potřeby lidstva neustále rostou a množství zdrojů zůstává omezené. Jedním z možných řešení v této situaci je intenzivní vývoj technologií a tvorba nových materiálů, zejména hybridních. Přední odborník v oblasti vytváření hybridních materiálů, čestný doktor Ruské akademie věd, vedoucí laboratoře „Hybridní nanostrukturované materiály“NUST „MISiS“(Moskva, Rusko), profesor Ústavu materiálových věd Univerzita pojmenovaná po Monasha (Melbourne, Austrálie) Yuri Estrin.
Al Hayat: Mohl byste prosím vysvětlit, co jsou „hybridy“ve vědě o materiálech a proč je vytvářet?
Yuri Estrin: Tradiční materiály, které se dnes používají, mají ve svých vlastnostech meze - nemohou mít pevnost nebo tažnost nad určitou mezní úrovní, proto ve vědě o materiálech dochází k posunu směrem k vytvoření „hybridů“- materiálů sestávajících z několika, často zcela odlišných, složek, které dát kombinaci požadovaných vlastností v nově vytvořeném materiálu. V tomto případě hraje důležitou roli nejen chemické složení jednotlivých složek, ale také jejich mikrostruktura a vzájemné uspořádání, tj. Vnitřní architektura hybridu. Umožňuje řídit vlastnosti výsledného materiálu a různé možné geometrie otevírají celou řadu dalších vlastností.
Jaké jsou hlavní způsoby vytváření hybridů?
- Existuje mnoho způsobů, jak vytvořit hybridní materiály, ale v našem výzkumu používáme dvě hlavní metody. Prvním je těžká plastická deformace. Dva nebo více materiálů podléhají deformaci kloubů stovky, někdy tisíce procent. Obrobek z materiálů se opakovaně protlačuje přes matrici s předem určeným tvarem kanálu. Proces intenzivní deformace připomíná, jak kus masa prochází mlýnkem na maso. Na výstupu si obrobek zachovává svůj tvar, ale prošel obrovskou deformací a uvnitř prošel neuvěřitelnými změnami. Vnitřní struktura materiálu je rozdrcena na nanočástice.
Pokud má polykrystalický materiál zrnitou mikrostrukturu s velikostí zrn, řekněme, desítek nebo stovek mikronů, pak se v důsledku deformace zrna rozpadnou na menší - submikronová. Jejich průměrná velikost může být řádově stovky nanometrů, tj. Desetina mikronu. Tento postup umožňuje na jedné straně získat koncipovanou vnitřní architekturu hybridu a na druhé straně dosáhnout nanostrukturování, které zlepšuje mechanické vlastnosti a mění fyzikální vlastnosti hybridu. Intenzivní plastická deformace několikrát zvyšuje pevnost čistých kovů a slitin o 20-30%.
Druhým způsobem je použití metody topologického sebepojení. Můžeme říci, že zde dodržujeme zásadu „rozdělit a dobýt“- rozdělujeme pevné materiály na segmenty, abychom „ovládli“jejich vlastnosti. Zdrojový materiál je členěn, to znamená, že je rozdělen do elementárních bloků, poté je z nich znovu vytvořena struktura požadovaného materiálu. Strukturální prvky se samy zapojí - nebo jinými slovy, samoklínem - kvůli geometrii a relativnímu umístění. Například v některých variantách takových struktur je každý blok nesen šesti sousedními, spojovací prvky nebo spojovací hmota není nutná. Tři sousední bloky zabraňují pohybu centrálního bloku v jednom směru, další tři v opačném směru. Na okrajích je situace komplikovanější - neexistují sousedé, kteří by blokům zabránili v pohybu,Struktura proto musí být omezena například rámečkem nebo jinými způsoby. S mými kolegy z Austrálie jsme našli řadu geometrických tvarů, které nám umožňují implementovat princip topologického propojení. V takových strukturách můžete kombinovat jakékoli, dokonce i extrémně heterogenní materiály, čímž získáte hybridu potřebnou univerzálnost. Chemicky to může být jakýkoli materiál, dokonce i duté bloky. Velikost bloků se v závislosti na aplikaci liší od několika milimetrů do několika metrů. Chemicky to může být jakýkoli materiál, dokonce i duté bloky. Velikost bloků se v závislosti na aplikaci liší od několika milimetrů do několika metrů. Chemicky to může být jakýkoli materiál, dokonce i duté bloky. Velikost bloků se v závislosti na aplikaci liší od několika milimetrů do několika metrů.
Když kámen dopadne na sklo, praskliny se odkloní od místa nárazu, ale pokud hodíte kámen do svého materiálu, poškození zůstane místní, nerozšíří se do sousedních oblastí?
Propagační video:
- Ano to je správně. Hlavní trhlina neprochází celou deskou složenou z topologických samosvorných bloků. Přerušuje se na rozhraní mezi sousedními bloky.
Pokud jsou bloky zničeny po jednom, náhodně, struktura si zachová svou integritu a nerozpadne se, dokud nebude zničeno asi 25% bloků. Při prvním poškození se okamžitě objevily trhliny podél monolitické desky a zhroutily se. Tato jedinečná imunita vůči místním škodám je pozoruhodnou vlastností topologicky se vzájemně propojujících struktur, které je zásadně odlišují od monolitických.
Ukazuje se, že díky této vlastnosti je mnohem snazší provádět opravy výměnou malého poškozeného fragmentu?
- Ne tak docela, situace s opravami je složitější. Na poškozený segment můžete vložit „patch“, ale není možné vytáhnout zlomený segment a místo toho vložit nový. Aby bylo možné vyměnit poškozený blok, je třeba se k němu přiblížit a pohybovat se od okraje sestavy, tj. Rozebírat část kompozitní desky.
Vzhledem k tomu, že hybridní nanostruktury se neodtrhávají ani od několika místních škod, ukázalo se, že by byly velmi vhodné pro kosmické lety na velké vzdálenosti nebo stavět základny na jiných planetách? Jaké další vlastnosti mají tyto materiály?
- Hybridní struktury samoblokovacích bloků jsou skutečně vynikajícím technickým řešením pro aplikace ve vesmírné technologii. Mohou být použity k odložení kosmických lodí nebo k stavbě budov na Měsíci nebo na Marsu. U konstrukcí vyrobených z topologických samosvorných bloků není zapotřebí žádná malta, proto v prostředí bez vody tato technologie otevírá široké vyhlídky. Pokud mluvíme o Měsíci, pak mohou být budovy stavěny přímo z regolitické - lunární půdy, umístěné na jeho povrchu. Samozřejmě je nutné vyvinout technologii slinování půdy a naučit se ji formovat do bloků s požadovanou geometrií. Budova z takových bloků se nebojí ani meteorické sprchy.
Hybridní struktura rozdělená do jednotlivých prvků nabízí mnoho jedinečných možností. Segmentované objekty absorbují zvuk lépe a rozptylují energii nárazu efektivněji než pevné objekty vyrobené ze stejného materiálu. Pokusy s keramickými materiály ukázaly, že pokud zvuk prochází monolitickým materiálem, pak je koeficient absorpce zvuku, řekněme, 5 až 10%, pokud je stejný materiál rozdělen do topologických samosvorných bloků, pak bude absorpční koeficient již 60%. Současně se tohoto indikátoru dosáhne pouze segmentací na bloky se speciální geometrií. Pokud také pracujete na samotném materiálu - vyberte ten správný a dokonce jej udělejte porézním, pak můžete získat absorpční koeficient téměř 100%. Použití takového materiálu se okamžitě navrhuje pro zvukotěsné bariéry na dálnicích, zvukové izolace v budovách. Uplatnění principu topologického sebe-propojení také otevírá velmi zajímavé vyhlídky na výstavbu v regionech náchylných k zemětřesení.
V jakých dalších oblastech se hybridní materiály používají? Na čem přesně teď pracuješ?
