Совершив крупный прорыв в области материалов, команда UVA решила почти 200-летнюю проблему в области полимеров
Исследователи из Школы инженерии и прикладных наук Университета Вирджинии разработали новую конструкцию, которая, кажется, переписывает учебник по полимерной инженерии. Больше не является догмой, что чем жестче полимерный материал, тем менее он должен быть растяжимым.
«Мы решаем фундаментальную задачу, которая считалась неразрешимой с момента изобретения вулканизированной резины в 1839 году», — сказал Лихэн Цай, доцент кафедры материаловедения и инженерии, а также химической инженерии.
Именно тогда Чарльз Гудиер случайно обнаружил, что нагревание натурального каучука с серой создает химические сшивки между нитевидными молекулами каучука. Этот процесс сшивания создает полимерную сеть, превращая липкую резину, которая плавится и течет при нагревании, в прочный, эластичный материал.
С тех пор считается, что если вы хотите сделать полимерный сетчатый материал жестким, вам придется пожертвовать некоторой растяжимостью.
Так продолжалось до тех пор, пока команда Цая под руководством аспиранта Байцяна Хуана не доказала обратное с помощью своих новых «складных полимерных сетей из ершиков для бутылок». Их опубликованная работа, финансируемая премией CAREER Национального научного фонда Цая, находится на обложке выпуска Science Advances от 29 ноября.
«Разделение» жесткости и эластичности
«Это ограничение сдерживало разработку материалов, которые должны быть одновременно эластичными и жесткими, заставляя инженеров выбирать одно свойство в ущерб другому», — сказал Хуан. «Представьте себе, например, сердечный имплантат, который сгибается и гнется с каждым ударом сердца, но при этом служит годами».
Хуан является первым автором статьи совместно с
Сшитые полимеры присутствуют везде в продуктах, которые мы используем, от автомобильных шин до бытовой техники. Они все чаще используются в биоматериалах и медицинских устройствах.
Команда предполагает, что ее материал можно будет использовать в протезировании и медицинских имплантатах, усовершенствованной носимой электронике, а также в качестве «мышц» для мягких роботизированных систем, которым необходимо многократно сгибаться, растягиваться и изгибаться.
Наша команда поняла, что, разработав складные полимеры для ершиков для бутылок, которые могли бы сохранять дополнительную длину внутри своей собственной структуры, мы могли бы «разделить» жесткость и растяжимость.
Жесткость и растяжимость — насколько сильно материал может растягиваться или расширяться без разрушения — связаны, поскольку они происходят из одного и того же молекулярного строительного блока: полимерных нитей, соединенных поперечными связями. Традиционно, чтобы сделать полимерную сеть более жесткой, добавляют больше поперечных связей.
Это делает материал более жестким, но не решает проблему компромисса между жесткостью и растяжимостью; полимерные сети с большим количеством поперечных связей не обладают такой же свободой деформации и легко рвутся при растяжении.
«Наша команда поняла, что, разрабатывая складные полимеры для ершиков, которые могли бы сохранять дополнительную длину в своей собственной структуре, мы могли бы „разъединить“ жесткость и растяжимость — другими словами, встроить растяжимость, не жертвуя жесткостью», — сказал Цай. «Наш подход отличается, поскольку он фокусируется на молекулярном дизайне сетевых нитей, а не на сшивках».
Как работает складная конструкция
Вместо линейных полимерных цепей структура Цая напоминает ершик для мытья бутылок — множество гибких боковых цепей, расходящихся от центральной основной цепи.
Критически важно, что остов может сжиматься и расширяться, как аккордеон, который раскладывается по мере растяжения. Когда материал растягивается, скрытая длина внутри полимера раскручивается, позволяя ему удлиняться до 40 раз больше, чем стандартные полимеры, не ослабевая.
Между тем, боковые цепи определяют жесткость, а это значит, что жесткость и растяжимость
Это «универсальная» стратегия для полимерных сетей, поскольку компоненты, составляющие складную полимерную структуру ершика для мытья бутылок, не ограничиваются определенными химическими типами.
Например, одна из их разработок использует полимер для боковых цепей, который остается гибким даже при низких температурах. Но использование другого синтетического полимера, который обычно используется в биоматериальной инженерии, для боковых цепей может производить гель, который может имитировать живую ткань.
Эти компоненты открывают нам бесконечные возможности для разработки материалов, сочетающих прочность и эластичность.
Как и многие новые материалы, разработанные в лаборатории Цая, складной полимер для ершика для бутылок разработан для
Например, они могут добавлять проводящие наночастицы, такие как серебряные или золотые наностержни, которые имеют решающее значение для растягиваемой и носимой электроники.
«Эти компоненты открывают нам безграничные возможности для разработки материалов, которые сочетают в себе прочность и эластичность, а также используют свойства неорганических наночастиц в соответствии с конкретными требованиями», — сказал Цай.