Дослідники виявили нову категорію матерії, яка порушує усталені правила матеріалознавства. Ці речовини, що отримали назву «комплексимери», мають парадоксальне поєднання властивостей: їх можна формувати з легкістю шибки, але при цьому вони мають ударну в’язкість, характерну для пластику.
Порушення традиційних правил поведінки скла та пластику
Щоб зрозуміти значущість цього відкриття, необхідно спочатку розібратися в природі склоподібних матеріалів. І шибка (кремній), і більшість видів пластику є аморфними ; на відміну від льоду, який при замерзанні утворює чітку кристалічну структуру, ці матеріали тверднуть, перетворюючись на випадкову, розпоряджену масу атомів.
Протягом десятиліть фундаментальне правило фізики свідчило, що між швидкістю плавлення матеріалу та його міцністю існує пряма залежність:
– Повільноплавкі матеріали (такі як шибка), як правило, крихкі і легко розбиваються при ударі.
– Швидкоплавкі матеріали (такі як більшість видів пластику), як правило, більш довговічні та стійкі до ударів.
Команда вчених з Вагенінгенського університету під керівництвом фізико-хіміка Яспера ван дер Гухта розробила матеріал, який повністю ігнорує цю кореляцію, зберігаючи високу міцність, незважаючи на повільний процес плавлення.
Як працюють комплекси: сила іонних зв’язків
Секрет цього матеріалу у його молекулярної архітектурі. У той час як у традиційних пластиках для утримання довгих молекулярних ланцюгів (полімерів) використовуються різні типи хімічних зв’язків, дослідники обрали інший підхід, щоб створити екологічно чисту альтернативу реактопластам.
Реактопласти — це високостабільні пластики, які, втім, дуже складно переробляти через їх надзвичайно міцні, «незворотні» хімічні зв’язки. Щоб вирішити цю проблему, вчені сконструювали комплекси, використовуючи:
1. Заряджені молекули: вони створюють «іонні зв’язки», засновані на принципі тяжіння протилежностей.
2. Дальнодіючі взаємодії: на відміну від стандартних хімічних зв’язків, ці іонні взаємодії охоплюють великі відстані, допомагаючи матеріалу залишатися компактним і стабільним навіть при нагріванні.
3. Водовідштовхувальні сполуки: вони гарантують, що молекулярні ланцюги не розпадуться при дії вологи.
Завдяки цим далекодіючим іонним взаємодіям матеріал уникає різкого розширення, що зазвичай спостерігається при плавленні, що дозволяє йому зберігати структурну цілісність навіть у процесі переходу з твердого стану в пластичний.
Потенційне застосування та наукове значення
Можливість маніпулювати такими матеріалами дає низку практичних переваг як для промисловості, так і для споживачів:
** Екологічне виробництво: ** Оскільки комплекси можна розплавити, вони є набагато більш придатною для переробки альтернативою реактопластам, які, будучи одного разу сформованими, практично не підлягають вторинній обробці.
* Легкість ремонту: На відміну від багатьох твердих пластиків, які при пошкодженні вимагають повної заміни, вироби на основі комплексімерів можна відновити, просто використовуючи будівельний фен, щоб «залікувати» подряпини або тріщини.
* Покращені засоби захисту: Ця технологія може в кінцевому підсумку призвести до створення високоміцних шоломів, що легко адаптуються, і захисного спорядження.
Крім практичного застосування, відкриття надає найважливішу підказку фізикам-теоретикам. Спостерігаючи за тим, як ці дальнодіючі взаємодії впливають на скло – процес переходу рідини в твердий стан, вчені, можливо, зможуть нарешті розробити більш універсальну теорію формування скла.
“Повільне плавлення також означає, що об’єкти на основі комплексімерів легше лагодити… достатньо нагріти пошкоджене місце феном, щоб відновити подряпину або тріщину”. – Яспер ван дер Гухт
Висновок: Використовуючи далекодіючі іонні зв’язки, комплексімери долають розрив між податливістю скла та довговічністю пластику, відкриваючи нові горизонти як для сталого виробництва, так і для фундаментальної фізики.
