Нанокомпозит оксида алюминия и полимера жесткий как металл, но значительно легче. При проектировании данного материала, исследователи тщательно изучили механическую структуру перламутровой раковины попытались ее усовершенствовать…

Исследователи диспергировали крошечные частицы оксида алюминия в полимере для того, чтобы создать жесткий, легкий и эластичный материал. Существование такого материала позволит создавать имплантаты костей и зубов с более продолжительным сроком эксплуатации, а также более легкие и топливосберегающие детали автомобилей и самолетов. Его также можно будет использовать для производства сгибаемых и прозрачных электронных устройств.

Пытаясь создать прочные и, в то же время, легкие материалы, ученые химики и материаловеды давно пытались копировать наноструктуры, которые можно наблюдать в природе. Раковины, кости и зубная эмаль состоят из жестких керамических частиц, которые организованы внутри полимерной матрицы как кирпичики в кирпичной кладке. Эти гибридные материалы сочетают прочность керамики со способностью полимеров растягиваться.

Копируя природу: На поперечном сечении жемчужной раковины, или перламутра, видны частицы карбоната кальция, организованные слоями, которые отграничены друг от друга биополимером (сверху). Исследователи сымитировали структуру перламутровой раковины путем диспергирования частиц оксида алюминия в биополимерном хитозане (снизу), получив при этом нанокомпозит, прочный, легкий и эластичный
Источник: J. Woltersdorf and E. Pippel, MPI for Microstructure Physics, Halle, Germany

В 2007 г. исследователи Мичиганского университета разработали армированные глиной полимеры, которые были очень прочными, и, в то же время, хрупкими: необходимо затратить немало энергии, чтобы их деформировать, но когда их деформация происходит, она происходит внезапно. Исследователям из MIT удалось создать жесткие, но все же менее хрупкие глинистые полимерные композиты, которые способны выдерживать некоторое растягивание до того, как они сломаются. (См. "Ультражесткие нанотехнологические материалы)".

Людвиг Гауклер, профессор материаловедения Швейцарского Федерального Института Технологии в Цюрихе, Швейцария, который возглавлял новые исследования, считает, что созданный его группой композит все же лучше. По его словам, этот материал в пять раз прочнее материала, разработанного в MIT, и все же он очень хорошо растягивается. Как сообщает Гауклер, пленка из этого композита уже имеет ту же прочность, что и алюминиевая фольга, но при растягивании она может увеличиваться в размере более, чем на 25 процентов; в то время как алюминиевая фольга рвется уже при двух процентах.

Еще одним преимуществом гибридного материала является его легкость, рассказывает материаловед из Гарварда Андре Стьюдарт, который занимался этой работой. Стьюдарт говорит, что материал на 25 - 50% легче стали с той же прочностью, а также, что он станет хорошей заменой для стекловолокна, которое обычно используют при изготовлении деталей автомобилей. Поскольку прочность материала создается за счет диффузии в нем частиц, как говорит Стьюдарт, "он будет прочным в двух направлениях, а не только в одном, как это получается в случае с использованием материалов, армированных волокном".

Более того, хотя в настоящее время этот материал полупрозрачный, его структуру можно изменить так, чтобы сделать его прозрачным, что даст возможность использовать его в качестве материала в стоматологии и при изготовлении прозрачных электронных цепей.

Для того, чтобы соединить компоненты своего материала, исследователи диспергируют частицы оксида алюминия в этаноле, и распределяют смесь на поверхности воды. Частицы организуются в единый слой на поверхности воды. Затем исследователи опускают стеклянную пластину в раствор, перенося, таким образом, частицы на стекло. В конце концов, они размещают слой биологически совместимого полимерного хитозана поверх частиц. Исследователи повторяют этот процесс до тех пор, пока толщина окончательно полученного композита не достигнет нескольких десятых микрометра, после этого материала счищают со стеклянной пластины с помощью бритвенного лезвия.

При проектировании данного материала, исследователи тщательно изучили механическую структуру перламутровой раковины, этого сияющего слоя внутри морских раковин, и попытались ее усовершенствовать. В перламутре имеются частицы карбоната кальция, которые организованы в слои внутри полимера на протеиновой основе. "В размере этих частиц есть нечто особенное", - говорит Стьюдарт. - "Перламутр состоит из частиц особой длины и толщины для того, чтобы образовывались высокая прочность и способность растягиваться, которые мы обычно наблюдаем у металлов".

Отношение между длиной и толщиной частиц, должно, по словам Стьюдарта, быть очень точно определенным. Если соотношение слишком высоко, частицы будут разрушаться при растягивании материала. Если же соотношение слишком низкое, то жесткость материала недостаточная.

Исследователи выбрали для работы частицы оксида алюминия, которые обладают в пять раз более высокой прочностью, чем те частицы из карбоната кальция, которые имеются в перламутре. Они также сделали свои частицы тоньше (около 200 нанометров в поперечнике, по сравнению с 500 - 1,000 нанометрами, которые имеют частицы, встречающиеся в природе) для того, чтобы снизить вероятность появления дефектов в структуре. Ученые вычислили, что наилучшим средним отношением длины к толщине будет 40, поэтому они сделали частицы от 5 до 10 микрометров в длину. "Более прочные частицы позволяют использовать более высокое отношение, и, в результате, добиваться более высокой прочности по сравнению с раковинами при более низкой концентрации частиц", - говорит Стьюдарт. Он говорит, что важно иметь низкие концентрации, поскольку "это означает, что в композите больше полимера, и он способен хорошо растягиваться".

По мнению Франсуа Бартелата, профессора общего машиностроения и исследователя биомиметических материалов из университета Макгилл, Монреаль, Квебек, эти ученые ближе всех подошли к тому, чтобы продублировать механическую структуру и поведение природных материалов. Но прежде, чем материал можно будет использовать, исследователям, по его мнению, придется разработать более быстрые способы получения материала в большем количестве.

Профессор химии из Принстонского университета Илхан Аксей считает, что технологию легко можно приспособить для использования в промышленном производстве. "С помощью данной технологии можно производить крупные детали", - говорит он. Он считает, что материал может быть полезен при изготовлении имплантатов зубов и костей.
Гауклер говорит, что материал еще нужно будет во многом усовершенствовать, прежде чем его можно будет использовать на практике. Улучшенный полимер сможет сделать композит более прочным. Исследователям также необходимо найти способ для получения лучшего связывания между оксидом алюминия и полимером. По словам Гауклера, на настоящий момент, "мы продемонстрировали, что мы способны создавать такие же хорошие материалы, что и природа".

Newchemistry.ru