Изобретен материал с принципиально новыми свойствами
Материал с интересными свойствами изобрели инженеры из университета штата Айова, результаты они описали в своей статье, вышедшей недавно в научном журнале «Горизонты материаловедения» (Materials Horizons). Соавторами стали университетские преподаватели и аспиранты Мартин Туо, Майкл Бартлетт, Бойс Чанг и Рави Тутика (Martin Thuo, Michael Bartlett, Boyce Chang, Ravi Tutika), принимала участие и лаборатория Министерства энергетики США, часто фигурирующая в качестве в научных исследованиях в качестве стороны, обеспечивающей материальную базу новейшим разработкам. Гранты и стипендии для молодых ученых помогли довести проект до готового продукта.
Напрягите мышцу, и вы почувствуете, как она стала жестче и сильнее. Примерно то же самое удалось сделать американским ученым - их мягкий эластичный материал, напоминающий каучук при сильном механическом воздействии - например при скручивании, изгибе или растяжении, становится жестким как металл. “Он может автоматически сжаться в три раза если приложить к нему определенную силу” - рассказывают о своей разработки американские инженеры. В лабораторных испытаниях механическое напряжение превращало гибкую полосу материала в твердый композит, который может выдерживать вес в пятьдесят раз больший собственного.
В изобретенном композитном материале фазовая трансформация проходит без внешних источников энергии, таких как тепло, свет или электричество, изменяется внутренняя структура и это изменяет свойства всего изделия.
Как часто бывает, открытие случилось на пересечении двух областей - Туо экспериментировал с микроскопическими частицами жидкого металла, а Бартлетт занимался с мягкими материалами, такими как каучук, гели и пластмассы. Когда их интересы совпали - то родился новый продукт с принципиально новыми свойствами.
Исследователи обнаружили простой, недорогой способ получения частиц так называемого переохлажденного (английское supercooling или undercooling) жидкого металла - он не кристаллизуется даже ниже температуры своего плавления. Крошечные жидкие частицы (их размер составляет от одного до двадцати микронов) получаются путем впрыскивания капель расплавленного металла в кислород, при этом на поверхности создается тонкий слой окислов, который полностью покрывает капли и запечатывает жидкий металл внутри.
Кроме того, команда изобрела метод перемешивания этих сфер с жидкостью внутри эластичного полимера, без разрушения мелких частиц. Когда этот композиционный материал подвергается механическим нагрузкам - ударам, скручиванию, изгибу, сжатию - частицы жидкого металла разрывают оболочку и вытекают наружу. Там он сливается в единой целое и затвердевает. Что-то вроде жидкого терминатора ;-)
Фактически, металл при возникновении внутренних напряжений выжимается из микрокапсул, как сок из лимона, он течет в те стороны, в которые может, соединяется с потоками из соседних микрочастиц и потом все разом застывает, так как температура материала гораздо ниже температуры кристаллизации сплава. Образуется своеобразная металлическая сетка, жесткий каркас внутри еще недавно мягкого изделия.
Исследователи утверждают, что точка схлопывания частиц может быть настроена самым различным образом - металл может вытекать и твердеть после различных приложенных к изделию механических нагрузок. Достигается это различными вариантами используемого сплава, изменением размеров частиц или изменением состава полимера вокруг них.
В своих экспериментах они использовали жидкий сплав висмута, индия и олова. Но есть возможность применять и другие, более распространенные в земной коре и менее дорогие элементы.
Варианты применения человечеством такого материала пока что не очень ясны. Его недостатком является необратимость процесса - если один раз сферы разбились, то их нельзя восстановить. Но уже предлагают использовать его например в медицине - иногда требуется имплантировать жесткие детали в какие-либо органы, например специальными сеточками расширяют кровеносные сосуды, возможно придумают подобные варианты с доставкой эластичного материала внутрь и укрепления суставов, тканей и т.п.
В промышленности изобретение может быть востребовано для создания защиты различных ценных деталей, например датчиков, думают и над применением в электронике и робототехнике. Патент на изобретение ученые уже подали и скоро настанет черед инвесторов - возможно на его основе в будущем выпустят что-то интересное, о чем мы пока даже не догадываемся.
