Пенсионный советник

Суперволокна из электропрялки

Ученые создали нановолокна, превосходящие по прочности все композитные материалы

Никита Сафонов 25.04.2013, 14:33
Изображение нановолокон со сканирующего микроскопа newsroom.unl.edu
Изображение нановолокон со сканирующего микроскопа

Созданы сверхпрочные и сверхупругие нановолокна, способные заменить все существующие композитные материалы, используемые повсеместно — от самолетов до велосипедов. Разработка попала на обложку ведущего периодического издания в области нанотехнологий — журнала Американского химического сообщества ACS Nano.

Среди участников проекта есть два выходца из России. Один — Александр Гопоненко, окончивший МГУ в 1997 году по специальности «материаловедение». Другой — Дмитрий Папков, родившийся в СССР и иммигрировавший в Израиль, где окончил бакалавриат Израильского института технологий по специальности «инженерия материалов» и магистратуру университета Тель-Авива по специальности «электротехника». Оба исследователя сейчас работают в Университете города Акрон (Огайо).

Рассматривая различные конструкционные материалы, принято считать, что чем прочнее материал, тем хуже его упругие свойства. Прочность зависит от его способности выдерживать определенное давление и характеризуется количеством энергии, способным разрушить структуру. Керамическая посуда, к примеру, легко выдерживает вес на ней, ее безбоязненно можно колоть иголкой, но при малейшем падении она разбивается, а резиновый мяч, как бы его ни пытались сплющить, остается целым, зато иголки боится. Как правило, жесткость и упругость являются взаимоисключающими параметрами.

Инженеры разработали сверхтонкие нановолокна, состоящие из полиакрилонитрила, являющегося разновидностью акрилового синтетического полимера, который получают методом электропрядения. В конструкции типичной «прядения» присутствуют насос, который обеспечивает равномерную подачу жидкости к проводящей игле, собирающая пластина и высоковольтный источник, создающий поле в промежутке между кончиком иглы и пластиной. Раствор, контактирующий с металлической иглой, заряжается, а введенные в него заряды ускоряются электрическим полем и вовлекают в движение окружающее вещество, отчего жидкость равномерно ускоряется и вытягивается в тонкую струю. В межэлектродном зазоре растворитель частично испаряется, и струя превращается в волокно, которое осаждается на пластине и создает пористый слой.

Ученые обнаружили, что созданные ими тонкие нановолокна оказались не только прочнее, но и гораздо гибче существующих образцов.

«Наши нановолокна могут быть применимы для всего, что состоит из композитных материалов, — рассказывает руководитель исследовательской группы Юрис Дзенис, профессор материаловедения и машиностроения, сотрудник научного центра при университете Небраски-Линкольна. — Наше открытие добавляет новый класс в семейство материалов, обладающих высокой прочностью и гибкостью».

Дзенис предположил, что высокую прочность нановолокнам придает низкая кристалличность — то есть в их структуре присутствует много неорганизованных (аморфных) областей.

В этих областях переплетаются цепочки молекул, давая тем самым возможность поглощать больше энергии.

Самые современные волокна имеют минимальное количество аморфных областей, поэтому они довольно просто ломаются. В самолетостроении, где используется множество композитных материалов, малейшая трещина при резкой нагрузке может привести к катастрофе. Сегодня инженеры решают эту проблему утолщением слоев композитных материалов, что сильно утяжеляет сами конструкции. Материалы, из которых делаются бронежилеты, очень жесткие и плохо поглощают энергию, что приводит к серьезным травмам. Внедрение нового материала дает возможность не только облегчить сам бронежилет, но и позволит ему защищать человека от пуль с большей энергией.

«Если бы структура материалов была более гибкой, можно было бы сильно облегчить конструкции и сделать их более безопасными», — говорит Юрис Дзенис.