Інженери Каліфорнійського технологічного інституту зробили значний прорив у галузі нано-та мікроархітектурних матеріалів, створивши новий матеріал, що складається з кількох взаємопов’язаних мікромасштабних вузлів. Порівняно зі структурно ідентичними, але незв’язаними матеріалами, наявність вузлів у цьому новому матеріалі значно підвищує його міцність, дозволяючи йому поглинати більше енергії та більше деформуватися, перш ніж повернутися до своєї первісної форми без ушкоджень. Ці нові матеріали з вузлами можуть знайти застосування в біомедичній, а також в аерокосмічній галузі завдяки їх довговічності, можливої біологічної сумісності та надзвичайної деформованості.
«Можливість подолати загальний компроміс між деформованістю матеріалу та в’язкістю на розрив [здатністю розтягуватися без руйнування] пропонує нові шляхи розробки пристроїв, які є надзвичайно гнучкими, довговічними та можуть працювати в екстремальних умовах», — каже колишній випускник Калтеху. студент Widianto P. Moestopo (MS ’19, доктор філософії ’22), зараз у Ліверморській національній лабораторії імені Лоуренса. Moestopo є провідним автором статті про нанорозмірні вузли, яка була опублікована 8 березня в Science Advances.
Moestopo допоміг розробити матеріал у лабораторії Джулії Р. Грір, професора матеріалознавства, механіки та медичної інженерії Рубена Ф. і Донни Меттлер; директор Фонду Флетчера Джонса Інституту нанонауки Кавлі; і старший автор наукової роботи . Грір знаходиться в авангарді створення таких матеріалів з нано архітектурою або матеріалів, структура яких розроблена та організована в нанометровому масштабі та які, отже, демонструють незвичайні, часто дивовижні властивості.
Міцність на розрив матеріалу, створеного з мікромасштабними вузлами (ліворуч), порівняно з матеріалом, який не має вузлів, але в іншому структурно ідентичний (праворуч)
«Розпочати розуміння того, як вузли впливатимуть на механічну реакцію мікроархітектурних матеріалів, було новою готовою ідеєю», — каже Грір. «Ми провели масштабні дослідження з вивчення механічної деформації багатьох інших типів мікротекстилю, наприклад, решіток і тканих матеріалів. Поринаючи у світ вузлів, ми змогли глибше зрозуміти роль тертя та розсіювання енергії, і це виявилося важливим».
Кожен вузол має приблизно 70 мікрометрів у висоту та ширину, а кожне волокно має радіус приблизно 1,7 мікрометра (приблизно одну соту радіуса людської волосини). Хоча це не найменші вузли, коли-небудь створені — у 2017 році хіміки зав’язали вузол, виготовлений з окремого ланцюга атомів, — це вперше коли-небудь був створений матеріал, що складається з численних вузлів у такому масштабі. Крім того, це демонструє потенційну цінність включення цих нанорозмірних вузлів у матеріал, наприклад, для зшивання або зв’язування в біомедицині.
Вузлуваті матеріали, які були створені з полімерів, виявляють міцність на розрив, яка значно перевершує матеріали, які не мають вузлів, але в іншому структурно ідентичні, включно з тими, де окремі нитки переплетені замість вузлів. Порівняно зі своїми аналогами без вузлів, вузлові матеріали поглинають на 92 відсотки більше енергії та вимагають більш ніж удвічі більшої напруги, щоб лопнути під час витягування.
Вузли не були зав’язані, а виготовлені у зав’язаному стані за допомогою вдосконаленої 3D-літографії високої роздільної здатності, здатної створювати структури в нанорозмірні. Зразки, описані в документі Science Advances, містять прості вузли — верхній вузол із додатковим скручуванням, який забезпечує додаткове тертя для поглинання додаткової енергії під час розтягування матеріалу. У майбутньому команда планує досліджувати матеріали, виготовлені з більш складних вузлів.
Інтерес Мостопо до вузлів виник у результаті досліджень, які він проводив у 2020 році під час карантину через COVID-19. «Я натрапив на кілька робіт дослідників, які вивчають механіку фізичних вузлів на відміну від вузлів у суто математичному сенсі. Я не вважаю себе альпіністом, моряком чи математиком, але я в’язав вузли протягом усього свого життя, тож подумав, що варто спробувати вставити вузли у свої проєкти», — каже він.