В поисках методов повышения его прочности учёные из Университета Макгилла (Канада) решили... поцарапать кусок обычного стекла. Как оказалось, волнообразные нерегулярные линии — эдакая «резьба по стеклу» — действительно упрочняют материал, не ухудшая других его качеств.
Как авторы работы, появившейся в Nature Communications, вообще пришли к такой мысли? Франсуа Бартело (Francois Barthelat) и его коллеги замечают, что структура раковин моллюсков, послужившая для них «источником вдохновения», тоже состоит из довольно хрупких, хотя и твёрдых минералов. В то же время сама раковина особой хрупкостью не отличается, и это странно.
При этом природа не пошла по пути создания пуленепробиваемого стекла, уже разработанного людскими инженерами: у моллюска нет следов слоёного сэндвича из стекла, пластика и клея на основе полиуретана, распределяющего нагрузки по большой пластиковой панели, то есть метод повышения прочности, «использованный» в раковинах, совсем иной. И, похоже, довольно эффективный.
Исследовав внутреннюю структуру раковин, учёные пришли к выводу, что её прочность, как и у костей человека, обусловлена присутствием в материале фрагментов более мягких компонентов, по которым энергия деформации распространяется в глубь раковины, распределяя нагрузку по значительной поверхности.
Для воспроизведения такой схемы они лазером выжгли в стекле волнообразные дорожки из крохотных дырочек, а затем наполнили эти «дорожки» полиуретаном. Разумеется, «поцарапанные» места треснули. Однако после этого стекло не распалось: мягкие компоненты соединяли его вместе, а передача усилия от одной точки ко всему материалу резко улучшилась.
Что в итоге? Обычное стекло разрушается после удлинения буквально на 0,1%, в то время как новое «бионическое» стекло может пережить удлинение примерно на 5% без особых последствий. Общая же его прочность в 200 раз выше, чем у стандартного материала, используемого для производства окон, — а следовательно, по прочности новинка вровень с лучшими образцами сегодняшних стёкол. Учитывая, что перед нами лишь первый опыт, который сразу же дал материал, готовый к практическому внедрению, следует ожидать появления композитов на основе стекла с ещё более выдающимися характеристиками.
Новый метод упрочнения «очень экономичен», считает г-н Бартело: «Всё, что вам нужно, — это импульсный лазерный луч, сфокусированный в заранее заданных точках. Наша трёхмерная техника лазерной гравировки может быть легко масштабирована и использована для больших и толстых компонентов любой формы».
Где такое «резиновое стекло» может применяться? — Скажем, при производстве особо прочных окон, включая пуленепробиваемые, очков и экранов смартфонов.
Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Communications.
Подготовлено по материалам ScienceNews. Изображения на заставках принадлежат Shutterstock (1 и 2).
Вдохновителями нового «гравированного стекла» стали раковины моллюсков. (Здесь и ниже иллюстрации M. Mirkhalaf et al.)
Как авторы работы, появившейся в Nature Communications, вообще пришли к такой мысли? Франсуа Бартело (Francois Barthelat) и его коллеги замечают, что структура раковин моллюсков, послужившая для них «источником вдохновения», тоже состоит из довольно хрупких, хотя и твёрдых минералов. В то же время сама раковина особой хрупкостью не отличается, и это странно.
При этом природа не пошла по пути создания пуленепробиваемого стекла, уже разработанного людскими инженерами: у моллюска нет следов слоёного сэндвича из стекла, пластика и клея на основе полиуретана, распределяющего нагрузки по большой пластиковой панели, то есть метод повышения прочности, «использованный» в раковинах, совсем иной. И, похоже, довольно эффективный.
Исследовав внутреннюю структуру раковин, учёные пришли к выводу, что её прочность, как и у костей человека, обусловлена присутствием в материале фрагментов более мягких компонентов, по которым энергия деформации распространяется в глубь раковины, распределяя нагрузку по значительной поверхности.
Для воспроизведения такой схемы они лазером выжгли в стекле волнообразные дорожки из крохотных дырочек, а затем наполнили эти «дорожки» полиуретаном. Разумеется, «поцарапанные» места треснули. Однако после этого стекло не распалось: мягкие компоненты соединяли его вместе, а передача усилия от одной точки ко всему материалу резко улучшилась.
Волнистые линии, вдоль которых нанесён полиуретан, направляют энергию деформаций не на образование трещин, а в удалённые части стеклянной панели.
Что в итоге? Обычное стекло разрушается после удлинения буквально на 0,1%, в то время как новое «бионическое» стекло может пережить удлинение примерно на 5% без особых последствий. Общая же его прочность в 200 раз выше, чем у стандартного материала, используемого для производства окон, — а следовательно, по прочности новинка вровень с лучшими образцами сегодняшних стёкол. Учитывая, что перед нами лишь первый опыт, который сразу же дал материал, готовый к практическому внедрению, следует ожидать появления композитов на основе стекла с ещё более выдающимися характеристиками.
Новый метод упрочнения «очень экономичен», считает г-н Бартело: «Всё, что вам нужно, — это импульсный лазерный луч, сфокусированный в заранее заданных точках. Наша трёхмерная техника лазерной гравировки может быть легко масштабирована и использована для больших и толстых компонентов любой формы».
Где такое «резиновое стекло» может применяться? — Скажем, при производстве особо прочных окон, включая пуленепробиваемые, очков и экранов смартфонов.
Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Communications.
Подготовлено по материалам ScienceNews. Изображения на заставках принадлежат Shutterstock (1 и 2).
Комментариев нет:
Отправить комментарий