Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Перламутр оправился после 80% предельной деформации

Просвечивающая электронная микроскопия эксперимента по вдавливанию перламутровой пластины

J. Gim et al. / Nature Communications, 2019

Ученые измерили способность перламутра сопротивляться механическим нагрузкам на наномасштабе. Оказалось, что этот материал, который считается самым механически прочным природным веществом, то есть требующим наибольшего усилия для разрушения, упруго восстанавливается после деформации, соответствующей 80 процентам от предельной. Внутренняя структура материала возвращалась к исходному состоянию после нагрузок в 1,2 гигапаскаля (примерно 12 тысяч атмосфер), пишут авторы в журнале Nature Communications.

Существует несколько различных механических параметров веществ, которые отвечают за разные аспекты сопротивления внешним нагрузкам. Необходимо различать твердость, ударную прочность и жесткость: первая отвечает за реакцию на медленное надавливание, вторая характеризует способность поглощать энергию при соударении, а третья связана с устойчивостью к деформациям.

В зависимости от выбранного параметра различные вещества могут называться «самыми прочными» в нестрогом смысле. В частности, самое твердое известное вещество — это алмаз, но в плане ударной прочности он не только не рекордсмен, но и вовсе относится к хрупким материалам. Цель многих исследований в области материаловедения состоит в поиске одновременно твердого и прочного вещества.

Свойства материала могут зависеть от его структуры, что значительно осложняет анализ и увеличивает количество возможных вариантов во много раз. Известно, что наибольшей ударной прочностью среди естественных материалов обладает перламутр — вещество, выстилающее внутреннюю поверхность раковин некоторых моллюсков.

Ученым уже известно, что это свойство определяется именно микроструктурой: перламутр состоит из микроскопических пластин неорганического минерала арагонита (кристаллов карбоната кальция CaCO3), между которыми находится органическая матрица из биополимеров, таких как хитин. В результате перламутр оказывается примерно в 40 раз более устойчив к появлению трещин, чем монолитные кристаллы карбоната кальция.

Структурированность перламутра на малом масштабе недостижима для современных технологий. Человечество научилось создавать материалы с более высокими механическими свойствами, но для этого требуются специальные условия, такие как высокая температура и давление, в то время как моллюски синтезируют защитную оболочку без подобных ухищрений. Вместе эти обстоятельства делают перламутр исключительно интересным веществом с точки зрения материаловедения.

Ученые из США, Австралии, Франции и Германии под руководством Роберта Ховдена (Robert Hovden) из Мичиганского университета исследовали механические свойства, сопротивление деформации и предельную прочность раковины моллюска благородной пинны (Pinna nobilis). Авторы вырезали кусочки перламутра размером около 100 нанометров, надавливали на них наконечником индентора, при этом просвечивая образец пучком электронов, что позволяло измерить возникающие в толще напряжения.

Оказалось, что приложение достаточного усилия сдавливает арагонитовые пластины вплоть до возникновения поверхностного контакта, при котором они фактически образуют сплошное вещество. В таком состоянии напряжение начинает перераспределяться по существенно большему объему. Тем не менее, это изменение оказалось обратимым: если внешнее сжатие не превышало 1,2 гигапаскалей, то после его снятия пластины разделялись и возвращались в исходное положение, сохраняя механические свойства.

Результаты авторов также позволили подтвердить, что при возникновении в материале трещины, она распространяется только по одной пластине, оставляя другие целыми, что и позволяет перламутру сохранять свойства под повторяющимися высокими нагрузками. Авторы считают, что их работа позволит разработать новые нанокомпозиты, которые будут легче и прочнее современных, а также не требовать экстремальных условий для получения.

Ранее ученые превратили оптические волокна в датчик деформации и создали новые биополимеры на основе веществ из зубов кальмара.

Тимур Кешелава

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.