Polymer, který vypadá jako sklo, ale složí se 500 000krát

Představte si plast, který vypadá a působí jako sklo, odolává škrábancům jako sklo, zůstává vysoce průhledný jako sklo, a přesto ho lze tisíckrát přeložit, aniž by se poškodil.

Zní to jako ideální materiál pro skládací telefon – a přesně takové využití si výzkumníci nanotechnologií zvolili k demonstraci nového polymerového nanokompozitu.

Nejdůležitějším aspektem výzkumu však není samotná obrazovka smartphonu, protože tento materiál má ke komerčnímu použití ve formě krycí vrstva displeje ještě daleko – vzhledem k tomu, že dotykové obrazovky dále navíc obsahují lepidla, povlaky, dotykové vrstvy, výrobní vady a nespočet dalších faktorů, které dále ovlivňují každodenní používání.

Skutečný průlom spočívá v tom, jak nanotechnologie umožnila, aby se vlastnosti, které byly tradičně považovány za neslučitelné, mohly vyskytovat společně v jednom materiálu. Pro výrobce takových polymerů jde o úplně novou skutečnost, která se ukazuje jako mnohem významnější, než jakékoliv individuální využití spotřebitelem.

Návrháři produktů neustále činí obtížná rozhodnutí o tom, na kterých vlastnostech záleží – a kterých je naopak nutné se vzdát. To je dále umocněno rostoucím očekáváním zákazníků, kvůli kterým se od výrobců požadují produkty, které jsou zároveň pevnější, lehčí a tenčí, ale také odolnější a udržitelnější.

Z hlediska tradičního designu materiálů je často problematické uspokojit všechny tyto požadavky najednou. Výzkumníci nanotechnologií se proto zaměřují na to, jak lze různé materiály kombinovat a organizovat na úrovni nanometrů, aby se právě takovým kompromisům mohli co nejlépe vyhnout.

V tomto nejnovějším případě se výsledný polymerový nanokompozit skládá ze sítě bohaté na křemík, která je propletena polyetylenovými nanovlákny. Samostatně žádná z těchto složek nenabízí plnou kombinaci vlastností, kterou pak poskytuje výsledný materiál, ale společně vytvářejí strukturu, která se chová naprosto naprosto odlišně. Vzniká tak materiál, který dosahuje vysoké optické průhlednosti a tvrdosti podobné sklu, ale zároveň vykazuje výjimečnou odolnost vůči opakovanému skládání a nárazům.

Základem návrhu nanokompozitu je průsvitná kostra vyrobená z polyetylenu s ultravysokou molekulovou hmotností. Do této pevné struktury je vložena kapalná směs silseskvioxanu a nanokřemíku, která následně proniká do kostry a pod ultrafialovým světlem ztvrdne, čímž vzniká pevná síť – připomínající právě sklo kolem vláken.

Obvyklé jsou tvrdé plasty pokryty měkčí laminací, ale při ohýbání nebo skládání reagují dvě různé struktury odlišně, což vede k deformacím a vadám. Klíčové proto je, že se tento nový materiál neskládá z oddělených vrstev – tvrdá a měkká fáze totiž prostupují celou vrstvou, díky čemuž získává více požadovaných vlastností. Díky vnitřní struktuře bohaté na křemík, která prochází polyethylenovými nanovlákny, se v této nové vrstvě spojuje tvrdost, odolnost a rozložení tlaku.

Transparentní polymery zesílené přidanými částicemi mají dále často zhoršenou průhlednost, protože různá aditiva v nich obsažená odrážejí dopadající světlo. Tento nový nanokompozit tento problém však řeší také, protože částice křemíku a polymerová vlákna zůstávají menší, než vlnová délka viditelného světla, a jednotlivé součásti tak lámou světlo téměř ve stejné míře.

Výzkumníci proto uvádějí: „Výsledná vrstva propouští 92 % světla při 550 nm s mlhovitostí (tzv. “haze”) pod 1 %.“

Tento tenký film přesto i tak zůstává spolehlivě pružným. Studie (nyní publikovaná v časopise Advanced Materials) uvádí, že „při výrobě v tenkých vrstvách (5–30 µm) vydrží extrémní cykly skládání (500 000 cyklů při poloměru zakřivení 0,5 mm) bez makroskopického zvrásnění/praskání nebo změn mikroskopické struktury/morfologie.“ A to vše navzdory tomu, že tyto vzájemně propojené vrstvy tvoří tenkou fólii s tvrdostí 1,1 GPa.

