211service.com
Spēcīgi, viegli un elastīgi materiāli
Pētnieki ir izkliedējuši sīkas alumīnija oksīda trombocītus polimērā, lai izveidotu materiālu, kas ir stingrs, elastīgs un viegls. Materiāls varētu radīt ilgstošākus kaulu un zobu implantus, kā arī vieglākas, degvielu taupošākas automašīnu un lidmašīnu daļas. To varētu arī izmantot, lai izgatavotu saliekamu, caurspīdīgu elektroniku.
Kopēšanas raksturs: Perlamutra jeb perlamutra šķērsgriezumā redzami kalcija karbonāta trombocīti, kas sakārtoti slāņos, kas atdalīti ar biopolimēru (augšā). Pētnieki ir atdarinājuši perlamutra struktūru, izkliedējot alumīnija oksīda trombocītus biopolimēra hitozānā (apakšā), kas rada nanokompozītu, kas ir spēcīgs, staipīgs un viegls.
Cenšoties radīt spēcīgus, bet vieglus materiālus, ķīmiķi un materiālu zinātnieki jau sen ir mēģinājuši atdarināt dabā sastopamās nanostruktūras. Čaulas, kauli un zobu emalja sastāv no stīviem keramikas trombocītiem, kas sakārtoti polimēru matricā, piemēram, ķieģeļi javā. Šie hibrīdmateriāli apvieno keramikas izturību un polimēru stiepjamību.
2007. gadā Mičiganas Universitātes pētnieki izstrādāja ar māliem pastiprinātus polimērus, kas bija ārkārtīgi spēcīgi, bet trausli: to deformācija prasa daudz enerģijas, bet, kad tie deformējas, tie pēkšņi saplīst. MIT pētniekiem izdevās izveidot stīvus, bet mazāk trauslus māla-polimēru kompozītmateriālus, kas izturēs zināmu stiepšanos, pirms tie saplīst. (Skatiet Īpaši izturīgi nanotehnoloģiju materiāli.)
Ludvigs Goklers , Šveices Cīrihes Federālā tehnoloģiju institūta materiālu profesors, kurš vadīja jauno darbu, saka, ka viņa grupas kompozīts ir vēl labāks. Viņš saka, ka tas ir piecas reizes stiprāks par MIT izgatavoto materiālu, tomēr tas joprojām ir elastīgs. Kompozīta plēve jau ir tikpat izturīga kā alumīnija folija, saka Gauklers, taču, ja tā ir izstiepta, tā var izplesties līdz pat 25 procentiem no tās izmēra; alumīnija folija saplīsīs pie 2 procentiem.
Hibrīda materiāla papildu priekšrocība ir tā, ka tas ir viegls, saka Hārvardas materiālu zinātnieks Andre Studarts, kurš bija iesaistīts darbā. Materiāls ir puse līdz ceturtdaļai smagāks par tādas pašas stiprības tēraudu, saka Studarts, un tas būtu labs stiklšķiedras aizstājējs, ko parasti izmanto automašīnu detaļās. Tā kā materiāla stiprumu nodrošina caur to izkliedētie trombocīti, Studart saka, ka tas būs izturīgs divos virzienos, nevis tikai vienā virzienā, kā tas ir ar šķiedru pastiprināta materiāla gadījumā.
Turklāt, lai gan materiāls tagad ir caurspīdīgs, tā struktūru var mainīt, lai padarītu to caurspīdīgu, padarot to piemērotu zobārstniecības materiāliem un caurspīdīgām elektroniskām shēmām.
Lai savāktu materiālu, pētnieki izkliedē alumīnija oksīda trombocītus etanolā un izklāj maisījumu virs ūdens. Trombocīti uz ūdens virsmas izkārtojas vienā slānī. Pēc tam pētnieki iemērc šķīdumā stikla plāksni, pārnesot trombocītus uz stiklu. Visbeidzot, tie uzklāj bioloģiski saderīga polimēra hitozāna slāni uz trombocītu virsmas. Pētnieki atkārto šo procesu, līdz gala kompozīta biezums ir daži desmiti mikrometru, un pēc tam viņi ar žileti noloba materiālu no stikla plāksnes.
Izstrādājot materiālu, pētnieki rūpīgi pētīja perlamutra mehānisko struktūru, spīdīgo slāni jūras gliemežvāku iekšpusē, un mēģināja to uzlabot. Nacre ir trombocīti, kas izgatavoti no kalcija karbonāta, kas sakārtoti slāņos proteīna polimērā. Šo trombocītu lielumā ir kaut kas ļoti īpašs, saka Studarts. Nacre izmanto noteiktu trombocītu garumu un biezumu, lai sasniegtu augsto izturību un [stiepjamību], ko redzat metālos.
Attiecībai starp trombocītu garumu un biezumu jābūt tieši pareizai, saka Studarts. Ja tas ir pārāk augsts, materiāla izstiepšanas laikā trombocīti saplīst. Ja tas ir pārāk zems, materiāls nav ļoti stīvs.
Pētnieki izvēlējās strādāt ar alumīnija oksīda trombocītiem, kas ir piecas reizes spēcīgāki par kalcija karbonāta trombocītiem, kas atrodami perlamutrā. Viņi arī padarīja savus trombocītus plānākus — apmēram 200 nanometrus pretstatā dabā sastopamo trombocītu 500–1000 nanometriem, lai samazinātu to struktūras defektu iespējamību. Labākā vidējā garuma un biezuma attiecība, pēc pētnieku aprēķiniem, ir 40, tāpēc trombocīti bija 5 līdz 10 mikrometrus gari. Studart saka, ka spēcīgāki trombocīti ļauj mums izmantot lielāku attiecību un tādējādi sasniegt lielāku izturību, salīdzinot ar čaumalām, ar zemāku trombocītu koncentrāciju. Viņš saka, ka zemas koncentrācijas ir svarīgas, jo tas nozīmē, ka kompozītmateriālam ir vairāk polimēru un tam ir daudz [stiepjamības].
Tas ir vistuvāk, lai dublētu dabīgā materiāla mehānisko struktūru un uzvedību, saka Fransuā Bartelāts , mašīnbūves profesors un biomimētisko materiālu pētnieks Makgila universitātē Monreālā, Kvebekā. Bet pirms materiālu var izmantot, viņš saka, pētniekiem būs jāizstrādā ātrāks veids, kā to izgatavot lielākos daudzumos.
Prinstonas universitātes ķīmijas profesors Ilhans Aksejs uzskata, ka tehnikai jābūt viegli pārveidojamai, lai tā būtu piemērota lielapjoma ražošanai. Ar šo tehniku jūs varat izveidot lielas formas, viņš saka. Viņš iztēlojas, ka materiāls varētu noderēt kaulu un zobu implantiem.
Gauklers saka, ka materiālam ir vajadzīgi daudzi uzlabojumi, lai to varētu praktiski izmantot. Labāks polimērs padarītu kompozītu stiprāku. Pētniekiem arī jāatrod veids, kā iegūt labāku saikni starp alumīnija oksīdu un polimēru. Pagaidām Goklers saka, ka mēs esam parādījuši, ka varam [tuvoties] paveikt tikpat labu darbu kā daba.