Учёные создали новый конструкционный композитный материал на основе оксида алюминия, помещенного в полимерную матрицу. Исследователи научились получать Al2O3 в форме микроскопических пластинок, которые и являются основой инновации. Работа ученых опубликована в Science.
Изобретение сотрудников швейцарского Федерального технологического института в Цюрихе в будущем сможет быть применено в изготовлении зубных и костных имплантатов, а также стать прототипом конструкционного материала для машиностроительной индустрии. Главными достоинствами композита являются его необычайная прочность и эластичность, а также небольшой вес.
молодая отрасль науки, основной целью которой является черпание технических идей из мира живой природы. Название происходит от латинских слов bios - «жизнь» и mimesis – «подражание». Этот термин, быстро получивший распространение впервые ввел американский писатель-натуралист Джанин Бениус.
Многие технические устройства, уже успешно применяемые в наши дни, были изначально объектами флоры и фауны. Так застежки липучки появились благодаря Жоржу Мистралю, на создание которых его вдохновил репейник. И так было с ультразвуковыми эхолотами (летучие мыши), иглами для подкожных инъекций (зубы ядовитых змей) и так далее.
Лакокрасочное изделие Lotosan выпускаемое в Германии отличается высокой стойкостью к загрязнениям. Идея была почерпнута у цветков лотоса, растущих в болотистых районах, и, несмотря на это, сохраняющих свою белизну. Оказалось – дело в микроскопических шипах, покрывающих поверхность цветка. Они не дают частицам задерживаться на лепестках и позволяют дождевой воде легко их смывать.
В настоящее время разработчики бьются над копированием куда более нетривиальных идей, например, создания легких, эластичных и прочных (в 5 раз прочнее стали) материалов на основе паутины. Создание новых сверхзвуковых самолетов с управляемо деформируемыми крыльями базируется на долгом и кропотливом исследовании полетов различных птиц.
Идеология биомиметики прочно заняла свое место в различных дисциплинах - инженерном деле, химической технологии, нанотехнологии и многих других. И это процесс со временем будет только набирать силу, ибо уже сейчас понятно, что человек как творец ничтожен по сравнению с природой.
Новое достижение швейцарских ученых под руководством профессора Людвига Гауклера перекрывает успехи исследователей из Массачусетского технологического института, до сих пор являвшиеся наиболее удачным примером биомиметического подхода в материаловедении. Материал, полученный в Цюрихе, впятеро прочнее и обладает выраженной пластичностью, прочность плёнки композита эквивалентна прочности алюминиевой фольги той же толщины. При этом материал выдерживает 25-процентную деформацию, в то время как алюминий рвется уже при двухпроцентной.
В то же время материаловедам удалось сохранить необыкновенную легкость композита: по оценкам Андре Стюарта, материаловеда из Гарварда, также задействованного в работе, гибрид может быть вчетверо легче стали, обладающей соответствующими прочностными характеристиками. Это свойство материала пророчит ему большое будущее в машиностроении, где в настоящее время в изготовлении неметаллических деталей применяется не самое легкое стекловолокно. Кроме того, выгодным отличием нового материала от стекловолокна является меньшая анизотропия свойств. Так, стекловолокно сохраняет свою прочность только вдоль одного направления, совпадающего с направленностью волокон. Пластинчатая же структура материала из оксида алюминия обеспечивает его прочность в двух направлениях.
Кроме того, по заверениям создателей, полупрозрачный на сегодняшний день материал может быть преобразован в совершенно прозрачный, что обеспечит его применение в электротехнике.
Для того чтобы получить тонкую пленку нового композитного материала, ученые применили метод наслоения. Первоначально приготовив дисперсию керамических пластинок оксида алюминия в этиловом спирте, они поместили ее на поверхности более плотной жидкости – воды. Таким образом был сформирован одиночный слой пластинок на поверхности воды, который был перенесен на подложку из стекла простым погружением последнего в воду. В качестве связующего полимера был использован биосовместимый хитозан, известный в том числе и многим почитателям биологических добавок.
аминосахарид, водорастворимое производное хитина, получаемое в наши дни в промышленных масштабах из панцирей ракообразных. Используется большей частью в производстве средств для похудания.
Хитозан — это органическое соединение, способное связываться с молекулами жира в пищеварительном тракте. Жир, связанный с хитозаном, не усваивается и выводится из организма. Хитозан применяется как средство, способствующее снижению веса, а также для улучшения холестеринового обмена и перистальтики кишечника.
Прототипом разработки для учёных оказался перламутр, образующийся в виде тонкой пленки на поверхности морских раковин. К чести создателей, они не только стремились повторить его структуру, но и улучшить ее. Ракушки используют карбонат кальция для создания пленки перламутра, который распределяют в виде пластин в толще белкового полимера. При этом ключевую роль играет соотношение длины и толщины пластинок, которое и позволяет достичь уникального сочетания пластичности и прочности, до этого воспроизведенного людьми только в металлах и сплавах.
Слишком большое соотношение длины и толщины приводит к преждевременному разрушению материала при приложении нагрузки. Если же соотношение слишком мало, материал становится непрочным.
Композитными материалами изначально было принято называть неоднородные сплошные конструкционные материалы, состоящие из двух или более компонентов. Компоненты эти, как правило, можно условно разделить на армирующие - придающие материалу необходимые механические характеристики и связующие - определяющие совместное функционирование армирующих материалов. Такая организация структуры позволяет создавать материалы, не только обладающие объединенными свойствами индивидуальных компонентов, но и получить характеристики, не свойственные изолированным компонентам.
Композиционные материалы сейчас используются практически повсеместно, являясь прекрасными несущими конструкциями при строительстве жилых и промышленных зданий, автомобилей и авиатехники и так далее. С приходом нанотехнологий активное распространение получил термин «нанокомпозиты». Этот термин означает, что один из главных компонентов присутствует в материале в форме наноразмерных объектов.
Примером такого нанокомпозитного материала является разработанный в Германии цемент, содержащий углеродные нановолокна. По утверждению компании-разработчика этот цемент не только обладает превосходными прочностными характеристиками, но и способен выдержать небольшие деформации. Обычный же цемент, как мы знаем хоть и тверд, но хрупок.
Благодаря применению наночастиц широкое распространение получили не только конструкционные нанокомпозитные материалы, но и функциональные. Функциональными они называются потому, что могут выполнять какую либо функцию: проводить электрический ток, световые волны, служить мембраной и так далее. Интерес к функциональным нанокомпозитам растет день ото дня, так как создание новых материалов открывает совершенно иные перспективы развития мировой промышленности, создания новых технологий.
Несмотря на это, перед внедрением в зубопротезную промышленность, не говоря уже о костной имплантации и тяжелой индустрии, ученым предстоит разработать более технологичный и быстрый метод получения композита.
Сам Гауклер полагает, что поле для усовершенствований материала еще очень широко. Например, необходимо провести поиск иного полимерного связующего, которое может еще более повысить прочность материала и сделать его дешевле. Кроме того, в увеличении нуждается и адгезия («прилипучесть») полимера к пластинкам Al2O3.
Гауклер также не исключает возможности перехода к наноразмерным пластинкам оксида алюминия, которая может радикально изменить механические параметры материалов, построенных по аналогии со структурой перламутра.
В то же время успех швейцарцев — еще одна знаковая веха в развитии биомиметических подходов, не так давно позволивших химикам создать инновационные адгезионные материалы на основе строения лапок ящериц и древесных лягушек.
