Канадські матеріалознавці знайшли спосіб позбавити скло його головного недоліку — крихкості. Вони звернулися до перламутру, міцність якому забезпечує композитна будова з поєднання шарів карбонату кальцію і еластичного біополімеру, та спробували перетворити і скло на такий шаруватий матеріал. Мікрометрові скляні елементи поєднали з акриловою смолою так, щоб імітувати будову мушель. У підсумку вони отримали міцний матеріал, у якому можна налаштовувати прозорість, про що повідомили у Science.
Скляні композити товщиною один міліметр без додаткової обробки та з нею. Ali Amini et al. / Science, 2021
Як тріскається скло?
Скло досі залишається доволі популярним матеріалом завдяки своїй термічній та хімічній стійкості, можливості піддаватися переробці, і звісно прозорості. Втім, не зважаючи на це, погана стійкість до руйнування, низька ударостійкість і механічна надійність обмежують діапазон їхнього використання. Крихкість скла, а отже і тріщини на ваших смартфонах і посуді, пов’язані з тим, що скло належить до аморфних речовин, тобто атоми у ньому не схильні до порядку, а тому йому погано вдається протистояти росту дефектів і тріщин. У запасі матеріалознавців є кілька способів цьому протистояти, хоча і ціною деяких характеристик цього матеріалу.
Зокрема термічний або хімічний відпуск — поширена стратегія, використовувана для збільшення міцності стекол. Вона, правда, не додає склу в'язкості, тобто вміння протистояти поширенню руйнувань. Ще його можна ламінувати, створюючи полімерну скляну багатошарову композитну структуру, найбільшою перевагою якої є безпека. Оброблене таким чином скло не кришиться на дрібні шматочки — полімерні шари його стримують. Однак такі багатошарові композити все одно не відрізняються особливою ударостійкістю або додатковими механічними поліпшеннями. У своїй новій роботі канадські матеріалознавці і біоінженери під керівництвом Алі Аміні (Ali Amini) вирішили знайти спосіб підвищити міцність скла, використовуючи принципи проектування, якими користується природа. Вони придивилися до досить міцного, теж композитного, перламутру, який захищає молюсків і є органіко-неорганічним композитом натурального походження.
Як мушлі допоможуть склу?
Перламутр є класичним прикладом міцного структурного біоматеріалу. Він в три тисячі разів міцніший, ніж його окремі складові: кристали карбонату кальцію та еластичні біополімери, як-то хітин, люстрин і шовкоподібні білки. Він руйнується при деформації в один відсоток, що значно вище, ніж у деяких керамічних матеріалів. А його модуль пружності в тисячу разів більший, ніж у одних тільки сполучних білків. І тому було запропоновано безліч методів різної складності для імітації структури перламутру, у результаті чого вдалося отримати матеріали з поліпшеними механічними і оптичними властивостями.
Але не зважаючи на чудові властивості опору руйнуванню у порівнянні зі склом, такий композит набагато менш прозорий. Прозорість можна підвищити, зменшивши складові «цеглинки», але так вченим доведеться жертвувати міцністю. Тому матеріалознавцям доводиться йти на компроміс: прозорість або механічні переваги. Для досягнення високих механічних характеристик, тобто високої в'язкості, міцності і жорсткості, тверді і жорсткі включення з високими пропорціями повинні бути пов'язані більш деформованою і відповідно слабшою матрицею. Але для високих оптичних характеристик, показники заломлення повинні бути однаковими в обох складників. І звичайно потрібно забезпечити міцний зв'язок між твердою і м'якою фазами, щоб зберегти і високий рівень міцності на межі розділу, і запобігти розсіюванню світла, яке знизить прозорість.
Cхематична структура внутрішньої будови перламутру, яку намагаються повторити дослідники. Kebes / Wikimedia Commons
То яке скло отримали вчені?
Для виконання всіх механооптичних вимог, у своїй роботі дослідники вибрали скляні елементи (з вмістом діоксиду кремнію від 64 до 70 відсотків) мікрометрового розміру в якості цеглинок, і акрилову смолу (ПММА) для м'якої матриці. ПММА — це аморфний полімер, який легко полімеризується і піддається деформації, а також володіє прозорістю. Однак оскільки показники оптичного заломлення у ПММА і скла не зовсім збігаються, вченим довелося додати фенантрен. Щоб домогтися міцної і бездефектної межі розділу між склом і ПММА, поверхню також додатково обробили силанами. Підготовлені ПММА і скляну крихту потім змішали і центрифугували, щоб вирівняти архітектуру і забезпечити високу об'ємну частку включень скла. На заключному етапі, щоб полімеризувати акрил, композит протягом двох годин відпалювали при температурі у сто градусів Цельсія.
Створений вченими композит (справа) і справжній перламутр. McGill University
У підсумку вчені отримали скло, яке володіє міцністю на вигин з тиском до 140 мегапаскалей, можливістю деформуватися на три відсотки, пропускати світло і зупиняти поширення тріщин. Так він перевершує хімічно загартовані скла, адже володіє вищими значеннями ударної в'язкості, демонструє, що будь-яка тріщина зустрічатиме дедалі сильніший опір з боку матеріалу, а тому не вплине на загальну міцність. Отриманий матеріал може бути корисний для створення більш міцних дисплеїв для смартфонів, адже його легко масштабувати до більших розмірів
У майбутній роботі дослідники планують вивчити способи зміни кольору і теплопровідності такого скла. А раніше ми вже писали, як у гонитві за підвищенням стійкості до руйнувань, скло вперше об'єднали з металоорганічними каркасами і так зробили його більш пластичним та механічно стабільнішим за звичайне скло. Але лише зовсім нещодавно вченим вдалося з’ясувати причину його міцності.