Повышение жесткости перламутра

Научные отчеты, том 5, Номер статьи: 16452 (2015) Цитировать эту статью

2970 Доступов

35 цитат

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Слоистые сборки полимеров и производных графена используют проверенную стратегию перламутра, заключающуюся в интеркалировании мягких органических слоев с твердыми кристаллическими доменами. Эти слоистые системы обычно демонстрируют упругие свойства, которые превосходят предсказания простых правил смешивания, но молекулярная природа этого явления не совсем понятна. Здесь мы решаем эту проблему путем количественной оценки упругого поведения наноограниченных полимерных слоев на модельном слоистом нанокомпозите графен-полимер. Используя новый, проверенный подход крупнозернистого молекулярно-динамического моделирования, мы ясно показываем, что упругие свойства слоистых нанокомпозитов не могут быть описаны только соображениями объемной доли и сильно зависят как от межфазной энергии, так и от наноструктуры. Мы количественно оцениваем относительную важность наноудержания полимера и межфазной энергии для структуры и эластичности полимера и иллюстрируем обоснованность нашей модели для двух полимеров с разными собственными упругими свойствами. Наша теоретическая модель завершается фазовыми диаграммами, которые точно предсказывают упругий отклик нанокомпозитов на основе перламутра, учитывая все параметры конструкции материала. Наши результаты предоставляют широко применимые рекомендации по использованию наноконфайнмента для улучшения механических свойств послойных нанокомпозитов. Наши результаты также помогают объяснить, почему упругие свойства органических слоев в перламутре многократно отличаются от нативного и экстрагированного состояний.

Перламутр, или перламутр, — это внутренний слой раковин многих моллюсков. Он имеет наноструктуру типа кирпичного раствора, состоящую из хрупких неорганических пластинок арагонита и мягких слоев органического биополимера. Органические слои составляют менее 5% по весу, однако они повышают ударную вязкость на порядки благодаря множеству предложенных механизмов, таких как передача нагрузки посредством сдвиговой деформации, улавливание трещин при достижении мягкой матрицы или усиление ударной вязкости за счет возможности большой деформации. и вязкоупругость1,2. Учитывая, что перламутр обладает выдающимися свойствами, обусловленными послойной наноструктурой, в последнее время с использованием различных технологий стали изготавливать искусственные перламутровые нанокомпозиты. Модуль упругости и предел прочности на разрыв нанокомпозитов полимер-глина, полученных методом послойной сборки (LbL)4, даже превысили наблюдаемые в перламутре5,6,7. Достижения в области синтеза теперь позволяют создавать точные наноструктуры с полимерными слоями толщиной всего 2 нм. Ультратонкие слои обеспечивают очень высокую жесткость и ударную вязкость за счет минимизации объемной доли полимера, сохраняя при этом полезные характеристики8.

Ограничение полимерных слоев сверхтонкими размерами затрудняет измерение свойств мягкой фазы. Соображения механики линейного упругого разрушения предполагают, что несоответствие модулей между мягкой и твердой фазами должно быть высоким, чтобы способствовать нескольким механизмам упрочнения, предложенным для перламутра9,10,11,12,13,14,15. Предположение о объемных свойствах мягкой фазы может ввести в заблуждение, поскольку границы раздела (граничная поверхность, образованная между двумя различными фазами в материале) с твердыми слоями приводят к образованию областей мягкой фазы, которые расходятся с объемным поведением, которое приписывается межфазной (переходная область) между двумя разными фазами в материале) образование в нанокомпозитах. Систематические исследования синтетических нанокомпозитов показывают, что несколько молекулярных механизмов, таких как топологические ограничения, вызванные непроницаемыми пластинками, цепная адсорбция на поверхности и дисперсия нановключений, влияют на механические свойства полимерных нанослоев16,17,18. Эти механизмы в совокупности называются эффектами наноконфайнмента, и предполагается, что они могут способствовать исключительно высокому упругому отклику, наблюдаемому в перламутре и системах, вдохновленных перламутром. Большая часть косвенных доказательств этих эффектов получена из тонких полимерных пленок, которые демонстрируют резкие изменения в поведении стеклования из-за эффектов подложки, по аналогии со слоистыми нанокомпозитами19,20,21,22,23. Наноудержание тонких полимерных пленок вблизи твердых поверхностей с высокой энергией адгезии приводит к более высокой кажущейся температуре стеклования (Tg), а упругие свойства могут изменяться как выше, так и ниже (Tg)24,25,26,27. Масштаб длины, в котором изменяются эти свойства, так называемая межфазная ширина, является ключевым фактором, определяющим вязкоупругие свойства нанокомпозитов, хотя ее трудно измерить экспериментально15,24,28,29,30,31,32. Такие интерфазы также существуют в перламутре, о чем свидетельствуют эксперименты по наноиндентированию, АСМ-изображениям и моделированию методом конечных элементов12,33,34,35,36,37. Эти исследования сходятся во мнении, что модуль упругости органических слоев выше ожидаемого для органических слоев и находится в широком диапазоне 2–40 ГПа12,33,34,35,36,37. И наоборот, исследования фактических объемных свойств органических слоев показали, что модуль упругости органической фазы от 100 Па38 до 20–100 МПа39 с использованием различных экспериментальных методов. Мы отмечаем, что модели микромеханики и измерения, используемые для этих анализов, часто не учитывают анизотропию, которая может возникнуть в таких системах, как это наблюдается в полукристаллических нанокомпозитах полимер-глина40. Таким образом, эти полученные значения считаются типичными изотропными эквивалентными константами материала. Хотя очевидно, что органические слои, заключенные в своих нанослоях в перламутре и нанокомпозитах, вдохновленных перламутром, демонстрируют значительные различия в условиях наноконфайнмента, еще предстоит установить, как эти свойства зависят от таких факторов, как толщина слоя и межфазная энергия.