Материалы, прочно склеенные между собой эпоксидной смолой и другими прочными клеями, повсеместно используются в современной жизни - от коронок на зубы до современных композитов, используемых в строительстве. Тем не менее, оказалось чрезвычайно трудно изучить, как эти связи разрушаются и разрушаются, и как сделать их более устойчивыми к таким разрушениям.
Теперь исследователи из Массачусетского технологического института нашли способ непосредственно изучить эти нарушения связи, выявив решающую роль влаги в подготовке почвы для разрушения. Их выводы опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Science в статье профессоров гражданской и экологической инженерии Массачусетского технологического института Орала Буюкозтюрка и Маркуса Бюлера; научный сотрудник Курт Бродерик из Лаборатории технологий микросистем Массачусетского технологического института; и аспирант Денвид Лау, который с тех пор перешел на факультет Городского университета Гонконга.
«Проблема связи - это общая проблема, которая встречается во многих дисциплинах, особенно в медицине и стоматологии», - говорит Буюкозтюрк, чьи исследования сосредоточены на инфраструктуре, где такие проблемы также имеют большое значение. «Например, интерфейс между основным материалом и эпоксидной смолой действительно определяет свойства. Если интерфейс слабый, вы теряете всю систему».
«Композит может быть изготовлен из прочного и долговечного материала, соединенного с другим прочным и долговечным материалом, - добавляет Бююкозтюрк, - но то, что вы склеиваете, не обязательно должно быть прочным и долговечным».
Помимо зубных имплантатов и замены суставов, такое соединение также имеет решающее значение для строительных материалов, таких как полимеры, армированные волокном, и железобетон. Но хотя такие материалы широко распространены, понять, почему они выходят из строя, непросто.
Существуют стандартные методы проверки прочности материалов и их структурного разрушения, но склеенные поверхности моделировать сложнее. «Когда мы беспокоимся об ухудшении этого интерфейса, когда он разрушается под воздействием влаги, классические методы не могут справиться с этим», - говорит Буюкозтюрк. «Подойти к этому можно на молекулярном уровне».
Когда такие системы подвергаются воздействию влаги, «она инициирует новые молекулы на границе раздела, - говорит Бююкозтюрк, - и это мешает механизму связывания. Как вы оцениваете, насколько слабым становится интерфейс, когда на него воздействуют? придумал инновационный метод оценки ослабления интерфейса в результате воздействия окружающей среды."
В своей оценке команда использовала комбинацию молекулярного моделирования и лабораторных тестов. Моделирование было основано на фундаментальных принципах молекулярных взаимодействий, а не на эмпирических данных, говорит Буюкозтюрк.
В ходе лабораторных испытаний Буюкозтюрк и его коллеги контролировали остаточные напряжения в металлическом слое, который был склеен, а затем насильственно удален. «Мы проверили метод и показали, что влага оказывает разлагающее воздействие», - говорит он.
Выводы могут привести к поиску новых способов предотвращения попадания влаги в клеевой слой, возможно, с использованием более качественных герметиков. «Влажность - враг номер один», - говорит Буюкозтюрк.
«Я думаю, что это станет важным шагом на пути к оценке сцепления и позволит нам разработать более прочные композиты», - добавляет он. «Это дает количественную информацию о границе раздела» - например, прогнозирование того, что при определенных условиях данный связанный материал потеряет 30 процентов своей прочности.
Проблемы с интерфейсом универсальны, говорит Бююкозтюрк, они возникают во многих областях, помимо биомедицины и строительства. «Они встречаются в механических устройствах, в самолетах, в электрооборудовании, в корпусах электронных компонентов», - говорит он. «Мы считаем, что это будет иметь очень широкое применение».
Связанные композитные материалы начинают широко использоваться в производстве самолетов; часто эти композиты затем соединяются с традиционными материалами, такими как алюминий. «У нас недостаточно опыта, чтобы доказать, что эти композитные системы сохранят свою долговечность через 20 лет», - говорит Буюкозтюрк.
Синан Кетен, доцент кафедры машиностроения, гражданского и экологического строительства в Северо-Западном университете, который не участвовал в этом исследовании, говорит, что это «выдающееся исследование», которое «устраняет недостатки в нашем понимании отказа на стыке разнородные материалы. Такие интерфейсы повсеместно используются в композитах, тонких пленках и многих других системах, но измерение соответствующих свойств для оценки характеристик материалов проверяет пределы того, что можно наблюдать с помощью экспериментов и атомарного моделирования».
Кетен добавляет: «Я верю, что их совместные усилия, охватывающие теорию, эксперименты и моделирование на наноуровне, в конечном итоге сыграют важную роль в преобразовании того, как мы проектируем нашу искусственную среду».
Работа выполнена при поддержке Национального научного фонда.