Аннотация:
Во время Второй мировой войны союзники предложили причудливую идею — использовать композитный материал под названием Пайкрит, смешанный со льдом и древесной массой, для строительства огромного взрывостойкого ледового авианосца. Теперь, вдохновленные этим историческим предположением, научные исследователи успешно разработали новый конструкционный материал под названием «суперлед» с качественным скачком в производительности благодаря современным нанотехнологиям и композитным структурам на биологической основе. Его прочность на сжатие примерно в 10 раз выше, чем у обычного льда, и он полностью преодолевает фатальную слабость традиционного льда, который легко ломается.
Как чрезвычайно распространенный и дешевый природный ресурс в чрезвычайно холодных регионах, лед долгое время было трудно использовать в качестве надежного несущего конструкционного материала из-за его высокой хрупкости. Хотя обычный чистый лед имеет определенную твердость, при ударе или воздействии на него неравномерной силы крошечные внутренние трещины распространяются по нему с чрезвычайно высокой скоростью, в результате чего вся конструкция катастрофически разрушается в одно мгновение без предупреждения. Хотя паркерит во время Второй мировой войны доказал, что волокно может предотвращать распространение трещин, его микроскопическая прочность связи и физические свойства все еще были плохими из-за технических условий того времени.
Чтобы полностью преодолеть это узкое место в механике материалов, научно-исследовательская группа начала с молекулярного и наномасштаба, интегрируя растительную целлюлозу (например, кристаллы наноцеллюлозы) и специальные молекулы белка в воду в точных пропорциях для замораживания и кристаллизации. В процессе замораживания молекул воды эти высокодисперсные биологические нановолокна чередуются и переплетаются между частицами кристаллов льда, образуя плотную трехмерную армированную сеть; в то же время молекулы белка обеспечивают прочную межмолекулярную адгезию на границе раздела, эффективно предотвращая постоянное проникновение и неконтролируемое расширение микротрещин внутри кристаллов льда.
Данные механических испытаний показывают, что предел сжатия этого нового типа «суперледа» примерно в десять раз превышает предел сжатия обычного льда, что сопоставимо с механической несущей способностью некоторых цементных растворов технического класса. Что еще более революционно, так это его прочность: эксперименты подтвердили, что материал может поглощать в 70 раз большую энергию механического удара, чем обычный лед, прежде чем полностью сломаться и разрушиться. Даже когда поверхность повреждена сильным ударом, переплетенные нановолокна внутри нее «закрепят» матрицу, демонстрируя характеристики прогрессивной деформации, аналогичные прочным композитным материалам, полностью прощаясь с хрупкими свойствами традиционного разрушения и дробления льда.
Помимо превосходной физической и механической прочности, этот материал также обладает экологическими качествами, такими как чистое биоразложение, нулевые выбросы углерода и использование местных материалов. Исследователи отметили, что этот новый тип прочного армированного льда представляет собой привлекательный и недорогой набор инструментов для конструкционных материалов для строительства инфраструктуры полярных научно-исследовательских станций, временных инженерных сооружений в альпийских зонах вечной мерзлоты, полярной холодовой цепи, защиты хранения и транспортировки и даже инженерного использования ресурсов полярного водяного льда на Луне или Марсе в будущем.
Комментарии