Новая прочная керамика распрямляется после сжатия
Если сильно сжать керамическую кружку, она непременно рассыплется на куски (именно это и происходит при её ударе об пол). Однако ультракрошечные керамические структуры, недавно разработанные американскими учёными, оказались способны оправиться от воздействия высокого давления (кружка из такого материала отпрыгнула бы от пола, словно резиновая, попрыгала, а затем встала бы как ни в чём не бывало).
Подобное удивительно не только для обывателей, но и для экспертов-химиков. Многие исследователи уже отметили, что это неслыханное достижение в отношении обычно хрупкой и легко ломающейся керамики.
Дело же вот в чём. Столь хрупкие материалы, как правило, содержат в себе крошечные дефекты – небольшие трещинки или отверстия. Они под воздействием давления разрастаются до больших трещин и приводят к разрушению всей конструкции.
Для решения этой проблемы исследовательская группа, работающая под руководством Джулии Грир (Julia Greer) из Калифорнийского технологического института спроектировала и создала трёхмерные решётки из сверхтонких керамических трубок (из оксида алюминия) с толщиной стенок всего от 5 до 60 нанометров (диаметр трубок варьировался от 450 до 1380 нм). Такая толщина оставляет слишком мало места для дефектов, которые могут привести к трещинам по всей решётке.
Тесты на сдавливание и растяжение показали, что некоторые из конструкций с толщиной стенок в 10 нанометров восстановились на более чем 85% после сжатия более чем на 50%. (Керамика с толщиной стенок трубочек около 50 нанометров и диаметром порядка 1 микрометра рассыпалась.) Добавим, что классическая керамика обычно ломается при сжатии на 1%.
В случае новых структур стенки трубок, конечно, морщатся и повреждаются, потом трубки начинают сгибаться под давлением. Однако любые трещины, которые появляются в решётках, не могут распространяться по всей структуре материала, останавливаясь в определённых местах.
"Керамика всегда считалась тяжёлой и хрупкой, – говорит Грир, профессор материаловедения и механики на факультете инженерии и прикладных наук. – Мы показывали, что это не обязательные условия. Эти наноструктуры могут быть соединены как кубики LEGO, из них можно будет собирать большие материалы, наделённые любыми свойствами по вашему желанию".
Ещё один плюс данной техники в том, что она будет использовать малые количества исходного материала (конструкция почти полностью состоит "из воздуха").
Правда, несмотря на то, что упругую керамику уже окрестили Святым Граалем материаловедения, методика создания крупных предметов и деталей может оказаться слишком сложной и дорогостоящей.
На данный момент учёные сначала создавали основу конструкции из полимерного материала, вырезая в ней нужные шаблоны лазером. Затем поверх неё наносился оксид алюминия, а внутренние структуры удалялись.
Научная статья Грир и коллег была опубликована в журнале Science.
Также по теме:
Сверхпрочную керамику и прозрачную броню создают по образу и подобию раковин моллюсков
Немецкие учёные создали новый лёгкий, но прочный материал
Ультрапрочный материал станет основой презервативов будущего
Карбин лишил графен звания самого прочного материала
"Город будущего". Умное стекло
Представлен новый материал с регулируемой гладкостью