Кости птиц и стволы деревьев совершенствовались эволюцией в течение миллионов лет, поэтому они достигли идеального баланса между жёсткостью и плотностью. Однако исследователи из Sandia National Laboratories и University of New Mexico (UNM) совместно с исследователями из Case Western Reserve и Princeton Universities опубликовали статью в Nature Materials, в которой показали, что при определённых условиях самособирающиеся наноматериалы могут превзойти свои природные аналоги.
Ядерный магнитный резонанс и Рамановская спектроскопия, выполненные в Sandia National Laboratory исследователями Roger Assink и Dave Tallant, наряду с молекулярным моделированием, выполненным Dan Lacks из Case Western Reserve University, показали, что, при увеличении пористости кварцевой плёнки, стенки пор становятся тоньше 2 нанометров, и структура кварца перестраивается, становясь более плотной и жёсткой.
Жёсткость кости уменьшается пропорционально квадрату её плотности. Новые материалы характеризуются другой зависимостью. Механические исследования, выполненные исследователем Thomas Buchheit из Sandia National Laboratory, работающим с UNM студентом Christopher Hartshorn показали, что жёсткость материалов, полученных самосборкой, менее чувствительна к увеличению пористости: для материала с кубической структурой пор жёсткость уменьшается только как квадратный корень из его плотности.
Кварцевые наноструктуры - синтетические аналоги пористых структур кости, воспроизведённые на наноуровне с использованием структуры кварца. Это позволяет улучшить рабочие характеристики там, где важно увеличение объёма пор. Например, при применении в технологии тонких плёнок: мембранные барьеры, молекулярные датчики и изоляторы с низкой диэлектрической постоянной, которые необходимы для будущего поколения микроэлектроники.
“Кость, строго говоря, является структурированным пористым материалом”, - говорит Brinker, профессор в UNM. “Поскольку, используя самосборку, мы создали разнообразные пористые наноматериалы с червеподобной (изгибающиеся цилиндры), шестиугольной и кубической структурами пор, нам было интересно, будет ли отношение жёсткости к плотности в этих наноматериалах аналогична уже известным оптимизированным материалам (таким как кости). Мы обнаружили, что важна и структура материала, и размер пор. При любых плотностях эксперименты показывают, что кубическая структура более жёсткая, чем шестиугольная, которая в свою очередь более жёсткая, чем червеподобная структура. Для каждой из этих структур, увеличение пористости приводит к уменьшению жёсткости, однако это изменение меньше, чем у природных материалов, так как формирование жёстких кварцевых колец приводит к дополнительному упрочнению тонких кварцевых стенок. “Это изменение в структуре происходит только на наноуровне”, - говорит Brinker.
