Ученые из МФТИ с коллегами из Университета Дьюка (США) выяснили, что количество энергии, необходимое для разрыва полимерных сеток, может значительно превышать энергию разрыва ее цепочек. Большая часть этой энергии тратится не на разрыв цепей, а на деформацию древовидной внутренней структуры материала. Обнаруженный механизм позволит создавать более прочные полимерные материалы. Результаты исследования представлены в международном научном журнале Macromolecules.
Полимеры разной степень сложности окружают нас повсюду: от промышленности до медицины. В подавляющем большинстве это полимерные сети: в своей внутренней структуре это не сплошное упругое тело, а система, которая состоит из древовидных «жидкоподобных» структур полимерных цепей.
Высокая разрывная прочность таких полимерных сеток объясняется главным образом тем, что макромолекулы могут достигать высокой степени ориентации относительно друг друга и иметь большую плотность и разветвленность упаковки, что приводит к возникновению многочисленных межмолекулярных связей с высокой суммарной энергией.
Ученые МФТИ в партнерстве с зарубежными коллегами исследовали механизм образования разрыва в полимерных сетках и выяснили, что для образования трещины недостаточно разорвать одну полимерную цепочку, требуется повлиять на все «дерево» полимерных цепей в сетках.
«Мы модифицировали теорию Лейка — Томаса, которая объясняет молекулярные детали сетевого соединения при распространении трещины в полимерных сетях. Эта теория описывает не только энергию, запасенную в разрывающихся цепочках сетки, но и энергию связей в древовидной структуре из цепочек, которая остается неизменной по мере распространения трещины. Энергия, запасенная в каждом из поколений этого «дерева», зависит от индекса поколения из-за нелинейной упругости растянутых цепей сети. Кроме того, энергия, необходимая для разрыва мостиковой цепочки, соединяющей две поверхности трещины, необязательно определяется энергией, запасенной в самой цепочке, а в более высоких поколениях “дерева”», — рассказал Сергей Панюков, соавтор исследования, доцент кафедры теоретической физики МФТИ.
Таким образом, работа, которую необходимо совершить для разрыва сложного полимерного материала, зависит не только от прочности цепей сетки, но и от прочности древовидной структуры материала, которая зависит от числа «поколений» этого дерева. Следовательно, чем более разветвленная и многоуровневая структура в полимерном материале, тем он прочнее на разрыв.
Схематическое изображение древовидной структуры с функциональностью перекрестных связей в вершине трещины. Источник: Macromolecules
Второй вывод, который получили исследователи при построении новой модели, связан с включением в сети молекул-механофоров. Механофоры — это механически активные молекулы в самой структуре полимера, которые способны вызывать ряд химических реакций при воздействии на них.
«По сравнению с “сильными” механофорами (активируются только в мостиковой цепи полимера), “слабые” механофоры, которые могут работать как в мостиковой цепи, так и в других генерациях, способны обеспечить более интенсивное рассеивание энергии внутри материала, упрочняя его», — добавил Сергей Панюков.
Обновленная модель, полученная в результате исследования, дает возможность создания более совершенных полимерных сетей с повышенными прочностными характеристиками.
