Самые прочные и твердые природные материалы – ткани зуба и раковины морских моллюсков. Подобные свойства связаны с уникальной микроструктурой этих материалов: они состоят из слоев, содержащих множество соединенных микропластинок с одинаковой кристаллографической ориентацией.
Несмотря на то, что существующие методы позволяют создавать материалы, в точности имитирующие перламутр на поверхности ракушек, до недавнего момента не удавалось изготовить структуру, которая бы в точности соответствовала многослойной структуре раковины моллюска и обладала бы схожими свойствами.
Недавно группа исследователей во главе с профессором кафедры Комплексных материалов Андре Стюдартом разработала новую методику, позволяющую создавать искусственные образцы, имитирующие свойства естественных материалов. Ученым удалось создать прочный многослойный материал, по структуре аналогичный материалу зубов и морских раковин. Исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха впервые создали структуру из множества слоев с микропластинками, имеющими различную ориентацию в одном образце.
Процедура производства структуры получила название «шликерное формование с элементами магнитного метода» (magnetically assisted slip casting или MASC). «Самая удивительная особенность новой методики в том, что она создана на основе 100-летней технологии формования, улучшенной с помощью результатов современных исследований в области материаловедения», - говорит соавтор работы, Тобиас Нибель.
Возрождение 100-летней технологии
Рассмотрим подробнее инновационную методику MASC. Сначала в качестве формы ученые подготовили гипсовый слепок. Далее форму наполнили суспензией, содержащей магнитоактивные керамические пластины, такие как: частицы оксида алюминия. Благодаря пористой структуре гипсовой формы, стенки формы постепенно поглощают жидкость из состава суспензии, что приводит к упрочнению и затвердеванию материала от поверхности к центру.
Чтобы создать многослойную структуру материала, в процессе формовки ученые также применили магнитный метод, позволяющий изменять ориентацию частиц через равные интервалы. До тех пор, пока материал сохраняет жидкую форму, пластины керамики выстраиваются в определенной ориентации под воздействием магнитного поля. В затвердевшем материале пластины сохраняют заданную ориентацию.
Таким образом, благодаря определенному составу суспензии и возможности влиять на ориентацию пластин, в ходе формовки можно производить материал, состоящий из различных слоев с заданными свойствами. Подобная методика позволяет создавать комплексные материалы, имитирующие свойства природных материалов, таких как перламутр или эмаль зуба. «Наша технология сравнима с печатью на 3D-принтере, только процесс формовки занимает в 10 раз меньше времени и обходится дешевле», - говорит один из авторов исследования, д-р Флориан Бувилль.
Создание искусственных зубов путем формования
Чтобы продемонстрировать возможности новой технологии, авторы работы создали искусственный зуб, микроструктура которого повторяет структуру естественного зуба. Поверхностный слой изготовленного образца представляет собой твердый и сложный по структуре материал, тогда как внутренние слои имеют более мягкую структуру, по аналогии с твердой эмалью зуба и «мягким» дентином.
Одна из соавторов работы, аспирант Гортенз Леферранд в рамках лабораторного эксперимента изготовила гипсовую форму, взяв за образец зуб мудрости. Далее форму заполнили суспензией, содержащей оксид алюминия и наночастицы стекла. С помощью магнитного метода, ученые изменили ориентацию частиц, расположив их перпендикулярно к поверхности образца. После того, как первый слой затвердел, они залили в ту же самую форму другую суспензию, не содержащую частицы стекла. Частицы оксида алюминия в составе второй суспензии под воздействием магнитного поля были упорядочены горизонтально по отношению к поверхности образца.
Далее полученную двуслойную структуру подвергли процедуре спекания при температуре 1600 градусов, чтобы уплотнить и упрочить материал. Затем заполнили пустоты, образовавшиеся в процессе спекания, синтетическим мономером, который впоследствии полимеризировался.
Свойства искусственных зубов повторяют свойства естественных
Исследователи сообщают, что результаты эксперимента превзошли их ожидания. «Полученный образец по показателям прочности и твердости соответствует материалу естественного зуба», - говорит д-р Стюдарт. Процедура изготовления материала с данными свойствами может быть использована в стоматологии.
Тем не менее, ученый подчеркнул, что научная работа находится на начальном этапе, и образцы искусственных зубов пока можно лишь воспроизвести в лабораторных условиях. «Прежде чем материал можно будет использовать для изготовления зубных протезов, требуется значительно улучшить его эстетические свойства. Однако изготовление экспериментального образца доказывает тот факт, что создать композитный материал с заданными свойствами вполне возможно».
Ученые получили патент на методику магнитного воздействия и ориентации керамических частиц в процессе формования по технологии MASC.
Как сообщают исследователи, инновационная методика также может применятся и в других областях. К примеру, если заменить частицы оксида алюминия на частицы меди, то полученный композитный материал может быть востребован в области электроники. «Состав суспензии и ориентация частиц может быть задана в зависимости от необходимых свойств материала, таким образом, с помощью данной методики можно изготовить различные типы композитных материалов с заданными свойствами», - утверждает д-р Стюдарт.
