de behoeften van de mensheid groeien voortdurend en de hoeveelheid middelen blijft beperkt. Een van de mogelijke oplossingen in deze situatie is de intensieve ontwikkeling van technologieën en het creëren van nieuwe materialen, met name hybride. De leidende expert op het gebied van het maken van hybride materialen, eredoctor van de Russische Academie van Wetenschappen, hoofd van het laboratorium "Hybride nanogestructureerde materialen" van NUST "MISiS" (Moskou, Rusland), hoogleraar van de afdeling Materiaalwetenschappen Universiteit vernoemd Monasha (Melbourne, Australië) Yuri Estrin.
Al Hayat: Kunt u alstublieft uitleggen wat "hybriden" zijn in de materiaalkunde en waarom ze worden gemaakt?
Yuri Estrin: Traditionele materialen die tegenwoordig worden gebruikt, hebben een limiet in hun eigenschappen - ze kunnen geen sterkte of plasticiteit hebben boven een bepaald limietniveau, daarom is er in de materiaalkunde een beweging in de richting van het creëren van 'hybriden' - materialen die bestaan uit verschillende, vaak totaal verschillende, componenten die geef een combinatie van de gewenste eigenschappen in een nieuw gemaakt materiaal. In dit geval wordt niet alleen een belangrijke rol gespeeld door de chemische samenstelling van de afzonderlijke componenten, maar ook door hun microstructuur en onderlinge rangschikking, dat wil zeggen de interne architectuur van de hybride. Het maakt het mogelijk om de eigenschappen van het resulterende materiaal te beheersen, en de verscheidenheid aan mogelijke geometrieën opent een hele reeks extra eigenschappen.
Wat zijn de belangrijkste manieren om hybriden te maken?
- Er zijn veel manieren om hybride materialen te maken, maar in ons onderzoek gebruiken we twee hoofdmethoden. De eerste is ernstige plastische vervorming. Twee of meer materialen ondergaan een gewrichtsvervorming van honderden, soms duizenden procenten. Een werkstuk van materiaal wordt herhaaldelijk door een matrijs met een vooraf bepaalde kanaalvorm geduwd. Het proces van intense vervorming doet denken aan hoe een stuk vlees door een vleesmolen wordt gehaald. Bij de uitgang behoudt het werkstuk zijn vorm, maar het heeft een gigantische vervorming ondergaan en van binnen ongelooflijke veranderingen ondergaan. De interne structuur van het materiaal wordt op nanoschaal verpletterd.
Als een polykristallijn materiaal een korrelmicrostructuur heeft met een korrelgrootte van bijvoorbeeld tientallen of honderden micron, dan breken de korrels als gevolg van vervorming in kleinere - submicronkorrels. Hun gemiddelde grootte kan in de orde van honderden nanometers zijn, dat wil zeggen een tiende van een micron. Met deze procedure kan enerzijds de beoogde interne architectuur van de hybride worden verkregen, en anderzijds nanostructurering, die de mechanische eigenschappen verbetert en de fysische eigenschappen van de hybride verandert. Intense plastische vervorming verhoogt de sterkte van zuivere metalen met meerdere malen en van legeringen met 20-30%.
De tweede manier is om de topologische zelfkoppelingsmethode te gebruiken. We kunnen zeggen dat we ons hier houden aan het principe van "verdeel en heers" - we verdelen vaste materialen in segmenten om hun eigenschappen te "domineren". Het bronmateriaal is gesegmenteerd, dat wil zeggen, het is verdeeld in elementaire blokken, en vervolgens wordt de structuur van het vereiste materiaal daaruit opnieuw gemaakt. Structurele elementen grijpen zelf in - of met andere woorden, zelf-wiggen - vanwege geometrie en relatieve positionering. In sommige varianten van dergelijke constructies wordt bijvoorbeeld elk blok ondersteund door zes aangrenzende, verbindingselementen of een hechtmassa zijn niet nodig. Drie aangrenzende blokken voorkomen dat het centrale blok in één richting beweegt, drie andere in de tegenovergestelde richting. Aan de randen is de situatie gecompliceerder - er zijn geen buren die verhinderen dat de blokken bewegen,daarom moet de structuur worden beperkt, bijvoorbeeld door een frame, of op andere manieren. Mijn collega's uit Australië en ik hebben een aantal geometrische vormen gevonden waarmee we het principe van topologische zelfkoppeling kunnen implementeren. In dergelijke structuren kunt u alle, zelfs extreem heterogene, materialen combineren, waardoor de hybride de nodige veelzijdigheid krijgt. Chemisch gezien kan het elk materiaal zijn, zelfs holle blokken. De grootte van de blokken varieert, afhankelijk van de toepassing, van enkele millimeters tot enkele meters. Chemisch gezien kan het elk materiaal zijn, zelfs holle blokken. De grootte van de blokken varieert, afhankelijk van de toepassing, van enkele millimeters tot enkele meters. Chemisch gezien kan het elk materiaal zijn, zelfs holle blokken. De grootte van de blokken varieert, afhankelijk van de toepassing, van enkele millimeters tot enkele meters.
