В Корее смогли произвести сверхпрочное волокно, которая в 2 раза прочнее стали и весит всего четверть от ее веса, непрерывно и в километровых объемах

Корреспондент Ку Бон Хёк

- Успешно реализованы технологический процесс на водной основе и непрерывное производство

- Возможно применение в аэрокосмической, оборонной и других отраслях

Профессора Хан Тхэ Хи (слева) и Уи Чжон Чжэ из Университета Ханьян, а также профессор Ом Вон Сик из Университета Дангук, возглавившие данное исследование [Предоставлено Корейским фондом научных исследований]

Группа корейских ученых, используя принцип двойной спиральной структуры ДНК и паутины, разработала сверхпрочное волокно, которое в 2 раза прочнее стали, но весит всего 1/4 от ее веса.

Корейский фонд научных исследований сообщил, что совместная исследовательская группа под руководством профессоров Хан Тхэ Хи и Уи Чжон Чжэ из факультета органической нанотехнологии Университета Ханьян и профессора Ом Вон Сика из факультета интегрированных материалов Университета Дангук успешно воспроизвела в лабораторных условиях принципы проектирования волокон, встречающихся в природе, с использованием специального полимерного материала, самостоятельно формирующего двойную спиральную структуру в воде.

Результаты данного исследования, проведенного в рамках проекта по развитию нанотехнологий и технологий материалов при Министерстве науки, технологий и информационных коммуникаций Южной Кореи и Корейском фонде научных исследований, опубликованы 25 марта в онлайн-версии международного научного журнала «Advanced Materials».

В последнее время в различных областях, таких как аэрокосмическая промышленность, оборонная промышленность и передовая робототехника, резко растет спрос на легкие и прочные материалы из волокон. В частности, они считаются ключевыми базовыми технологиями в области полупроводников, где материалы должны выдерживать воздействие тепла и механических нагрузок, а также в области авиационных корпусов и защитных материалов, где требуется одновременно обеспечить легкость и высокую прочность.

Однако существующие технологии производства синтетических волокон имели ограничения в реализации истинных характеристик материала из-за нарушения молекулярной ориентации или образования микроскопических пустот в процессе обработки, а также создавали значительную экологическую нагрузку из-за использования вредных химических растворителей в процессе производства.

Структура и концепция производства арамидного волокна PBDT с применением двойной спиральной структуры и процесса скручивания-сжатия [Предоставлено Университетом Ханьян]

Исследовательская группа обратила внимание на арамидный полимер PBDT, который в водной среде образует самоскручивающуюся структуру, подобную ДНК, и разработала «иерархический производственный процесс из 4 этапов», позволяющий полностью перенести порядок на молекулярном уровне на макроскопический уровень в виде нити.

4-этапный процесс состоит из следующих этапов: выравнивание молекул в одном направлении; связывание структуры с помощью ионов; растяжение для повышения степени выравнивания; скручивание в водной среде для устранения внутренних пустот. В частности, процесс скручивания, основанный на принципе плетения веревки, уплотнил внутреннюю структуру нити, повысив эффективность передачи нагрузки. Этот процесс отличается тем, что он позволяет сохранить наноуровневый порядок, спонтанно сформированный молекулами, вплоть до конечной структуры непрерывного волокна.

В результате изготовленная нить продемонстрировала предел прочности на разрыв 1,2 ГПа и модуль упругости (жесткость) 103 ГПа. Это означает, что по сравнению с существующими пленочными материалами прочность повысилась в 5,8 раза, а жесткость — в 6,3 раза; по сравнению со сталью прочность выше более чем в 2 раза, а вес составляет всего четверть от веса стали. То есть нить может выдержать нагрузку, в 8 раз превышающую ту, которую выдерживает стальная проволока того же веса.

