211service.com
Itin patvarios nanotechninės medžiagos
Mokslininkai naudojo molio nanodaleles, kad modifikuotų polimerinę medžiagą, todėl ji tapo 20 kartų standesnė, 4 kartus kietesnė ir gali atlaikyti daugiau nei dvigubai aukštesnę temperatūrą. Naujos medžiagos ilgainiui gali būti naudojamos tvirtuose lengvuose audiniuose, ne tokiose tūrinėse pakavimo medžiagose ir daug lengvesnėse automobilių dalyse.
Mikroskopinės struktūros naujoje itin kietoje nano-sustiprintoje medžiagoje keičia formą veikiant įtempiams ir taip, kaip jos atspindi šviesą.
Darbas yra dalis vis didėjančių pastangų sukurti medžiagas su nanoskalės struktūromis, kurios imituoja gamtoje esančias medžiagas, pvz., itin stipriose jūros kriauklėse. (Žr. Silicis ir saulė.) Dabartiniame darbe MIT polimerų mokslo ir technologijų programos mokslininkai labai pagerino biomedicinoje naudojamo elastingo poliuretano savybes, išsklaidydami jame mažas molio daleles.
Elastinis poliuretanas paprastai gaminamas iš dviejų tipų polimerų: vienas kietas ir kristalinis, kitas – iš minkšto, susivėlusio polimero. Tyrėjai sukūrė metodą, skirtą standžioms konstrukcijoms sutvirtinti plonais, plokščiais, nanoskalės molio plokštelėmis. Molio nanodalelės sujungia kietųjų polimerų grandines į ištisinį tinklą, einantį visame minkštame polimere.
Rezultatas – medžiaga, kurios savybes paprastai sunku derinti: standumą ir tamprumą. Anksčiau kiti rado būdų, kaip padaryti medžiagą standesnę, tačiau tai buvo kompromisas, sako pagrindinis tyrėjas Garethas McKinley, MIT mechanikos inžinerijos profesorius. Ankstesniais bandymais septynis kartus standesnė medžiaga tapo trapesnė – ji įtrūko, sako jis. „McKinley“ padarė medžiagą tvirtesnę dar 23 kartus stipresnę – tai matavimas, susijęs su medžiagos stiprumu – nepadarydamas jos trapios. Mes galime padaryti jį stipresnį, taip pat išlaikyti gražų ir elastingą, sako jis.
Kadangi nauja medžiaga yra standi, jai deformuoti reikia daug energijos. Bet net kai medžiaga pradeda deformuotis, ji nelūžta. Vietoj to, tempdamas jis sugeria dar daugiau energijos. Iš tiesų, nanosustiprinta medžiaga nesulūžusi sugers net keturis kartus daugiau energijos nei pradinė medžiaga.
Didesnis kietumas reiškia, kad galima naudoti daug mažiau medžiagos – net 75 procentais mažiau. Ploni medžiagos lakštai, nors ir atsparūs plyšimui, būtų pakankamai lankstūs, kad būtų naudojami kaip pakuotė, pavyzdžiui, kariškių paruoštam maistui (MRE), sako McKinley. Medžiaga taip pat gali būti susukta į pluoštus, kad būtų pagaminti lankstūs, tačiau atsparūs audiniai.
Naujoji medžiaga taip pat atspari karščiui: molio dalelės nepaprastai pagerina šių polimerų atsparumą aukštai temperatūrai, sako McKinley. Originalus poliuretanas pradeda minkštėti maždaug 100 °C temperatūroje, praranda savo standumą ir lengvai lūžta. Tačiau naujoji medžiaga yra atspari karščiui iki 200 laipsnių, o tai reiškia, kad ją galima naudoti tokiose srityse kaip automobilio gaubtas. Kadangi medžiagos yra lengvos, degalų taupymas gali būti labai didelis, sako McKinley.
Nors Evangelos Manias, Pensilvanijos valstijos universiteto medžiagų mokslo ir inžinerijos profesorius, sako, kad naujoji medžiaga yra įspūdinga, jis įspėja, kad procesas riboja medžiagos naudojimo būdus. Jei įdedant į gaminį jis per daug kaitinamas, molio dalelės gali sulipti, todėl prarandamos pagerintos savybės.
Manias teigia, kad dar svarbesnis už naują medžiagą yra jos gamybos procesas. Sunku buvo tolygiai paskirstyti nanodaleles, tokias kaip molis, polimeruose, nes jų cheminės savybės nesuderinamos: molis pritraukia vandenį, o polimerai jį atstumia. Šiuo atveju problema tampa sudėtingesnė, nes molio nanodalelės turi jungtis tik su kietais poliuretano segmentais, o ne su minkštu, tampriu polimeriniu tinkleliu. Priešingu atveju medžiaga praras savo elastingumą.
Kad būtų galima rasti molio nanodaleles tinkamose vietose, McKinley ir jo kolegos iš MIT sukūrė sistemą, kurioje naudojami du tirpikliai: vienas išsklaidyti molio nanodaleles, o kitas - ištirpinti polimerą. Tada šie du tirpikliai maišomi tol, kol suspenduotos nanodalelės tolygiai pasiskirsto ištirpusiame polimere. Po to polimerą ištirpdęs tirpiklis išgarinamas, paliekant polimero raizginį, kuris sulaiko molio daleles. Kadangi šis metodas chemiškai nekeičia nanodalelių, kaip buvo daroma kitais metodais, dalelės išlaiko cheminį giminingumą standžioms poliuretano struktūroms, todėl jos jungiasi prie šių, o ne su minkštosiomis struktūros dalimis.
Manias teigia, kad šis procesas gali būti taikomas įvairioms sistemoms, naudojant įvairias nanodaleles, tokias kaip nanovamzdeliai, kad būtų pagamintos dar nuostabesnės medžiagos. Svarbiausia, kad tai gali būti taikoma plačiau nei tik poliuretanas, sako jis. Yra ištisos mokslo sritys, kuriose tai galima pritaikyti.