Ученые раскрыли секрет парадоксальных свойств пластика - гибкости и жесткости
 Поликарбонат, разновидность полимерного стекла, можно сгибать (лист), сплющивать (цилиндр) или скручивать (проволока) (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Удивительное свойство, которое можно описать как «пластмассовая текучесть», позволяет многим пластикам изменять свою форму без деструкции. Например, пуленепробиваемое стекло задерживает пулю, обтекая ее, в то время как обычное оконное стекло, не обладающее способностью обтекать предметы, попросту разбилось бы вдребезги.
«Это странная комбинация свойств Такого рода материалы не должны обладать текучестью, потому что они твердые. Как это происходит?» Задается вопросом профессор химии Висконского Университета в Мэдисоне Марк Эдигер.
Группе ученых под руководством аспиранта Хау-Нан Ли недавно удалось объяснить механизм, скрывающийся за этой парадоксальной способностью одновременно обладать гибкостью и жесткостью. В научном докладе, опубликованном 28 ноября в журнале Science Express, ученые сообщают, что оказываемое на пластмасс давление, приводящее его в текучее состояние, значительно увеличивает движение образующих этот материал молекул - молекулярные перегруппировки происходят в 1 000 раз быстрее, чем в обычном состоянии.
Быстрая перегруппировка молекул, похоже, играет решающую роль в том, чтобы материал мог адаптироваться к разным условиям без моментальной деструкции.
Пластмасс – материал, известный химикам и инженерам как полимерное стекло. В отличие от кристалла, в котором молекулы заключены вместе в идеально упорядоченной группе, стекло представляет собой молекулярный хаос, в состав которого входят химические строительные блоки, располагающиеся в процессе охлаждения и затвердевания материала в произвольном порядке.
Наличие такого атомного беспорядка говорит о том, что стекло менее надежно, чем кристалл. Это явление также предоставляет молекулам в стекле некоторое пространство для движения без деструкции.
«Полимерное стекло имеет очень широкое применение, включая поликарбонаты, которые содержатся в популярных пластиковых бутылках многоразового использования», говорит Эдигер. Самолетное стекло часто изготавливается из поликарбоната. «Пластмасс пользуется огромной популярностью в наши дни, главным образом, благодаря тому, что при падении или, например, столкновении с птицей на скорости 600 миль в час не ломается».
Однако свойство пластмассы может кардинально меняться при различных физических условиях, таких как давление, температура и влажность. Например, многие полимерные стекла становятся хрупкими при низких температурах. Это хорошо известно тем, кто помещал пластиковую емкость в морозилку или пытался сделать виниловый сайдинг в холодную погоду.
По мере того как пластмасс становится все более и более доминирующим во всем – от электроники до аэропланов - ученые и инженеры сталкиваются с вопросом о фундаментальных свойствах и долгосрочной надежности этих материалов в различных условиях.
Так в коммерческом самолетостроении будущего поколения наблюдаются тенденции к сокращению металлоемких конструкций в пользу легких полимерных материалов - около 50 процентов в новом Боинге 787 по сравнению с 10 процентами в Боинге 777. Инженеры должны знать, как эти материалы будут вести себя при различных нагрузках - жестком приземлении, сильном ветре и перепадах температуры или влажности.
Группа ученых Висконсинского университета исследовала механические свойства обычного пластика, так называемого полиметилметакрилата, также известного как плексиглас, и обнаружила, что растягивающее усилие имело очевидный эффект на молекулы вещества, ускоряя их движение более, чем в 1 000 раз. Ученым удалось исследовать молекулярные перегруппировки в пределах 50 секунд, в то время как в обычных условиях на это понадобился бы целый день. Исследователи полагают, что ускорение движения позволяет пластическому материалу растягиваться без деструкции.
«Растягивая пластик вы увеличиваете мобильность элементов в материале», говорит Эдигер, «при этом преобразуя его в жидкость, которая обладает свойством текучести. Когда растяжка прекращается, вещество трансформируется обратно в стекло».
«С помощью этих исследований мы пытаемся понять, почему при растяжении стекло приобретает свойство текучести», говорит Эдигер. «Ответ на этот вопрос поможет нам лучше смоделировать поведение различных пластических материалов в реальных условиях».
Источники: