Совместная команда исследователей из Лаборатории иерархически структурированных материалов Центра системного проектирования Сколтеха, НИТУ МИСИС и Объединенного института ядерных исследований впервые осуществила регистрацию наномасштабных изменений в сверхвысокомолекулярном полиэтилене – материале с эффектом памяти формы – в процессе их протекания. Специалисты выяснили, что основные структурные перестройки происходят при температуре приблизительно 80 °C, поскольку именно этот показатель запускает восстановление формы материала. Полученные данные открывают возможности для разработки материалов, демонстрирующих высокую чувствительность к внешним факторам и способных быстро возвращаться к своей первоначальной конфигурации. Исследование представлено в журнале Physical Mesomechanics.
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен характеризуется исключительной прочностью, устойчивостью к износу и биосовместимостью. Не менее значимым является и его способность «запоминать» первоначальную форму: при нагревании изделие возвращается к исходным параметрам после деформации. Данное свойство является основой для разработки инновационных технологий, таких как искусственные мышцы, самораскладывающиеся конструкции и интеллектуальные импланты. Однако молекулярные и наноструктурные процессы, определяющие восстановление формы, остаются малоизученными.
Для решения данной проблемы команда осуществила новаторский эксперимент: образец самоармированного композита, созданного на основе волокон сверхвысокомолекулярного полиэтилена, подвергли нагреву до 140 °C под воздействием рентгеновского излучения, фиксируя как малоугловое, так и широкоугловое рассеяние. Это дало возможность в реальном времени, с нанометровым разрешением, наблюдать за перестройкой кристаллических и аморфных фаз.
При температуре приблизительно 80 °C в материале наблюдаются выраженные изменения, ориентированные вдоль волокон. Размер наноструктур резко возрастает в полтора раза, а параметр размерности изменяется на 10%. Аналогичных изменений в поперечном направлении не выявлено. Таким образом, установлено, что причиной эффекта памяти формы служит «распрямление» и реорганизация гибких аморфных цепочек, которые, подобно сжатой пружине, возвращаются к первоначальному состоянию при нагревании.
Разобравшись в основных принципах запоминания формы, можно разработать новые полимерные материалы с заранее определенными характеристиками. Это позволит инженерам более точно настраивать температуру, при которой материал активируется, и усилие, необходимое для его восстановления, для широкого спектра задач: от миниатюрных медицинских устройств, способных раскрываться внутри организма при нагревании до температуры тела, до мощных приводов для роботов, имитирующих человеческие движения, и систем, преобразующих энергию.