Cənubi Florida Universiteti tərəfindən

redaktə edən: Gaby Clark , rəy verən: Robert Egan

 Redaktorların qeydləri

 GIST

Tercih edilən mənbə kimi əlavə edin

Kredit: Unsplash/CC0 İctimai Sahə

Hər dəfə maşın sürdüyünüzdə, təyyarəyə mindiyinizdə və ya qazonunuzu suladığınızda, təxminən bir əsrdir ki, müasir həyatı sakitcə idarə edən bir materiala – möhkəmləndirilmiş rezinə etibar edirsiniz. Bu, avtomobil və təyyarə şinlərində, sənaye möhürlərində, tibbi cihazlarda və saysız-hesabsız gündəlik məhsullarda mövcuddur. Bununla belə, geniş yayılmasına və 260 milyard dollarlıq qlobal şin sənayesində mərkəzi roluna baxmayaraq, elm adamları onun niyə bu qədər yaxşı işlədiyini heç vaxt tam başa düşməyiblər. İndiyə qədər.

Rezin qırılmasının uzun müddətdir davam edən sirri

Cənubi Florida Universitetinin mühəndislik professoru Devid Simmonsun rəhbərlik etdiyi tədqiqat qrupu materialşünaslığın ən qədim sirrlərindən birini həll etdi: Karbon qarası kimi tanınan kiçik hissəciklərin əlavə edilməsi yumşaq, elastik rezinləri tam yüklənmiş reaktiv təyyarənin çəkisini daşıya biləcək qədər güclü bir şeyə necə çevirir. Bu həftə Proceedings of the National Academy of Sciences jurnalında dərc olunan tapıntılar cavab verir və daha təhlükəsiz və daha uzunömürlü materialların necə dizayn ediləcəyi barədə yeni bir düşüncə tərzi təklif edir.

“Necə olur ki, biz bunu 80, 90, 100 ildir istifadə edirik və onun necə işlədiyini bilmirik?” Simmons dedi. “Bu, böyük sınaq və səhv yolu ilə baş verib. Təkər şirkətləri müxtəlif dərəcəli karbon qarası – əsasən də his – ala bilərlər və onlar sadəcə sınaq və səhv yolu ilə nəyə daha çox pul ödəməyin, nəyə isə dəyər olmadığını müəyyən etməlidirlər.”

Atom səviyyəsində rezin simulyasiyası

Təxminən 15 illik hesablama müddətini əhatə edən 1500 molekulyar dinamika simulyasiyasını işlətdikdən sonra tədqiqatçılar rəqabət aparan nəzəriyyələri birləşdirdilər və əsl mexanizmi – rezinləri öz sıxılmazlığı ilə mübarizə aparmağa məcbur edən Puasson nisbəti uyğunsuzluğu adlanan bir fenomeni ortaya qoydular.

Gücləndirilmiş rezin üçün əsas resept son əsrdə çox az dəyişib. Rezinaya mikroskopik hissəciklər – adətən karbon qarası – əlavə edildikdə material xeyli sərtləşir və daha davamlı olur. Buna görə də təkərlər qara rəngdədir və illərlə aşınmaya, istiliyə və təkrarlanan stressə tab gətirə bilir, dağılmadan.

Simmons bildirib ki, bu çevrilmənin səbəbləri alimlər üçün hələ də aydın deyil və bu, “artıq onilliklərdir ki, böyük bir müzakirəyə” səbəb olub.

Bəziləri hissəciklərin rezin içərisində zəncirvari şəbəkələr əmələ gətirdiyini irəli sürdü. Digərləri isə hissəciklərin yapışqan kimi hərəkət edərək ətrafındakı materialı sərtləşdirdiyini iddia etdi. Digərləri isə hissəciklərin sadəcə yer tutduğunu və rezin daha çox uzanmasına səbəb olduğunu düşünürdülər.

Hər bir nəzəriyyə tam mənzərəni əks etdirə bilmədi.

Simmons və komandası müxtəlif prosesləri birbaşa müşahidə etməyə çalışmaq əvəzinə, nanoskal ölçülərinə görə demək olar ki, qeyri-mümkün olan bir proses əvəzinə, onları virtual olaraq yenidən yaratdılar.

Simmons, USF postdoktorantura alimi Pierre Kawak və doktorant Harshad Bhapkar ilə birlikdə, yüz minlərlə atomun möhkəmləndirilmiş rezin içərisində necə qarşılıqlı təsir etdiyini modelləşdirmək üçün qabaqcıl molekulyar simulyasiyalardan istifadə etdi.

Karbon qarasının real quruluşunu və rezin içərisində necə yayıldığını daha yaxşı əks etdirmək üçün mövcud modelləri təkmilləşdirməklə, onlar təcrübələrin edə bilmədiyi şəkildə materiala daxil oldular.

Simmons dedi: “Söhbət sözün əsl mənasında 15 il ərzində simulyasiya işlətdiyimizdən getmir. Bu o deməkdir ki, əgər noutbukunuzdan istifadə edərək bir saat ərzində hesablama aparsanız və altı nüvəli bütün noutbuku işlətsəniz, bu, altı hesablama saatı olardı. Biz USF-in çoxlu nüvəli böyük hesablama klasterindən aylarla istifadə etdik.”

