Исслeдoвaтeли из Гaрвaрдскoй шкoлы инжинирингa и приклaдныx нaук рaзрaбoтaли нoвый тип рeзины, кoтoрaя нaстoлькo жe прoчнa, кaк и нaтурaльный кaучук, нo вдoбaвoк oблaдaeт свoйствaми сaмoвoсстaнoвлeния.
Сaмoвoсстaнaвливaющиeся материалы не являются новшеством для ученых. Однако реализация технических свойств самовосстановления в сухих материалах, таких как резина, достаточно сложная операция.
Резина изготавливается из полимеров, связанных в основном постоянными ковалентными связями. Хотя эти связи невероятно прочны, в случае их разрыва, они никогда не возобновятся снова.
Чтобы гарантировать функцию самовосстановления, команде необходимо было создать обратимые связи, соединяющие полимеры, чтобы эти соединения могли разрушаться и восстанавливаться заново.
«Чтобы образовать резину предыдущие исследования использовали обратимые водородные связи для соединения полимеров, но обратимые связи по своей сути слабее, чем ковалентные. Поэтому возник вопрос: можем ли мы сделать что-то прочное, но самовосстанавливающееся?», рассказал Ли-Хэн Цай (Li-Heng Cai), научный сотрудник университета и соавтор работы.
Цай вместе с Джинронг Ву (Jinrong Wu), приглашенным профессором из Университета Сычуани, Китай, и Дэвидом А. Вейц (David A. Weitz), профессором физики и прикладной физики Маллинкродта, разработали гибридный каучук с ковалентными и обратимыми связями.
Концепция смешивания как ковалентных, так и обратимых связей для создания жесткой самовосстанавливающей резины была предложена Цай теоретически, но никогда не демонстрировалась экспериментально, потому что ковалентные и обратимые связи обычно не смешиваются. «Эти два типа связей не поддаются смешиванию, как нефть и вода», сказал Цай.
Исследователи разработали молекулярную нить, чтобы соединить эти два типа связей вместе. Эта нить, называемая случайно разветвленным полимером, позволяет смешивать две ранее несмешивающиеся связи гомогенно в молекулярном масштабе. При этом они смогли создать прозрачную, жесткую, самовосстанавливающуюся резину.
«Случайно разветвленный полимер связывает такие два типа связей и заставляет их смешиваться на молекулярном уровне без сорастворителей. Это позволяет гибридному «сухому» эластомеру, который является очень прочным, с энергией разрушения 13500 Дж-2, сравниться с природным каучуком. Кроме того, эластомер может самовосстанавливаться при комнатной температуре с восстанавливающимся пределом прочности на разрыв 4 МПа, что составляет 30% от его первоначального значения, но сопоставимо с прочностью свежеизготовленного материала существующих самовосстанавливающихся полимеров».
Типичная резина обладает тенденцией к разрывам в определенной точке напряжения при приложении силы. При растяжении гибридный каучук развивает так называемые волосные трещины по всему материалу. Эти трещины перераспределяют напряжение, поэтому нет локализованной точки напряжения, которая могла бы стать причиной полного разрушения материала. Когда напряжение уходит, материал возвращается в исходную форму и восстанавливает трещины.
«Еще много предстоит сделать. Для материаловедения не совсем понятно, почему этот гибридный каучук при растяжении формирует трещины. Для технических целей применения еще предстоит изучить свойства гибридной резины, использующей исключительное сочетание оптической прозрачности, прочности и способности к самовосстановлению. Более того, концепция использования молекулярного дизайна для смешивания ковалентных и обратимых связей, чтобы создать гомогенный гибридный эластомер является довольно общей и должна способствовать разработке жестких самовосстанавливающихся полимеров для практического использования».
