Новий розумний матеріал з гуми збільшує власну жорсткість від навантаження

Інженери з Державного Університету Айови отримали гумоподібний матеріал, який при скручуванні чи вигині починає тверднути і зберігати свій стан.

Поєднання рідкого металу з полімерами

Майкл Барлетт із Державного Університету Айови є спеціалістом із м’яких матеріалів. Він робить із чогось, що нагадує тканину та гуму, електроніку та механізми. Мартін Туо, який працює в Ames Laboratory, теж в Айові, відомий як людина, яка винайшла спосіб зберігати мікроскопічні краплі металів у рідкому стані.

Інженери з Університету Штату Айова
Інженери з Університету Штату Айова допомогли у розробці та описі нового розумного матеріалу. Зліва направо: Бойс Чанг, Мартін Туо, Майкл Барлетт та Раві Тутіка. Джерело: Christopher Gannon

Разом із двома своїми аспірантами вони сформували команду, перед якою постало цікаве завдання – створити матеріал, жорсткість якого зможе змінюватися за наявності у металі певних напружень. Нещодавно вони опублікували свою статтю у журналі Materials Horizons, що свідчить про успіх команди.

Процес збільшення жорсткості матеріалу. Джерело: DOI: 10.1039/C8MH00032H

гумоподібний матеріал при скручуванні чи вигині здатний збільшувати свою жорсткість на 300 відсотків. Ключовим елементом цього матеріалу є мікроскопічні частки так званого металу Філдса – сплаву бісмуту, індію та олова. Однак Мартін Туо стверджує, що такі ж мікрочастинки можна отримати і з інших металів.

Мікрочастинка являє собою краплинку розплавленого металу розміром від 1 до 20 мікрометрів, яку огортають чистим киснем. Через це на поверхні металу формується плівка з оксидів, яка і запобігає переходу сплаву у твердий стан.

Далі отримані мікрочастинки вводяться до складу гумоподібного еластомеру і відливаються у форму. Зрештою утворюється матеріал, що за своїми властивостями нагадує гуму, але має незвичні властивості.

Мікрочастинки. А – отримання за допомогою розділення масивніших часток; B – загальний вигляд під мікроскопом; C – окрема частинка; D внутрішня структура. Джерело: DOI: 10.1038/srep21864

Коли напруження від вигину чи скручування невеликі, він і поводить себе як гума – м’яко та пружно відновлює форму. Але варто напруженням у матеріалі перевищити певну межу, і оболонка мікрочастинок починає розриватися, а рідкий метал виливається у простір довкола, швидко переходячи у тверду форму.

Розумний матеріал

Якщо стрічку з нового матеріалу скрутити достатньо сильно, то вона так і залишиться у скрученому стані. Водночас, після твердіння вона здатна витримати напруження від ваги, що у 50 разів перевищує її власну.

Зразок матеріалу у звичайному стані, після скручування, а також під дією додаткового навантаження. Джерело: iastate.edu

Що ж до галузі застосування нового матеріалу, то самі дослідники бачать його, перш за все, як матеріал для медицини та промислового виробництва. У медицині новий розумний матеріал може стати в нагоді під час відновлення м’яких тканин, які потребують одночасно делікатного ставлення до себе і надійного захисту від непередбачуваних ривків. У виробництві матеріали зі змінною жорсткістю можуть знадобитися для підвищення безпеки цінних датчиків та у робототехніці.

Зразок гнучкої електроніки, яку можна носити на тілі. Джерело: Cockrell School of Engineering

Цікавим є застосування описаних матеріалів у перспективній галузі пристроїв, які можна носити як одяг. Розумна гума може знайти своє застосування у безпекових механізмах на транспорті. Там є велика потреба у виробах, які забезпечують приємну пружність, коли на них сидить пасажир, але які не розлітаються на травмонебезпечні уламки під час аварій.

Materials Horizons (2018)doi: 10.1039/C8MH00032H; Scientific Reports

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *