Группа ученых из Университета Мичигана разработала синтетический композиционный материал, структура и свойства которого имитируют зубную эмаль. Предполагается, что материал будет применяться в конструкции самолетов, электронике, деталях шасси и прочих механизмах, которые подвергаются сильным вибрационным нагрузкам. Описание работы опубликовано в журнале Nature, а краткое ее содержание приводится в сообщении университета.
Материалы, способные эффективно поглощать вибрацию, как правило достаточно мягкие и не могут быть использованы в жестких структурах и механизмах. Для разработки легкого, прочного и надежного материала исследователи решили изучить биологические материалы, которые переносят постоянные ударные нагрузки: кости животных, раковины, панцири и зубы.
Оказалось, что в отличие от многих природных материалов, подвергшихся значительным изменениям в процессе эволюции, строение зубной эмали практически не поменялось: эмаль ископаемого тиранозавра, моржа, морского ежа и современного человека имеет сходную структуру. Ученые пришли к выводу, что эмаль обладает наиболее эффективным строением для того, чтобы противостоять постоянным нагрузкам в течение жизни живого организма.
Структура биокомпозитов а) Зубная эмаль Homo Sapiens b) Эмаль клюва осьминога c) Эмаль древнего моржа семейства Odobenidae d) Эмаль тиранозавра рекса. Bongjun Yeom et al. / Nature
Зубная эмаль состоит из нескольких слоев эмалевых призм, столбиков из кристаллов гидроксиапатита. Они окружены такими же кристаллами гидроксиапатитов и протеинами. Во время прожевывания твердой пищи эмаль принимает основные нагрузки на себя: эмалевые призмы несколько деформируются, а окружающие их кристаллы и протеины поглощают часть энергии от деформации. Благодаря этому зубная эмаль долгое время выдерживает динамические нагрузки.
Новый композиционный материал американские ученые создали из нанонитей оксида цинка, выращенных на кремниевой подложке. Создание материала производилось послойно. Сперва на подложке выращивались нанонити высотой около микрометра. Затем в специальной центрифуге, вращающейся с частотой трех тысяч оборотов в минуту, они на протяжении 20 секунд покрывались полимером. В качестве полимера использовалась смесь полиаллиламина и полиакриловой кислоты.
После осаждения полимера на слой оксида цинка и его проникновения между нанонитями процедуру повторяли, чтобы добиться равномерного проникновения связующего материала. Эту операцию повторяли 40 раз. Затем полученный материал промывался от излишков полимера и запекался в печи при температуре 215 градусов на протяжении трех часов. Потом на полученном готовом слое снова выращивали нанонити из оксида цинка и опять покрывали 40 слоями полимера. В общей сложности ученые создали так 20 слоев нового материала.
Ключевым условием эффективности материала является отсутствие зазоров между нитями и полимером. Именно для выполнения этого условия ученые и выбрали метод послойного изготовления с центрифугированием.
Иллюстрация производства синтетического композита путем инфильтрации нанонитей ZnO полимерами. Нанонити выращиваются на кремниевой основе (а) и покрываются множественными слоями полимера, который заполняет все пустоты между нитями. с)-d) Предыдущие шаги повторяются для создания новых слоев композита. Bongjun Yeom et al. / Nature
Проверки готового материала показали, что
модуль упругости
(способность материала упруго деформироваться) и прочность нового композиционного материала составляют 39,8 +/- 0,9 и 1,65 +/- 0,06 гигапаскаля соответственно. Для сравнения, для человеческой зубной эмали аналогичные показатели составляют 62–108 и 1,1–4,9 гигапаскаля соответственно. Модуль упругости авиационных углепластиков в зависимости от используемых полимеров составляет от 50 до 140 гигапаскалей, а прочность — от 0,4 до 1,5 гигапаскаля.
Теперь американские исследователи намерены доработать технологию производства новых эмалеподобных композиционных материалов. Кроме того, могут быть доработаны и сами материалы. Дело в том, что в готовом композите доля оксида цинка составила всего 67 процентов, а весь остальной объем пришелся на полимер. Возможно, некоторое увеличение доли оксида цинка в новом композите позволит повысить его прочность не в ущерб модулю упругости.
Сегодня в авиации используется несколько типов композиционных материалов. Все чаще конструкторы начинают применять углепластик. Детали из такого материала изготавливаются двумя основными методами. При первом — углеткань заранее пропитывается полимером, после чего готовая деталь выклеивается послойно и запекается в печи для отверждения. При втором методе углеткань или углеволокно выкладываются слоями, а затем в вакууме пропитываются полимером и запекаются в печи.
Летом прошлого года исследователи из Массачусетского технологического института предложили при производстве композитных деталей сшивать слои углеволокна между собой при помощи углеродных нанотрубок. Разработчики провели испытания предложенного способа и выяснили, что композитные детали, сделанные из сшитых нанотрубками углеволокон, оказались на 30 процентов прочнее обычных композитных элементов. Сшивание слоев позволило существенно увеличить прочность углепластиковых деталей на сдвиг слоев — наиболее слабое место композитов.
Автор: Надежда Бессонова