Wanneer een steen het glas raakt, wijken scheuren af van de inslaglocatie, maar als je een steen in je materiaal gooit, blijft de schade lokaal en verspreidt zich niet naar aangrenzende gebieden?
Promotie video:
- Ja dat klopt. De hoofdscheur gaat niet door de hele plaat die is samengesteld uit topologische zelfvergrendelende blokken. Het wordt onderbroken bij de interfaces tussen aangrenzende blokken.
Als de blokken een voor een willekeurig worden vernietigd, behoudt de structuur zijn integriteit en valt hij pas uit elkaar als ongeveer 25% van de blokken is vernietigd. Bij de allereerste schade zouden er onmiddellijk scheuren verschijnen langs de monolithische plaat, en deze zou instorten. Deze unieke immuniteit voor lokale schade is een opmerkelijke eigenschap van topologisch zelfvergrendelende structuren, die hen fundamenteel onderscheiden van monolithische structuren.
Het blijkt dat het vanwege deze eigenschap veel gemakkelijker is om reparaties uit te voeren door een klein beschadigd fragment te vervangen?
- Niet helemaal, de situatie met reparaties is ingewikkelder. U kunt een "patch" op het beschadigde segment aanbrengen, maar het is onmogelijk om het kapotte segment eruit te halen en in plaats daarvan een nieuw te plaatsen. Om een beschadigd blok te vervangen, is het noodzakelijk om het te benaderen, vanaf de rand van het samenstel, dat wil zeggen om een deel van de samengestelde plaat te demonteren.
Aangezien hybride nanostructuren niet breken met enkele lokale beschadigingen, blijken ze zeer geschikt te zijn voor langeafstandsvluchten of het bouwen van bases op andere planeten? Welke andere eigenschappen hebben deze materialen?
- Hybride structuren van zelfvergrendelende blokken zijn inderdaad een uitstekende technische oplossing voor toepassingen in de ruimtetechnologie. Ze kunnen worden gebruikt om ruimtevaartuigen te bekleden of om gebouwen op de maan of Mars te bouwen. Voor constructies gemaakt van topologische zelf-in elkaar grijpende blokken is geen mortel vereist, daarom biedt deze technologie in een waterloze omgeving brede perspectieven. Als we het over de maan hebben, kunnen gebouwen rechtstreeks worden gebouwd van regolith - maangrond, gelegen op het oppervlak. Het is natuurlijk nodig om een technologie te ontwikkelen om de grond te sinteren en te leren hoe je deze tot blokken met de gewenste geometrie kunt vormen. Een gebouw gemaakt van dergelijke blokken is zelfs niet bang voor een meteorenregen.
De hybride structuur, gesegmenteerd in afzonderlijke elementen, biedt veel unieke mogelijkheden. Gesegmenteerde objecten absorberen geluid beter en voeren botsingsenergie efficiënter af dan vaste objecten gemaakt van hetzelfde materiaal. Experimenten met keramische materialen hebben aangetoond dat als geluid door een monolithisch materiaal wordt geleid, de geluidsabsorptiecoëfficiënt bijvoorbeeld 5-10% is, als hetzelfde materiaal wordt gesegmenteerd in topologische zelfvergrendelende blokken, de absorptiecoëfficiënt al 60% zal zijn. Tegelijkertijd wordt een toename van deze indicator alleen bereikt door segmentatie in blokken met een speciale geometrie. Als je ook aan het materiaal zelf werkt - kies het juiste materiaal en maak het zelfs poreus, dan kun je een absorptiecoëfficiënt van bijna 100% krijgen. Het gebruik van een dergelijk materiaal doet zich meteen voor bij geluidswerende barrières op snelwegen, geluidsisolatie in gebouwen. De toepassing van het principe van topologische zelfkoppeling opent ook buitengewoon interessante perspectieven voor constructie in gebieden die gevoelig zijn voor aardbevingen.
Op welke andere gebieden worden hybride materialen gebruikt? Waar werk je op dit moment precies aan?
