Репортаж от Wedoany，Химики Массачусетского технологического института (MIT) с помощью контр-интуитивного подхода — добавления слабых связей для упрочнения материала — возможно, превратят такие повседневные пластики, как полистирол, из хрупких материалов в пуленепробиваемые.
Исследование возглавил Джеремайя Джонсон, профессор кафедры химии MIT имени А. Томаса Гертина и член Интегративного онкологического исследовательского института Коха (Koch Institute for Integrative Cancer Research). После внедрения в распространённые полимеры, такие как полистирол и каучук стирол-бутадиен-стирол (SBS), новых сшивающих молекул, называемых механофорами, команда обнаружила повышение устойчивости материалов к ударам пуль. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature и могут повлиять на такие отрасли, как автомобилестроение и производство потребительской электроники.
Джонсон отмечает, что эти сшивающие агенты могут значительно увеличить энергию, поглощаемую материалом при ударе пули, и если метод удастся распространить на другие полимеры, перспективы его применения будут очень широкими.
Инновация основана на, казалось бы, парадоксальной концепции: сделать материал более прочным за счёт введения слабых мест. Команда MIT добавила механофоры — слабые сшивающие связи, распределённые в материале, — что позволяет полимеру более эффективно рассеивать энергию при деформации. При ударе пули эти слабые связи избирательно разрываются в точке удара, открывая каналы для усиленного поглощения энергии. Полистирол — это твёрдый стеклообразный полимер, используемый для изготовления пластиковых контейнеров, бутылок, стаканов, одноразовой посуды и покрытий для электронных устройств. По данным MIT, хотя иногда он маркируется кодом переработки 6, полистирол трудно перерабатывать, и в США его редко собирают для повторного использования.
Это исследование основано на работе 2023 года, проведённой Джонсоном и его коллегами из MIT и Университета Дьюка (Duke University), которая показала, что слабые сшивающие агенты могут делать полимеры более прочными в условиях медленного разрыва. Когда трещина начинает распространяться в материале, механофоры расщепляются на две части, способствуя рассеиванию энергии и изменяя направление трещины, что означает необходимость затратить больше энергии для разрыва материала.
В отличие от предыдущей работы, посвящённой медленному разрыву, это новое исследование сосредоточено на разработке стратегии на основе механофоров для сопротивления быстрой деформации, вызванной внезапным ударом. Исследователи внедрили механофоры непосредственно в качестве сшивающих агентов в распространённые полимеры, а затем проверили их с помощью лазерно-индуцированного теста на удар микроснарядами (LIPIT). Система LIPIT была изобретена соавтором-руководителем, профессором химии имени Хаслама и Дьюи Кейтом Нельсоном. В ходе испытаний крошечные микросферы из диоксида кремния диаметром около 10 микрон выстреливались в полимерные плёнки со скоростью около 750 м/с. Путём измерения изменения скорости частиц до и после прохождения через плёнку рассчитывалась энергия, поглощённая материалом.
Эксперименты показали, что полистирол, сшитый механофорами, поглощает гораздо больше энергии от удара, чем обычный полистирол. Исследователи объясняют это поведение переходом от локального термореактивного состояния к термопластичному, вызванным силой и адиабатическим нагревом, при котором избирательное разрыв механофоров способствует вязкопластической деформации в точке удара, сохраняя при этом целостность сети в окружающей области. Исследователи отмечают, что эта стратегия показала универсальность как для стеклообразного полистирола, так и для резиноподобного стирол-бутадиен-стирольного триблок-сополимера. Эти результаты устанавливают сшивку механофорами как принцип дизайна для превращения товарных полимеров в ударопрочные материалы и открывают новые направления на стыке полимерной механохимии и поведения материалов при экстремальных скоростях деформации.
В сотрудничестве с исследователями из MIT, Университета Пердью (Purdue University), Северо-Западного университета (Northwestern University) и Университета Дьюка, проводя эксперименты и моделирование, команда обнаружила, как механофоры повышают ударопрочность. Когда высокоскоростная частица ударяется о материал, температура в точке удара повышается настолько, что образуется подвижная область. В этой области связи механофоров избирательно разрываются под действием силы, открывая контролируемые каналы для лучшего поглощения энергии удара, в то время как области за пределами точки удара остаются относительно нетронутыми и стабильными. Йоан Симон, доцент Школы молекулярных наук Университета штата Аризона (Arizona State University), отмечает, что этот подход позволяет с минимальными химическими затратами придать такое свойство «готовым» товарным пластикам, включая стеклообразные и эластомеры, что делает его весьма масштабируемым и актуальным.
Исследователи успешно внедрили механофоры в каучук SBS (используемый в подошвах обуви, асфальте и кровельных материалах) и наблюдали аналогичный эффект. Они изучают возможность применения этого метода к бутадиен-стирольному каучуку (одному из основных компонентов шин). В случае успеха эта технология может позволить производить более износостойкие шины и уменьшить количество микропластика, образующегося при контакте шин с дорогой — на эту долю приходится не менее 10% микропластика в окружающей среде. Команда также исследует применимость метода к другим типам полимеров, таким как латекс. Кэтрин Коверт, директор программы Центра химических инноваций Национального научного фонда (NSF), отмечает, что материалы, содержащие поглощающие энергию механофоры, однажды могут помочь предотвратить разрыв шин автомобилей на шоссе или обеспечить более защитные корпуса для персональных электронных устройств.
Исследование финансировалось Центром химии молекулярно-оптимизированных сетей Национального научного фонда, Исследовательским управлением Армии США через Институт солдатских нанотехнологий MIT, стипендией Шмидта для постдокторантов в области науки (Schmidt Science Postdoctoral Fellowship) и Научно-исследовательским управлением ВВС США. Бывшие постдокторанты MIT Чжэнь Сан и Суонг Т. Нгуен, а также аспирант MIT Кванвук Ко являются первыми авторами статьи.
Данный материал скомпилирован платформой Wedoany. При цитировании материалов, созданных с помощью искусственного интеллекта (ИИ), необходимо обязательно указывать источник — «Wedoany». В случае выявления нарушения прав или иных проблем просим своевременно информировать нас. Сайт оперативно внесёт изменения или удалит материал.Электронная почта: news@wedoany.com
