Парадоксальный сюрприз: более слабые связи сделали полимеры в 10 раз прочнее

Химики из Массачусетского технологического института (MIT) и Университета Дьюка увеличили прочность полимеров в десять раз. Инновация удалась за счёт включения в структуру более слабых связей. Причём открытие не изменило другие физические свойства материалов. Научный прорыв может оказать значительное влияние на увеличение срока службы резиновых шин и уменьшение отходов микропластика.


Резиноподобные полимеры обычно используют в автомобильных деталях, а также часто в качестве «чернил» для печати на 3D-принтере. Работая с полиакрилатными эластомерами, исследователи обнаружили, что могут увеличить стойкость материалов к разрыву в десять раз, просто используя более слабый тип сшивающего вещества.


— Джереми Джонсон, профессор химии в MIT и один из старших авторов исследования.

Поскольку полученная полимерная сетка растягивается, более слабые сшивающие связи — на иллюстрации они синие — разрушаются легче, чем любая из прочных полимерных нитей, и это затрудняет распространение трещин по материалу. Значительным преимуществом подхода является то, что он, по-видимому, не изменяет других физических свойств.


— Стивен Крейг, профессор химии Университета Дьюка, старший автор статьи.

Полиакрилатные эластомеры представляют собой полимерные сетки из нитей акрилата, удерживаемых вместе связующими молекулами. Строительные блоки можно соединять различными способами для создания материалов с иными свойствами.

Одна из часто используемых архитектур — звёздчатая полимерная сеть. Такие полимеры состоят из двух типов строительных блоков: один — звезда с четырьмя равными лучами, а другой — цепочка, действующая как линкер (связующее звено). Линкеры соединяются с концами каждого луча звёздочек, создавая сеть, напоминающую волейбольную.

В исследовании 2021 года несколько специалистов объединились, чтобы измерить прочность полимеров. Как они и ожидали, если для удержания полимерных нитей вместе использовались более слабые концевые связующие, материал становился слабее. Затем учёные решили рассмотреть другой тип полимерной сетки, в которой одни нити сшиты с другими в случайных местах. На сей раз, используя более слабые линкеры для соединения акриловых строительных блоков вместе, они обнаружили, что материал стал намного устойчивее к разрыву.

Полимерщики объясняют успех тем, что более слабые связи случайным образом распределены в виде соединений между прочными нитями по всему материалу. Когда полученное вещество растягивается до предела прочности, любые распространяющиеся по нему трещины пытаются избежать более сильных связей и вместо этого проходят через более слабые. В итоге требуется разорвать большее количество более слабых связей, а путь распределённых усилий увеличивается.

Используя новый подход, исследователи показали, что полиакрилаты с более слабыми линкерами в составе разрывать в 9–10 раз труднее, чем изготовленные из более прочных сшивающих молекул. Эффект сохранялся даже тогда, когда слабые сшивающие вещества составляли всего около 2% от общей массы материала.

Инженеры также показали, что изменённый состав не повлиял ни на одно из других свойств материала, в том числе не ухудшил устойчивость к разрушению при нагреве.

Как отметил Джереми Джонсон, довольно редко у двух материалов бывают одинаковые структуры и свойства на уровне сетки, но прочность на разрыв отличается почти на порядок.

Теперь первооткрыватели изучают возможность распространить новый подход на другие типы материалов.