menneskehedens behov vokser konstant, og mængden af ressourcer forbliver begrænset. En af de mulige løsninger i denne situation er den intensive udvikling af teknologier og skabelsen af nye materialer, især hybridprodukter. En førende ekspert inden for oprettelse af hybridmaterialer, ærelæge ved det russiske videnskabsakademi, leder af laboratoriet "Hybride nanostrukturerede materialer" ved NUST "MISiS" (Moskva, Rusland), professor ved Institut for Materialevidenskab, talte om, hvad de er, hvordan de er skabt, og hvilke udsigter de åbner op. Universitet opkaldt efter Monasha (Melbourne, Australien) Yuri Estrin.
Al Hayat: Kunne du venligst forklare, hvad "hybrider" er i materialevidenskab, og hvorfor skabe dem?
Yuri Estrin: Traditionelle materialer, der bruges i dag, har en grænse for deres egenskaber - de kan ikke have styrke eller duktilitet over et vist grænseniveau, derfor inden for materialevidenskab er der en bevægelse mod oprettelse af "hybrider" - materialer, der består af flere, ofte helt forskellige komponenter, som give en kombination af de ønskede egenskaber i et nyoprettet materiale. I dette tilfælde spilles en vigtig rolle ikke kun af den kemiske sammensætning af de enkelte komponenter, men også af deres mikrostruktur og gensidige arrangement, det vil sige hybridens indre arkitektur. Det gør det muligt at kontrollere egenskaberne for det resulterende materiale, og mangfoldigheden af mulige geometrier åbner en hel række yderligere egenskaber.
Hvad er de vigtigste måder at skabe hybrider på?
- Der er mange måder at skabe hybridmaterialer på, men i vores forskning bruger vi to hovedmetoder. Den første er alvorlig plastisk deformation. To eller flere materialer gennemgår fælles deformation på hundreder, nogle gange tusinder af procent. Et arbejdsemne lavet af materialer skubbes gentagne gange gennem en matrice med en forudbestemt kanalform. Processen med intens deformation minder om, hvordan et stykke kød ledes gennem en kødslibemaskine. Ved udgangen bevarer emnet sin form, men det har gennemgået en gigantisk deformation og har gennemgået utrolige ændringer indeni. Materialets indre struktur knuses til nanoskala.
Hvis et polykrystallinsk materiale har en kornmikrostruktur med en kornstørrelse på f.eks. Titus eller hundreder af mikron, vil kornene som et resultat af deformation opdeles i mindre - submikron. Deres gennemsnitlige størrelse kan være i størrelsesordenen hundreder af nanometer, det vil sige en tiendedel mikron. Denne procedure giver på den ene side opnåelse af den tilsigtede interne arkitektur af hybrid og på den anden side opnår nanostrukturering, hvilket forbedrer de mekaniske egenskaber og ændrer hybridens fysiske egenskaber. Intens plastisk deformation øger styrken af rene metaller flere gange og af legeringer med 20-30%.
Den anden måde er at bruge den topologiske selvkoblingsmetode. Vi kan sige, at vi her overholder princippet om "opdele og erobre" - vi opdeler faste materialer i segmenter for at "dominere" deres egenskaber. Kildematerialet er segmenteret, det vil sige, det er opdelt i elementære blokke, hvorefter strukturen af det krævede materiale gendannes fra dem. Strukturelementer engagerer sig selv - eller med andre ord selvkil - på grund af geometri og relativ positionering. I nogle varianter af sådanne strukturer understøttes for eksempel hver blok af seks tilstødende elementer, forbindelseselementer eller en bindemasse er ikke nødvendig. Tre tilstødende blokke forhindrer den centrale blok i at bevæge sig i en retning, tre andre i den modsatte retning. I kanterne er situationen mere kompliceret - der er ingen naboer, der kan forhindre blokke i at bevæge sig,derfor skal strukturen være begrænset, for eksempel af en ramme eller på andre måder. Mine kolleger fra Australien og jeg har fundet en række geometriske former, der giver os mulighed for at implementere princippet om topologisk selvforbindelse. I sådanne strukturer kan du kombinere ethvert, endda ekstremt heterogent materiale, og dermed give hybrid den nødvendige alsidighed. Kemisk kan det være ethvert materiale, endda hule blokke. Størrelsen på blokke afhængigt af anvendelsen varierer fra et par millimeter til flere meter. Kemisk kan det være ethvert materiale, endda hule blokke. Størrelsen på blokke afhængigt af anvendelsen varierer fra et par millimeter til flere meter. Kemisk kan det være ethvert materiale, endda hule blokke. Størrelsen på blokke afhængigt af anvendelsen varierer fra et par millimeter til flere meter.
