Алюминий растянул перламутр

Учёные создали новый конструкционный композитный материал на основе оксида алюминия, помещенного в полимерную матрицу. Исследователи научились получать Al₂O₃ в форме микроскопических пластинок, которые и являются основой инновации. Работа ученых опубликована в Science.

Изобретение сотрудников швейцарского Федерального технологического института в Цюрихе в будущем сможет быть применено в изготовлении зубных и костных имплантатов, а также стать прототипом конструкционного материала для машиностроительной индустрии. Главными достоинствами композита являются его необычайная прочность и эластичность, а также небольшой вес.

Стоит признать, что это уже не первая попытка химиков и материаловедов перенести достижения природы в мир людей и создать новые прочные и пластичные материалы наподобие наноструктур, обнаруженных в яичной скорлупе, костной ткани и зубной эмали. Эти природные объекты состоят из тонких и прочных керамических пластинок, скрепленных полимерным связующим, что и позволяет им быть одновременно и прочными, и пластичными.

Новое достижение швейцарских ученых под руководством профессора Людвига Гауклера перекрывает успехи исследователей из Массачусетского технологического института, до сих пор являвшиеся наиболее удачным примером биомиметического подхода в материаловедении. Материал, полученный в Цюрихе, впятеро прочнее и обладает выраженной пластичностью, прочность плёнки композита эквивалентна прочности алюминиевой фольги той же толщины. При этом материал выдерживает 25-процентную деформацию, в то время как алюминий рвется уже при двухпроцентной.

В то же время материаловедам удалось сохранить необыкновенную легкость композита: по оценкам Андре Стюарта, материаловеда из Гарварда, также задействованного в работе, гибрид может быть вчетверо легче стали, обладающей соответствующими прочностными характеристиками. Это свойство материала пророчит ему большое будущее в машиностроении, где в настоящее время в изготовлении неметаллических деталей применяется не самое легкое стекловолокно. Кроме того, выгодным отличием нового материала от стекловолокна является меньшая анизотропия свойств. Так, стекловолокно сохраняет свою прочность только вдоль одного направления, совпадающего с направленностью волокон. Пластинчатая же структура материала из оксида алюминия обеспечивает его прочность в двух направлениях.

Кроме того, по заверениям создателей, полупрозрачный на сегодняшний день материал может быть преобразован в совершенно прозрачный, что обеспечит его применение в электротехнике.

Для того чтобы получить тонкую пленку нового композитного материала, ученые применили метод наслоения. Первоначально приготовив дисперсию керамических пластинок оксида алюминия в этиловом спирте, они поместили ее на поверхности более плотной жидкости – воды. Таким образом был сформирован одиночный слой пластинок на поверхности воды, который был перенесен на подложку из стекла простым погружением последнего в воду. В качестве связующего полимера был использован биосовместимый хитозан, известный в том числе и многим почитателям биологических добавок.

Прототипом разработки для учёных оказался перламутр, образующийся в виде тонкой пленки на поверхности морских раковин. К чести создателей, они не только стремились повторить его структуру, но и улучшить ее. Ракушки используют карбонат кальция для создания пленки перламутра, который распределяют в виде пластин в толще белкового полимера. При этом ключевую роль играет соотношение длины и толщины пластинок, которое и позволяет достичь уникального сочетания пластичности и прочности, до этого воспроизведенного людьми только в металлах и сплавах.

Слишком большое соотношение длины и толщины приводит к преждевременному разрушению материала при приложении нагрузки. Если же соотношение слишком мало, материал становится непрочным.

Исследователи отдали предпочтение оксиду алюминия, так как последний отличается впятеро большей прочностью по сравнению с карбонатом кальция. Кроме того, ученые использовали пластинки меньшей толщины, чем те, что были обнаружены в перламутровом покрытии: двести нанометров против пятисот. Эта мера позволила уменьшить риск возникновения пустот и трещин в конечном продукте послойного синтеза. Теоретические расчеты показали, что соотношение между длиной и толщиной пластинок, равное сорока, приводит к наилучшим механическим характеристикам композитного материала. Таким образом, длина их составила от 5 до 10 микрон. В итоге ученые получили большую прочность материала при меньшей концентрации пластинок в нем. Это позволило использовать большие количества полимера, что вылилось в превосходную пластичность.

Несмотря на это, перед внедрением в зубопротезную промышленность, не говоря уже о костной имплантации и тяжелой индустрии, ученым предстоит разработать более технологичный и быстрый метод получения композита.

Сам Гауклер полагает, что поле для усовершенствований материала еще очень широко. Например, необходимо провести поиск иного полимерного связующего, которое может еще более повысить прочность материала и сделать его дешевле. Кроме того, в увеличении нуждается и адгезия («прилипучесть») полимера к пластинкам Al₂O₃.

Гауклер также не исключает возможности перехода к наноразмерным пластинкам оксида алюминия, которая может радикально изменить механические параметры материалов, построенных по аналогии со структурой перламутра.

В то же время успех швейцарцев – еще одна знаковая веха в развитии биомиметических подходов, не так давно позволивших химикам создать инновационные адгезионные материалы на основе строения лапок ящериц и древесных лягушек.