사람의 머리카락보다 작은 매듭은 재료를 비정상적으로 단단하게 만듭니다.

[아름이]

사람의 머리카락보다 작은 매듭은 재료를 비정상적으로 단단하게 만듭니다.
날짜:
2023년 3월 9일
원천:
캘리포니아 공과대학
요약:
작은 매듭으로 만들어진 마이크로 구조 재료는 매듭이 없는 재료보다 더 강하고 내구성이 뛰어납니다.

전체 이야기
나노 및 마이크로 아키텍처 재료의 최신 발전에서 Caltech의 엔지니어는 상호 연결된 수많은 마이크로 스케일 매듭으로 만든 새로운 재료를 개발했습니다.

매듭은 구조가 동일하지만 매듭이 없는 재료보다 재료를 훨씬 더 단단하게 만듭니다. 재료는 더 많은 에너지를 흡수하고 더 많이 변형될 수 있지만 손상되지 않은 상태로 원래 모양으로 돌아갈 수 있습니다. 이 새로운 결절 재료는 내구성, 가능한 생체 적합성 및 극도의 변형성으로 인해 항공 우주 응용 분야뿐만 아니라 생물 의학 응용 분야를 찾을 수 있습니다.

"재료 변형성과 인장 인성(깨지지 않고 늘어날 수 있는 능력) 사이의 일반적인 상충 관계를 극복할 수 있는 능력은 매우 유연하고 내구성이 있으며 극한 조건에서 작동할 수 있는 장치를 설계하는 새로운 방법을 제공합니다."라고 이전 Caltech 졸업생은 말했습니다. 학생 Widianto P. Moestopo(MS '19, PhD '22), 현재 Lawrence Livermore 국립 연구소에 있음. Moestopo는 3월 8일 Science Advances에 발표된 나노 크기의 매듭에 관한 논문의 주 저자입니다 .

Moestopo는 Julia R. Greer, Ruben F. 및 Donna Mettler 재료 과학, 역학 및 의료 공학 교수의 연구실에서 재료 개발을 도왔습니다. Kavli Nanoscience Institute의 Fletcher Jones Foundation 이사; Science Advances 논문 의 수석 저자입니다 . Greer는 이러한 나노 건축 재료, 즉 구조가 나노미터 규모로 설계되고 구성되어 결과적으로 특이하고 종종 놀라운 특성을 나타내는 재료를 만드는 데 앞장서고 있습니다.

"매듭이 마이크로 아키텍처 재료의 기계적 반응에 어떤 영향을 미치는지 이해하는 작업에 착수한 것은 새로운 기발한 아이디어였습니다."라고 Greer는 말합니다. "우리는 격자 및 직조 재료와 같은 다른 많은 유형의 마이크로 직물의 기계적 변형 연구에 대한 광범위한 연구를 수행했습니다. 매듭의 세계로 모험을 떠나 마찰과 에너지 소산의 역할에 대한 더 깊은 통찰력을 얻을 수 있었습니다. 의미 있는 것으로 나타났다"

각 매듭은 높이와 너비가 약 70마이크로미터이고 각 섬유의 반경은 약 1.7마이크로미터(사람 머리카락 반경의 약 100분의 1)입니다. 이것은 지금까지 만들어진 가장 작은 매듭은 아니지만(2017년 화학자들은 개별 원자 가닥으로 만든 매듭을 묶었습니다) 이 규모의 수많은 매듭으로 구성된 재료가 만들어진 것은 이번이 처음입니다. 또한, 예를 들어 생체 의학에서 봉합 또는 테더링을 위해 재료에 이러한 나노 크기의 매듭을 포함하는 잠재적 가치를 보여줍니다.

폴리머로 만들어진 매듭이 있는 재료는 매듭이 없는 대신 개별 가닥이 서로 짜여진 것을 포함하여 구조적으로 동일하지만 매듭이 없는 재료를 훨씬 능가하는 인장 인성을 나타냅니다. 매듭이 없는 소재와 비교했을 때 매듭이 있는 소재는 92% 더 많은 에너지를 흡수하고 잡아당겼을 때 두 배 이상의 변형이 필요합니다.

매듭은 묶이지 않고 나노 크기의 구조를 생성할 수 있는 고급 고해상도 3D 리소그래피를 사용하여 매듭이 있는 상태로 제조되었습니다. Science Advances 논문 에 자세히 설명된 샘플에는 재료가 늘어나는 동안 추가 에너지를 흡수하기 위해 추가 마찰을 제공하는 추가 꼬임이 있는 오버핸드 매듭인 단순한 매듭이 포함되어 있습니다. 앞으로 팀은 더 복잡한 매듭으로 구성된 재료를 탐색할 계획입니다.

매듭에 대한 Moestopo의 관심은 2020년 COVID-19 봉쇄 기간 동안 수행한 연구에서 비롯되었습니다. "순전히 수학적 의미의 매듭이 아닌 물리적 매듭의 역학을 연구하는 연구자들의 작품을 접했습니다. 나는 스스로를 등산가, 선원, 수학자라고 생각하지 않지만 평생 동안 매듭을 묶었습니다. 그래서 내 디자인에 매듭을 삽입할 가치가 있다고 생각했습니다."라고 그는 말합니다.

출처 : https://www.sciencedaily.com/