Når en sten rammer glasset, adskiller revner sig fra slagstedet, men hvis du kaster en sten i dit materiale, vil skaden forblive lokal og ikke sprede sig til de nærliggende områder?
Salgsfremmende video:
- Ja det er rigtigt. Hovedspalten passerer ikke gennem hele pladen, der er sammensat af topologiske, selvlåsende blokke. Det afbrydes ved grænsefladerne mellem tilstødende blokke.
Hvis blokke ødelægges en ad gangen tilfældigt, vil strukturen bevarer sin integritet og vil ikke falde fra hinanden før ca. 25% af blokke er ødelagt. I den allerførste skade optrådte straks revner langs den monolitiske plade, og den ville kollapse. Denne unikke immunitet mod lokale skader er en bemærkelsesværdig egenskab ved topologisk selvtilknyttende strukturer, der grundlæggende adskiller dem fra monolitiske.
Det viser sig, at det på grund af denne egenskab er meget lettere at udføre reparationer ved at udskifte et lille beskadiget fragment?
- Ikke helt så, situationen med reparationer er mere kompliceret. Du kan placere en "patch" på det beskadigede segment, men det er umuligt at trække det ødelagte segment ud og indsætte et nyt i stedet. For at udskifte en beskadiget blok er det nødvendigt at nærme sig den ved at bevæge sig fra kanten af enheden, det vil sige for at adskille en del af kompositpladen.
Da hybrid nanostrukturer ikke bryder jævnligt fra nogle få lokale skader, viser det sig, at de ville være meget velegnede til langdistanceflyvninger eller bygge baser på andre planeter? Hvilke andre egenskaber har disse materialer?
- Hybride strukturer af selvlåsende blokke er faktisk en fremragende teknisk løsning til applikationer inden for rumteknologi. De kan bruges til at beklæde rumfartøjer eller til at konstruere bygninger på Månen eller Mars. For strukturer, der er fremstillet af topologiske, selvlåsende blokke, kræves ingen mørtel, derfor åbner denne teknologi i et vandløst miljø store muligheder. Hvis vi taler om Månen, kan bygninger bygges direkte fra regolit - månens jord, placeret på dens overflade. Selvfølgelig er det nødvendigt at udvikle en teknologi til sintring af jorden og lære at forme den til blokke med den ønskede geometri. En bygning lavet af sådanne blokke er ikke bange for selv et meteorbrusebad.
Hybridstrukturen, der er opdelt i individuelle elementer, tilbyder mange unikke muligheder. Segmenterede objekter absorberer lyden bedre og spreder slagkraften mere effektivt end faste genstande, der er fremstillet af det samme materiale. Eksperimenter med keramiske materialer har vist, at hvis lyd føres gennem et monolitisk materiale, så er lydabsorptionskoefficienten, f.eks. 5-10%, hvis det samme materiale er opdelt i topologiske selvlåsende blokke, så er absorptionskoefficienten allerede 60%. Samtidig opnås en stigning i denne indikator kun gennem segmentering i blokke med speciel geometri. Hvis du også arbejder på selve materialet - vælg det rigtige og endda gør det porøst, kan du få en absorptionskoefficient tæt på 100%. Brug af et sådant materiale antyder straks sig selv til lydisolering af barrierer på motorveje, lydisolering i bygninger. Anvendelsen af princippet om topologisk selvforbindelse åbner også ekstremt interessante udsigter for byggeri i jordskælvstruede områder.
Hvilke andre områder bruges hybridmaterialer i? Hvad arbejder du nøjagtigt i øjeblikket?
