Подпишитесь на оповещения
от Газеты.Ru
Дополнительно подписаться
на сообщения раздела СПОРТ
Отклонить
Подписаться
Получать сообщения
раздела Спорт

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.