Rezin necə öz-özünə mübarizə aparır

Bu irəliləyiş, materialların dartıldıqda formasının necə dəyişdiyini ölçən Puasson nisbəti ətrafında cəmləşmişdi.

Simmons bunu möhürlənmiş, su ilə doldurulmuş şprisin porşenini geri çəkməyə bənzədir. Su asanlıqla sıxılmır, ona görə də nə qədər çox çəksəniz, bir o qədər çox müqavimət hiss edirsiniz.

Rezin də həcm dəyişikliklərinə güclü müqavimət göstərir. Adi rezin bantı uzatmaq onu uzandıqca incəldir və həcmini əsasən dəyişməz saxlayır.

Lakin karbon qara hissəcikləri rezinə əlavə edildikdə, onlar kiçik dayaqlar kimi hərəkət edir və onun normalda olduğu qədər incəlməsinin qarşısını alır. Material dartıldıqda, həcmini artırmağa məcbur olur və bu da güclü müqavimət göstərir.

Əslində, rezin “özü ilə mübarizə aparır” və sərtlik və möhkəmlikdə kəskin artım yaradır.

Diqqətəlayiq haldır ki, tapıntılar əvvəlki nəzəriyyələri təkzib etmir, əksinə onları birləşdirir.

Komanda əvvəllər təklif edilən mexanizmlərin – hissəcik şəbəkələri, yapışqan qarşılıqlı təsirlər və məkanı doldurma effektləri daxil olmaqla – həcm müqaviməti davranışına töhfə verdiyini aşkar etdi. Rəqabətli izahlar əvəzinə, onlar daha böyük bir tapmacanın parçalarıdır.

Tədqiqatçılar onları vahid bir çərçivəyə inteqrasiya etməklə rezin möhkəmləndirmənin ilk hərtərəfli izahını yaratdılar.

Gündəlik məlumat üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosdakı ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz bülletenimizə abunə olun və vacib olan nailiyyətlər, innovasiyalar və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniliklərdən xəbərdar olun .

Sınaq və səhvdən dəqiq dizayna qədər

Bu irəliləyiş ilkin modellərin uğursuzluğundan sonra baş verdi. Simulyasiyalar real dünya məlumatlarına uyğun gəlmədikdə, komanda əvvəlki elmi ədəbiyyatdan ideyaları öz yanaşmalarına daxil etdi. Nəticədə müşahidə olunan davranışla uyğunlaşan bir model yarandı.

Təkər sənayesi və istehlakçılar üçün tapıntılar potensial olaraq transformativdir.

Təkər dizaynının “Sehrli Üçbucağı” yanacaq səmərəliliyini, dartma qabiliyyətini və davamlılığını eyni zamanda artırmağı hədəfləyir ki, bu da demək olar ki, qeyri-mümkün bir tarazlaşdırma hərəkətidir. Bir və ya iki nəticəni artırmaq çox vaxt üçüncüsünün hesabına başa gəlir.

İndiyə qədər istehsalçılar bu güzəştləri sınaq və səhv yolu ilə həll edirdilər ki, bu da bahalı və vaxt aparan bir prosesdir.

Gücləndirilmiş rezinin əslində necə işlədiyini daha yaxşı başa düşməklə mühəndislər materialları daha dəqiq dizayn etməyə başlaya bilərlər. Nəticədə, daha uzunömürlü, yaş şəraitdə daha yaxşı tutuşa malik və yanacaq qənaətini bir anda artıran təkərlər əldə edilə bilər.

Simmons dedi: “Mübarizə həmişə üçdən ikisindən çoxunun yaxşı olması üçündür və sınaq və səhv yalnız bu qədər irəliləməyə kömək edir. Bu tapıntılarla biz təkərlərin rasional dizaynı üçün yeni bir təməl qoyuruq.”

Təhlükəsizlik və infrastruktur üçün daha geniş risklər

Təsir təkərlərdən kənara çıxır, çünki gücləndirilmiş rezin elektrik stansiyalarından tutmuş aerokosmik sistemlərə qədər müxtəlif vacib infrastrukturlarda istifadə olunur. Materiallardakı keçmiş nasazlıqlar bəzən fəlakətli olub, o cümlədən 1986-cı ildə baş verən “Çellencer” kosmik gəmisinin qəzası da daxil olmaqla .

Simmons dedi: “Yadınızdadırsa, Challenger-in sıradan çıxmasının səbəbi çox soyuyan rezin conta idi. Bir çox enerji sistemlərində, elektrik stansiyalarında rezin hissələr var. Hər kəsin bağ şlanqında rezin conta sıradan çıxdığı üçün sızma baş verib. İndi təsəvvür edin ki, bu, elektrik stansiyasında və ya kimya zavodunda baş verir.”

Nəşr detalları

Pierre Kawak və digərləri, Şüşə interfazaları gərginlik altında həcm genişlənməsini artıraraq elastomer nanokompozitləri gücləndirir, Milli Elmlər Akademiyasının materialları (2026). DOI: 10.1073/pnas.2528108123

Jurnal məlumatları: Milli Elmlər Akademiyasının materialları 

Cənubi Florida Universiteti tərəfindən təmin edilir