- Hybride materialen zijn voornamelijk constructiematerialen waar mogelijk veel vraag naar zal zijn in de bouw, de automobielsector, de luchtvaart, ruimtevaarttechnologie enzovoort. Waar we het ook hebben over mobiele objecten die een aansteker nodig hebben, maar die tegelijkertijd beter bestand zijn tegen vernietiging van materiaal. Industriële bedrijven hebben echter nog geen haast om ze te implementeren. Hier is het noodzakelijk om industriële partners en investeerders de voordelen van nieuwe principes van ontwerp en fabricage van hybride materialen over te brengen, en hierin zien we een van de belangrijke taken van ons laboratorium.
De methoden van ernstige plastische vervorming die we ontwikkelen, zijn ook veelbelovend voor het maken van biologisch afbreekbare botimplantaten en stents op basis van zowel traditionele als hybride materialen.
Nadat de implantaten hun doel hebben gediend, moeten ze in de regel onmiddellijk worden verwijderd. Als de implantaten zelf echter oplossen tijdens weefselherstel, is een tweede chirurgische ingreep niet nodig. In het laboratorium wordt experimenteel gewerkt aan de ontwikkeling van biologisch afbreekbare materialen voor medisch gebruik op basis van magnesiumlegeringen en polymeren.
Intense plastische vervorming en de resulterende nanostructurering van het materiaal openen ook nieuwe kansen voor de ontwikkeling van waterstofenergie. Nu waterstof wordt beschouwd als een mogelijk alternatief voor koolwaterstofgrondstof, kunnen materialen die het kunnen accumuleren en opslaan in de toekomst worden gebruikt in batterijen voor nieuwe energie. Nanogestructureerde hybride materialen verbeteren het vermogen van een metaal of legering om waterstof op te slaan, versnellen de afgifte ervan en maken het proces mogelijk bij lagere temperaturen.
Je onderzoek heeft betrekking op het gebruik van hybride materialen als componenten met eigenschappen die een gecontroleerde verandering van de eigenschappen van het materiaal onder externe invloeden mogelijk maken. Betekent dit dat een bal van een soortgelijk materiaal bij verschillende temperaturen eerst een voetbal kan zijn en dan een kanonskogel?
“We halen draden door de hybride structuren, die in verschillende mate kunnen worden uitgerekt, en we krijgen flexibele structuren die zijn opgebouwd uit blokken van zeer stijf materiaal. Deze technologie maakt het stijve materiaal buigzaam en flexibel. Als we draden maken van een materiaal met een vormgeheugeneffect, dit materiaal eerst vervormen en vervolgens verhitten, bijvoorbeeld door er een elektrische stroom doorheen te laten gaan, dan zullen we ze dwingen terug te keren naar hun oorspronkelijke vorm. Op deze manier kunnen we de spanning van de draden veranderen en daardoor de buigstijfheid van onze structuur beheersen.
Als we het hebben over polymeren, dan is het mogelijk om geen draden toe te voegen, maar hele elementen met een vormgeheugeneffect. Op zo'n plaat kan hete lucht worden geblazen, die daardoor stijf wordt. Hier kun je gewoon een analogie tekenen met een bal die in een kanonskogel verandert, maar de transformatie vindt één keer en slechts in één richting plaats.
Sommige ontwikkelingen en wetenschappelijke ontdekkingen voegen niet zomaar iets toe aan ons leven, maar veranderen eigenlijk de wereld volledig, bijvoorbeeld antibiotica of een straalmotor. Is er een probleem in de materiaalkunde waarvan de oplossing de wereld zou veranderen?
“Een revolutie in de materiaalwetenschap zou de creatie van materialen voor slimme kleding zijn. Slimme kleding is kleding die thermische, stralings- en schokbestendige bescherming combineert met elektronische elementen. Een noodzakelijk onderdeel van dit concept is de zelfherstellende eigenschap van het materiaal, dat wil zeggen het vermogen van het materiaal om zelfstandig lokale schade te elimineren. Dergelijke kleding lijkt op de tweede huid, maar overtreft deze in veel opzichten in eigenschappen. In de materiaalkunde is er een heel gebied dat zich bezighoudt met de ontwikkeling van dergelijke materialen. Het ontwikkelt zich nu heel actief.
Als we het hebben over de overkoepelende "supertaak" in de materiaalkunde, dan ben ik bang dat die niet bestaat.
Materiaalkunde bedient een verscheidenheid aan verschillende technische velden. Elk van hen heeft zijn eigen oplossingen en materialen nodig. In gespecialiseerde tijdschriften over materiaalkunde en in populair-wetenschappelijke publicaties zijn er veel interessante ideeën, die soms adembenemend zijn. Maar ik denk dat de meest indrukwekkende doorbraken, waarvan de resultaten praktische toepassing zouden kunnen vinden, te verwachten zijn op het gebied van hybride materialen met een bijzondere interne architectuur op verschillende schaalniveaus.
Yulia Shabunina