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2018
02-02

自然材料使用液体增强材料


在大学的材料科学家正在寻找自然 - 在人类的脊椎和在海洋潜水鱼的皮肤 - 例如 - 关于设计与看似矛盾的属性 - 弹性和刚度材料的线索。

研究学者Peter Owuor,研究科学家Chandra Sekhar Tiwary和来自Rice教授Pulickel Ajayan和Jun Lou实验室的同事在“高级材料接口”(Advanced Materials Interfaces)期刊上发表的一项研究中发现,他们可以提高“刚性”或“弹性模量”一个软硅基聚合物注入液体镓的小口袋。

大自然启发了莱斯大学纳米材料实验室创造的有机硅和镓复合材料的设计。图片来源:Jeff Fitlow /莱斯大学

他们说,这种复合材料可以用于高能吸收材料和减震器,仿生结构如人造椎间盘。

Owuor说过去60年来,复合材料设计中的传统观念一直认为,加入更硬的物质会增加模量,增加更柔软的物质会降低模量。在大多数情况下,这是正确的。他说:“人们从来没有真的看过它。 “是否有可能在软件内添加一些软件,并获得更高模数的东西?如果你看看自然界,有很多例子可以找到你想要的。作为材料科学家,我们希望从生物学的角度来研究,而不是从生物学的角度来研究。“

例如,人体脊柱中的椎骨与减震器和韧带一样都是由坚韧的软骨外层和柔软的果冻状内部。而深潜海洋鱼类和哺乳类动物的外皮包含无数的微小的充满油脂的小室 - 有些不大于病毒,有些则大于整个细胞 - 这使动物能够承受数千英尺以下的巨大压力,表面。

镓在室温下是液体。 Rice大学材料科学系博士后研究员Tiwary说,选择模拟这些生命系统的基本材料相对比较容易,但找到一种将它们结合起来以模拟大自然的方法很困难。和NanoEngineering。

聚二甲基硅氧烷(或PDMS)被选为软胶囊层,原因很多:它廉价,惰性,无毒,广泛用于填缝剂和水族箱密封剂,化妆品和食品添加剂等。它也干得很清楚,很容易看到团队想要封装的液体泡沫。为此,研究人员选择了镓,就像室温下的汞是液体一样,但是与汞不同,它是无毒的并且相对容易处理。

Owuor表示花了将近四个月的时间才找到在PDMS内部封装镓气泡的配方。他的测试样本大约是一个小硬币的直径,厚达四分之一英寸。通过缓慢固化PDMS,Owuor开发了一种可以添加各种尺寸的镓液滴的工艺。一些样品含有一个大的内室,而另一些含有多达十几个离散的液滴。

每个样品都经过几十次测试。使用动态力学分析仪器测量在负载下材料变形的程度,以及在各种条件下测量刚度,韧性和弹性等各种测量。例如,在相对少量的冷却下,镓可以变成固体。因此,研究小组能够比较镓球体是液体时所采取的一些测量与球体固体时采取的措施。

印度班加罗尔科学研究所的合作者Roy Mahapatra和Shashishekarayya Hiremath使用有限元建模和流体动力学模拟来帮助团队分析材料在机械应力下的表现。在此基础上,研究人员确定液镓口袋比普通PDMS或具有充气口袋的PDMS具有更高的能量吸收和耗散特性。

“我们展示的是放液体 在一个坚实的内部并不总是会使它变得更加柔和,并且感谢我们的合作者,我们能够解释为什么是这样的情况,“Tiwary说。 “接下来,我们希望利用这种理解来尝试设计材料,以利用这些特性。”

Owuor和Tiwary说,仅仅使用纳米工程可能无法提供最大的效果。相反,大自然采用了具有不同尺寸特征的分级结构,可以在更大尺度上重复使用,就像在鱼皮的充油室中发现的那样。

Owuor说:“如果你观察(鱼的)膜,并且将它分开,那么就会有一个球体的大直径的球体,当你移动的时候,直径会继续减小。 “从整个范围看,这些小室从纳米到小尺度。 Tiwary说:“自然界中有重要的纳米尺度特征,但并不全是纳米尺度的。我们可能会发现仅靠纳米级的工程是不够的。我们希望看到能否以分层方式开始设计。“

Ajayan是Rice的材料科学和纳米工程系主任,Benjamin M.和Mary Greenwood Anderson工程学教授和化学教授。

这项研究是由空军科学研究办公室支持。额外的稻米合作者包括卢,Alin Chipara和罗伯特Vajtai。

来源:莱斯大学