Сожмите кусочек силикона, и он быстро вернется в свою первоначальную форму, такой же мягкий, как и прежде. Но ученые из Университета Райса обнаружили, что жидкокристаллическая фаза силикона становится на 90% жестче, когда силикон мягко и многократно сжимается. Их исследования могут привести к новым стратегиям самовосстановления материалов или биосовместимых материалов, имитирующих человеческие ткани.
Статья об исследовании появилась в этом месяце в онлайн-журнале Nature Nature Communications.
Силикон в своей жидкокристаллической фазе находится где-то между твердым и жидким состояниями, что делает его очень удобным для многих целей. Поэтому ученый-полимерист из Райса Рафаэль Вердуско был заинтригован, увидев, что материал, который, как он думал, он хорошо знает, работает так, как он не ожидал. «Я был очень удивлен, когда узнал, что когда мой ученик сделал эти измерения, он стал жестче», - сказал он. «На самом деле, я сначала ему не поверил».
Исследователи намеревались количественно оценить результаты, полученные несколько лет назад бывшим аспирантом Райса Брентом Кэри, который подверг полимер с нанотрубками процессу, называемому повторяющимся динамическим сжатием. Поразительные 3,5 миллиона сжатий (по пять в секунду) в течение недели укрепили материал, как мышцы после тренировки, на 12 процентов. То, с чем столкнулись Verduzco и ведущий автор/аспирант Rice Адитья Агравал, было материалом, который показывает еще более сильный эффект. Первоначально они планировали изучить композиты жидкокристаллический силикон/нанотрубки, подобные тому, что тестировал Кэри, но решили сначала изучить жидкокристаллический силикон без нанотрубок.«Всегда лучше начинать с простого», - сказал Вердуско.
Силиконы состоят из длинных гибких цепей, которые перепутаны и связаны друг с другом, как миска спагетти. В обычных силиконах цепи ориентированы случайным образом, но группа изучила особый тип силикона, известный как жидкокристаллический эластомер. В этих материалах цепи организуются в стержнеобразные катушки. Когда материал подвергался статическому сжатию, например, при сжатии желеобразного желе или растяжении резинки, он сразу же возвращался в свою первоначальную форму. Запутывания и узлы между цепями препятствуют изменению формы. Но при динамическом сжатии в течение 16 часов силикон сохранял свою новую форму в течение нескольких недель и, что удивительно, оказался намного жестче исходного материала.
«Молекулы жидкокристаллического эластомера подобны стержням, которые хотят указывать в определенном направлении», - сказал Вердуско. «В исходном образце стержни ориентированы случайным образом, но когда материал деформируется, они вращаются и в конечном итоге указывают в одном направлении. Именно это и приводит к жесткости. Удивительно, что при относительно мягком, но повторяющемся сжатии вы можете проработать все запутывания и узлы, чтобы в итоге получить образец, в котором все полимерные стержни выровнены».
Перед тестированием исследователи химически присоединили молекулы жидких кристаллов, подобные тем, которые используются в ЖК-дисплеях, к силиконам. Хотя они не могли видеть стержни, рентгеновские дифракционные изображения показали, что боковые группы - и, следовательно, стержни - выровнялись при сжатии. «Они всегда связаны. Если боковая группа ориентирована в одном направлении, полимерная цепь стремится следовать за ней. Или наоборот», - сказал Вердуско.
Рентгеновские снимки также показали, что образцы, нагретые до 70 градусов Цельсия, выскользнули из жидкокристаллической фазы и не затвердели, сказал Вердуско. По его словам, эффект затвердевания обратим, поскольку нагревание и охлаждение затвердевшего образца позволит ему вернуться в исходное состояние в течение нескольких часов.
Verduzco планирует сжимать силиконы в другой фазе, называемой смектической, в которой полимерные стержни выстраиваются слоями. «Люди хотели использовать их в дисплеях, но их очень сложно выровнять. Повторяющееся сжатие может быть простым способом обойти эту проблему», - сказал он.
Поскольку силиконы биосовместимы, их также можно использовать для тканевой инженерии. По его словам, мягкие ткани в организме, такие как хрящи, должны сохранять прочность при многократном сжатии и деформации, и жидкокристаллические эластомеры обладают аналогичной долговечностью.
Среди соавторов статьи Кэри, выпускник Райс, а ныне ученый в Owens Corning; аспирант Алин Чипара; Юсиф Шаму, профессор биохимии и клеточной биологии; Пуликель Аджаян, профессор инженерных наук Бенджамина М. и Мэри Гринвуд Андерсон и профессор машиностроения и материаловедения, химии, химической и биомолекулярной инженерии; и Уолтер Чепмен, Уильям У. Акерс, профессор химической и биомолекулярной инженерии, все из Райса; и Прабир Патра, доцент кафедры машиностроения в Университете Бриджпорта, работающий исследователем в Райс. Вердуско - доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии.
Исследование было поддержано грантом IBB Hamill Innovations, Фондом Роберта А. Уэлча, Национальным научным фондом и Национальным институтом здравоохранения через Национальный институт аллергии и инфекционных заболеваний.