Современные технологии и материалы постоянно развиваются, открывая новые горизонты в сфере разработки умных и адаптивных систем. Одной из таких инноваций стала разработка частиц, способных изменять свою форму и жесткость под воздействием температуры, что позволяет регулировать текучесть жидкостей и жесткость суспензий без изменения их химического состава. Такое открытие было сделано группой ученых из Университета Чикаго и Нью-Йоркского технологического института Тандон и опубликовано в престижном научном журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Это исследование открыло перспективу создания материалов с управляемыми механическими свойствами, что может коренным образом изменить подход к задачам промышленной переработки и производства. Суть инновации заключается в применении уникальных частиц из жидких кристаллических эластомеров — материалов, сочетающих в себе подвижность жидких кристаллов и эластичность резины.
Эти частицы способны менять свою форму и жесткость в зависимости от температуры: при высоких температурах они становятся мягкими и приобретают округлую форму, что облегчает течение жидкости, а при охлаждении превращаются в жесткие и угловатые структуры, вызывая заметное загустение суспензии. Данная трансформация происходит быстро и обратимо, позволяя многократно переключать свойства материала всего лишь изменением температуры. Одним из ключевых понятий, связанных с поведением таких материалов, является эффект «тонкого сгущения» или shear thickening. Он проявляется в увеличении вязкости суспензий при увеличении приложенного напряжения, что в крайних случаях приводит к полному прекращению течения жидкости. Такая характеристика встречается в повседневных материалах, например, в красках, зубной пасте или цементных смесях, и часто создает сложности в производственных и технологических процессах, где требуется плавное и предсказуемое течение вещества.
Новые исследования показывают, что форма и жесткость частиц играют решающую роль в проявлении тонкого сгущения в суспензиях. Более неправильные, напоминающие «картошку» частицы вызывают более выраженное загустение по сравнению с круглыми и гладкими «горохообразными» частицами. При понижении температуры эти жесткие частички образуют плотные структуры, которые препятствуют текучести, а при повышении температуры меняют форму и разрушают эти структуры, возвращая суспензию в жидкое состояние. Особое значение в этом процессе имеет температурный порог около 45–50°C, при котором частицы меняют свою форму и жесткость. Благодаря этому, материал можно формально сравнить с суспензией крахмала в воде (так называемый ооблек), где небольшой сдвиг позволяет жидкости течь, а при высокой механической нагрузке материал ведет себя как твердая субстанция.
Такой «переключатель» в текучести и жесткости позволяет значительно расширить функциональные возможности материалов и предлагаемых промышленных решений. Кроме того, новый материал демонстрирует способность к «старению» — склонность суспензий с течением времени становиться более твердыми из-за образования кластеров частиц, даже без приложенного внешнего воздействия. Тем не менее, при нагревании такие устаревшие, «замороженные» структуры разрушаются, и суспензия возвращается в исходное текучее состояние без необходимости перемешивания или дополнительной обработки. Это свойство существенно облегчает хранение и использование материалов в промышленности и позволяет сохранять их свойства на высоком уровне без потерь эффективности. Важность данного открытия сложно переоценить в связи с его широким спектром потенциального применения.
В 3D-печати одним из самых больших препятствий являются проблемы сингования и вязкости используемых материалов. Появляется возможность с помощью температуры регулировать поток и жёсткость суспензии по требованию — это позволит минимизировать сбои и повысить качество производимых изделий. Подобный эффект будет полезен и в таких сферах, как смешивание промышленных порошков и жидкостей, нанесение красок, производство строительных материалов, косметики и даже биомедицинских жидкостей. Управление свойствами жидких систем традиционно требовало сложного контроля за количеством частиц в смеси или изменениями в химическом составе растворов. Новая технология, основанная исключительно на контроле температуры, значительно упрощает эти процессы, снижая затраты и повышая точность регулирования.
Более того, возможность многократного и быстрого переключения состояния открывает перспективы для создания умных материалов, способных адаптироваться к внешним условиям и выполнять различные функции в зависимости от задачи. Текущие исследования направлены на дальнейшее усовершенствование частиц из жидких кристаллических эластомеров с целью повышения диапазона температур, изменения формы и размеров, а также увеличения срока их службы и стабильности в рабочих условиях. Также изучается возможность интеграции таких частиц в сложные композиционные материалы и жидкие среды для расширения функционала и применения в новых областях науки и техники. Таким образом, открытие способных к изменению формы и жесткости частиц под воздействием температуры — это значительный шаг вперед в создании материалов с управляемыми механическими свойствами. Это не только расширяет теоретические представления о поведении сложных суспензий, но и открывает перспективы применения в многочисленных промышленных процессах.
Технология обещает повысить эффективность производства, снизить количество потерь материала и упростить процесс обработки сложных жидких систем, что в конечном итоге может привести к появлению совершенно новых продуктов и решений в разных отраслях экономики. В свете данных достижений будущее за смарт-материалами, которые могут изменять свою природу в зависимости от условий эксплуатации. Управляемая тепловыми импульсами текучесть и жесткость веществ предоставляет уникальную возможность создавать адаптивные системы с программируемыми свойствами. Это позволит дизайнерским и инженерным командам разрабатывать материалы нового поколения для медицины, строительства, косметологии и множества других областей, что станет заметным вкладом в развитие передовых технологий и промышленности в целом.
