Connect with us

Hi, what are you looking for?

Наука и технологии

Узлы меньше человеческого волоса делают материалы необычайно прочными

В рамках последних достижений в области материалов с нано- и микроархитектурой инженеры Калифорнийского технологического института разработали новый материал, состоящий из множества взаимосвязанных микроузлов.

Узлы _ но без узлов: они поглощают больше энергии и способны больше деформироваться, но при этом могут вернуться к своей первоначальной форме без повреждений. Эти новые материалы с узлами могут найти применение в биомедицине, а также в аэрокосмической отрасли благодаря их долговечности, возможной биосовместимости и чрезвычайной деформируемости.

«Возможность преодолеть общий компромисс между деформируемостью материала и вязкостью при растяжении [способность растягиваться без разрушения] предлагает новые способы разработки устройств, которые являются чрезвычайно гибкими, долговечными и могут работать в экстремальных условиях», — говорит бывший выпускник Калифорнийского технологического института  студент Видианто П. Моэстопо, сейчас работает в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса. Моэстопо — ведущий автор статьи о наноузлах, опубликованной 8 марта в журнале Science Advances.

Moestopo помог разработать материал в лаборатории Джулии Р. Грир, профессора Рубена Ф. и Донны Меттлер в области материаловедения, механики и медицинской инженерии; Директор Фонда Флетчера Джонса Института нанонаук Кавли; и старший автор статьи. Грир находится в авангарде создания таких материалов с наноархитектурой или материалов, структура которых спроектирована и организована в нанометровом масштабе и, следовательно, проявляет необычные, часто удивительные свойства.

«Приступить к пониманию того, как узлы повлияют на механическую реакцию материалов с микроархитектурой, было 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 рассеяния энергии, а также оказалось значимым».

Каждый узел имеет около 70 микрометров в высоту и ширину, а каждое волокно имеет радиус около 1,7 микрометра (около одной сотой радиуса человеческого волоса). Хотя это не самые маленькие узлы из когда-либо созданных — в 2017 году химики завязали узел из отдельной нити атомов — это первый случай создания материала, состоящего из множества узлов такого масштаба. Кроме того, это демонстрирует потенциальную ценность включения этих наноразмерных узлов в материал, например, для сшивания или фиксации в биомедицине.

Узловые материалы, созданные из полимеров, обладают прочностью на растяжение, которая намного превосходит материалы, которые не имеют узлов, но в остальном идентичны по структуре, в том числе те, в которых отдельные нити переплетены, а не связаны узлами. По сравнению с их аналогами без узлов, материалы с узлами поглощают на 92 процента больше энергии и требуют в два раза больше усилия, чтобы сломаться при натяжении.

Узлы не были завязаны, а были изготовлены в завязанном состоянии с использованием передовой трехмерной литографии высокого разрешения, способной создавать структуры в наномасштабе. Образцы, подробно описанные в статье Science Advances , содержат простые узлы — узел сверху с дополнительным поворотом, который обеспечивает дополнительное трение для поглощения дополнительной энергии при растяжении материала. В будущем команда планирует исследовать материалы, состоящие из более сложных узлов.

Интерес Моэстопо к узлам вырос из исследований, которые он проводил в 2020 году во время карантина из-за COVID-19. «Мне попадались работы исследователей, изучающих механику физических узлов, а не узлов в чисто математическом смысле. Я не считаю себя ни альпинистом, ни моряком, ни математиком, но всю жизнь завязывал узлы, поэтому я подумал, что стоит попробовать вставить узлы в свои проекты», — говорит он.

Статья имеет ироничное название: «Узлы не напрасны: конструкция, свойства и топология иерархически переплетенных микроархитектурных материалов». Военно-морские исследования.

Узлы меньше человеческого волоса делают материалы необычайно прочными

Теги: биотехнологии, киборг, полимеры

В тренде