Команда разработала способ изготовления крохотных керамических объектов, которые не только гибкие, но и обладают «памятью» формы: при сгибании и последующем нагревании они возвращаются к своей первоначальной форме. Об этом неожиданном открытии сообщается на этой неделе в журнале Science в статье аспиранта Массачусетского технологического института Алана Лая, профессора Кристофера Шу и двух сотрудников из Сингапура.
Материалы с памятью формы, которые могут изгибаться, а затем возвращаться к своей первоначальной конфигурации в ответ на изменение температуры, были известны с 1950-х годов, объясняет Шу, профессор металлургии Даная и Василиса Салапатаса и глава отдела материаловедения и материаловедения Массачусетского технологического института. Инженерное дело. «Он был известен в металлах и некоторых полимерах, — говорит он, — но не в керамике."
По его словам, в принципе, молекулярная структура керамики должна сделать возможной память формы, но хрупкость материалов и склонность к растрескиванию были препятствием. «Идея существовала, но так и не была реализована», — говорит Шу. "Вот почему мы были так взволнованы."
Оказывается, ключ к созданию керамики с памятью формы заключался в маленьком мышлении.
Команда достигла этого двумя ключевыми способами. Во-первых, они создали крошечные керамические предметы, невидимые невооруженным глазом: «Когда вы делаете вещи маленькими, они более устойчивы к растрескиванию», — говорит Шу. Затем исследователи сосредоточились на том, чтобы отдельные кристаллические зерна охватывали всю мелкомасштабную структуру, удаляя границы кристаллического зерна, где наиболее вероятно возникновение трещин.
Эта тактика привела к получению крошечных образцов керамического материала — образцов с деформируемостью, эквивалентной примерно 7% их размера. «Большинство вещей могут деформироваться не более чем на 1 процент», — говорит Лай, добавляя, что обычная керамика не может даже так сильно согнуться без трещин.
«Обычно, если вы согнете керамику на 1 процент, она разобьется», — говорит Шу. Но эти крошечные волокна диаметром всего в 1 микрометр — одну миллионную метра — можно многократно сгибать на 7-8 процентов без каких-либо трещин, — говорит он.
Хотя микрометр довольно мал по большинству стандартов, на самом деле он не такой уж и маленький в мире нанотехнологий. «Это большой объем по сравнению с тем, над чем работают нанотехнологии», — говорит Лай.
Таким образом, эти материалы могут быть важными инструментами для разработчиков микро- и наноустройств, например, для биомедицинских приложений. Например, керамика с памятью формы может использоваться в качестве микроактюаторов для запуска действий в таких устройствах, таких как высвобождение лекарств из крошечных имплантатов.
По словам Шу, по сравнению с материалами, которые в настоящее время используются в микроактюаторах, прочность керамики позволит ей оказывать более сильное воздействие на микроприборы. «Микроактуация — это то, для чего мы думаем, что это может быть очень полезно», — говорит он, потому что керамический материал обладает «способностью толкать предметы с большой силой — самой высокой за всю историю» для своего размера.
Керамика, использованная в этом исследовании, была сделана из диоксида циркония, но те же методы должны применяться и к другим керамическим материалам. Цирконий — «одна из наиболее хорошо изученных керамических материалов», — говорит Лай, и уже широко используется в технике.
Он также используется в топливных элементах, считающихся многообещающим средством обеспечения электроэнергией автомобилей, домов и даже электросети. Хотя в таких применениях не было бы необходимости в эластичности, гибкость материала может сделать его более устойчивым к повреждениям.
По словам исследователей, материал сочетает в себе некоторые из лучших свойств металлов и керамики: металлы имеют более низкую прочность, но очень деформируемы, в то время как керамика имеет гораздо большую прочность, но почти не пластична — способность сгибаться или растягиваться без разрушения.
Недавно разработанная керамика, по словам Шу, обладает «керамической прочностью, но металлической пластичностью."
Помимо Шу и Лая, работу выполняли Зехуэй Ду и Чи Лип Ган из Технологического университета Наньян в Сингапуре.