Профессор в области инжиниринга Николас Котов едва не назвал материал «пластмассовой сталью», но новый материала оказался недостаточно эластичным, чтобы заслуживать такого названия.
Тем не менее, по его мнению, дальнейшая работа над этим материалом может дать более легкую и прочную броню для солдат и полиции и их транспортных средств. Материал можно также использовать при производстве микроэлектромеханических устройств, микроструйных устройств, биомедицинских датчиков и клапанов, а также беспилотных летательных аппаратов.
Вместе с другими сотрудниками Мичиганского Университета Котов является автором статьи об этом композитном материале «Сверхпрочные полимерные нанокомпозиты с жесткими слоями», которая была опубликована в журнале Science.
Ученым удалось решить проблему, которая на протяжении десятилетий ставила ученых в тупик: отдельные наноразмерные строительные блоки, такие как: нанотрубки, нанолисты и наностержни, являются сверхпрочными. А вот материалы с более крупной размерностью, которые созданы из связанных между собой наноразмерных строительных блоков, являются относительно слабыми, точнее были слабыми до сих пор.
«Всякий раз, когда ученые пытались создать, что-либо осязаемое, что можно держать в руках, возникали проблемы с передачей твердости отдельных нанолистов или нанотрубок всему материалу», – рассказывает Котов. – «Мы показали, что можно добиться практически идеального переноса нагрузки с нанолистов на полимерную матрицу».
Ученые создали этот новый композитный пластмассовый материал с помощью ими же разработанной установки, которая способна создавать материалы слой за слоем в наноразмерном масштабе.
Робототехническая установка состоит из манипулятора, который находится в ожидании у колеса с емкостями, содержащими различные жидкости. В данном случае рука манипулятора держала кусок стекла размером с пластинку жвачки, на котором и строился этот новый материал. Рука обмакивала стекло в клееподобный полимерный раствор, а затем в жидкость, которая представляла собой дисперсию нанолистов глины. После того, как эти слои высыхали, процесс повторялся. Для того чтобы создать фрагмент этого материала, толщиной с кусок пластмассовой обертки, понадобилось 300 слоев из клееподобных полимеров и нанолистов глины.
Подобным же образом, слой за слоем, создается перламутр, переливчатая внутренняя оболочка раковин устриц и мидий. Это один из самых твердых природных неорганических материалов. Клееподобный полимер, который использовался при проведении экспериментов, это поливиниловый спирт – такой же важный компонент, как и сам процесс сборки слоя за слоем. Структуры «наноклея» и глинистых листов позволяют слоям образовывать между собой водородные связи, создавая то, что Котов называет «эффектом липучки». Такие связи, если они будут нарушены, могут легко формироваться вновь на новом месте.
Эффект липучки является одной из причин прочности материала. Другой причиной является расположение нанолистов. Они располагаются подобно кирпичам в перемежающемся порядке.
«Когда Вы имеете дело со структурой из кирпича и цементирующего состава, любые трещины заделываются каждой из связей», - объясняет Котов. – «Трудно воссоздать наноразмерные строительные блоки в крупном масштабе, но мы этого добились».
В коллектив сотрудников вошли: профессор инженерной механики Эллен Арруда, профессор по аэрокосмической технике Энтони Ваас, профессор в области химии, инжиниринга материаловедения и биомедицины Йорг Лэан, а также профессор химии Аялусами Рамамурти. Котов является профессором химической технологии, материаловедения и инжиниринга, а также биомедицинского инжиниринга.
Наномеханическое поведение этих материалов моделируется группой профессора Арруда; Ваас и его группа работали над наномеханическим поведением и применениями в авиации.
Колледж Инжиниринга Университета Мичигана считается одной из лучших инженерных школ США. Он может похвастаться одним из самых больших бюджетов исследовательских работ среди государственных университетов, который составляет более 130 миллионов долларов.
В Мичиганском Колледже Инжиниринга 11 отделений, а также Центр технических исследований Национального научного фонда. Основное внимание в этих одиннадцати отделениях и центре уделяется исследованиям в трех развивающихся областях: нанотехнологии и интегрированные микросистемы, клеточная и молекулярная биотехнология, а также в области информационных технологий. Мичиганский Колледж Инжиниринга стремится собрать 110 миллионов долларов на проекты в этих областях, для того чтобы стимулировать дальнейшие открытия. Задачей Колледжа является развитие академического знания и продвижение на рынок самых современных исследований для того, чтобы способствовать здоровью и благосостоянию людей.
Nanotechnology Today
|
