Науковці розробили «розумніші» програмовані полімери

Вчені з Ліверморської національної лабораторії Лоуренса (LLNL) у Каліфорнії разом із колегами створили новий клас програмованих м’яких матеріалів, які здатні поглинати удари з небаченою ефективністю та змінювати форму під дією нагрівання.

До дослідження долучилися фахівці з Гарвардського університету, Каліфорнійського технологічного інституту (Caltech), Національних лабораторій Сандія та Орегонського державного університету. Розробка відкриває шлях до створення «розумніших», легших і більш стійких матеріалів, що реагують на зміни навколишнього середовища.

Матеріали виготовлені з еластомерів рідких кристалів (LCE) — гумоподібних полімерів, які змінюють властивості під дією тепла, світла або механічного навантаження. Команда надрукувала їх на 3D-принтері у вигляді спеціально спроєктованих ґратчастих структур. Залежно від архітектури та умов середовища такі ґратки можуть поглинати енергію, змінювати жорсткість або форму.

За словами першого автора роботи, інженера LLNL Родріго Теллеса, головна перевага полягає у безпрецедентному рівні контролю — від молекулярної будови до макроскопічної форми. Це дозволяє створювати матеріали з механічними характеристиками, які можна налаштовувати.

Особливість LCE полягає у так званій «м’якій еластичності». На відміну від силікону чи піноматеріалів, чиї властивості фіксуються під час виробництва, молекулярна структура LCE перебудовується під навантаженням, що дає змогу ефективно поглинати енергію та відновлюватися після деформації.

Випробування показали, що при повільному стисканні LCE-ґратки залишаються м’якими та гнучкими, а під час ударів на великій швидкості поглинають у 18 разів більше енергії, ніж аналогічні силіконові. Крім того, вони не руйнуються після багаторазових ударів, що робить їх перспективними для захисного спорядження, деталей аерокосмічної техніки та роботів зі змінною формою.

Як пояснила співавторка дослідження Елейн Лі, стійкість пояснюється тим, що під час швидкого удару молекули рідких кристалів миттєво перебудовуються, рівномірно розсіюючи енергію по всій структурі.

Цього вдалося досягти завдяки особливому 3D-друку, під час якого мікроскопічні балки ґратки орієнтують подібно до м’язових волокон. Така спрямованість дозволяє програмувати зміну форми, наприклад, стискання в одному напрямку та розширення в іншому при нагріванні.

Команда також створила комп’ютерні моделі, щоб змоделювати поведінку матеріалу: при підвищенні температури ґратки змінюють форму в різних напрямах, а при ударі — гнуться та відновлюються замість того, щоб тріскатися.

Дослідники планують випробувати складніші архітектури та розширити застосування розробки, зокрема для броні, що реагує на удари в режимі реального часу, або медичних пристроїв, які рухаються разом із тілом.

Нагадаємо, дослідники з MIT і Університету Дюка розробили нову стратегію посилення полімерних матеріалів, яка може зробити пластик більш довговічним і потенційно зменшити кількість пластикових відходів.