Физики выявили механизм упрочнения сложных полимеров
Факт значительного превышения количества энергии, необходимого для разрыва полимерных сеток, той энергии, которая необходима для разрыва ее цепочек, а также причину этого явления установила команда ученых МФТИ и Университета Дьюка (США), сообщает 27 марта журнал МФТИ «За науку».
Физики установили, что большая часть этой энергии, необходимой для разрыва полимерных сеток, идет не на разрыв цепей, а на деформацию древовидной внутренней структуры материала. Исследование обнаруженного механизма, проведенное командой ученых, позволит создавать более прочные полимерные материалы.
Результаты исследования ученые представили в статье «Вклад неразорванных нитей в разрушение полимерных сеток», опубликованной в журнале Macromolecules.
В современной жизни полимеры разной степени сложности применяются практически во всех сферах нашей жизни: от промышленности до медицины. По своей внутренней структуре они в подавляющем большинстве представляют собой полимерные сети: то есть не сплошное упругое тело, а систему из древовидных «жидкоподобных» структур из полимерных цепей.
Высокая прочность таких полимерных сеток на разрыв обусловлена тем, что макромолекулы достигают высокой степени ориентации относительно друг друга и имеют большую плотность и разветвленность упаковки, приводящей к возникновению многочисленных межмолекулярных связей с высокой суммарной энергией.
Исследование механизма образования разрыва в полимерных сетках, проведенное российскими и американскими физиками, показало, что образование трещины в сложном полимерном материале возможно лишь при достаточном воздействии на всё «дерево» полимерных цепей в сетках.
Соавтор исследования, доцент кафедры теоретической физики МФТИ Сергей Панюков пояснил суть проделанной командой работы:
«Мы модифицировали теорию Лейка — Томаса, которая объясняет молекулярные детали сетевого соединения при распространении трещины в полимерных сетях. Эта теория описывает не только энергию, запасенную в разрывающихся цепочках сетки, но и энергию связей в древовидной структуре из цепочек, которая остается неизменной по мере распространения трещины. Энергия, запасенная в каждом из поколений этого „дерева“, зависит от индекса поколения из-за нелинейной упругости растянутых цепей сети. Кроме того, энергия, необходимая для разрыва мостиковой цепочки, соединяющей две поверхности трещины, необязательно определяется энергией, запасенной в самой цепочке, но в более высоких поколениях „дерева“».
Поэтому работа, необходимая для разрыва сложного полимерного материала, определяется не только прочностью цепей сетки, но и прочностью древовидной структуры материала, которая зависит от числа «поколений» этого дерева. Таким образом, прочность полимерного материала на разрыв тем больше, чем более разветвленной и многоуровневой является его структура.
Еще одним результатом новой модели стало определение роли включенных в сети молекул-механофоров — так называют механически активные молекулы в структуре полимера, способные при воздействии на них вызывать ряд химических реакций.
«По сравнению с „сильными“ механофорами (активируются только в мостиковой цепи полимера), „слабые“ механофоры, которые могут работать как в мостиковой цепи, так и в других генерациях, способны обеспечить более интенсивное рассеивание энергии внутри материала, упрочняя его», — добавил Сергей Панюков.
В результате исследования ученые получили обновленную модель, которая позволит создавать более совершенные полимерные материалы с повышенными прочностными характеристиками.
