Полистирол — твердый, стеклообразный полимер, из которого делают бутылки, кружки, одноразовые столовые приборы и покрытия для электроники. Его пенная форма известна как пенопласт (стирофом). Есть у этого материала и недостаток: он довольно хрупкий и плохо сопротивляется резким ударам. Уроните кружку на кафельный пол — и она, скорее всего, расколется.
Химики из Массачусетского технологического института (MIT) нашли способ кардинально улучшить ударопрочность полистирола и некоторых других распространенных полимеров. Секрет — в добавлении специальных «слабых» сшивающих молекул, которые распределены по всему материалу.
Идея может показаться парадоксальной: как можно укрепить материал, добавляя в него слабые звенья? Однако это работает. Когда по материалу наносится удар, эти слабые связи (их называют механофорами) разрываются именно в точке удара. Этот контролируемый разрыв открывает дополнительные пути для рассеивания энергии, позволяя материалу поглотить гораздо больше энергии удара, чем обычно. При этом область за пределами места удара остается нетронутой и стабильной.
Исследователи проверили новый подход на двух типах полимеров. Первый — уже упомянутый полистирол. Второй — бутадиен-стирольный каучук (SBS), который используется для изготовления подошв обуви, а также в асфальте и кровельных материалах.
Чтобы измерить эффект, команда использовала уникальную систему, разработанную профессором Китом Нельсоном, — лазерное микроимпульсное ударное тестирование (LIPIT). Суть метода в следующем: в тонкую пленку материала с огромной скоростью (около 750 м/с, или более 2600 км/ч) выстреливают крошечную кремниевую сферу диаметром около 10 микрон. Измеряя скорость частицы до и после прохождения через пленку, ученые могут точно рассчитать, сколько энергии поглотил материал.
Результаты оказались впечатляющими. Полистирол с механофорными сшивками поглотил значительно больше энергии от удара, чем обычный полистирол (как неперекрещенный, так и сшитый обычными «прочными» связями). Для каучука эффект оказался аналогичным.
Оказалось, что механофоры приводят к значительному увеличению рассеивания энергии по сравнению как с неперекрещенным, так и с традиционно сшитым полистиролом. Такое поведение не наблюдалось в предыдущих работах
Ученые выяснили, что происходит в момент удара. Когда высокоскоростная частица попадает в материал, температура в точке удара повышается настолько, что формируется подвижная зона. В этой зоне связи механофоров избирательно разрываются под действием силы, открывая контролируемые пути для поглощения энергии. При этом зона вокруг места удара остается относительно стабильной.
У этого открытия есть широкий спектр потенциальных применений. Самые очевидные — это более прочные чехлы для мобильных телефонов, защитные покрытия и, возможно, более долговечные автомобильные шины. Бутадиен-стирольный каучук не используется в шинах напрямую (там применяется близкий родственник — бутадиен-стирольный каучук, SBR). Исследователи уже работают над тем, чтобы распространить свой метод и на этот материал.
Если это удастся, технология может решить еще одну важную проблему — загрязнение микропластиком. По оценкам, не меньше 10% микропластика в окружающей среде образуется именно из-за истирания шин о дорогу. Более износостойкая резина могла бы сократить эти выбросы. Открытие опубликовано в научном журнале Nature.
Ранее Наука Mail рассказывала о новом методе создания биоразлагаемых полимеров из обычной пластмассы.
