Група вчених з Університету Мічигану розробила синтетичний композиційний матеріал, структура і властивості якого імітують зубну емаль. Передбачається, що матеріал буде застосовуватися в конструкції літаків, електроніці, деталях шасі та інших механізмах, які піддаються сильним вібраційним навантаженням. Опис роботи опубліковано в журналі, а короткий її зміст наводиться в повідомленні університету.
Матеріали, здатні ефективно поглинати вібрацію, як правило досить м'які і не можуть бути використані в жорстких структурах і механізмах. Для розробки легкого, міцного і надійного матеріалу дослідники вирішили вивчити біологічні матеріали, які переносять постійні ударні навантаження: кістки тварин, мушлі, панцирі та зуби.
Виявилося, що на відміну від багатьох природних матеріалів, які зазнали значних змін у процесі еволюції, будова зубної емалі практично не змінилася: емаль викопного тиранозавра, моржу, морського їжака і сучасної людини має схожу структуру. Вчені дійшли висновку, що емаль володіє найбільш ефективною будовою для того, щоб протистояти постійним навантаженням протягом життя живого організму.
Зубна емаль складається з декількох шарів емалевих призм, стовпчиків з кристалів гідроксиапатиту. Вони оточені такими ж кристалами гідроксиапатитів і протеїнами. Під час прожевування твердої їжі емаль приймає основні навантаження на себе: емалеві призми дещо деформуються, а навколишні їх кристали і протеїни поглинають частину енергії від деформації. Завдяки цьому зубна емаль довгий час витримує динамічні навантаження.
Новий композиційний матеріал американські вчені створили з нанонітей оксиду цинку, вирощених на кремнієвій підкладці. Створення матеріалу проводилося післяйно. Спершу на підкладці вирощувалися нанонити заввишки біля мікрометра. Потім у спеціальній центрифузі, що обертається з частотою трьох тисяч обертів на хвилину, вони протягом 20 секунд покривалися полімером. В якості полімера використовувалася суміш поліалліламіну і поліакрилової кислоти.
Після осадження полімеру на шар оксиду цинку і його проникнення між нанонітями процедуру повторювали, щоб домогтися рівномірного проникнення зв'язуючого матеріалу. Цю операцію повторювали 40 разів. Потім отриманий матеріал промивався від надлишків полімеру і запікався в печі при температурі 215 градусів протягом трьох годин. Потім на отриманому готовому шарі знову вирощували нанонити з оксиду цинку і знову покривали 40 шарами полімеру. Загалом вчені створили так 20 шарів нового матеріалу.
Ключовою умовою ефективності матеріалу є відсутність зазорів між нитками і полімером. Саме для виконання цієї умови вчені і вибрали метод післяйового виготовлення з центрифугуванням.
Перевірки готового матеріалу показали, що модуль упругості (здатність матеріалу впруго деформуватися) і міцність нового композиційного матеріалу становлять 39,8 +/- 0,9 і 1,65 +/- 0,06 гігапаскаля відповідно. Для порівняння, для людської зубної емалі аналогічні показники становлять 62-108 і 1,1-4,9 гігапаскаля відповідно. Модуль пружності авіаційних вуглепластиків залежно від використовуваних полімерів становить від 50 до 140 гігапаскалів, а міцність - від 0,4 до 1,5 гігапаскаля.
Тепер американські дослідники мають намір доопрацювати технологію виробництва нових емалеподібних композиційних матеріалів. Крім того, можуть бути доопрацьовані і самі матеріали. Справа в тому, що в готовому композиті частка оксиду цинку склала всього 67 відсотків, а весь інший обсяг припав на полімер. Можливо, деяке збільшення частки оксиду цинку в новому композиті дозволить підвищити його міцність не на шкоду модулю пружності.
Сьогодні в авіації використовується кілька типів композиційних матеріалів. Все частіше конструктори починають застосовувати вуглепластик. Деталі з такого матеріалу виготовляються двома основними методами. При першому - углеткань заздалегідь просочується полімером, після чого готова деталь виклеюється післяйно і запікається в печі для відтвердження. При другому методі кутувань або вуглеволокно викладаються шарами, а потім у вакуумі просочуються полімером і запікаються в печі.
Влітку минулого року дослідники з Массачусетського технологічного інституту запропонували при виробництві композитних деталей зшивати шари вуглеволокна між собою за допомогою вуглецевих нанотрубок. Розробники провели випробування запропонованого способу і з'ясували, що композитні деталі, зроблені зі зшитих нанотрубками вуглеволокон, виявилися на 30 відсотків міцнішими за звичайні композитні елементи. Зшивання шарів дозволило істотно збільшити міцність вуглепластикових деталей на зсув шарів - найбільш слабке місце композитів.