Природа известна тем, что создает легкие, но прочные материалы, используя ограниченное количество скромных материалов, образующих гениальную архитектуру. Возьмем, к примеру, перламутр. Блестящая внутренняя оболочка раковин некоторых моллюсков, более известная как перламутр, представляет собой органически-неорганический композит, состоящий из трехмерного кирпичного узора, состоящего из листов шестиугольных таблеток арагонита, твердого минерала, склеенных между собой мягкий, сверхэластичный биополимер.
Хотя таблетки арагонита очень хрупкие, гибкость биополимера позволяет им скользить в ответ на растягивающее напряжение, что делает перламутр жестким материалом, который может значительно деформироваться перед разрушением. Теперь исследователи из факультета гражданского и экологического строительства Принстонского университета создали новый, превосходный цементный композит, имитирующий архитектуру природного перламутра.
Природный перламутр состоит из листов арагонита, склеенных между собой сверхэластичным биополимером. Gupta et al. «Эта синергия между твердыми и мягкими компонентами имеет решающее значение для замечательных механических свойств перламутра», — сказал Шашанк Гупта, аспирант Принстонского инженерного факультета и ведущий автор исследования. «Если мы сможем спроектировать бетон, устойчивый к распространению трещин, мы сможем сделать его более прочным, безопасным и долговечным».
Чтобы сделать свой перламутровый композитный материал, исследователи создали шестиугольные таблетки из листов цементного теста и наслаивали их слоями. Их разделил поливинилсилоксан (ПВС), который действовал как гиперэластичный биополимер. Затем механическая реакция композита была протестирована с использованием балок, изготовленных из этого материала, и сравнена с балками, изготовленными из твердого (монолитного) литого цементного теста.
Балки были подвергнуты испытанию на трехточечный изгиб с надрезом (3PB), при котором давление, направленное вниз, оказывается в середине балки, а давление вверх — на каждом конце, чтобы оценить устойчивость к растрескиванию или вязкость разрушения. Испытания показали, что «твердые» балки из литого цементного теста были хрупкими; они внезапно и полностью сломались, когда достигли точки разрушения, потому что у них не было гибкости (пластичности). Напротив, перламутровые композитные балки продемонстрировали в 19 раз большую пластичность и в 17,1 раз большую вязкость разрушения, чем контрольные балки, сохраняя при этом почти ту же прочность.
Схема перламутрового цементного композита, созданного исследователями Гупта и др. «Наш биоинспирированный подход заключается не в том, чтобы просто имитировать микроструктуру природы, а в том, чтобы изучить основополагающие принципы и использовать их для разработки искусственных материалов», — сказал Реза Мойни, руководитель лаборатории архитектурных материалов и аддитивного производства (AM2). в Принстоне и автор-корреспондент исследования. «Одним из ключевых механизмов, делающих перламутровую оболочку прочной, является скольжение таблетки на нанометровом уровне. Здесь мы сосредоточимся на механизме скольжения таблеток, создав встроенную табличную структуру цементного теста в балансе со свойствами полимера и интерфейса между ними. Другими словами, мы намеренно создаем дефекты в хрупких материалах, чтобы сделать их более прочными».
Конечно, эти результаты были получены в лаборатории. Исследователи планируют протестировать биоинспирированный цементный композит в реальных условиях и выясняют, можно ли использовать его механические свойства для повышения трещиностойкости других материалов, таких как бетон и фарфор.
«Мы всего лишь царапая поверхность», — сказал Мойни.
Исследование было опубликовано в журнале Advanced Functional Materials.
