Цифровая платформа по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench®
Уникальный онлайн-курс «Цифровые двойники изделий»
Hi-Tech новости 28 Апреля 2008 года
Данная новость была прочитана 6829 раз

Создан наноматериал, который при растяжении может становиться не только тоньше, но и толще

Химикам удалось с помощью комбинации разных видов углеродных нанотрубок создать материал, расширяющийся в поперечном направлении при его растяжении.

Если бы из него делались винные пробки, то штопор для их откупоривания был бы бесполезен: при попытке вытянуть пробку она лишь ещё сильнее прижималась бы к стенкам бутылочного горлышка.

Более того, учёным удалось построить модель, предсказывающую механические свойства нового наноматериала. Теперь вещества с нужными механическими свойствами можно делать "хоть по заказу".

Большинство материалов, используемых нами в быту, при продольном растяжении сжимаются в поперечном направлении. Растягивая резиновый бинт, легко увидеть, как он становится тоньше.

В механике это свойство известно и носит наименование "эффект Пуассона", для численного описания которого вводится коэффициент Пуассона – отрицательное отношение поперечной деформации к продольной деформации. 

У «нормальных» и изотропных веществ коэффициент Пуассона положителен, а его типичные значения составляют несколько десятых. Например, у стали он равен 0,3, а упомянутой уже резины – чуть меньше 0,5; собственно, больше 0,5 для изотропных материалов он быть и не может – такие материалы увеличивали бы при растяжении собственную плотность и стали бы неустойчивы.

Тем не менее существуют так называемые ауксетические материалы, у которых эта величина отрицательна.

Их известно очень немного – например, кожа, покрывающая коровье вымя, некоторые виды минералов, а по некоторым данным, и живая костная ткань. К учёным осознание важной роли таких материалов в быту пришло лишь в последние десятилетия, и многие синтетические ауксетики были созданы на основе полимерных пенок. Они применяются как губки, упаковочный материал и даже в бронежилетах. К ауксетикам относится и знакомый любителям спортивной обуви Gore-Tex.

Тем не менее ещё задолго до создания Gore-Tex и даже появления теории упругости люди уже использовали материалы с необычным коэффициентом Пуассона. Пример – луб пробкового дерева, у которого эта величина хоть и положительна, но очень невелика. Все знают, как трудно засунуть пробку обратно (лёгкость, с которой пробку можно протолкнуть в бутылку в отсутствии штопора не в счёт – она объясняется расширением горлышка книзу), однако благодаря небольшой величине коэффициента Пуассона пробка при этом не слишком удлиняется.

В то же время небольшого значения этой величины у пробки оказывается достаточно, чтобы более или менее легко вынуть пробку штопором: растягиваясь, она чуть-чуть сжимается. Кстати, именно из-за этого штопор не должен быть слишком жёстким: хороший штопор пружинит, растягивается и вместе с тем растягивает пробку по всей её длине. Пробка из-за этого по всей длине становится чуть-чуть тоньше, что и помогает её вытянуть.

Ученые из США и Бразилии обнаружили, что коэффициент Пуассона для бумаги, сотканной из углеродных нанотрубок, может менять свое значение с положительного на отрицательное – при правильном подборе соотношения в её составе многостенных и одностенных нанотрубок. При этом смешение двух компонентов при создании наноуглеродной бумаги значительно увеличивает её твердость, прочность и упругость.

Статья с результатами работы исследователей вышла в последнем номере Science.

Химики обнаружили необычные свойства у бумаги из углеродных нанотрубок, полученной традиционным целлюлозно-бумажным способом – взвесь тонких нитей в воде упаривается до образования черной углеродной бумаги. Необычные свойства её проявляются при достижении массового содержания многостенных нанотрубок в 73%. При этом учёные смогли достоверно показать, что эти свойства не обусловлены оседающими на поверхности веществами: для этого они отожгли бумагу при 1000o С в атмосфере аргона и заново измерили её механические характеристики.

Поверхность бумаги из одностенных углеродных нанотрубок

Поверхность бумаги из одностенных углеродных нанотрубок

А вот с объяснением большого отрицательного значения коэффициента Пуассона углеродной нанобумаги оказалось не все так просто. До этого подобное поведение наблюдалось у плоских нановолокнистых биологических мембран, структура которых обладает большой упорядоченностью. Однако в случае с нанобумагой значения коэффициента были существенно больше по абсолютному значению, к тому же об упорядоченности поверхности говорить не приходится.

Чтобы объяснить такое значительное и необычное изменению свойств материала, ученые построили специальную математическую модель, которая предсказывает знак и величину механических параметров материала, получающиеся при смешении разных нанотрубок в той или иной пропорции. Модель учитывает растяжение и изгиб волокон и способна количественно показать, почему обычная целлюлозная бумага никогда меняет знак коэффициента Пуассона с положительного на отрицательный.

Учёные представили бумагу как наслоение зигзагообразных нанотрубок или их пучков, связанных с соседними слоями в местах изгибов нековалентными связями. Модель использует три основных качества наноуглеродной бумаги: все углеродные волокна лежат практически в одной плоскости, ориентированы в ней случайным образом и могут свободно удлиняться при выпрямлении, которое приводит к изменению угла между пересекающимися нанотрубками. Такую модель можно использовать не только для наноуглеродной, но и для обычной целлюлозной бумаги. Вероятно, она сможет предсказать коэффициент Пуассона и для плетеных корзинок, так как по структуре они мало чем отличатся от высокотехнологичного наноизделия.

Как выяснилось, такие похожие по строению материалы – обычная целлюлозная бумага, бумага из одностенных нанотрубок и бумага из многостенных нанотрубок – проявляют такие разные механические свойства из-за различий в деформациях, испытываемых при растяжении.

Для наглядности можно представить себе переплетение пучков волокон в виде раскосной системы распорок, применяемой в прочных несущих конструкциях – например, стеллажей для уже упомянутых винных бутылок. Такая конструкция обладает положительным коэффициентом Пуассона, если распорки могут изгибаться, если же они могут только удлиняться, тогда увеличение их длины приводит к отрицательному коэффициенту.

Модельная структура бумаги

Модельная структура бумаги

В нанометровом масштабе растяжение бумаги приводит к изменению угла между зигзагообразными пучками нанотрубок, что в принципе эквивалентно их изгибу. Это и является причиной увеличения коэффициента Пуассона.

Отрицательный же коэффициент возникает в нанобумаге из-за необычного сочетания констант жесткости, описывающих работу нанотрубок на растяжение и на изгиб. Важное значение в нанометровом масштабе имеет именно трубчатая форма нановолокон и степень сцепления между стенками одностенных трубок. Расчет этих констант, а также учёт в модели слабого контактного взаимодействия между одностенными и многостенными нанотрубками и между различными слоями многостенных нанотрубок и приводит к отрицательному коэффициенту Пуассона.

Модель также подсказывает, что аномальные свойства нанобумаги будут проявляться тем сильнее, чем больше слоёв в составляющих из многостенных нанотрубках: только их внешние стенки значимо влияют на жесткость растяжения углеродных пучков.
 

Так что, регулируя количество слоёв в трубках, можно сделать коэффициент Пуассона таким, каким нам нужно (впрочем, меньше –1 он также быть не может).

Новые материалы могут найти существенно более широкое применение. Например, в сенсорных системах, использующих удлинение материала при адсорбции на его поверхности детектируемого химического компонента. Кроме того, необычные свойства нанобумаги пригодятся в создании уплотнительных материалов и искусственных мышечных тканей.

Источник: http://www.gazeta.ru

FEA.ru-комментарий.
Все популярно описанные в статье эффекты корректно описываются с помощью рассмотрения композиции углеродных нанотрубок с помощью эффективной гомогенизированной анизотропной среды, которая содержит 21 независимую эффективную упругую константу, а вовсе не 2 упоминаемые характеристики - коэффициент Пуассона и, например, модуль Юнга.
Более простой моделью, чем макроскопически анизотропная среда,  может служить эффективная гомогенизированная ортотропная среда, которая характеризуются 9 эффективными упругими константами, среди которых 3 независимых эффективных коэффициента Пуассона.
Записывая последовательно критерии Сильвестра для матрицы эффективных упругих характеристик можно получить корректные ограничения (неравенства) на эффективные упругие характеристики, в том числе и на коэффициенты Пуассона,
т.е. получить - "термодинамически состоятельные" эффективные упругие характеристики.