Из целлюлозы и слюды сделали корпус для смартфона

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.

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 × 10⁻⁶K⁻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.

Создавая новые материалы, ученые нередко заимствуют идеи у природы. Например, в прошлом году японские ученые разработали прочный и эластичный супергидрофобный материал, по структуре напоминающий кожу рыбы-ежа. А в начале этого года немецкие и американские химики искусственно воссоздали самозаживляющийся полимер, который входит в состав зубных тканей кальмара.

Наталья Самойлова