Синтетическая зубная эмаль может стать идеальным материалом для авиационных приборов

6 марта 2017, 7:36 06.03.2017 0

Вибрации, возникающие на борту самолета и при работе других машин, со временем приводят к появлению микротрещин и износу деталей. Ученые из университета Мичигана, кажется, нашли решение этой проблемы: для конструкции бортового компьютера использовать материал, по структуре напоминающий зубную эмаль.

Синтетическая зубная эмаль может стать идеальным материалом для авиационных приборов

Большинство материалов, эффективно поглощающих вибрации – мягкие и не подходят для производства балок, шасси и приборных панелей самолета. На создание прочных материалов, способных выдерживать постоянные вибрации, ученых вдохновила сама природа.

«Искусственная эмаль – лучший из известных твердых коммерческих и экспериментальных материалов, эффективно амортизирующих вибрации. Более того, это более легкий и менее дорогой материал», -утверждает профессор факультета Химической инженерии ун. Мичигана Николай Котов.

К такому выводу ученые пришли не сразу. Первоначально были изучены многие животные структуры, способные выдерживать толчки и вибрации: кости, раковины, панцири, зубы. За миллиарды лет животный мир эволюционировал, так появлялись все новые подвиды, а старые – вымирали. Когда ученый рассмотрел под микроскопом зубную эмаль, то обнаружил, что зубы динозавра, кита, морского ежа и человека имеют одинаковую структуру эмали. Д-р Котов даже рассмотрел эмаль своего собственного зуба мудрости, чтобы убедиться в своей теории.

«В процессе эволюции каждая ткань организма претерпела существенные изменения, их структуры менялись, а вот структура зубной эмали осталась прежней».

Природа создала некую универсальную структуру для зубов. И в отличие от костной ткани, обладающей способностью к регенерации, зубная эмаль не меняется в течение всей жизни, а иногда и после смерти сохраняет прежнюю структуру. При этом она должна выдерживать постоянное давление и вибрации, не разрушаясь.

Структура эмали представляет собой колонны керамических кристаллов в матрице из белков, формирующих твердую защитную поверхность. В зависимости от назначения зуба таких слоев может быть несколько.

По словам д-ра Котова, данная структура хорошо поглощает вибрации, поскольку твердые наноразмерные колонны кристаллов сгибаются под воздействием внешнего давления, создавая трения с мягкими полимерами внутри эмали. Большая поверхность контакта между керамическими и белковыми компонентами способствует гашению энергии, которая в противном случае приводила бы к повреждению структуры эмали.

В лабораторных условиях исследователю из группы д-ра Котова Бонджин Эому удалось воссоздать структуру зубной эмали. Для этого на матрице растянули нанопроволку из оксида цинка, затем на эту обрешетку наложили два полимера, сдавивших нанопроволку, чтобы вышла лишняя жидкость из полимеров. Далее образец запекли, чтобы придать ему окончательную форму.

На создание одного микрометра искусственной эмали ушло 40 слоев из нанопроволки и полимера. Затем они повторили процесс еще 20 раз, чтобы получить образец для дальнейшего тестирования.

Между полимером и керамической проволокой могли остаться зазоры размером с молекулу, что могло повлиять на прочность материала и интенсивность трения, однако тщательная ручная работа по укладыванию слоя за слоем компонентов искусственной эмали гарантирует, что внутри структура идеально спаяна.

«Удивительные механические свойства органических материалов зависят от взаимодействия твердых и мягких структур на молекулярном уровне», - говорит д-р Котов.

Ученые продемонстрировали, что искусственная зубная эмаль обладает одинаковой способностью с природным аналогом по защите от повреждений, вызванных вибрациями. Было выполнено компьютерное моделирование, подтвердившее способность материала рассеивать энергию вибраций, благодаря взаимодействию между полимером и колоннами из оксида цинка.

Ученые надеются, что в будущем синтетическую эмаль начнут использовать в авиастроении и других сферах, где требуются виброустойчивые материалы, сохраняющие свою структуру и защищающие электронику от выхода из строя. Главная трудность на данные момент – найти способ автоматизировать производство созданного материала.

0 комментариев