Ученые залатали «ахиллесову пяту» самых прочных стекол
Специалисты смоделировали процесс деформации стекла с добавлением самодвижущихся частиц. Объясняем, как это меняет свойства материала, какие результаты показали эксперименты и что думают ученые о практическом применении.
Юлия УгловаАвтор Hi-Tech Mail
Специалисты из Института фундаментальных исследований Тата и Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе предложили способ превратить хрупкое стекло в материал, который гнется, а не ломается. Согласно их теоретической модели, добавление небольшого количества активных микрочастиц может заставить стекло деформироваться постепенно, распределяя нагрузку по всей структуре вместо того, чтобы разрушаться мгновенно, пишет Phys.org.
Стекло — это аморфное твердое тело без упорядоченной кристаллической решетки. Его атомы зафиксированы в случайном порядке. Чем медленнее остывало стекло при производстве, тем глубже оно «оседает» в энергетической долине, становясь стабильным, но крайне хрупким. При превышении предела прочности все повреждения концентрируются в одной узкой плоскости, что приводит к катастрофическому разрушению материала.
Чтобы решить эту проблему, исследователи смоделировали процесс деформации стекла с добавлением небольшой доли самодвижущихся частиц. Эти частицы несут собственное «топливо» и постоянно движутся вперед, подобно бактериям или синтетическим коллоидам под светом.
Результаты показали удивительный эффект. Вместо резкого обрыва на графике напряжения активный компонент превращал его в плавный холм. Стекло начинало деформироваться позже и выдерживало гораздо большее напряжение. Единственная плоскость разрушения заменялась целой сетью мелких полос сдвига, которые соединялись постепенно, предотвращая внезапный разлом. Ключом к этому поведению стало время сохранения направления движения частицы. Если частица движется долго, она вырывается из окружения соседей, делая стекло более мягким. Если же она часто меняет направление, она укрепляет структуру, создавая сеть распределенных деформаций.
На данный момент работа носит вычислительный характер. Следующим шагом станет проверка предсказаний в лаборатории. Ученые планируют использовать плотные коллоидные системы с фотопереключаемыми активными частицами.
Авторы подчеркивают, что их работа может найти применение в биоинженерии. Поскольку живые ткани постоянно адаптируются к внешним силам, поддерживая внутреннее равновесие, предложенная модель компенсации может лечь в основу создания «умных» самовосстанавливающихся материалов. Однако пока остается открытым вопросом, распространяется ли этот механизм на реальные биологические системы.
Ранее ученые напечатали на 3D-принтере один из самых твердых металлов на Земле. Подробности — в другом материале Hi-Tech Mail.
ФизикаПоделиться