Самые прочные и твердые природные материалы – ткани зуба и раковины морских моллюсков. Подобные свойства связаны с уникальной микроструктурой этих материалов: они состоят из слоев, содержащих множество соединенных микропластинок с одинаковой кристаллографической ориентацией.
Несмотря на то, что существующие методы позволяют создавать материалы, в точности имитирующие перламутр на поверхности ракушек, до недавнего момента не удавалось изготовить структуру, которая бы в точности соответствовала многослойной структуре раковины моллюска и обладала бы схожими свойствами.
Недавно группа исследователей во главе с профессором кафедры Комплексных материалов Андре Стюдартом разработала новую методику, позволяющую создавать искусственные образцы, имитирующие свойства естественных материалов. Ученым удалось создать прочный многослойный материал, по структуре аналогичный материалу зубов и морских раковин. Исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха впервые создали структуру из множества слоев с микропластинками, имеющими различную ориентацию в одном образце.
Процедура производства структуры получила название «шликерное формование с элементами магнитного метода» (magnetically assisted slip casting или MASC). «Самая удивительная особенность новой методики в том, что она создана на основе 100-летней технологии формования, улучшенной с помощью результатов современных исследований в области материаловедения», - говорит соавтор работы, Тобиас Нибель.
Возрождение 100-летней технологии
Рассмотрим подробнее инновационную методику MASC. Сначала в качестве формы ученые подготовили гипсовый слепок. Далее форму наполнили суспензией, содержащей магнитоактивные керамические пластины, такие как: частицы оксида алюминия. Благодаря пористой структуре гипсовой формы, стенки формы постепенно поглощают жидкость из состава суспензии, что приводит к упрочнению и затвердеванию материала от поверхности к центру.
Чтобы создать многослойную структуру материала, в процессе формовки ученые также применили магнитный метод, позволяющий изменять ориентацию частиц через равные интервалы. До тех пор, пока материал сохраняет жидкую форму, пластины керамики выстраиваются в определенной ориентации под воздействием магнитного поля. В затвердевшем материале пластины сохраняют заданную ориентацию.
Таким образом, благодаря определенному составу суспензии и возможности влиять на ориентацию пластин, в ходе формовки можно производить материал, состоящий из различных слоев с заданными свойствами. Подобная методика позволяет создавать комплексные материалы, имитирующие свойства природных материалов, таких как перламутр или эмаль зуба. «Наша технология сравнима с печатью на 3D-принтере, только процесс формовки занимает в 10 раз меньше времени и обходится дешевле», - говорит один из авторов исследования, д-р Флориан Бувилль.
Создание искусственных зубов путем формования
Чтобы продемонстрировать возможности новой технологии, авторы работы создали искусственный зуб, микроструктура которого повторяет структуру естественного зуба. Поверхностный слой изготовленного образца представляет собой твердый и сложный по структуре материал, тогда как внутренние слои имеют более мягкую структуру, по аналогии с твердой эмалью зуба и «мягким» дентином.
Одна из соавторов работы, аспирант Гортенз Леферранд в рамках лабораторного эксперимента изготовила гипсовую форму, взяв за образец зуб мудрости. Далее форму заполнили суспензией, содержащей оксид алюминия и наночастицы стекла. С помощью магнитного метода, ученые изменили ориентацию частиц, расположив их перпендикулярно к поверхности образца. После того, как первый слой затвердел, они залили в ту же самую форму другую суспензию, не содержащую частицы стекла. Частицы оксида алюминия в составе второй суспензии под воздействием магнитного поля были упорядочены горизонтально по отношению к поверхности образца.
Далее полученную двуслойную структуру подвергли процедуре спекания при температуре 1600 градусов, чтобы уплотнить и упрочить материал. Затем заполнили пустоты, образовавшиеся в процессе спекания, синтетическим мономером, который впоследствии полимеризировался.
Свойства искусственных зубов повторяют свойства естественных
Исследователи сообщают, что результаты эксперимента превзошли их ожидания. «Полученный образец по показателям прочности и твердости соответствует материалу естественного зуба», - говорит д-р Стюдарт. Процедура изготовления материала с данными свойствами может быть использована в стоматологии.
Тем не менее, ученый подчеркнул, что научная работа находится на начальном этапе, и образцы искусственных зубов пока можно лишь воспроизвести в лабораторных условиях. «Прежде чем материал можно будет использовать для изготовления зубных протезов, требуется значительно улучшить его эстетические свойства. Однако изготовление экспериментального образца доказывает тот факт, что создать композитный материал с заданными свойствами вполне возможно».
Ученые получили патент на методику магнитного воздействия и ориентации керамических частиц в процессе формования по технологии MASC.
Как сообщают исследователи, инновационная методика также может применятся и в других областях. К примеру, если заменить частицы оксида алюминия на частицы меди, то полученный композитный материал может быть востребован в области электроники. «Состав суспензии и ориентация частиц может быть задана в зависимости от необходимых свойств материала, таким образом, с помощью данной методики можно изготовить различные типы композитных материалов с заданными свойствами», - утверждает д-р Стюдарт.
Читайте также:
Статьи от брендов
0 комментариев