211service.com
Ultra houževnaté nanotechnologické materiály
Výzkumníci použili jílové nanočástice k úpravě polymerního materiálu, díky kterému je 20krát tužší, 4krát tužší a je schopen odolat teplotám, které jsou více než dvakrát vyšší. Nové materiály by mohly být nakonec použity v odolných lehkých tkaninách, méně objemných obalových materiálech a mnohem lehčích automobilových součástech.
Mikroskopické struktury v novém ultra pevném nano-vyztuženém materiálu pod tlakem mění tvar a mění způsob, jakým odrážejí světlo.
Práce je součástí rostoucího úsilí navrhnout materiály s nano-strukturami, které napodobují ty, které se nacházejí v přírodě, jako jsou ty v ultrapevných mušlích. (Viz Silicon and Sun.) V současné práci výzkumníci z programu MIT v oblasti vědy a technologie polymerů výrazně zlepšili vlastnosti elastického polyuretanu používaného v biomedicínských aplikacích tím, že v něm rozptýlili drobné částice jílu.
Elastický polyuretan je obvykle vyroben ze dvou typů polymerů, jednoho tvrdého a krystalického, druhého z měkkého, zamotaného polymeru. Výzkumníci vyvinuli metodu pro zpevnění tuhých struktur tenkými, plochými jílovými destičkami v nanoměřítku. Nanočástice jílu spojují řetězce tvrdého polymeru do kontinuální sítě probíhající skrz měkký polymer.
Výsledkem je materiál, který má vlastnosti, které je obvykle těžké kombinovat: tuhost a roztažnost. V minulosti jiní našli způsoby, jak učinit materiál tužším, ale to přišlo s kompromisem, říká vedoucí výzkumník Gareth McKinley, profesor strojního inženýrství na MIT. Při předchozích pokusech se materiál vyrobený sedmkrát tužší stal křehčím – praskl, říká. Společnost McKinley udělala materiál pevnější a stále 23krát pevnější – což je měření spojené s pevností materiálu – aniž by byl křehký. Jsme schopni ho zesílit a zároveň ho udržet pěkný a pružný, říká.
Protože je nový materiál tuhý, vyžaduje značné množství energie k jeho deformaci. Ale i když se materiál začne deformovat, nerozbije se. Místo toho absorbuje ještě více energie, když se natahuje. Nano-vyztužený materiál skutečně absorbuje až čtyřnásobné množství energie než původní materiál, aniž by se rozbil.
Vyšší houževnatost znamená, že lze použít mnohem méně materiálu – až o 75 procent méně. Tenké pláty materiálu, přestože jsou odolné proti roztržení, by byly dostatečně flexibilní, aby sloužily jako obaly, například pro vojenská jídla připravená k jídlu (MRE), říká McKinley. Materiál by mohl být také spřádán do vláken, aby se vyrobily pružné a přitom odolné tkaniny.
Nový materiál je také odolný vůči teplu: jílové částice výrazně zlepšují pevnost těchto polymerů při vysokých teplotách, říká McKinley. Původní polyuretan začíná měknout kolem 100 °C, ztrácí tuhost a snadno se láme. Ale nový materiál je odolný vůči teplu do 200 stupňů, což znamená, že by mohl být použit v aplikacích, jako je kapota automobilu. Protože materiály jsou lehké, úspory paliva by mohly být potenciálně velmi velké, říká McKinley.
Zatímco Evangelos Manias, profesor materiálové vědy a inženýrství na Pennsylvania State University, říká, že nový materiál je působivý, varuje, že tento proces omezuje způsoby použití materiálu. Pokud se při zapracování do produktu příliš zahřeje, částice jílu se mohou shlukovat dohromady, což způsobí ztrátu vylepšených vlastností.
Manias říká, že ještě důležitější než nový materiál je proces použitý k jeho výrobě. Bylo obtížné rovnoměrně rozptýlit nanočástice, jako jsou jíly, v polymerech, protože mají nekompatibilní chemické vlastnosti: jíl přitahuje vodu, zatímco polymery ji odpuzují. Problém je v tomto případě složitější, protože jílové nanočástice se musí spojit pouze s tvrdými segmenty polyuretanu a ne s měkkou, pružnou polymerní síťovinou. Jinak materiál ztratí svou pružnost.
Aby bylo možné umístit jílové nanočástice na správná místa, McKinley a jeho kolegové z MIT vyvinuli systém, který používá dvě rozpouštědla, jedno k rozptýlení jílových nanočástic a druhé k rozpuštění polymeru. Tato dvě rozpouštědla se pak mísí, dokud se suspendované nanočástice nerozprostře rovnoměrně v rozpuštěném polymeru. Rozpouštědlo, které rozpustilo polymer, se poté odpaří a zanechá za sebou spleť polymeru, která zachycuje částice jílu. Protože tato metoda chemicky nemění nanočástice, jak tomu bylo u jiných přístupů, částice si zachovávají chemickou afinitu k tuhým strukturám v polyuretanu, což způsobuje, že se spojují s těmito a nikoli s měkkými částmi struktury.
Manias říká, že tento proces by se mohl aplikovat na širokou škálu systémů, využívajících různé nanočástice, jako jsou nanotrubice, k výrobě ještě pozoruhodnějších materiálů. Nejdůležitější je, že to lze použít šířeji než jen polyuretan, říká. Jsou celé vědní obory, kde se to dá uplatnit.