Российские ученые объяснили механизм эффекта памяти формы в сверхвысокомолекулярном полиэтилене

Исследователи из лаборатории иерархически структурированных материалов Центра системного проектирования Сколковского института науки и технологий совместно с коллегами из Национального исследовательского технологического университета «МИСИС» и Объединенного института ядерных исследований зафиксировали в режиме реального времени наномасштабные превращения в сверхвысокомолекулярном полиэтилене — материале, обладающем эффектом памяти формы.

Ученые показали, что ключевые структурные изменения происходят при температуре около 80°C — именно эта температура запускает процессы восстановления формы материала. Результаты позволят создавать материалы, способные эффективно реагировать на внешние воздействия, быстро возвращаясь к изначальной форме, сообщает пресс-служба Сколтеха.

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен известен высокой прочностью, износостойкостью и биосовместимостью, но не менее важным его свойством является способность «помнить» исходную геометрию: после деформации изделие возвращает форму при нагреве. Этот эффект лежит в основе перспективных технологий — от искусственных мышц и самораскладывающихся конструкций до интеллектуальных имплантатов.

Научная команда решила изучить молекулярные и наноструктурные механизмы, запускающие восстановление формы, и провела эксперимент: образец самоармированного композита на основе волокон сверхвысокомолекулярного полиэтилена нагревали до 140°C непосредственно под рентгеновским пучком, регистрируя как малоугловое, так и широкоугловое рассеяние. Это позволило отследить перестройку кристаллических и аморфных фаз с нанометровым разрешением в режиме реального времени.

Схематическое изображение концептуальной модели эволюции геометрии и топологии наноструктуры для самоармированного полимерного композита на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена при нагреве: структура спиральной пружины (а), ауксетическая структура (б)

Оказалось, что при температуре около 80°C в материале начинаются резкие изменения в направлении вдоль волокон. Размер наноструктур скачкообразно увеличивается в полтора раза, а параметр размерности меняется на десять процентов. В поперечном направлении аналогичных изменений не зафиксировано. На основании наблюдений сделан вывод, что движущей силой эффекта памяти формы является распрямление и перестройка гибких аморфных цепочек, которые при нагреве возвращаются в исходное состояние подобно сжатой пружине.

Понимание фундаментальных механизмов памяти формы открывает путь для создания новых полимерных материалов с заданными свойствами. Инженеры смогут более точно программировать температуру активации и усилие восстановления для конкретных применений — от микроскопических медицинских имплантов, которые разворачиваются внутри тела при нагреве до температуры тела, до мощных актуаторов для антропоморфных роботов и систем сбора энергии.

«Наш эксперимент похож на съемку сверхзамедленного видео того, как невидимая глазу наноструктура материала «оживает» и приходит в движение при нагревании. Мы не просто зафиксировали изменения, мы связали их с макроскопическим свойством материала. Теперь мы можем не эмпирически, а целенаправленно предлагать, как модифицировать структуру полимера, чтобы получить нужный нам эффект памяти формы», — рассказал научный сотрудник лаборатории иерархически структурированных материалов Центра системного проектирования Сколтеха Евгений Статник.

Эволюция двухмерных диаграмм рентгеновского рассеяния: МУРР (а) и ШУРР (б) при нагревании самоармированного композита из сверхвысокомолекулярного полиэтилена

Результаты исследования, выполненного при поддержке Российского научного фонда, опубликованы в журнале Physical Mesomechanics.

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru.