Zwiększona wytrzymałość materiału na rozciąganie dzięki węzłom w mikroskali
CanvaWęzły sprawiają, że materiał jest znacznie twardszy niż tworzywo o identycznej strukturze, ale bez węzłów. Pochłaniają więcej energii i są w stanie bardziej się odkształcić, a jednocześnie mogą powrócić do pierwotnego kształtu w stanie nienaruszonym. Nowo wiązane materiały mogą znaleźć zastosowanie w biomedycynie, a także lotnictwie ze względu na ich trwałość, możliwą biokompatybilność i ekstremalną odkształcalność.
– Zdolność do przezwyciężenia ogólnego kompromisu między odkształcalnością materiału a wytrzymałością na rozciąganie daje nadzieję na nowe sposoby projektowania urządzeń niezwykle elastycznych, trwałych i mogących działać w ekstremalnych warunkach – mówi były absolwent Caltech student Widianto P. Moestopo, obecnie w Lawrence Livermore National Laboratory.
Moestopo pomógł opracować materiał w laboratorium Julii R. Greer, Rubena F. i Donny Mettler, profesora inżynierii materiałowej, mechaniki i inżynierii medycznej; Fletcher Jones Foundation, dyrektor Kavli Nanoscience Institute; i starszy autor artykułu Science Advances. Greer stoi na czele tworzenia materiałów o nanoarchitekturze, czyli materiałów, których struktura jest zaprojektowana i zorganizowana w skali nanometrowej.
– Próba zrozumienia, w jaki sposób sęki wpłynęłyby na reakcję mechaniczną materiałów o mikroarchitekturze, była nowym, nieszablonowym pomysłem – mówi Greer. – Przeprowadziliśmy szeroko zakrojone badania nad badaniem mechanicznej deformacji wielu innych rodzajów mikrotekstyliów, na przykład krat i materiałów tkanych. Zagłębienie się w świat węzłów pozwoliło nam uzyskać głębszy wgląd w rolę tarcia i rozpraszania energii oraz okazał się sensowny.
Każdy węzeł ma około 70 mikrometrów wysokości i szerokości, a każde włókno promień około 1,7 mikrometra (około jednej setnej promienia ludzkiego włosa). Chociaż nie są to najmniejsze węzły, jakie kiedykolwiek powstały – w 2017 r. chemicy zawiązali węzeł wykonany z pojedynczej nici atomów – to po raz pierwszy powstał materiał składający się z wielu węzłów w tej skali. Co więcej, demonstruje on potencjalną wartość włączenia tych nanoskalowych węzłów do materiału, na przykład do szycia lub wiązania w biomedycynie.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Wiązane materiały, które zostały stworzone z polimerów, wykazują wytrzymałość na rozciąganie, która znacznie przewyższa materiały niewiązane. W porównaniu z ich niezwiązanymi odpowiednikami wiązane materiały pochłaniają o 92% więcej energii i wymagają ponad dwukrotnie większego naprężenia, aby pęknąć podczas ciągnięcia.
Węzły nie były wiązane, lecz wytwarzane w stanie sękowym przy użyciu zaawansowanej litografii 3D o wysokiej rozdzielczości, zdolnej do tworzenia struktur w nanoskali. Wyszczególnione próby zawierają proste węzły – supeł z dodatkowym skręceniem, który zapewnia dodatkowe tarcie w celu pochłonięcia dodatkowej energii podczas rozciągania materiału. W przyszłości zespół planuje zbadać materiały zbudowane z bardziej złożonych węzłów.
Źródło: Caltech
