Исследования эффекта памяти формы в «умном» пластике
Исследователи из Лаборатории иерархически структурированных материалов Инженерного центра Сколтеха в сотрудничестве с коллегами из Университета МИСИС и Объединённого института ядерных исследований впервые наблюдали наномасштабные превращения в полиэтилене сверхвысокой молекулярной массы — материале с эффектом памяти формы — в режиме реального времени.
Учёные продемонстрировали, что ключевые структурные изменения происходят при температуре около 80 °C, что является триггером для процесса восстановления формы материала. Полученные результаты открывают путь для создания материалов, которые могут эффективно реагировать на внешние стимулы, быстро возвращаясь к своей первоначальной форме.
Исследование было опубликовано в журнале [Physical Mesomechanics](https://link.springer.com/article/10.1134/S1029959924601490).
Полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы известен своей рекордной прочностью, износостойкостью и биосовместимостью. Однако не менее важным свойством является его способность «запоминать» свою первоначальную геометрию: после деформации изделие из него возвращается к своей форме при нагревании.
Этот эффект лежит в основе перспективных технологий — от искусственных мышц и саморазворачивающихся конструкций до умных имплантатов. Однако молекулярные и наноструктурные механизмы, запускающие восстановление формы, до конца не были изучены.
Для решения этой задачи команда провела уникальный эксперимент: они нагрели образец самоусиленного композита на основе волокон полиэтилена сверхвысокой молекулярной массы до 140 °C непосредственно в рентгеновском пучке, одновременно регистрируя малоугловое и широкоугловое рентгеновское рассеяние. Это позволило им отслеживать реорганизацию кристаллической и аморфной фаз с нанометровым разрешением в режиме реального времени.
Было обнаружено, что при температуре около 80 °C в материале вдоль направления волокон начинают происходить резкие изменения. Размер наноструктур увеличивается скачкообразно в 1,5 раза, а параметр размерности изменяется на 10 %.
Подобных изменений в поперечном направлении зафиксировано не было. Таким образом, было предложено, что движущей силой эффекта памяти формы является «выпрямление» и перестройка гибких аморфных цепей, которые, подобно сжатой пружине, возвращаются в исходное состояние при нагревании.
Понимание фундаментальных механизмов памяти формы открывает путь к созданию новых полимерных материалов с заданными свойствами. Инженеры смогут более точно программировать температуру активации и силу восстановления для конкретных применений — от микроскопических медицинских имплантатов, которые разворачиваются внутри тела при достижении температуры тела, до мощных приводов для человекоподобных роботов и систем сбора энергии.
«Наш эксперимент подобен съёмке сверхмедленного видео того, как невидимая наноструктура материала „оживает“ и начинает двигаться при нагревании», — говорит первый автор исследования, научный сотрудник Лаборатории иерархически структурированных материалов Инженерного центра Сколтеха Евгений Статник.
«Мы не просто зафиксировали изменения — мы связали их напрямую со свойствами материала на макроуровне. Теперь мы можем предложить, не эмпирически, а целенаправленно, как модифицировать структуру полимера для достижения желаемого эффекта памяти формы».
Предоставлено [Сколковским институтом науки и технологий](https://phys.org/partners/skolkovo-institute-of-science-and-technology/).