Sandia lab: Создана молекула, усиливающая материалы при перепадах температур

Группа специалистов из Национальной лаборатории Сандии разработала молекулу, которая помогает изменить реакцию некоторых материалов на перепады температуры, что делает их более прочными. Эта технология может найти применение в самых разных материалах — от пластиковых корпусов телефонов до ракет.

Полимеры, к которым относятся различные виды пластмасс, состоят из множества небольших молекул, соединенных между собой. Такая связь придает им особую прочность и делает их идеальным продуктом для защиты хрупких компонентов самых разных изделий. Однако со временем, при использовании и воздействии различных сред все материалы начинают разрушаться.

От горячего к холодному, от холодного к горячему — большая проблема

Одним из наиболее серьезных факторов, приводящих к порче материалов, является многократное воздействие горячих температур на холодные и обратно. Большинство материалов расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении, но для каждого материала характерна своя скорость изменения. Например, полимеры расширяются и сжимаются сильнее всего, а металлы и керамика — меньше всего.

Эрика Редлайн, материаловед, возглавляющая группу, говорит, что большинство предметов состоят более чем из одного вида материалов.

Возьмем, к примеру, ваш телефон, который имеет пластиковый корпус, соединенный со стеклянным экраном, а внутри него — металлы и керамика, из которых состоит схема, — сказала Редлайн.

Все эти материалы прикручены, приклеены или каким-то образом скреплены между собой и со временем начинают расширяться и сжиматься с разной скоростью, создавая нагрузки друг на друга, что может привести к их растрескиванию или деформации.

По словам Редлайн, она постоянно слышит одну и ту же жалобу от многочисленных клиентов Sandia.

Они постоянно говорят о проблемах несоответствия теплового расширения и о том, что с существующими системами трудно работать, поскольку для их компенсации приходится добавлять всевозможные наполнители, — сказала Редлайн.

Так родилась идея Редлайна.

Я подумала, а что если создать идеальный материал, как он будет выглядеть, — сказала Редлайн.

Редлайн считает, что ей это удалось. В этом ей помогли ее сотрудники Чад Стайгер, Джейсон Даггер, Эрик Нагель, Кошик Гош, Джефф Фостер, Кеннет Лайонс, Алана Юн и сотрудники по академическому союзу профессор Захария Пейдж и аспирантка Меган Кикер.

Молекула в действии

Команда модифицировала молекулу таким образом, чтобы ее можно было легко встраивать в полимер для изменения его свойств.

Это уникальная молекула, которая при нагревании не расширяется, а сжимается, изменяя свою форму, — сказал Редлайн.

Когда она добавляется в полимер, то заставляет его меньше сжиматься, достигая значений расширения и сжатия, аналогичных металлам». Получить молекулу, которая ведет себя как металл, — это просто замечательно».

Бесконечные возможности

Эта молекула может найти бесконечное применение. Полимеры используются в качестве защитных покрытий в электронике, системах связи, солнечных батареях, автомобильных компонентах, печатных платах, аэрокосмической технике, оборонных системах, напольных покрытиях и т.д.

Молекула не только решает текущие проблемы, но и значительно открывает пространство для проектирования новых инноваций в будущем, — говорит Джейсон Даггер, инженер-химик из Sandia, который изучал потенциальные возможности применения полимеров, особенно в оборонных системах.

Другой ключевой момент этого изобретения заключается в том, что его можно включать в различные части полимера в разных процентных соотношениях при 3D-печати.

Вы можете напечатать структуру с определенным тепловым поведением в одной области и другим тепловым поведением в другой, чтобы соответствовать материалам в разных частях изделия, — сказал Даггер.

Еще одним преимуществом является уменьшение массы материалов за счет отказа от тяжелых наполнителей.

Это позволит нам делать более легкие вещи для экономии массы, — сказал Даггер.

Это особенно важно, например, при запуске спутника. Каждый грамм, который мы можем сэкономить, имеет огромное значение.

По словам Редлайн, к ней также обратился разработчик эпоксидных смол, который считает, что эта молекула может быть включена в состав клеев.

Следующий шаг

Команда создала эту молекулу только в небольших количествах, но она работает над поиском способа увеличения масштабов производства, чтобы другие исследователи Сандии могли тестировать молекулу в соответствии с потребностями миссий.

Чад Стайгер, химик-органик из Сандии, занимается изготовлением молекулы. По его словам, на изготовление 7-10 граммов у него уходит около 10 дней.

К сожалению, синтез этой молекулы очень длительный, — сказал Стайгер.

Больше этапов — больше времени и денег. Обычно пяти-шестистадийный синтез используется в более дорогих материалах, таких как фармацевтические препараты. Для полимеров чем дешевле, тем лучше для широкого применения.

Группа работает над сокращением количества стадий, используя 100 000 долларов США, выделенных на программу Sandia по ускорению развития технологий, которая помогает подготовить продукты к выходу на рынок.

Моя роль заключается в том, чтобы понять, есть ли более простой способ сделать это на коммерческом уровне, — заключает постдок Эрик Нагель.

Ничего подобного в мире нет. Я очень рад возможностям этой технологии и тем приложениям, которые могут быть с ней связаны.

24.08.2023