Navíc uvádí, že „materiál také odolával vytvoření trvalého ohybu při držení ve složeném stavu“. Nanotechnologický portál Nanowerk zdůrazňuje, že „výzkumníci drželi 5 µm této vrstvy ohnuté na poloměru 0,5 mm při střídavých teplotách –20 °C a 80 °C po dobu 144 hodin. Neobjevilo se žádné viditelné zvrásnění, ani prasklina. Výsledek tak podporuje navržený mechanismus: tuhá hybridní síť omezuje ireverzibilní relaxaci (nevratné uvolnění), zatímco nanovlákna zabraňují koncentraci napětí, které by vedlo k poškození.“

Výsledný polymer také prokázal výjimečnou odolnost proti oděru. Testy na bezbarvém polyimidu ukázaly škrábance již po 100 cyklech s ocelovou vlnou, zatímco nanokompozitní vrstva nevykazovala „žádné jasné škrábance ani po 2500 cyklech za uvedených podmínek“.

Film si také zachoval rozumnou průhlednost a odolnost při testování za dalších podmínek - vlhkosti, tepla, ultrafialového záření a rozpouštědel, to vše s minimálními známkami stárnutí a stále dostatečnou bariérou proti plynům a vodní páře.

Nejdůležitější částí objevu však není vytvoření flexibilního, ale přitom pevného transparentního nanopolymeru. Tím nejpodstatnějším je způsob, jakým pečlivě navržené nanometrové architektury umožňují sloučení několika žádoucích charakteristik v jednom materiálovém systému. Nanotechnologie znamená, že materiály již nemusí být definovány jedinou dominantní vlastností, ale mohou poskytovat více charakteristik a unikátních předností.

„Význam této práce spočívá v tom, že kompromis mezi sklem a plastem řeší jako problém vnitřní architektury samotného materiálu,“ poznamenává Michael Berger, expert na nanotechnologie a autor publikací o vývoji nanomateriálů v průmyslu. „Skládací krycí vrstva se tak nemusí rozhodovat mezi tvrdou, křehkou deskou a měkkým, mačkajícím se filmem. Propletením sítě bohaté na křemík s polyethylenovými nanovlákny tento plast podobný sklu ukazuje, jak mohou průhlednost, tvrdost, odolnost proti nárazu a možnost těsného skládání koexistovat v jednom tenkém ochranném materiálu.“

Co to znamená pro výrobce

Význam tohoto výzkumu sahá daleko za skládací elektroniku – mnoho druhů průmyslového využití čelí podobným konfliktům mezi vzájemně konkurenčními požadavky na výsledné vlastnosti. Pro příklad:

• Automobiloví výrobci chtějí lehčí komponenty bez ztráty odolnosti.
• Výrobci zdravotnických zařízení potřebují materiály kombinující průhlednost s houževnatostí.
• Výrobci obalů hledají taková složení, která jsou flexibilní, odolná proti poškození a poskytující vynikající bariérové vlastnosti proti plynům a vlhkosti.
• Výrobci elektroniky vyžadují materiály, které dokáží vyvážit požadavky na mechanický výkon s optickou nebo elektrickou funkčností.

V každém z těchto případů konvenční postup často nutí ke kompromisům – ale s nanotechnologií se ukazuje, že tyto kompromisy nemusí být vždy nutné.

Řízením struktury materiálu na stále menších škálách mohou výrobci začít navrhovat systémy, ve kterých je dosaženo více takových požadavků na výkon současně.

Pro výrobce to otevírá příležitosti vytvářet multifunkční materiály, přizpůsobené vysoce specifickým požadavkům dle jejich využití. Výzvou pak je, jak tento potenciál realizovat bez znalostí potřebných pro převedení laboratorních konceptů do komerčního produktu.

Naštěstí je už nyní dostupná podpora v nanotechnologiích, právě prostřednictvím firem jako Polymer Nano Centrum, které podporují tuto webovou stránku, a zároveň pomáhají výrobcům překlenout výše zmíněnou propast díky své odbornosti v nanokompozitech, funkčních polymerech a pokročilém navrhování materiálů.

Ať už je cílem zlepšení mechanických vlastností, zvýšení elektrické nebo tepelné vodivosti, zvýšení odolnosti, přidání chemické odolnosti, odolnosti proti poškrábání, nebo kombinace více funkcí v jednom materiálu, úspěch stále více závisí na porozumění vztahu mezi nanostrukturou a výkonem.

Tento nejnovější výzkum ukazuje, že budoucnost inovací v polymerech nemusí spočívat ve volbě mezi navzájem si konkurujícími vlastnostmi. Spočívá v navrhování materiálů, které dodají všechny požadované vlastnosti naráz.

Photo credit: Vecteezy, Vecteezy, Vecteezy, Vecteezy, Vecteezy, Vecteezy,  & Vecteezy