Наночастицы сделали полимерные стёкла прочнее и устойчивее к разрушению

В симуляции полимерное стекло с наночастицами (зелёные сгустки) подвергается нагрузке до момента, предшествующего разрушению. Частицы перестраиваются под напряжением, создавая связи между разными фибриллами. Эти связи стабилизируют полимер, вызывая постепенный, а не резкий переход к разрушению. Автор: L. Zhang et al.

Учёные нашли решение давней проблемы прочности полимерных стёкол с помощью наночастиц. Добавление в состав полимерного стекла наночастиц из свёрнутых полимерных цепей делает материал прочнее, устойчивее к разрушению и легче в обработке, выступая в роли армирующих элементов.

В исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, китайские исследователи использовали наночастицы из свёрнутых одпоцепочечных полимеров. По словам учёных, их подход открывает новый путь для создания передовых полимерных стёсел, сочетающих прочность, устойчивость к разрушению и удобство обработки — свойства, которые ранее считались несовместимыми.

Полимерное стекло, известное как плексиглас, широко используется для изготовления очков, аквариумов и витрин в музеях. Десятилетиями исследователи искали способы улучшить механические свойства плексигласа, в первую очередь повысив его прочность и устойчивость к разрушению.

Прочность — это уровень напряжения, при котором материал начинает деформироваться. Устойчивость к разрушению измеряет количество энергии, которое материал может поглотить до растрескивания.

Прочный материал выдерживает высокие нагрузки, но может внезапно сломаться без предупреждения, тогда как устойчивый к разрушению материал сопротивляется растрескиванию за счёт деформации, перераспределения напряжения и замедления роста трещин.

Предыдущие попытки улучшить прочность и устойчивость включали добавление жёстких нанокристаллов, что увеличивало вязкость и затрудняло обработку. Это создавало сложную трилемму, где улучшение любых двух свойств происходило за счёт третьего.

Добавление одпоцепочечных наночастиц делает плексиглас прочнее и устойчивее к разрушению. Автор: zeeshan ahmad from Pixabay

В новом исследовании учёные добавили одпоцепочечные наночастицы в матрицу из полиметилметакрилата двумя способами: простым смешиванием и химическим сшиванием. Они протестировали материалы на прочность, устойчивость к разрушению и вязкость расплава, а также использовали электронную микроскопию для визуализации распределения наночастиц.

Результаты показали, что наночастицы равномерно распределились и демонстрировали более высокую температуру стеклования, чем окружающая матрица. При растяжении наночастицы перемещались, образуя стабилизирующие связи между микроскопическими фибриллами в плексигласе. Это поведение помогает отсрочить разрушение и образование микротрещин, делая материал значительно более устойчивым к поломке.

Подвижная природа наночастиц оказалась ключевой — их деформируемые поверхности позволяли полимерным цепям проникать и скользить вдоль них, действуя как внутренние смазки, снижающие вязкость расплава. В совокупности эти явления позволили преодолеть традиционный компромисс между свойствами, сделав полимерное стекло прочнее, устойчивее к разрушению и легче в обработке.

Интересный факт: Плексиглас (оргстекло) был впервые разработан в 1928 году и широко использовался во время Второй мировой войны для остекления самолётов благодаря своей лёгкости и ударной прочности по сравнению с обычным стеклом.