Ученые Принстонского университета (США) разработали формулу уникального композитного материала: он в 19 раз пластичнее и в 17 раз устойчивее к растрескиванию, чем обычный цемент. Источником вдохновения инженерам послужили раковины моллюсков — точнее, их перламутровое покрытие. Исследование опубликовано в журнале Advanced Functional Materials.
Природа создает легкие, но прочные материалы из самых простых компонентов, объединяя их в оригинальные структуры. Перламутр в раковинах моллюсков состоит из нескольких слоев шестиугольных пластин твердого минерала арагонита, склеенных между собой мягким и сверхэластичным биополимером. Пластины арагонита очень хрупкие, но гибкость биополимера позволяет им скользить под действием растяжения, что делает перламутр очень прочным. Новый материал, созданный американскими учеными, повторяет структуру природного покрытия.
«Эта синергия между твердыми и мягкими компонентами имеет решающее значение для замечательных механических свойств перламутра. Если мы сможем создать материал, сопротивляющийся распространению трещин, мы сделаем его более прочным, безопасным и долговечным», — сказал ведущий автор исследования Шашанк Гупта.
Инженеры Принстона сформировали шестиугольные пластины из цементной массы и уложили их слоями, скрепив поливинилсилоксаном, который действует как эластичный биополимер. Затем из композита сделали балки и сравнили их с балками из цельного цемента, испытав на изгиб в трех точках: в середине прикладывается понижающее давление, а на каждом конце — повышающее. Балки из цельного цемента оказались хрупкими: они внезапно и полностью ломались. При равной прочности композитные балки показали большую гибкость и устойчивость к трещинам.
«Наш биоинженерный подход заключается не в том, чтобы просто повторить природную микроструктуру. Мы хотели понять основополагающие принципы и использовать их для разработки рукотворных материалов. Один из ключевых механизмов, придающих перламутру прочность, — скольжение пластин на наноуровне. Мы фокусируемся на этом механизме, создавая структуру из цемента в балансе с полимером. Другими словами, мы намеренно создаем дефекты в хрупких материалах, чтобы сделать их прочнее за счет конструкции», — пояснил соавтор исследования Реза Мойни.
Пока результаты получены только в лаборатории. Исследователи планируют протестировать цементный композит в реальных условиях. Кроме того, они выясняют, можно ли использовать его механические свойства для снижения хрупкости других материалов — например, бетона и фарфора.
Другие новости по теме...
