Микроузлы удваивают прочность на растяжение нового материала
Узлы известны тем, что повышают прочность материалов, от мельчайших изгибов ДНК до (потенциально) самой ткани вселенной. Теперь инженеры Калифорнийского технологического института разработали новый материал, состоящий из микроузлов, и показали, что он намного прочнее, чем вариант материала, сделанный из того же материала без узлов.
Материал состоит из полимеров, собранных в ряд основных узлов, расположенных сверху, с дополнительным изгибом для поглощения большего количества энергии.
Однако волокна не связаны физически в эти узлы — вместо этого они напечатаны на 3D-принтере в такой форме, которая проще в изготовлении и не дает им развязаться.
Каждый узел имеет около 70 микрометров в высоту и ширину, а каждое волокно имеет радиус около 1,7 микрометра (примерно одна сотая радиуса человеческого волоса).
Хотя это не самые маленькие узлы, когда-либо сделанные — в 2017 году химики завязали узел, состоящий из отдельной цепочки атомов, — это первый случай, когда был создан материал, состоящий из множества узлов такого масштаба.
Затем узловатый материал подвергли стресс-тестам, в ходе которых он был растянут до предела прочности.
Его сравнивали с версией материала, сделанной из тех же полимеров, но с переплетенной структурой, а не с узлами.
Оказалось, что узлы позволили материалу поглощать на 92% больше энергии и выдерживать более чем в два раза большую нагрузку, прежде чем он порвется, по сравнению с другой архитектурой.
Ученые говорят, что долговечность и деформируемость таких узловатых материалов могут в конечном итоге сделать их полезными для биомедицинских и аэрокосмических приложений.
В будущей работе исследователи планируют исследовать материалы, изготовленные с более сложными узлами.
«Возможность преодолеть общий компромисс между деформируемостью материала и вязкостью при растяжении [способность растягиваться без разрушения] предлагает новые способы разработки устройств, которые являются чрезвычайно гибкими, долговечными и могут работать в экстремальных условиях», — сказал Видианто Моестопо, ведущий автор работы.
Исследование было опубликовано в журнале Science Advances.