Исследователи из EPFL обнаружили, что мягкий материал, созданный для 3D-печати, также решает одну из самых сложных проблем материаловедения: создание эластомеров, которые одновременно устойчивы к разрушению и усталости. Исследование, опубликованное 13 июля в журнале Science Advances , показывает, что гранулированные эластомеры с двойной сетчатой ​​структурой (DNGE) достигают значений вязкости разрушения до 15 раз выше, чем у сопоставимых эластомеров, и значений сопротивления усталости до трех раз выше.

Материалы DNGE были впервые представлены в 2024 году Лабораторией мягких материалов (SMaL) EPFL. Это резиноподобные материалы, состоящие из микроскопических частиц эластомера, соединенных более мягкой эластомерной сеткой, первоначально разработанные в качестве чернил для 3D-печати структур с точно настроенными механическими свойствами. Их прочность стала неожиданностью.

«Изначально мы сосредоточились на улучшении технологичности, но, получив гранулированную структуру, обнаружили, что эти материалы также очень прочные», — сказала руководитель SMaL Эстер Амстад. «Затем мы поняли, что большая часть этой прочности обусловлена ​​механизмами многократного рассеивания энергии — материал может поглощать энергию снова и снова, не разрушаясь необратимо».

Ключевое значение имеет двухсетевая структура. При растяжении материал перераспределяет механическое напряжение от жестких микрочастиц в более мягкие области между ними. Там энергия деформации рассеивается за счет скольжения и перестройки полимерных цепей, а не за счет разрыва постоянных связей. Трещины также не распространяются по прямым линиям. Они прокладываются через более мягкие области между микрочастицами, следуя извилистому пути, который замедляет их рост. Именно такая архитектура позволяет DNGE преодолевать обычный компромисс, когда износостойкие эластомеры склонны накапливать повреждения при многократном воздействии нагрузок, а износостойкие — ломаться под резкими нагрузками.

Амстад объясняет это просто: «По сути, две разные сетки — одна, состоящая из гранулированных частиц эластомера, а другая из мягкого эластомера — распределяют между собой механическое напряжение, что в целом делает материал прочнее».

Команда видит применение в мягкой робототехнике, гибкой электронике и биомедицинских устройствах, где компоненты подвергаются многократным нагрузкам в течение длительного времени. Они уже работают над улучшением экологичности, включая биоразлагаемые эластомеры и эластомеры, полученные из переработанных материалов. «Наша цель — внедрить более экологичные материалы, не жертвуя при этом механическими свойствами», — сказал Амстад. «Расширяя спектр используемых материалов, мы можем не только уменьшить воздействие DNGE на окружающую среду, но и сделать их еще более доступными для любой лаборатории, имеющей коммерческий 3D-принтер».

Источник