Пьезоэлектрик упрочнился при механической нагрузке

Химики разработали новую систему полимерного пьезоэлектрика в жидкости, схожей по ионному составу с плазмой человеческой крови. Система может адаптироваться под условия механической нагрузки подобно тому, как делают кости, при этом она увеличивает свой модуль упругости в 1,8 раз в конкретном месте нагрузки. Работа опубликована в журнале Advanced Materials.

Традиционно ученые при выборе материала для механического применения из базы данных свойств материалов исходят из ожидаемых условий нагрузки и проектных ограничений и потребностей. Такой способ не годится для неожиданных условий нагрузки, из-за чего инженеры увеличивают запас прочности, что увеличивает стоимость и вес конструкции, тем самым понижая механическую эффективность. Одним из решений такой проблемы могут стать материалы с адаптивными свойствами, которые изменяют свои свойства в зависимости от условий нагрузки. Например, химики изучили полибутадиен функционализированный дибромциклопропаном, который изменяет степень сшивки в зависимости от механической нагрузки. Но синтетические самоупрочняющиеся материалы имеют ограниченную способность к нагрузке, сложность производства, высокую стоимость и необходимость дополнительной энергии для изменения свойств.

Однако в природе есть примеры материалов, как кость, древесина, рыбья чешуя и коралл, которые могут изменять свои механические свойства за счет использования окружающих ресурсов. Например, кости с помощью клеточных сигналов контролируют уровень наращивания минералов на конкретные участки. В этом процессе органическая матрица служит основной для кристаллизации минерала из плазмы крови, который в свою увеличивает прочность кости. Ученые уже давно обсуждают процесс упрочнения костей, они пришли к выводу о наличии пьезоэлектрического эффекта в кости при наращивании минералов на ее поверхности. Но до сих пор еще никто не получил синтетическую систему на основе материалов кости, которая способна самостоятельно упрочняться в зависимости от механической нагрузки.

Сун Хун Кан (Sung Hoon Kang) с коллегами создал систему материалов, которая может адаптировать свои механические свойства в ответ на внешние нагрузки. Система состоит из матрицы, способной генерировать заряд пропорционально внешним механическим воздействиям, и жидкости, схожей по ионному составу с плазмой человеческой крови — авторы назвали ее имитатором плазмы. Заряд на поверхности матрицы индуцирует рост минералов из жидкости, которые увеличивают прочность пластинки.

В качестве матрицы ученые использовали пьезоэлектрический полимер полидивинилиденфторид. После недели выдерживания этой пластинки в имитаторе плазмы с помощью сканирующего электронного микроскопа химики обнаружили, что минералы в большей степени кристаллизовались на отрицательно заряженной стороне пластинки из-за того, что плотность заряда увеличивается при сжатии пластинки за счет перестройки электрических диполей. При химическом анализе осажденных минералов ученые установили, что если раствор обновлять, то на поверхности образуется гидроксиапатит — основной компонент костей, а если не обновлять — смесь гидроксиапатита с кальцитом. Часто эти минералы используют для увеличения биосовместимости металлических медицинских имплантов.

Чтобы понять динамику минерализации, химики провели серию экспериментов, в которых непосредственно измеряли толщину минерального слоя. Сначала они проследили за ростом частиц на положительно и отрицательно заряженных сторонах пьезоэлектрической пластинки — отрицательно заряженная сторона на порядок быстрее покрывалась слоем минералов, чем положительно заряженная. Скорость роста слоя при десятикратном избытке кальция относительно содержания в плазме крови оказалась равной 6,4 микрометра в день. Также химики провели измерения толщины слоя в зависимости от механической нагрузки: максимальным слой получился при циклических механических нагрузках. В отличие от предыдущих работ, в которых используется постоянная химическая обработка, ученые предложили использовать механическую обработку с использованием матриц пьезоэлектриков, чтобы контролировать получение минералов, изменяя условия нагрузки.

Для применения механизма минерализации, вызванной механическим воздействием, авторы работы реализовали функционально-градиентного материала в одностадийном процессе. Пленку пьезоэлектрика подвергли консольной нагрузке — один конец закреплен, а ко второму приложена нагрузка, при этом напряжение постепенно падает от точки закрепления к свободному концу — а затем погрузили в обновляемый имитатор плазмы. Через несколько дней у закрепленного конца толщина слоя была большой, тогда как на свободном конце практически ничего не было, что хорошо сопоставляется с зависимостью напряжения пленки от положения, которую ученые численно смоделировали методом конечных элементов. Этот эксперимент подтвердил возможность такой системы автономно укреплять минералами участки, подвергающиеся высокому механическому напряжению.

Затем ученые рассмотрели пористую систему, наподобие кости, которая так же способна образовывать минералы на своей поверхности при внешней нагрузке. Они получили методом электропрядения пористые пьезоэлектрические матрицы, а затем изучили эволюцию ее модуля упругости со временем при циклической нагрузке. За три дня нагрузок модуль Юнга увеличился на 20 процентов, а затем выходит на плато из-за диэлектрических свойств минерала, которые не дают заряду оказаться на поверхности. Если же в пять раз увеличить амплитуду циклической нагрузки, то за три дня модуль Юнга увеличится на 180 процентов.

Пьезоэлектрики не так уж редки в окружающем нас мире — они создают искру в зажигалке и генерируют сверхточные колебания в кварцевых часах. Полгода назад оказалось, что сухожилия и клапаны сердца тоже проявляют пьезоэлектрические свойства, что в будущем откроет новые способы медицинской диагностики тканей.

Артем Моськин