- Hybride materialer er hovedsageligt strukturelle materialer, der potentielt vil være efterspurgt inden for byggeri, bil, luftfart, rumteknologi og så videre. Uanset hvor vi snakker om mobile objekter, der kræver en lettere, men på samme tid mere modstandsdygtige over for ødelæggelse af materiale. Industrivirksomheder har imidlertid endnu ikke travlt med at implementere dem. Her er det nødvendigt at overbringe til industrielle partnere og investorer fordelene ved nye principper for design og fremstilling af hybridmaterialer, og i dette ser vi en af de vigtige opgaver i vores laboratorium.
Metoderne til svær plastisk deformation, vi udvikler, er også meget lovende for skabelsen af bionedbrydelige knoglemplantater og stenter baseret på både traditionelle og hybridmaterialer.
Når implantaterne har tjent deres formål, skal de som regel fjernes omgående. Hvis implantaterne selv opløses under vævsreparation, er en anden kirurgisk indgriben ikke nødvendig. Laboratoriet udfører eksperimentelt arbejde med udvikling af bionedbrydelige materialer til medicinsk brug baseret på magnesiumlegeringer og polymerer.
Intens plastisk deformation og den deraf følgende nanostrukturering af materialet åbner også nye muligheder for udvikling af brint energi. Nu betragtes brint som et muligt alternativ til kulbrinte-råmateriale, derfor kan materialer, der er i stand til at akkumulere og opbevare det i fremtiden, bruges i batterier til ny energi. Nanostrukturerede hybridmaterialer forbedrer et metal- eller legerings evne til at opbevare brint, fremskynde dets frigivelse og gøre processen mulig ved lavere temperaturer.
Din forskning er relateret til brugen af hybridmaterialer som komponenter med egenskaber, der tillader en kontrolleret ændring i materialets egenskaber under ekstern påvirkning. Betyder det, at en kugle lavet af et lignende materiale ved forskellige temperaturer først kan være en fodboldbold, og derefter en kanonkugle?
”Vi fører tråde gennem hybridstrukturer, som kan strækkes i forskellige grader, og vi får fleksible strukturer, der består af blokke af meget stift materiale. Denne teknologi gør det stive materiale bøjeligt og fleksibelt. Hvis vi fremstiller tråde fra et materiale med en formhukommelseseffekt, først deformerer dette materiale og derefter opvarmer det, for eksempel ved at føre en elektrisk strøm gennem det, vil vi tvinge dem til at vende tilbage til deres oprindelige form. På denne måde kan vi ændre gevindets spænding og derved kontrollere vores strukturers bøjningsstivhed.
Hvis vi taler om polymerer, er det muligt at tilføje ikke tråde, men hele elementer med en formhukommelseseffekt. Varm luft kan blæses på en sådan plade, og den vil blive stiv som respons. Her kan du bare tegne en analogi med en bold, der forvandles til en kanonkugle, men transformationen finder sted én gang og kun i en retning.
Nogle udviklinger og videnskabelige opdagelser føjer ikke bare noget til vores liv, men ændrer faktisk hele verden, for eksempel antibiotika eller en jetmotor. Er der et problem inden for materialevidenskab, hvis løsning ville ændre verden?
”En revolution inden for materialevidenskab ville være oprettelsen af materialer til smart tøj. Smart tøj er tøj, der kombinerer termisk, stråling, stødfast beskyttelse med elektroniske elementer. En nødvendig komponent i dette koncept er materialets selvhelende egenskab - dvs. materialets evne til uafhængigt at eliminere lokal skade. Sådant tøj ligner den anden hud, men overgår det på mange måder i egenskaber. Inden for materialevidenskab er der et helt område, der beskæftiger sig med udviklingen af sådanne materialer. Det udvikler sig meget aktivt nu.
Hvis vi taler om den overordnede "superopgave" inden for materialevidenskab, er jeg bange for, at den ikke findes.
Materialevidenskab serverer en række forskellige tekniske felt. Hver af dem har brug for sine egne løsninger og materialer. I specialiserede magasiner om materialevidenskab såvel som i populærvidenskabelige publikationer er der en masse interessante ideer, som undertiden er betagende. Men jeg tror, at de mest imponerende gennembrud, hvis resultater kan finde praktisk anvendelse, kan forventes inden for hybridmaterialer med en speciel intern arkitektur i forskellige skala-niveauer.
Yulia Shabunina