Самая прочная керамика подражает перламутру

Отец жемчуга – именно так с французскогоможно перевести слово "перламутр". Этот красивый природный материал вдохновляет не только ювелиров на создание чудесных украшений, но и химиков, которые хотят во что бы то ни стало воссоздать уникальные свойства вещества в лаборатории. Медленно приближаясь к своей цели, они уже добились значительных результатов.

Роберту Ритчи (Robert Ritchie) и его колегам из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (LBNL), решившим воспроизвести перламутр – один из самых красивых и прочных материалов планеты, – удалось создать керамический материал, обладающий прочностью в 300 раз большей, чем у его составляющих. Для этого учёные взяли на вооружение биомимикрию – молодую науку, позволяющую создавать искусственные материалы, способы и методы, повторяющие творения природы.

Те, кто хоть однажды пытался сломать раковины мидий и прочих моллюсков, знают, как не просто это сделать, даже несмотря на то что толщина стенок подчас минимальна. 

На этой фотографии хорошо видны "кирпичики" арагонита и "цемент" полимера: под действием внешней силы составляющие разъезжаются относительно друг друга, при этом полимер работает как смазка (фото Lawrence Berkeley National Laboratory).

Именно перламутр даёт моллюскам такую крепкую природную защиту. Его состав это 95% минерала арагонита (кристаллы твёрдого, но легко ломающегося CaCO3) и мягкие органические молекулы. Сам же перламутр почти в три тысячи раз менее хрупкий, нежели арагонит.

Над тайнами перламутра учёные бьются уже давно, и многие любопытные детали строения данного материала уже раскрыты.

Но всё равно человеку пока не удалось создать что-либо подобное по разбросу физических характеристик начальных материалов и конечного продукта (в данном случае это перламутр). Именно поэтому последнее достижение учёных выглядит столь впечатляющим на фоне остальных.

В ходе исследований химики выяснили, что высокая прочность перламутра определяется его структурой. Именно её авторы работы и попытались воссоздать.


Для этого они провели контролируемое замораживание водной суспензии оксида алюминия (глинозёма) с добавкой достаточно распространённого полимера полиметилметакрилата (ПММА).


О своих достижениях исследователи отчитались в журнале Science.

Шероховатость гибридной керамики также определяет её прочность, так как влияет на процесс сдвига "кирпичиков", а значит – и рассеивание энергии. На врезке показаны достаточно крупные брикеты нового материала. Ранее учёным удавалось получить образцы столь прочного вещества лишь в виде тонких плёнок. Там же – фотография, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа, показывает поведение материала под нагрузкой. Повреждение распространяется в виде небольших трещин (фото Lawrence Berkeley National Laboratory). 

Основой их открытия стала работа двухгодичной давности, выполненная другими исследователями из Беркли: Эдуардо Сейзом (Eduardo Saiz) и Энтони Томсиа (Antoni Tomsia).

Тогда учёные обнаружили, что можно создать весьма прочную искусственную замену человеческой кости, замораживая морскую воду.

В этот раз химики сначала тоже заморозили воду, но для того чтобы создать матрицу, которая стала основой для получения каркаса из пластин (ламелей) глинозёма (он занял поры, не заполненные льдом). Затем лёд был удалён выпариванием, и на его место был введён полимер.

Прочность материала определяется его способностью рассеивать энергию деформации. В данном случае полимер между пластинками оксида алюминия позволяет им "скользить" относительно друг друга и тем самым распределять нагрузку, точно так же, как это делают белковые структуры в раковинах моллюсков.

Роберт Ритчи (на стуле) и его коллеги (слева направо): Максимильен Лони (Maximilien Launey), Даан Хейн Алсем (Daan Hein Alsem), Эдуардо Сейз и Энтони Томсиа (фото Lawrence Berkeley National Laboratory). 

Но химики смогли не только создать пластинчатый каркас. Они получили возможность влиять на толщину пластин, их макроскопическую ориентацию, химию и шероховатость границ раздела ламелей. Сжимая каркас перпендикулярно слоям во время спекания, они также получили "кирпичики" оксида алюминия, добились формирования и уплотнения керамических мостиков между ними. Возможность варьирования всех этих параметров позволит в будущем получить материалы с другими свойствами, и велика вероятность – среди них найдутся те, что будут даже лучше нынешних.

"Мы попытались сымитировать природные механизмы упрочнения, заставив частички глинозёма выстраиваться в иерархические структуры, — рассказывает Ритчи в пресс-релизе лаборатории. — В будущем мы надеемся, что исследование уже полученных композитов позволит улучшить синтез лёгких небиологических материалов с уникальной твёрдостью и прочностью".

В дальнейшем химики намерены получить материалы с ещё большей прочностью. Они надеются добиться новых впечатляющих результатов, изменив соотношение оксид алюминия/ПММА в сторону увеличения содержания керамики, заменив полимер на другой, и даже заместив весь полимер металлом.

Учёные из Беркли считают, что металл не только позволит пластинкам сдвигаться относительно друг друга (при таких размерах это вполне осуществимо), но и примет на себя часть нагрузки. К тому же в отличие от полимера он может работать при высоких температурах.

Результатом станет лёгкий и прочный композитный материал, которому всегда найдётся применение как в энергетической, так и в транспортной отрасли, уверены исследователи. Достаточно привести простой пример: многие детали автомобиля, выполненные из такого композита, будут весить значительно меньше стальных, что позитивно скажется на расходе топлива.

Впрочем, до того как задумка станет реальностью (позволяющей получить выгоду производителям), надо будет не только усовершенствовать сам материал, но и организовать его массовое производство.