211service.com
Ultrawytrzymałe materiały nanotechnologiczne
Naukowcy wykorzystali nanocząsteczki gliny do modyfikacji materiału polimerowego, dzięki czemu jest on 20 razy sztywniejszy, 4 razy twardszy i może wytrzymać ponad dwukrotnie wyższe temperatury. Nowe materiały mogłyby ostatecznie znaleźć zastosowanie w wytrzymałych, lekkich tkaninach, mniej obszernych materiałach opakowaniowych i znacznie lżejszych częściach samochodowych.
Mikroskopijne struktury w nowym, ultrawytrzymałym, nano-wzmocnionym materiale zmieniają kształt pod wpływem naprężeń, zmieniając sposób, w jaki odbijają światło.
Prace wpisują się w coraz większe wysiłki zmierzające do zaprojektowania materiałów o nanoskalowych strukturach, które naśladują te występujące w naturze, takie jak te w ultramocnych muszlach morskich. (Patrz Silicon and Sun.) W obecnej pracy naukowcy z programu MIT zajmującego się nauką i technologią polimerów znacznie poprawili właściwości elastycznego poliuretanu stosowanego w zastosowaniach biomedycznych, rozpraszając w nim drobne cząstki gliny.
Elastyczny poliuretan składa się zwykle z dwóch rodzajów polimerów, jednego twardego i krystalicznego, drugiego miękkiego, splątanego polimeru. Naukowcy opracowali metodę wzmacniania sztywnych struktur cienkimi, płaskimi, nanoskalowymi płytkami gliny. Nanocząstki gliny łączą łańcuchy twardego polimeru w ciągłą sieć biegnącą przez miękki polimer.
Rezultatem jest materiał, który ma właściwości, które zazwyczaj trudno połączyć: sztywność i rozciągliwość. W przeszłości inni znaleźli sposoby na usztywnienie materiału, ale wiązało się to z kompromisem, mówi główny badacz Gareth McKinley, profesor inżynierii mechanicznej w MIT. W poprzednich próbach siedmiokrotnie sztywniejszy materiał stał się bardziej kruchy – pękał, mówi. McKinley sprawił, że materiał jest jeszcze 23 razy mocniejszy – pomiar związany z wytrzymałością materiału – bez powodowania jego kruchości. Jesteśmy w stanie uczynić go zarówno mocniejszym, jak i przyjemnym i rozciągliwym – mówi.
Ponieważ nowy materiał jest sztywny, jego odkształcenie wymaga znacznej ilości energii. Ale nawet gdy materiał zacznie się odkształcać, nie pęka. Zamiast tego pochłania jeszcze więcej energii podczas rozciągania. Rzeczywiście, nano-wzmocniony materiał pochłonie aż czterokrotnie więcej energii niż oryginalny materiał bez pękania.
Większa wytrzymałość oznacza, że można zużyć znacznie mniej materiału – aż o 75% mniej. Cienkie arkusze materiału, choć odporne na rozdzieranie, byłyby wystarczająco elastyczne, aby służyć jako opakowanie, na przykład dla wojskowych posiłków gotowych do spożycia (MRE), mówi McKinley. Materiał można również przędzić we włókna, aby uzyskać elastyczne, ale odporne na rozdarcie tkaniny.
Nowy materiał jest również odporny na ciepło: cząstki gliny ogromnie poprawiają wytrzymałość tych polimerów w wysokich temperaturach, mówi McKinley. Oryginalny poliuretan zaczyna mięknąć w temperaturze około 100°C, tracąc sztywność i łatwo pękając. Ale nowy materiał jest odporny na temperaturę do 200 stopni, co oznacza, że może być używany w zastosowaniach takich jak maska samochodu. Ponieważ materiały są lekkie, oszczędności paliwa mogą być potencjalnie bardzo duże, mówi McKinley.
Chociaż Evangelos Manias, profesor inżynierii materiałowej i inżynierii materiałowej na Uniwersytecie Stanowym w Pensylwanii, mówi, że nowy materiał robi wrażenie, ostrzega, że proces ten ogranicza sposoby wykorzystania materiału. Jeśli zostanie podgrzany zbyt mocno podczas wprowadzania do produktu, cząstki gliny mogą się zlepiać, powodując utratę ulepszonych właściwości.
Manias mówi, że jeszcze ważniejszy od nowego materiału jest proces jego wytwarzania. Trudno jest równomiernie rozproszyć nanocząstki, takie jak glinki, w polimerach, ponieważ mają one niezgodne właściwości chemiczne: glinka przyciąga wodę, podczas gdy polimery ją odpychają. W tym przypadku problem staje się trudniejszy, ponieważ nanocząstki gliny muszą łączyć się tylko z twardymi segmentami poliuretanu, a nie z miękką, rozciągliwą siatką polimerową. W przeciwnym razie materiał straci swoją rozciągliwość.
Aby umożliwić zlokalizowanie nanocząstek gliny we właściwych miejscach, McKinley i jego koledzy z MIT opracowali system, który wykorzystuje dwa rozpuszczalniki, jeden do rozpraszania nanocząstek gliny, a drugi do rozpuszczania polimeru. Te dwa rozpuszczalniki są następnie mieszane, aż zawieszone nanocząstki zostaną równomiernie rozprowadzone w rozpuszczonym polimerze. Rozpuszczalnik, który rozpuścił polimer, jest następnie odparowywany, pozostawiając plątaninę polimeru, która zatrzymuje cząstki gliny. Ponieważ ta metoda nie zmienia chemicznie nanocząstek, jak to zrobiono w innych podejściach, cząstki zachowują powinowactwo chemiczne do sztywnych struktur w poliuretanie, co powoduje, że łączą się z nimi, a nie z miękkimi częściami struktury.
Manias twierdzi, że proces ten może mieć zastosowanie w wielu różnych systemach, wykorzystując różne nanocząstki, takie jak nanorurki, do tworzenia jeszcze bardziej niezwykłych materiałów. Najważniejsze jest to, że można to zastosować szerzej niż tylko poliuretan – mówi. Są całe dziedziny nauki, w których można to zastosować.