Улучшенная теория трещин в полимерах поможет создать более прочные материалы

Полимеры разной степени сложности окружают нас повсюду: от промышленности до медицины. В подавляющем большинстве они представляют собой систему древовидных «жидкоподобных» структур из полимерных цепей. Высокая разрывная прочность таких полимерных сеток объясняется главным образом тем, что макромолекулы могут достигать высокой степени ориентации относительно друг друга и иметь большую плотность упаковки и разветвленность, что приводит к возникновению многочисленных межмолекулярных связей.

Ученые МФТИ в партнерстве с зарубежными коллегами исследовали механизм образования разрыва в полимерных сетках и выяснили, что для образования трещины недостаточно разорвать одну полимерную цепочку, требуется повлиять на все «дерево» полимерных цепей в сетках.

«Мы модифицировали теорию Лейка — Томаса, которая объясняет молекулярные детали сетевого соединения при распространении трещины в полимерных сетях. Эта теория описывает не только энергию, запасенную в разрывающихся цепочках сетки, но и энергию связей в древовидной структуре из цепочек, которая остается неизменной по мере распространения трещины. Энергия, запасенная в каждом из поколений этого «дерева», зависит от индекса поколения из-за нелинейной упругости растянутых цепей сети. Кроме того, энергия, необходимая для разрыва мостиковой цепочки, соединяющей две поверхности трещины, необязательно определяется энергией, запасенной в самой цепочке, а в более высоких поколениях “дерева”», — рассказал Сергей Панюков, соавтор исследования, доцент кафедры теоретической физики МФТИ.

Таким образом, работа, которую необходимо совершить для разрыва сложного полимерного материала, зависит не только от прочности цепей сетки, но и от прочности древовидной структуры материала, которая зависит от числа «поколений» этого дерева. Таким образом, чем более разветвленная и многоуровневая структура в полимерном материале, тем он прочнее на разрыв.

Второй вывод, который получили исследователи при построении новой модели, связан с включением в сети молекул-механофоров. Механофоры — это механически активные молекулы в самой структуре полимера, которые способны вызывать ряд химических реакций при воздействии на них.

«По сравнению с “сильными” механофорами (активируются только в мостиковой цепи полимера), “слабые” механофоры, которые могут работать как в мостиковой цепи, так и в других генерациях, и потому способны обеспечить более интенсивное рассеивание энергии внутри материала, упрочняя его», — добавил Сергей Панюков.

Обновленная модель, полученная в результате исследования, дает возможность создания более совершенных полимерных сетей с повышенными прочностными характеристиками.