В настоящей статье рассмотрены два примера, в которых восстановление происходит как за счет собственных сил материала (автономно) и не требует никакого восстановительного компонента, так и при наличии внешнего воздействия (в нашем примере – излучения лазера), при этом присутствует восстанавливающий компонент.

Способность материала «затягивать раны», как будто в фантастическом фильме, поражает даже самое смелое воображение. Известно, что процесс самовосстановления материалов может начаться как при участии некоторого внешнего инициирующего фактора (например, света, повышенной температуры, это так называемое неавтономное самовосстановление), так и совершенно автономно. Кроме того, восстановление может происходить за счет собственных сил материала (с внешним инициатором или без него) или за счет специального восстанавливающего компонента. В данной статье мы рассмотрим два примера, в которых восстановление происходит:

1. за счет собственных сил материала (автономно) и не требует никакого восстановительного компонента;
2. при наличии внешнего воздействия (в нашем примере – излучения лазера), при этом присутствует восстанавливающий компонент.

Рис. 1. (а) СТМ изображения нанопроволок, (b) ПЭМ изображение нанопроволоки GaAs, (с) дифракционное изображение отдельной области массива НП вдоль оси <110>, (d) ПЭМ изображение нанопроволоки высокого разрешения, видно кристаллическую структуру внутренней части НП и аморфную – внешней (сформировалась в результате взаимодействия НП с воздухом). Диаметр полученных НП варьировался от единиц до сотен нанометров, длина не превышала 300 нм. (IOP Science).

Обратимся к первому примеру, когда восстановление происходит совершенно автономно и за счет собственных сил материала. В своей статье Self-Healing of Fractured GaAs Nanowires в Nano Letters ученые из Австралии и Китая предполагают, что нанопроволоки (НП) GaAs проявляют самовосстанавливающие свойства. В этом эксперименте нанопроволоки GaAs вырастили эпитаксиально на подложке из GaAs (111) с использованием наночастиц золота в качестве затравки, а триметилгаллия Ga(CH₃)₃ и гидрида мышьяка AsH₃ – в качестве прекурсора. В направлении осей нанопроволок прикладывалась сила, которая «разламывала» НП практически пополам (см. видео, сайт http://pubs.acs.org): индентер деформирует нанопроволоку диаметром 12 нм и на 6-й секунде на нанопроволоке появляется трещина (см.рис.2b), не доходящая до края. Она затягивается за 16 секунд после снятия напряжения (разгрузке образца), что показано на рис.2с.

Рис. 2. Направление движения индентера показано белой стрелкой. Двойными стрелками показано изменение расстояния между индентером и подложкой с НП. С уменьшением расстояния время, необходимое для самовосстановления, увеличивалось. (IOP Science).

Ученые сделали предположение, что существует несколько факторов, способствующих самовосстановлению нанопроволок GaAs.

• Во-первых, аморфный (внешний окисленный) слой НП GaAs обладает достаточно высоким модулем упругости, его относительная деформация (сжатия) достигает 11%, поэтому, как считают авторы статьи, высвобождение энергии, полученной аморфным слоем при деформации, способствует воссозданию изначальной формы нанопроволоки после снятия воздействия.
• Кроме того, система стремится к минимуму энергии (минимуму энергии поверхности, минимуму площади поверхности).

Авторы статьи считают, что это требование выполняется благодаря электростатическому притяжению двух частей нанопроволоки и ориентирующему действию поля кристаллической решетки нанопроволоки.

При этом части нанопроволоки сближаются и на заключительном этапе воссоединения (когда поверхности соприкасаются друг с другом) происходит взаимная диффузия атомов, их перераспределение и формирование структуры, которая по своим характеристикам ничем не отличается от неповрежденной. Почему ученые говорят именно о восстановлении, а не о простом механическом контакте?

По словам авторов статьи, в месте соединения не наблюдалось контраста, эта часть нанопроволоки ничем не отличалась от других.

Кроме того, один и тот же образец с нанопроволокой подвергли деформации несколько раз, и при этом разрушение нанопроволоки происходило в других ее частях (возможно в тех, где образовались мЕньшие трещины от предыдущего сжатия), а не только на месте первого повреждения. Об изменении электрических свойств самовосстановившейся НП в данной работе не сообщается (по-видимому, авторами такие исследования не проводились).

Рис. 3. Схема ВОДД (Электроника: НТБ).

Рассмотрим другой пример, когда восстановление происходит за счет внешнего инициатора и требуется восстанавливающий компонент. Группа американских ученых исследовала возможности самовосстановления датчиков деформации (тензосенсоров) на основе оптоволокна (подробно об этом можно узнать в журнале Smart Materials and Structures, IOP Publishing). Волоконно-оптический датчик деформации (тензосенсор) применяется для измерения деформации различных конструкций. Принцип действия ВОДД основан на зависимости коэффициента отражения лазерного излучения, распространяющегося по волоконно-оптическому тракту, жестко связанному с контролируемым объектом, от степени деформации объекта (статью «Волоконно-оптический датчик деформации» можно прочитать в журнале Электроника:НТБ). При изменении расстояния между зеркалом и торцом световода регистрируемая фотоприемником мощность излучения лазера (ИК, 1550 нм) изменяется.

Рис. 4. Иллюстрация принципа работы ВОДД (Электроника: НТБ).

В эксперименте ученых тензосенсор представляет собой отрезок световода из полимера (Прим. перев.: Какого именно, в статье точно не сообщается и оболочка световода не указывается), сердцевина с большим показателем преломления в котором сформированна ультрафиолетовым излучением лазера (рис.5).

Рис. 5. Запись сердцевины световода УФ излучением (Электроника: НТБ).

При повреждении полимеризованного слоя трещина заполняется полимером (смолой) и при попадании на него УФ излучения затвердевает. К сожалению, конечное время полимеризации трещин может привести к погрешности в измерении величины деформации.

Рис. 6. Схема экспериментальной установки (IOP Science).

Результаты исследований опубликованы в статьях:

1. Yanbo Wang, Hannah J. Joyce, Qiang Gao, Xiaozhou Liao, H. Hoe Tan, Jin Zou, Simon P. Ringer, Zhiwei Shan and Chennupati Jagadish Self-Healing of Fractured GaAs Nanowires. – Nano Lett. – 2011. – 11 (4). – pp 1546–1549; DOI: 10.1021/nl104330h; Publication Date (Web): March 18, 2011.
2. Young J Song and Kara J Peters A self-repairing polymer waveguide sensor. – Smart Mater. Struct. – 2011. – 20. – 065005; doi:10.1088/0964–1726/20/6/065005.