211service.com
Stiprios, lengvos ir tamprios medžiagos
Tyrėjai išsklaidė mažas aliuminio oksido plokšteles polimere, kad pagamintų medžiagą, kuri būtų kieta, tampri ir lengva. Dėl šios medžiagos gali būti naudojami ilgiau tarnaujantys kaulų ir dantų implantai bei lengvesnės, ekonomiškesnės automobilių ir lėktuvų dalys. Jis taip pat gali būti naudojamas lanksčiai, skaidriai elektronikai gaminti.
Kopijavimo pobūdis: Perlamutro arba perlamutro skerspjūvyje pavaizduoti kalcio karbonato trombocitai, išsidėstę sluoksniais, atskirtais biopolimeru (viršuje). Tyrėjai imitavo perlamutro struktūrą, išsklaidydami aliuminio oksido trombocitus biopolimero chitozane (apačioje), todėl gaunamas tvirtas, tamprus ir lengvas nanokompozitas.
Siekdami sukurti stiprias, bet lengvas medžiagas, chemikai ir medžiagų mokslininkai jau seniai bandė imituoti gamtoje randamas nanostruktūras. Lukštai, kaulai ir dantų emalis susideda iš standžių keraminių trombocitų, išdėstytų polimerinėje matricoje kaip plytos skiedinyje. Šios hibridinės medžiagos sujungia keramikos stiprumą ir polimerų tamprumą.
2007 metais Mičigano universiteto mokslininkai sukūrė moliu sustiprintus polimerus, kurie buvo itin stiprūs, bet trapūs: jiems deformuoti reikia daug energijos, tačiau kai jie deformuojasi, jie staigiai lūžta. MIT tyrėjams pavyko pagaminti standžius, bet mažiau trapius molio-polimero kompozitus, kurie toleruos tam tikrą tempimą prieš sulūždami. (Žr. Itin patvarios nanotechninės medžiagos.)
Liudvikas Gauckleris , medžiagų profesorius iš Šveicarijos federalinio technologijos instituto Ciuriche, Šveicarijoje, vadovavęs naujam darbui, sako, kad jo grupės kompozicija yra dar geresnė. Jis sako, kad jis penkis kartus stipresnis už MIT pagamintą medžiagą, tačiau vis tiek yra tamprus. Gaucklerio teigimu, kompozito plėvelė jau yra tokia pat stipri kaip aliuminio folija, tačiau ištempus ji gali išsiplėsti iki 25 procentų savo dydžio; aliuminio folija sulūžtų esant 2 proc.
Papildomas hibridinės medžiagos pranašumas yra tai, kad ji yra lengva, sako Harvardo medžiagų mokslininkas Andre Studart, kuris dalyvavo darbe. Medžiaga yra nuo pusės iki ketvirčio sunkesnė už tokio pat stiprumo plieną, sako Studartas, ir ji puikiai pakeistų stiklo pluoštą, kuris dažniausiai naudojamas automobilių dalyse. Kadangi medžiagos stiprumas atsiranda dėl per ją pasklidusių trombocitų, Studarto teigimu, ji bus stipri dviem kryptimis, o ne tik viena kryptimi, kaip ir pluoštu sutvirtintos medžiagos atveju.
Be to, nors medžiaga dabar yra permatoma, jos struktūrą galima modifikuoti, kad ji taptų skaidri, todėl ji būtų tinkama odontologinėms medžiagoms ir skaidrioms elektroninėms grandinėms.
Norėdami surinkti savo medžiagą, mokslininkai išsklaido aliuminio oksido trombocitus etanolyje ir paskleidžia mišinį vandenyje. Trombocitai vandens paviršiuje išsidėsto į vieną sluoksnį. Tada mokslininkai į tirpalą panardina stiklinę plokštelę, perkeldami trombocitus į stiklą. Galiausiai jie nusėda ant trombocitų viršaus biologiškai suderinamo polimero chitozano sluoksnį. Tyrėjai kartoja šį procesą, kol galutinio kompozito storis pasieks kelias dešimtis mikrometrų, o tada skutimosi peiliuku nulupa medžiagą nuo stiklo plokštės.
Kurdami medžiagą, mokslininkai atidžiai ištyrė mechaninę perlamutro struktūrą – blizgantį kriauklių sluoksnį ir bandė ją patobulinti. Perlamutro turi trombocitus, pagamintus iš kalcio karbonato, išsidėsčiusių sluoksniais baltymų pagrindo polimero viduje. Šių trombocitų dydis yra kažkas labai ypatingo, sako Studartas. Nacre naudoja specifinį trombocitų ilgį ir storį, kad pasiektų didelį stiprumą ir [tamprumą], kurį matote metaluose.
Trombocitų ilgio ir storio santykis turi būti teisingas, sako Studartas. Jei jis per aukštas, ištempus medžiagą trombocitai lūžta. Jei jis per žemas, medžiaga nėra labai kieta.
Tyrėjai pasirinko dirbti su aliuminio oksido trombocitais, kurie yra penkis kartus stipresni už kalcio karbonato trombocitus, esančius perlamutroje. Jie taip pat suplonino savo trombocitus – apie 200 nanometrų, o ne 500–1000 nanometrų natūraliai susidarančių trombocitų – kad sumažintų jų struktūros trūkumų tikimybę. Tyrėjai apskaičiavo, kad geriausias vidutinis ilgio ir storio santykis yra 40, todėl trombocitai buvo 5–10 mikrometrų ilgio. Stipresni trombocitai leidžia mums naudoti didesnį santykį ir todėl pasiekti didesnį stiprumą, palyginti su apvalkalais, su mažesne trombocitų koncentracija, sako Studart. Jis sako, kad mažos koncentracijos yra svarbios, nes tai reiškia, kad kompozitas turi daugiau polimero ir turi daug [tamprumo].
Tai yra arčiausiai kas nors priartėjęs prie natūralios medžiagos mechaninės struktūros ir elgesio atkartojimo, sako Francois Barthelat , mechanikos inžinerijos profesorius ir biomimetinių medžiagų tyrinėtojas McGill universitete Monrealyje, Kvebeke. Tačiau prieš naudojant medžiagą, pasak jo, tyrėjai turės sukurti greitesnį būdą, kaip pagaminti ją didesniais kiekiais.
Prinstono universiteto chemijos profesorius Ilhanas Aksay mano, kad techniką turėtų būti lengva modifikuoti, kad ji būtų tinkama masinei gamybai. Su šia technika galite sukurti dideles figūras, sako jis. Jis įsivaizduoja, kad medžiaga galėtų būti naudinga kaulams ir dantų implantams.
Gauckleris teigia, kad medžiagą reikia daug patobulinti, kad ją būtų galima praktiškai naudoti. Geresnis polimeras padarytų kompozitą tvirtesnį. Tyrėjai taip pat turi rasti būdą, kaip geriau sujungti aliuminio oksidą ir polimerą. Kol kas, sako Gauckleris, parodėme, kad galime [priartėti] prie tokio pat gero darbo kaip gamta.