Исследователи из Лаборатории иерархически структурированных материалов Центра системного проектирования Сколтеха совместно с коллегами из НИТУ МИСИС и Объединенного института ядерных исследований впервые в режиме реального времени зафиксировали наномасштабные превращения в сверхвысокомолекулярном полиэтилене — материале, который обладает эффектом памяти формы. Ученые показали, что ключевые структурные изменения происходят при температуре около 80 °C — именно эта температура запускает процессы восстановления формы материала. Результаты позволяют создавать материалы, способные эффективно реагировать на внешние воздействия, быстро возвращаясь к своей изначальной форме. Работа опубликована в журнале Physical Mesomechanics.
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен известен рекордной прочностью, износостойкостью и биосовместимостью, но не менее важным его свойством является способность «помнить» исходную геометрию: после деформации изделие возвращает форму при нагреве. Этот эффект лежит в основе перспективных технологий — от искусственных мышц и самораскладывающихся конструкций до интеллектуальных имплантов. Однако молекулярные и наноструктурные механизмы, запускающие восстановление формы, не были изучены.
Чтобы решить эту проблему, команда провела уникальный эксперимент: образец самоармированного композита на основе волокон сверхвысокомолекулярного полиэтилена нагревали до 140 °C непосредственно под рентгеновским пучком, регистрируя как малоугловое, так и широкоугловое рассеяние. Это позволило с нанометровым разрешением отслеживать перестройку кристаллических и аморфных фаз в режиме реального времени.
Оказалось, что при температуре около 80 °C в материале начинаются резкие изменения в направлении вдоль волокон. Размер наноструктур скачкообразно увеличивается в 1.5 раза, а параметр размерности меняется на 10%. В поперечном направлении аналогичных изменений не зафиксировано. Таким образом, было показано, что движущей силой эффекта памяти формы являются «распрямление» и перестройка гибких аморфных цепочек, которые, подобно сжатой пружине, возвращаются в исходное состояние при нагреве.
Понимание фундаментальных механизмов памяти формы открывает путь для создания новых полимерных материалов с заданными свойствами. Инженеры смогут более точно программировать температуру активации и усилие восстановления для конкретных применений: от микроскопических медицинских имплантов, которые разворачиваются внутри тела при нагреве до температуры тела, до мощных актуаторов для антропоморфных роботов и систем сбора энергии.
«Наш эксперимент похож на съемку сверхзамедленного видео того, как невидимая глазу наноструктура материала „оживает“ и приходит в движение при нагревании. Мы не просто зафиксировали изменения — мы связали их с макроскопическим свойством материала. Теперь мы можем не эмпирически, а целенаправленно предлагать, как модифицировать структуру полимера, чтобы получить нужный нам эффект памяти формы», — говорит первый автор исследования, научный сотрудник Лаборатории иерархически структурированных материалов Центра системного проектирования Сколтеха Евгений Статник.
Источник информации: Сколтех
Источник фото: ru.123rf.com