- Hybridní materiály jsou hlavně konstrukční materiály, které budou potenciálně vyžadovány ve stavebnictví, automobilovém průmyslu, letectví, vesmírných technologiích atd. Kamkoli mluvíme o mobilních objektech, které vyžadují lehčí, ale zároveň odolnější vůči ničení materiálu. Průmyslové firmy však zatím neuspěchají s jejich implementací. Zde je nutné sdělit průmyslovým partnerům a investorům výhody nových principů navrhování a výroby hybridních materiálů, a tím vidíme jeden z důležitých úkolů naší laboratoře.
Metody těžké plastické deformace, které vyvíjíme, jsou také velmi slibné pro vytvoření biologicky rozložitelných kostních implantátů a stentů založených na tradičních i hybridních materiálech.
Poté, co implantáty splnily svůj účel, musí být zpravidla odstraněny. Pokud se však implantáty samy během opravy tkáně rozpustí, nebude nutný druhý chirurgický zákrok. Laboratoř provádí experimentální práce na vývoji biologicky rozložitelných materiálů pro lékařské použití na bázi slitin hořčíku a polymerů.
Intenzivní plastická deformace a výsledné nanostrukturování materiálu také otevírají nové příležitosti pro vývoj vodíkové energie. Nyní je vodík považován za možnou alternativu k uhlovodíkové surovině, a proto materiály, které jsou schopny akumulovat a ukládat je, mohou být v budoucnu použity v bateriích pro novou energii. Nanostrukturované hybridní materiály zlepšují schopnost kovu nebo slitiny ukládat vodík, urychlovat jeho uvolňování a umožnit proces při nižších teplotách.
Váš výzkum se týká použití hybridních materiálů jako složek s vlastnostmi, které umožňují kontrolovanou změnu vlastností materiálu pod vnějšími vlivy. Znamená to, že míč vyrobený z podobného materiálu při různých teplotách může být nejprve fotbalovým míčem a poté dělovou koulí?
Procházíme vlákny hybridními strukturami, které lze natáhnout do různých stupňů, a získáme flexibilní struktury tvořené bloky z velmi tuhého materiálu. Díky této technologii je tuhý materiál pružný a flexibilní. Vyrábíme-li nitě z materiálu s efektem tvarové paměti, nejprve tento materiál deformujeme a poté jej zahříváme, například průchodem elektrického proudu, pak je donutíme, aby se vrátili do svého původního tvaru. Tímto způsobem můžeme změnit napětí závitů a tím řídit tuhost ohybu naší struktury.
Pokud mluvíme o polymerech, je možné přidat nikoli vlákna, ale celé prvky s efektem tvarové paměti. Horký vzduch může být foukán na takovou desku a v reakci na ni ztuhne. Zde můžete nakreslit analogii s míčem, který se promění v dělovou kouli, ale k transformaci dochází pouze jednou a jen jedním směrem.
Některé vývojové a vědecké objevy nejenže něco přidají do našeho života, ale ve skutečnosti úplně změní svět, například antibiotika nebo tryskový motor. Existuje problém ve vědě o materiálech, jehož řešení by změnilo svět?
„Revolucí ve vědě o materiálech by bylo vytvoření materiálů pro chytré oblečení. Elegantní oblečení je oblečení, které kombinuje tepelnou, radiační a nárazuvzdornou ochranu s elektronickými prvky. Nezbytnou součástí tohoto konceptu je samoléčivá vlastnost materiálu - tj. Schopnost materiálu nezávisle eliminovat místní poškození. Takový oděv je podobný druhé kůži, ale v mnoha ohledech jej převyšuje svými vlastnostmi. Ve vědě o materiálech existuje celá oblast zabývající se vývojem takových materiálů. Nyní se vyvíjí velmi aktivně.
Pokud mluvíme o zastřešujícím „super úkolu“ve vědě o materiálech, obávám se, že neexistuje.
Vědy o materiálech slouží řadě různých inženýrských oborů. Každý z nich potřebuje svá vlastní řešení a materiály. Ve specializovaných časopisech o vědě o materiálech i v populárních vědeckých publikacích je spousta zajímavých nápadů, které jsou někdy úchvatné. Myslím si však, že nejpůsobivější průlomy, jejichž výsledky by mohly najít praktické uplatnění, lze očekávat v oblasti hybridních materiálů se speciální vnitřní architekturou v různých stupních měřítka.
Julia Shabunina