Слабые химические связи сделали пластик в разы прочнее: открытие американских ученых

Американские химики разработали метод укрепления полимеров с помощью парадоксального решения — добавления в их молекулярную структуру более слабых связей. Исследование, проведенное специалистами Массачусетского технологического института (MIT) совместно с коллегами из Северо-Западного, Purdue и Duke университетов, показало, что такой подход значительно повышает ударопрочность материалов, включая обычный полистирол.

Принцип работы «жертвенных» связей

Внедренные в структуру полимера слабые связи выполняют роль так называемых механофоров — молекулярных узлов, которые реагируют на механическое воздействие. При резком ударе эти компоненты точечно разрушаются непосредственно в месте контакта, эффективно поглощая и рассеивая кинетическую энергию.

В ходе экспериментов исследователи обстреливали модифицированный полистирол микрочастицами на сверхвысокой скорости. В точке удара температура мгновенно повышалась, создавая пластичную зону деформации. Механофоры в этой области разрывались, локализуя повреждение и оставляя окружающий материал абсолютно невредимым. В результате обновленный полистирол поглотил гораздо больше энергии, чем его стандартный аналог.

По словам руководителя исследования, профессора химии MIT Джереми Джонсона, использование подобных перекрестных связей позволяет кратно увеличить энергопоглощение материала при баллистическом ударе. Ранее, в 2023 году, та же группа ученых доказала, что слабые связи мешают распространению трещин при медленном растяжении и разрыве полимеров. Теперь же технологию удалось адаптировать для защиты от мгновенных сверхвысоких нагрузок.

Как проходило тестирование

Для проверки прочности материала ученые использовали метод лазерного микроудара (LIPIT), разработанный профессором MIT Китом Нельсоном. Суть метода заключается в следующем:

• Крошечные частицы диоксида кремния диаметром всего 10 микрометров разгоняются с помощью лазера до скорости 750 метров в секунду (более 2700 километров в час).
• Микросферы пробивают тонкую полимерную пленку толщиной около 100 микрометров.
• Специальное оборудование фиксирует скорость частиц до и после столкновения, что позволяет точно рассчитать объем поглощенной материалом энергии.

Перспективы применения технологии

В обзоре результатов отмечается, что предложенная методика универсальна. С ее помощью авторам работы уже удалось укрепить бутадиен-стирольный каучук — распространенный материал, который применяется при производстве обувных подошв, дорожного асфальта и кровельных покрытий.

В дальнейшем ученые планируют протестировать технологию на других типах полимеров. В частности, речь идет об автомобильной резине. По мнению представителей Национального научного фонда США, профинансировавшего проект, внедрение поглощающих энергию механофоров в будущем поможет защитить автомобильные шины от разрывов на автомагистралях, а также позволит создавать сверхпрочные защитные чехлы для мобильной электроники.

Результаты научной работы опубликованы в авторитетном научном журнале Nature.

Твитнуть