211service.com
Īpaši izturīgi nanotehnoloģiju materiāli
Pētnieki ir izmantojuši māla nanodaļiņas, lai modificētu polimēru materiālu, padarot to 20 reizes stingrāku, 4 reizes stingrāku un spējīgu izturēt vairāk nekā divas reizes karstākas temperatūras. Jaunos materiālus galu galā varētu izmantot izturīgos vieglos audumos, mazāk apjomīgos iepakojuma materiālos un daudz vieglākās automašīnu daļās.
Mikroskopiskās struktūras jaunā īpaši izturīgā nanostiegrotā materiālā sprieguma ietekmē maina formu, mainot veidu, kā tās atstaro gaismu.
Darbs ir daļa no pieaugošajiem centieniem izstrādāt materiālus ar nanomēroga struktūrām, kas atdarina dabā sastopamos, piemēram, īpaši spēcīgos gliemežvākos. (Sk. Silicon and Sun.) Pašreizējā darbā MIT programmas polimēru zinātnē un tehnoloģijā pētnieki ievērojami uzlaboja biomedicīnas lietojumos izmantotā elastīgā poliuretāna īpašības, izkliedējot tajā sīkas māla daļiņas.
Elastīgais poliuretāns parasti ir izgatavots no divu veidu polimēriem, no kuriem viens ir ciets un kristālisks, otrs no mīksta, samezglota polimēra. Pētnieki izstrādāja metodi stingru konstrukciju nostiprināšanai ar plānām, plakanām, nanomēroga māla plāksnēm. Māla nanodaļiņas savieno cietās polimēra ķēdes nepārtrauktā tīklā, kas stiepjas visā mīkstajā polimērā.
Rezultāts ir materiāls, kam ir īpašības, kuras parasti ir grūti apvienot: stingrība un elastība. Agrāk citi ir atraduši veidus, kā padarīt materiālu stingrāku, taču tas nāca ar kompromisu, saka vadošais pētnieks Garets Makkinlijs, MIT mašīnbūves profesors. Iepriekšējos mēģinājumos materiāls, kas bija septiņas reizes stingrāks, kļuva trauslāks — tas saplīsa, viņš saka. McKinley ir padarījis materiālu izturīgāku vēl 23 reizes stiprāku — šis mērījums ir saistīts ar materiāla stiprību — nepadarot to trauslu. Mēs varam padarīt to gan stiprāku, gan saglabāt to jauku un elastīgu, viņš saka.
Tā kā jaunais materiāls ir stīvs, tā deformācijai ir nepieciešams ievērojams enerģijas daudzums. Bet pat tad, kad materiāls sāk deformēties, tas neplīst. Tā vietā, stiepjoties, tas absorbē vēl vairāk enerģijas. Patiešām, ar nano stiegrotais materiāls absorbēs pat četras reizes vairāk enerģijas nekā sākotnējais materiāls, nesalūstot.
Lielāka stingrība nozīmē, ka var izmantot daudz mazāk materiāla — pat par 75 procentiem mazāk. Plānās materiāla loksnes, lai gan tās ir izturīgas pret plīsumiem, būtu pietiekami elastīgas, lai kalpotu kā iepakojums, piemēram, militāro maltīšu gatavošanai (MRE), saka Makkinlijs. Materiālu var arī savērpt šķiedrās, lai izveidotu elastīgus, bet neplīstošus audumus.
Jaunais materiāls ir arī izturīgs pret karstumu: māla daļiņas ievērojami uzlabo šo polimēru izturību augstā temperatūrā, saka McKinley. Oriģinālais poliuretāns sāk mīkstt aptuveni 100 °C, zaudējot savu stingrību un viegli plīst. Taču jaunais materiāls ir karstumizturīgs līdz 200 grādiem, kas nozīmē, ka to var izmantot tādās lietojumprogrammās kā automašīnas pārsegs. Tā kā materiāli ir viegli, degvielas ietaupījums varētu būt ļoti liels, saka McKinley.
Lai gan Evangelos Manias, Pensilvānijas štata universitātes materiālu zinātnes un inženierzinātņu profesors, saka, ka jaunais materiāls ir iespaidīgs, viņš brīdina, ka process ierobežo materiālu izmantošanas veidus. Ja to iestrādājot produktā pārāk daudz karsē, māla daļiņas var salipt kopā, izraisot uzlaboto īpašību zaudēšanu.
Manias saka, ka vēl nozīmīgāks par jauno materiālu ir tā izgatavošanas process. Ir bijis grūti vienmērīgi izkliedēt nanodaļiņas, piemēram, mālus, visos polimēros, jo tiem ir nesaderīgas ķīmiskās īpašības: māls piesaista ūdeni, bet polimēri to atgrūž. Problēma šajā gadījumā ir sarežģītāka, jo māla nanodaļiņām jāsavienojas tikai ar poliuretāna cietajiem segmentiem, nevis ar mīksto, elastīgo polimēra sietu. Pretējā gadījumā materiāls zaudēs elastību.
Lai varētu atrast māla nanodaļiņas pareizajās vietās, McKinley un viņa kolēģi no MIT izstrādāja sistēmu, kas izmanto divus šķīdinātājus, no kuriem viens izkliedē māla nanodaļiņas un otrs, lai izšķīdinātu polimēru. Pēc tam šos divus šķīdinātājus sajauc, līdz suspendētās nanodaļiņas vienmērīgi izkliedējas visā izšķīdušajā polimērā. Pēc tam šķīdinātājs, kas izšķīdināja polimēru, tiek iztvaicēts, atstājot polimēru mudžekli, kas aiztur māla daļiņas. Tā kā šī metode ķīmiski nemaina nanodaļiņas, kā tas ir darīts citās pieejās, daļiņas saglabā ķīmisko afinitāti pret stingrajām struktūrām poliuretānā, kas liek tām savienoties ar šīm, nevis ar struktūras mīkstajām daļām.
Manias saka, ka šis process varētu attiekties uz ļoti dažādām sistēmām, izmantojot dažādas nanodaļiņas, piemēram, nanocaurules, lai iegūtu vēl ievērojamākus materiālus. Viņš saka, ka vissvarīgākais ir tas, ka to var izmantot plašāk nekā tikai poliuretānu. Ir veselas zinātnes jomas, kurās to var pielietot.