Исследователи из университета Райса построили материал, который при регулярных нагрузках становится только прочнее, словно кости и мышцы живого существа.

Композит состоит из леса вертикально расположенных многослойных углеродных нанотрубок, промежутки между которыми заполнены полидиметилсилоксаном. К удивлению экспериментаторов, циклическая нагрузка на этот материал привела не к возникновению механической усталости, но к упрочнению композита. Сжатие с частотой пять раз в секунду в течение недели увеличило жёсткость образца на 12%.

Как известно, металлы способны упрочняться под деформирующей нагрузкой (что объясняется перераспределением дислокаций в кристаллической решётке). Но для синтетических материалов подобное свойство — дело исключительное.

Рис. 1. Небольшой блок нового нанокомпозита под микроскопом (фото Ajayan Lab/Rice University).

Учёные пока не знают наверняка, каков механизм упрочнения. Однако они исключают простое скрепление молекул полимера. По-видимому, рассуждают экспериментаторы, секрет нового композита заключается в очень большой площади межфазного интерфейса между нанотрубками и наполнителем и в процессах, развивающихся на этой границе.

Причём физики открыли важную особенность данного нанокомпозита: статическая нагрузка не меняет его свойств. Только динамическое воздействие приводит к росту жёсткости. В этом плане авторы исследования сравнивают свой композит с костями и хрящами у спортсменов: регулярная стрессовая нагрузка приводит к их упрочнению. Такова адаптация организма.

Рис. 2. Изменение жёсткости испытанного материала со временем (иллюстрация Brent J. Carey et al./ACS Nano).

Американцы полагают, что, разобравшись в деталях взаимодействия полимера и углеродных нанотрубок, смогут создавать не только самоупрочняющиеся конструкционные материалы, но и искусственные имплантаты костей и хрящей, обладающие некоторым сходством с природными аналогами.

Результаты исследований опубликованы в статье

Brent J. Carey, Prabir K. Patra, Lijie Ci†, Glaura G. Silva, and Pulickel M. Ajayan Observation of Dynamic Strain Hardening in Polymer Nanocomposites. – ACS Nano. – Publication Date (Web): March 16, 2011.