Технология создания микроузлов из нановолокон увеличивает прочность материалов. Разработка описана в журнале Science Advances. Инженеры Калифорнийского технологического института разработали материалы, состоящие из множества взаимосвязанных микроузлов. Новая структура поглощают больше энергии и способна больше деформироваться, но при этом материал возвращается к своей первоначальной форме без повреждений. Разработка подойдет для биомедицины и аэрокосмической промышленности.

Структура полимерного материала представляет собой сети из нановолокон, связанных в узлы. Радиус такой нити составляет всего 1,7 мкм (примерно в 100 раз тоньше человеческого волоса), а толщина узла — 70 мкм. Узлы не были завязаны, а были изготовлены в завязанном состоянии с использованием передовой трехмерной литографии высокого разрешения, способной создавать структуры в наномасштабе.

Узловые материалы, созданные из полимеров, обладают прочностью на растяжение, которая намного превосходит классические материалы. Исследование образцов показало, что по сравнению с классическими аналогами материалы с узлами поглощают на 92% больше энергии и требуют в два раза больше усилия, чтобы сломаться при натяжении.

Структура материала с иерархической решеткой в форме октаэдра, где каждая элементарная ячейка состоит из трех ромбов. Ромб образован двумя узловатыми волокнами, окрашенными в разные цвета. Изображение: Widianto P. Moestopo et al., Science Advances

В своем исследовании инженеры представили технологию печати материалов из нескольких простых видов узлов. Например, узел с дополнительным поворотом обеспечивает трение для поглощения дополнительной энергии при растяжении материала. В будущем ученые планирует исследовать материалы, состоящие из более сложных узлов.

Тестирование прочности при растяжении нитей, связанных узлом (слева) и переплетенных (справа). Изображение: Caltech

Возможность преодолеть компромисс между деформируемостью материала и вязкостью при растяжении предлагает новые способы разработки устройств, которые являются чрезвычайно гибкими, долговечными и могут работать в экстремальных условиях, – Видианто П. Моэстопо, соавтор исследования.