真珠層の剛性強化

Scientific Reports volume 5、記事番号: 16452 (2015) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

ポリマーとグラフェン誘導体の層状集合体には、柔らかい有機層を硬い結晶ドメインに挿入するという真珠層のテスト済み戦略が採用されています。 これらの層状システムは一般に、単純な混合則の予測を超える弾性特性を示しますが、この現象の分子起源はよく理解されていません。 今回我々は、モデル層状グラフェンポリマーナノ複合材料上のナノ閉じ込めポリマー層の弾性挙動を定量化することで、この問題に対処します。 今回我々は、新規で検証済みの粗視化分子動力学シミュレーション手法を使用して、層状ナノ複合材料の弾性特性が体積分率の考慮だけでは説明できず、界面エネルギーとナノ構造の両方に強く依存することを明確に示します。 ポリマーの構造と弾性に対するポリマーのナノ閉じ込めと界面エネルギーの相対的な重要性を定量化し、異なる固有の弾性特性を持つ 2 つのポリマーに対するモデルの妥当性を示します。 私たちの理論モデルは、すべての材料設計パラメータを考慮して、真珠層からインスピレーションを得たナノコンポジットの弾性応答を正確に予測する状態図で最高潮に達します。 私たちの発見は、ナノ閉じ込めを利用して層ごとのナノ複合材料の機械的特性を改善するための、広く適用可能な規範的なガイドラインを提供します。 私たちの発見はまた、真珠層の有機層の弾性特性が天然の状態や抽出された状態と何倍もの違いを示す理由を説明するのにも役立ちます。

真珠層、または真珠の母は、多くの軟体動物の殻の内層です。 これは、脆い無機アラゴナイト小板と柔らかい有機バイオポリマー層からなるレンガモルタル型のナノ構造を持っています。 有機層は重量で 5% 未満ですが、せん断変形による荷重伝達、軟質マトリックスに到達する際の亀裂の捕捉、または大きな変形を許容することによる靭性の増幅など、提案されているさまざまなメカニズムを通じて靭性を桁違いに増加させます。および粘弾性1、2。 真珠層が層ごとのナノ構造から生じる優れた特性を備えているという手がかりを受けて、最近、さまざまな技術を使用して人工真珠層状ナノ複合材料が製造されています。 層ごとの（LbL）集合体4によって得られるポリマー粘土ナノ複合材料の弾性率と極限引張強さは、真珠層で観察されたものをさえ上回っています5、6、7。 合成の進歩により、現在では 2nm もの薄さのポリマー層を備えた正確なナノ構造が可能になっています。 極薄層は、有益な特性を維持しながらポリマーの体積分率を最小限に抑えることにより、非常に高い剛性と靱性を促進します8。

ポリマー層が極薄寸法に制限されているため、軟質相の特性を測定することが困難になります。 線形弾性破壊力学を考慮すると、真珠層で提案されているいくつかの強化メカニズムに寄与するには、軟相と硬相の間の弾性率の不一致が大きくなければならないことが示唆されています9、10、11、12、13、14、15。 軟質相のバルク特性を仮定することは誤解を招く可能性があります。なぜなら、硬質層との界面 (材料内の 2 つの異なる相の間に形成される境界面) が、界面 (遷移領域) に起因するバルク挙動から逸脱する軟質相ドメインを生じさせるからです。材料内の 2 つの異なる相間）ナノ複合材料の形成。 合成ナノ複合材料に関する体系的な研究により、不透過性の血小板によって誘発されるトポロジー的制約、表面への鎖吸着、ナノ含有物の分散など、いくつかの分子機構がポリマーナノ層の機械的特性に影響を与えることが明らかになりました 16、17、18。 これらのメカニズムは総称してナノ閉じ込め効果と呼ばれており、真珠層および真珠層からインスピレーションを得たシステムで観察される非常に高い弾性応答にそれらが寄与している可能性があるという仮説が立てられました。 これらの効果の状況証拠のほとんどは、層状ナノ複合材料と同様に、基板効果によるガラス転移挙動の劇的な変化を示すポリマー薄膜から得られます19、20、21、22、23。 強力な接着エネルギーを伴う硬質表面近くのポリマー薄膜のナノ閉じ込めにより、見かけのガラス転移温度 (Tg) が上昇し、弾性特性が (Tg) の上下で変化する可能性があります 24、25、26、27。 これらの特性が変化する長さスケール、いわゆる界面幅は、実験的に測定することは困難ですが、ナノ複合材料の粘弾性特性を支配する重要な要素です15、24、28、29、30、31、32。 ナノインデンテーション実験、AFM イメージング、有限要素モデリングから明らかなように、このような界面は真珠層にも存在します 12、33、34、35、36、37。 これらの調査は、有機層の弾性率が有機層で予想されるものより高く、広く 2 ～ 40 GPa の範囲にあるという観察と一致しています12、33、34、35、36、37。 逆に、有機層の実際のバルク特性に関する研究では、さまざまな実験手法を使用した有機相の弾性率が 100 Pa38 から 20 ～ 100 MPa39 であることが報告されています。 我々は、これらの分析に使用されるマイクロメカニクスモデルと測定では、半結晶性ポリマー-粘土ナノ複合材料で観察されるような、そのような系で発生する可能性のある異方性を考慮していないことが多いことに注意します40。 したがって、得られたこれらの値は、代表的な等方性等価材料定数であると考えられます。 真珠層のナノ層に閉じ込められた有機層と真珠層からインスピレーションを得たナノ複合材料がナノ閉じ込めの下で大きな違いを示すことは明らかですが、これらの特性が層の厚さや界面エネルギーなどの要因にどのように依存するかはまだ確立されていません。