykorzystał tę technikę do stworzenia najtwardszego włókna na świecie.

Nowy pomysł jest zwodniczo prosty – polega jedynie na zawiązaniu węzła poślizgowego we włóknie, tworząc pętlę dodatkowego włókna, która może przejść przez węzeł, gdy jest naprężona.

Mechanizm jest prosty. Kiedy włókno jest naprężone, węzeł ślizgowy zaczyna się zaciskać, a dodatkowy materiał przechodzi przez węzeł, rozpraszając energię poprzez tarcie.

Oczywiście włókno w końcu pęka, ale dopiero po przejściu całego materiału w pętli przez węzeł ślizgowy.

Oczywiście nie powoduje to, że materiał staje się mocniejszy (twardość i wytrzymałość to różne właściwości, które na ogół nie są skorelowane). Jednak nie jest trudno zobaczyć, jak rozpraszanie energii dramatycznie zwiększyłoby ilość energii pochłanianej przez włókno przed pęknięciem, zwiększając w ten sposób jego wytrzymałość.

Pugno mówi, że przetestował ten pomysł na wielu materiałach, używając różnej liczby pętli i węzłów poślizgowych. Najlepsze wyniki uzyskuje się przy użyciu trzech węzłów poślizgowych, mówi.

Stosując tę ​​prostą sztuczkę do komercyjnego włókna polimerowego o nazwie Endumax, zwiększył jego wytrzymałość z 44 dżuli na gram do niezwykłej 1070 dżuli na gram. To najwyższa wartość, jaką kiedykolwiek zarejestrowano. Weryfikacja koncepcji jest eksperymentalnie realizowana, tworząc najtwardsze włókno na świecie, mówi.

To lepsze nawet niż włókna z nanorurek, które naukowcy z materiałów dopiero zaczynają produkować. Najsilniejszy z nich, wykonany z nanorurek węglowych, ma wytrzymałość 970 dżuli na gram.

Pugno mówi, że jego praca to dopiero początek i że powinno być możliwe wykorzystanie jego techniki ślizgania się węzłów do wytwarzania włókien grafenowych o wytrzymałości 100 000 dżuli na gram.

Oczywiście czekają nas wyzwania. Idealnie, siła wymagana do przejścia włókna przez węzeł powinna być tuż poniżej punktu zerwania materiału, a to zależy od takich czynników, jak topologia węzła. Wybór węzła ma istotny wpływ na zachowanie materiału, a dalsza praca tutaj może doprowadzić do nowatorskich projektów. Pugno mówi, że obecnie opatentował swój projekt z węzłem poślizgowym, więc jeszcze go nie opublikował.

Potencjalnych zastosowań tego pomysłu jest wiele. Twardsze materiały można oczywiście stosować w obszarach, w których ważne jest pochłanianie energii, takich jak na przykład produkcja kamizelek kuloodpornych.

To skuteczny i tani pomysł, który ma spory potencjał. Jest to również niezwykle proste, co może być powodem, dla którego do tej pory było pomijane.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1304.6658 : Jajo Kolumba do produkcji najtwardszych włókien na świecie

ukryć