Узлы известны тем, что повышают прочность материалов, от мельчайших изгибов ДНК до (потенциально) самой ткани вселенной. Теперь инженеры Калифорнийского технологического института разработали новый материал, состоящий из микроузлов, и показали, что он намного прочнее, чем вариант материала, сделанный из того же материала без узлов.
Материал состоит из полимеров, собранных в ряд основных перевитых узлов, с дополнительным изгибом для поглощения большего количества энергии. Однако волокна не завязаны физически в эти узлы — вместо этого они напечатаны на 3D-принтере в такой форме, которая проще в изготовлении и не дает им развалиться. Каждый узел имеет размеры около 70 микрометров в высоту и ширину, что делает материал впервые состоящим из узлов такого размера.
Затем узловатый материал подвергли стресс-тестам, в ходе которых он был растянут до предела прочности. Это сравнивали с версией материала, сделанной из того же материала, но с переплетенной структурой, а не с узлами. И, конечно же, узлы позволили материалу поглощать на 92% больше энергии и выдерживать более чем в два раза большую нагрузку, прежде чем он порвется, по сравнению с другой архитектурой.
Анимированное сравнение прочности на растяжение нового материала, состоящего из узловатой формы (слева) и переплетенной формы (справа). Фото: Caltech.
Команда говорит, что долговечность и деформируемость таких узловатых материалов могут в конечном итоге сделать их полезными для биомедицинских и аэрокосмических приложений. В будущей работе исследователи планируют исследовать материалы, изготовленные с более сложными узлами.
«Возможность преодолеть общий компромисс между деформируемостью материала и пределом прочности на растяжение [способность растягиваться без разрушения] предлагает новые способы разработки устройств, которые являются чрезвычайно гибкими, долговечными и могут работать в экстремальных условиях», — сказал Видианто П. Моестопо (Widianto P. Moestopo), ведущий автор исследования.
Исследование было опубликовано в журнале Science Advances.
Источник: Caltech.
