211service.com
Ultratuffa nanotekniska material
Forskare har använt nanopartiklar av lera för att modifiera ett polymermaterial, vilket gör det 20 gånger styvare, 4 gånger segare och kan motstå temperaturer som är mer än dubbelt så varma. De nya materialen kan så småningom användas i robusta lätta tyger, mindre skrymmande förpackningsmaterial och mycket lättare bildelar.
Mikroskopiska strukturer i ett nytt ultratufft nanoförstärkt material ändrar form under stress, vilket förändrar hur de reflekterar ljus.
Arbetet är en del av en växande satsning på att designa material med strukturer i nanoskala som efterliknar de som finns i naturen, till exempel de i ultrastarka snäckskal. (Se Silicon and Sun.) I det aktuella arbetet förbättrade forskare vid MIT:s program i polymervetenskap och -teknologi avsevärt egenskaperna hos en elastisk polyuretan som används i biomedicinska applikationer genom att sprida små lerpartiklar i den.
Den elastiska polyuretanen är vanligtvis gjord av två typer av polymerer, en hård och kristallin, den andra en mjuk, trasslig polymer. Forskarna utvecklade en metod för att förstärka de stela strukturerna med tunna, platta, nanoskaliga lerplättar. Lernanopartiklarna länkar de hårda polymerkedjorna till ett kontinuerligt nätverk som löper genom hela den mjuka polymeren.
Resultatet är ett material som har egenskaper som vanligtvis är svåra att kombinera: styvhet och töjbarhet. Tidigare har andra hittat sätt att göra materialet styvare, men det kom med en avvägning, säger huvudforskaren Gareth McKinley, professor i maskinteknik vid MIT. I tidigare försök blev ett material som gjorts sju gånger styvare skörare – det gick sönder, säger han. McKinley har gjort materialet ännu starkare 23 gånger starkare – ett mått förknippat med materialstyrka – utan att göra det sprött. Vi kan göra den både starkare och hålla den snygg och stretchig, säger han.
Eftersom det nya materialet är styvt tar det en betydande mängd energi att deformera det. Men även när materialet börjar deformeras går det inte sönder. Istället absorberar den ännu mer energi när den sträcker sig. Det nanoförstärkta materialet kommer faktiskt att absorbera så mycket som fyra gånger så mycket energi som det ursprungliga materialet utan att gå sönder.
Den större segheten gör att mycket mindre material kan användas – så mycket som 75 procent mindre. Tunna ark av materialet, samtidigt som de är motståndskraftiga mot sönderrivning, skulle vara tillräckligt flexibla för att fungera som förpackning, till exempel för militärens färdiga att äta (MREs), säger McKinley. Materialet kan också spinnas till fibrer för att göra flexibla men rivtåliga tyger.
Det nya materialet är också resistent mot värme: lerpartiklarna förbättrar högtemperaturhållfastheten hos dessa polymerer oerhört, säger McKinley. Den ursprungliga polyuretanen börjar mjukna vid cirka 100 °C, förlorar sin styvhet och går lätt sönder. Men det nya materialet är värmebeständigt till 200 grader, vilket innebär att det kan användas i applikationer som motorhuven på en bil. Eftersom materialen är lätta kan bränslebesparingarna potentiellt bli mycket stora, säger McKinley.
Medan Evangelos Manias, professor i materialvetenskap och teknik vid Pennsylvania State University, säger att det nya materialet är imponerande, varnar han för att processen begränsar sätten att använda materialet. Om det värms upp för mycket medan det införlivas i en produkt, kan lerpartiklarna klumpa ihop sig, vilket gör att de förbättrade egenskaperna går förlorade.
Manias säger att processen som används för att göra det är ännu viktigare än det nya materialet. Det har varit svårt att jämnt sprida nanopartiklar som lerorna genom polymerer eftersom de har oförenliga kemiska egenskaper: leran attraherar vatten, medan polymererna stöter bort det. Problemet görs mer utmanande i det här fallet eftersom lernanopartiklarna endast måste ansluta till de hårda segmenten av polyuretan och inte med det mjuka, stretchiga polymernätet. Annars kommer materialet att förlora sin töjbarhet.
För att göra det möjligt att lokalisera lernanopartiklarna på precis rätt ställen utvecklade McKinley och hans kollegor vid MIT ett system som använder två lösningsmedel, ett för att sprida lernanopartiklarna och det andra för att lösa upp polymeren. Dessa två lösningsmedel blandas sedan tills de suspenderade nanopartiklarna är jämnt fördelade i den lösta polymeren. Lösningsmedlet som löste upp polymeren förångas sedan och lämnar efter sig en härva av polymer som fångar lerpartiklarna. Eftersom denna metod inte kemiskt förändrar nanopartiklarna, vilket har gjorts i andra tillvägagångssätt, behåller partiklarna en kemisk affinitet till de stela strukturerna i polyuretanen, vilket gör att de ansluter till dessa och inte till de mjuka delarna av strukturen.
Manias säger att denna process kan tillämpas på en mängd olika system, med hjälp av olika nanopartiklar, såsom nanorör, för att göra ännu mer anmärkningsvärda material. Det viktigaste är att detta kan appliceras bredare än bara polyuretan, säger han. Det finns hela vetenskapsområden där detta kan tillämpas.