211service.com
Ultrahårde nanoteknologiske materialer
Forskere har brugt nanopartikler af ler til at modificere et polymermateriale, hvilket gør det 20 gange stivere, 4 gange hårdere og i stand til at modstå temperaturer, der er mere end dobbelt så varme. De nye materialer kan med tiden bruges i robuste letvægtsstoffer, mindre omfangsrige emballagematerialer og meget lettere bildele.
Mikroskopiske strukturer i et nyt ultrahårdt nanoforstærket materiale ændrer form under stress og ændrer den måde, de reflekterer lyset på.
Arbejdet er en del af en voksende indsats for at designe materialer med strukturer i nanoskala, der efterligner dem, der findes i naturen, såsom dem i ultra-stærke muslingeskaller. (Se Silicon og Sun.) I det aktuelle arbejde forbedrede forskere ved MITs program i polymervidenskab og -teknologi i høj grad egenskaberne af en elastisk polyurethan, der anvendes i biomedicinske applikationer, ved at sprede bittesmå lerpartikler igennem den.
Den elastiske polyurethan er almindeligvis lavet af to typer polymerer, den ene hård og krystallinsk, den anden en blød, sammenfiltret polymer. Forskerne udviklede en metode til at forstærke de stive strukturer med tynde, flade lerplader i nanoskala. Lernanopartiklerne forbinder de hårde polymerkæder til et kontinuerligt netværk, der løber gennem hele den bløde polymer.
Resultatet er et materiale, der har egenskaber, der typisk er svære at kombinere: stivhed og strækbarhed. Tidligere har andre fundet måder at gøre materialet stivere på, men det kom med en afvejning, siger ledende forsker Gareth McKinley, professor i maskinteknik ved MIT. I tidligere forsøg blev et materiale gjort syv gange stivere mere skørt - det knækkede, siger han. McKinley har gjort materialet stærkere endnu 23 gange stærkere – en måling forbundet med materialestyrke – uden at gøre det skørt. Vi er i stand til at gøre den både stærkere og holde den flot og strækbar, siger han.
Da det nye materiale er stift, kræver det en betydelig mængde energi at deformere det. Men selv når materialet begynder at deformere, går det ikke i stykker. I stedet absorberer den endnu mere energi, mens den strækker sig. Faktisk vil det nano-forstærkede materiale absorbere så meget som fire gange mængden af energi som det originale materiale uden at gå i stykker.
Den større sejhed betyder, at meget mindre materiale kan bruges - så meget som 75 procent mindre. Tynde ark af materialet, selvom de er modstandsdygtige over for rivning, ville være fleksible nok til at tjene som emballage, såsom til militærets klar-til-spisemåltider (MRE'er), siger McKinley. Materialet kan også spindes til fibre for at lave fleksible, men rivefaste stoffer.
Det nye materiale er også modstandsdygtigt over for varme: lerpartiklerne forbedrer højtemperaturstyrken af disse polymerer enormt, siger McKinley. Den originale polyurethan begynder at blive blød ved omkring 100 °C, mister sin stivhed og går let i stykker. Men det nye materiale er varmebestandigt op til 200 grader, hvilket betyder, at det kan bruges i applikationer som motorhjelmen på en bil. Fordi materialerne er lette, kan brændstofbesparelserne potentielt være meget store, siger McKinley.
Mens Evangelos Manias, professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved Pennsylvania State University, siger, at det nye materiale er imponerende, advarer han om, at processen begrænser måderne, hvorpå materialet kan bruges. Hvis det opvarmes for meget, mens det inkorporeres i et produkt, kan lerpartiklerne klumpe sammen, hvilket medfører, at de forbedrede egenskaber går tabt.
Manias siger, at endnu vigtigere end det nye materiale er processen, der bruges til at fremstille det. Det har været vanskeligt at sprede nanopartikler som leret ensartet gennem polymerer, fordi de har uforenelige kemiske egenskaber: leret tiltrækker vand, mens polymererne frastøder det. Problemet er gjort mere udfordrende i dette tilfælde, fordi lernanopartiklerne kun skal forbindes med de hårde segmenter af polyurethanen og ikke med det bløde, strækbare polymernet. Ellers vil materialet miste sin strækbarhed.
For at gøre det muligt at lokalisere lernanopartiklerne de helt rigtige steder, udviklede McKinley og hans kolleger ved MIT et system, der bruger to opløsningsmidler, det ene til at sprede lernanopartiklerne og det andet til at opløse polymeren. Disse to opløsningsmidler blandes derefter, indtil de suspenderede nanopartikler er spredt jævnt gennem den opløste polymer. Opløsningsmidlet, der opløste polymeren, fordampes derefter og efterlader et virvar af polymer, der fanger lerpartiklerne. Fordi denne metode ikke kemisk ændrer nanopartiklerne, som det er blevet gjort i andre tilgange, bevarer partiklerne en kemisk affinitet til de stive strukturer i polyurethanen, hvilket får dem til at forbinde til disse og ikke til de bløde dele af strukturen.
Manias siger, at denne proces kunne gælde for en bred vifte af systemer, ved at bruge forskellige nanopartikler, såsom nanorør, til at lave endnu mere bemærkelsesværdige materialer. Det vigtigste er, at dette kan påføres bredere end blot polyurethan, siger han. Der er hele videnskabsområder, hvor dette kan anvendes.