Китайские химики разработали композитный материал из целлюлозы и слюды, который может стать заменой традиционному пластику. По своей структуре материал напоминает слоистый перламутр: чтобы сделать его таким, ученые разработали процедуру направленной деформирующей сборки. Материал оказался устойчив к механическим нагрузкам и действию высокой температуры, но при этом пластичен: из него уже изготовили корпус для смартфона.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Ученые уже долгое время пытаются создать натуральный биоразлагаемый материал, который станет заменой пластику. Пока что эту задачу решить никому не удалось: предложенные материалы оказываются значительно дороже традиционного пластика и одновременно уступают ему в прочности и стабильности.

Китайские материаловеды под руководством Шухонга Юй (Shu-Hong Yu) из Университета Науки и Технологии Хефея предложили в качестве замены пластику органико-неорганический композитный материал. Ученые вдохновились структурой природного композита перламутра, который состоит из пластинок арагонита в матрице из различных полимеров. Вместо кирпичей они использовали микрочастицы слюды (слоистого алюмосиликатного минерала), покрытые диоксидом титана, а вместо скрепляющего их раствора — природный биоразлагаемый полимер целлюлозу.

Чтобы соединить вместе части композита, ученые использовали два типа связующих добавок. К целлюлозе добавили соль двухвалентного кальция, который может скреплять отдельные волокна между собой, а пластинки слюды обработали (3-аминопропил)триэтоксисиланом, который облегчает связывание с целлюлозой. Чтобы повысить прочность будущего материала, применили метод направленной деформирующей сборки: образцы выдержали в течение двенадцати часов при давлении 1МПа, а затем нагрели до 80 градусов Цельсия и выдержали течение одного часа под давлением 100МПа.

При нагревании структура упорядочилась: все пластинки слюды повернулись в одном направлении, а целлюлоза заполнила пустоты между ними. Структура полученного материала напоминает кирпичную кладку: слои плоских частиц слюды — это кирпичики, а целлюлозное волокно — цементирующий раствор. Похожая структура и у перламутра, но его слои формируются постепенно в течение всей жизни моллюска, а направленная деформирующая сборка позволяет добиться такого эффекта всего за несколько часов.

Вверху: сравнение прочности и термической стабильности нового материала с известными видами пластика; Внизу: различные изделия из нового материала Внизу: эксперименты по сбору нефти с поверхности воды, для наглядности нефть подкрашена красным пигментом. Guan et al. / Nature Communications, 2020

Полученный материал демонстрировал отличные механические свойства (прочность 281 МПа, жесткость 20 ГПа) и термическую устойчивость — оставался твердым при температуре 250 градусов Цельсия, когда большинство пластиковых материалов начинают плавиться. Кроме того, у материала низкий коэффициент термического расширения — 7 × 10⁻⁶ K⁻¹, в десять раз меньше, чем у полиэтилена и пропилена.. В пластичности новый материал не уступает традиционным пластикам, и из него можно формировать мелкие и тонкие изделия — чтобы доказать это, авторы работы изготовили корпус для смартфона.

Юй и его коллеги отмечают, что создание нового композита не требует дорогостоящего оборудования, и его несложно будет адаптировать для применения в промышленности. Кроме того процедуру направленной деформирующей сборки можно применять и для изготовления других композитных материалов.