Рис. 1. (a) Механизм иерархической самосборки PBDT в нановолокна с двойной спиралью посредством направленных водородных связей между группами ─SO3─ и ─NHCO─ и π–π-стакирования ароматических ядер. На врезке показан 15-процентный водный раствор PBDT. (b) Изображение ТЭМ, демонстрирующее сеть переплетенных нановолокон PBDT. (c) Увеличенное ТЭМ-изображение отдельного нановолокна, показывающее диаметр ∼13,9 нм. (d) Изображение POM 15-процентного раствора PBDT для прядения до экструзии, демонстрирующее двулучепреломляющие нематические домены, соответствующие лиотропному жидкокристаллическому упорядочению. (e) Профили вязкости растворов PBDT (5–20 масс.%) при 25 °C, демонстрирующие сдвиговое разжижение. (f) Подгонка кривых сдвиговой вязкости по степенному закону в четырех диапазонах скорости сдвига (0,1–1000, 0,1–20, 100–400 и 400–1000 с−1), использованная для определения оптимальных условий течения при прядении волокон.

Рис. 2. (a) Схема процесса мокрого прядения, иллюстрирующая выравнивание под действием сдвига и ионное сшивание, опосредованное Ca2+. Вставка: изображения POM нити из геля PBDT под перекрещенными поляризаторами под углами 0° и 45°, а также фотография, демонстрирующая масштабируемое производство нитей на больших длинах; (b) FT-IR и (c) Рамановские спектры раствора PBDT и гелевой нити, (d) кривые ТГА и ДТГ порошка PBDT и высушенной нити, изображения SEM высушенных нитей PBDT, показывающие (e) поперечное сечение, (f) увеличенный вид поверхности, уплотненной нановолокнами, и (g) продольную плоскость излома

Рис. 3. Меридиональные и экваториальные направления рассеяния, полученные при измерениях рентгеновского рассеяния твердого, выровненного DR-5. (a) 2D-диаграмма WAXS нити DR-5, (b) 1D-профили WAXS нитей DR-1, DR-3 и DR-5, (c) 2D-дифрактограмма SAXS нити DR-5, (d) диаграмма Руланда для оценки ориентации микропустот в нитях DR-1, DR-3 и DR-5, (e) углы и длины пустот в нитях PBDT с различными DR, (f) структурные параметры двойной спирали PBDT, полученные с помощью WAXS, и особенности сборки DR-5, полученные с помощью SAXS.

Рис. 4. (a) Общий вид камеры скручивания, оснащенной увлажнителем и моторизованной системой скручивания, (b) крупный план фиксации нити и воздействия паров H2O, и (c) процесс скручивания DR-5. (d) Схема процесса скручивания, включая воздействие паров H2O, скручивание и сушку для получения T-DR-5. (e) Изображения T-DR-5, полученные с помощью растрового электронного микроскопа (SEM), при различных углах скручивания (φ = 0°, 10,1°, 15,5°, 25,1° и 33,1°). (f) Диаметр нити и удельная плотность в зависимости от угла скручивания. (g) Кривые S–S для DR-5 и T-DR-5 (φ = 33,1°). (h) Сравнение прочности на разрыв между чистым PBDT и композитами PBDT из предыдущих исследований, и (i) диаграмма Эшби, сравнивающая модуль Юнга и прочность на разрыв волокон и нитей, собранных из нановолокон, включая синтетические полимеры, целлюлозу, шелковиковые и рекомбинантные шелковиковые волокна, а также паучий шелк.

Данное исследование имеет большое значение не только потому, что оно не ограничивается просто повышением характеристик материала, но и потому, что обеспечивает масштабируемость процесса, позволяющую осуществлять непрерывное производство в объемах, измеряемых километрами, создавая тем самым основу для переноса лабораторных результатов в промышленность.

В частности, это экологически чистый процесс на водной основе, не требующий использования токсичных растворителей, а также обладающий отличительной особенностью: при определенных условиях структура материала может быть распущена и реконструирована, что позволяет перерабатывать и утилизировать этот высокоэффективный материал.

«Суть данного исследования заключается в том, что мы воплотили сложные структурные секреты паутины и ДНК в нити промышленного назначения» - сказал профессор Хан Тхэ Хи, добавив: «Поскольку мы обеспечили высокую производительность, эффективность и экологичность, мы будем развивать эту технологию в качестве платформы нового поколения для передовых отраслей, таких как аэрокосмическая промышленность, производство полупроводников и средства защиты».

nbgkoo@heraldcorp.com

#южнаякорея #корея #политика #промышленность #технология #нанотехнология #материаловедение #бизнес #финансы #инвестиция #общество #культура #искусство #азия