Новый прозрачный материал спасёт гаджеты от ударов

Новый материал сможет защитить от ударов гаджеты и не только.

Новый материал сможет защитить от ударов гаджеты и не только.
Фото Global Look Press.

Схема работы механизма жертвуемых связей и скрытых длин. Перевод Вести.Ru.

Схема работы механизма жертвуемых связей и скрытых длин. Перевод Вести.Ru.
Иллюстрация Kyu-Sik Park, Hyung-Jo, Jung In-Won Lee/Engineering Structures (2003).

Поликарбонатные нити на поверхности эластомера. Слева показан материал до удара, справа – после сильного удара. Справа видны фрагменты разрушенной эластомерной матрицы и распрямившиеся нити.

Поликарбонатные нити на поверхности эластомера. Слева показан материал до удара, справа – после сильного удара. Справа видны фрагменты разрушенной эластомерной матрицы и распрямившиеся нити.
Иллюстрация Shibo Zou, Daniel Therriault, Frederick P. Gosselin/Cell Reports Physical Science (2020).

Материал после пяти ударов утяжелённого бейсбольного мяча.

Материал после пяти ударов утяжелённого бейсбольного мяча.
Фото Shibo Zou.

Новый материал сможет защитить от ударов гаджеты и не только.
Схема работы механизма жертвуемых связей и скрытых длин. Перевод Вести.Ru.
Поликарбонатные нити на поверхности эластомера. Слева показан материал до удара, справа – после сильного удара. Справа видны фрагменты разрушенной эластомерной матрицы и распрямившиеся нити.
Материал после пяти ударов утяжелённого бейсбольного мяча.

Учёные создали прозрачный композитный материал, который выдерживает даже очень сильные удары и не разрушается.

Новинка описана в научной статье, опубликованной в журнале Cell Reports Physical Science.

Учёные вдохновлялись уникальными свойствами паутины. Эта лёгкая, почти невесомая сеть выдерживает отчаянные рывки запутавшегося в ней насекомого.

Секрет прочности паутины кроется в так называемом механизме жертвуемых связей и скрытых длин. Вот в чём он состоит. Нитевидные молекулы особых белков паутины образуют петли. Когда нить сильно натягивается, разрывается связь, скрепляющая концы такой петли (как показано на иллюстрации ниже). В результате нить распрямляемся: высвобождается скрытая в петле длина. На разрыв жертвуемой связи и разгибание петли и тратится около 70% энергии удара.

Схема работы механизма жертвуемых связей и скрытых длин. Перевод Вести.Ru.

Канадские исследователи перенесли этот механизм с микроскопического уровня на макроскопический.

Они создали материал, состоящий из двух компонентов. Его основа – это обычный прозрачный эластомер. Поверх этого вещества физики с помощью 3D-принтера нанесли волокна из поликарбоната, каждое диаметром менее двух миллиметров.

Из этих нитей учёные создали сетку с прямоугольными ячейками. На каждой стороне ячейки нить образуют петлю, как показано на иллюстрации ниже. Эти петли играют такую же роль, как и их микроскопические аналоги в молекулах паутины.

Поликарбонатные нити на поверхности эластомера. Слева показан материал до удара, справа – после сильного удара. Справа видны фрагменты разрушенной эластомерной матрицы и распрямившиеся нити.

Учёные подвергли своё детище множеству тестов. Например, в одном из экспериментов на слой материала падал бейсбольный мяч. Но не простой, а весом 500 граммов (его специально утяжелили). Груз падал с высоты 66 сантиметров. Эти цифры могут показаться небольшими, но не стоит устраивать аналогичное испытание, скажем, собственной ноге. Да и смартфону последнего поколения тоже.

На фотографии ниже показан результат пяти подобных ударов по сетке, нанесённых друг за другом. Видно, что эластомерная основа разрушена, а многие (но не все) поликарбонатные петли распрямились. Тем не менее материал всё ещё не разрушен окончательно: "мяч-разрушитель" не прорвал его.

Материал после пяти ударов утяжелённого бейсбольного мяча.

Эксперименты показали, что материал рассеивает до 96% энергии удара. При этом он практически прозрачен: технология изготовления была специально разработана таким образом, чтобы не сделать композит матовым.

Авторы прочат новинке множество потенциальных применений. Из лёгкого, прозрачного и ударопрочного материала можно делать чехлы для электронных устройств, иллюминаторы и другие предметы, которые должны совмещать прочность с прозрачностью.

К слову, ранее Вести.Ru рассказывали о материале-оригами, смягчающим удар необычным образом. Писали мы и о том, чему материаловеды могут поучиться у жука, выдерживающего наезд автомобиля.