Zdaniem naukowców zajmujących się materiałami z Rice University cienka powłoka z miękkiego polimeru może pomóc w zapobieganiu pękaniu sękatych struktur ceramicznych.
Ceramika wykonana na drukarkach 3D pęka pod wpływem naprężeń, jak każdy talerz czy miska. Ale po pokryciu miękkim polimerem utwardzanym w świetle ultrafioletowym te same materiały mają znacznie większą szansę na zachowanie swojej integralności strukturalnej, podobnie jak szkło poddane obróbce przedniej szyby samochodu jest mniej podatne na pękanie.
Badania w Brown School of Engineering firmy Rice, opisane w artykule w Science Advances , demonstrują tę koncepcję na schwarzytach, złożonych sieciach, które przez dziesięciolecia istniały tylko jako teoria, ale teraz można je wykonać za pomocą drukarek 3D. Po dodaniu polimerów zaczynają przypominać struktury występujące w naturze, które składają się z utwardzonych płytek w matrycy biopolimerowej, takich jak muszle i kości.
Schwarzyty zostały nazwane na cześć niemieckiego naukowca Hermanna Schwarza. W latach 80. XIX wieku postawił hipotezę, że te „negatywnie zakrzywione” konstrukcje mogą być używane wszędzie tam, gdzie potrzebne są bardzo mocne, ale lekkie materiały, od baterii po kości po budynki.
Naukowcy, kierowani przez naukowców zajmujących się materiałami z ryżu Pulickela Ajayana i Muhammada Rahmana oraz studenta i głównego autora Seyeda Mohammada Sajadiego, udowodnili poprzez eksperymenty i symulacje, że powłoka polimerowa o grubości nie większej niż 100 µm sprawi, że kruche schwarzyty będą do 4,5 razy bardziej odporne na katastrofy, złamania. Konstrukcje mogą nadal pękać pod naciskiem, ale nie rozpadną się.
„Wyraźnie widzieliśmy, że niepowlekane struktury są bardzo kruche” – powiedział Rahman, naukowiec z Rice. „Ale kiedy poddamy powlekane struktury ściskaniu, przejmą one obciążenie, aż całkowicie się rozbiją. I co ciekawe, nawet wtedy nie pękają całkowicie na kawałki. Pozostają zamknięte jak szkło laminowane”.
Zespół, którego członkowie byli na Węgrzech, w Kanadzie i Indiach, stworzył komputerowe modele struktur, a następnie wydrukował je za pomocą ceramicznego „atramentu” nasączonego polimerem. Ceramikę utwardzano w locie światłem ultrafioletowym w drukarce, a następnie zanurzano w polimerze i ponownie utwardzano.
Wraz z niepowlekanymi schwarzytami kontrolnymi skomplikowane bloki poddano następnie działaniu wysokiego ciśnienia. Kontrolne schwarzyty roztrzaskały się zgodnie z oczekiwaniami, ale powłoka polimerowa zapobiegła rozprzestrzenianiu się pęknięć w pozostałych, pozwalając strukturom zachować swój kształt.
Naukowcy porównali również schwarzyty z powlekaną, litą ceramiką i stwierdzili, że porowate struktury są z natury twardsze. „Architektura zdecydowanie odgrywa rolę” – powiedział Sajadi. „Widzieliśmy, że jeśli pokryjemy solidną strukturę, działanie polimeru nie będzie tak skuteczne, jak w przypadku schwarzytu”.
Według Ajayana powłoki zachowywały się trochę jak naturalne materiały, które naśladują, z polimerem wnikającym w defekty ceramiki i zwiększającym ich odporność.
Kilka zastosowań konstrukcyjnych mogłoby potencjalnie skorzystać z takiej ceramiki wzmocnionej polimerami, a ich biokompatybilność może również sprawić, że będą one odpowiednie dla protetyki. „Jestem prawie pewien, że jeśli zdołamy zoptymalizować te struktury topologicznie, obiecują one również zastosowanie jako biorusztowania” – powiedział Rahman.
