СМИ каждый день напоминают нам о проблеме отходов, публикуя фотографии пластикового мусора в океанах и на пляжах.

Учёные из Школы молекулярных наук и Центра устойчивых макромолекулярных материалов и производства Института биодизайна работают над созданием циркулярной экономики. Они реализуют проекты по биосорсингу, рециклингу, очистке воды, улавливанию углерода и другим направлениям.

Одна из стратегий по ограничению количества выбрасываемых материалов — сократить потребность в производстве пластмасс. Доцент Йоан Симон считает, что это непросто. Продление срока службы деталей может стать решением проблемы.

Детали должны выдерживать многократное использование. Например, привязные ремни рюкзаков, крышки контейнеров, велосипедные и футбольные шлемы должны служить долго.

Саймон задаётся вопросом: как именно происходит поломка? Что случается с материалом, который должен поглощать удары?

Исследователи под руководством Саймона из ASU вместе с коллегами из других организаций разработали новый материал, который позволяет изучать реакцию материалов на высокоскоростные удары.

В журнале Nature Communications опубликовано исследование, в котором описывается, как полимер с механофорами (молекулами, светящимися при сильном механическом воздействии) может регистрировать реакцию материала на удары снарядов. Механофоры фиксируют подповерхностные искажения — информацию, которая раньше была недоступна.

Объединив взаимодействие на молекулярном уровне с передовыми методами визуализации, учёные могут визуализировать образование конусов Маха — акустических волн, которые распространяются в материале быстрее скорости звука.

Учёные создали молекулярные репортёры, которые загораются при превышении снарядом скорости звука в материале. Это похоже на то, как реактивный истребитель переходит на сверхзвук.

Саймон, чья группа десятилетиями работала над внедрением зондов в материалы, с энтузиазмом относится к этой совместной работе. Он объясняет, что многие группы демонстрировали активацию в материалах, деформация которых была видна невооружённым глазом, и это ограничивало применимость молекулярных зондов.

В этом исследовании мы можем изучать процессы, происходящие глубоко внутри материала, видеть, как волны распространяются в нём при ударе.

Мы использовали микроскопическую пушку для оценки последствий удара. С помощью сверхбыстрых камер и передовой микроскопии мы получили информацию о поглощённой энергии и её передаче через материал.

Такие зонды могут дать более глубокое понимание различных импульсных событий, включая лёгкие травматические повреждения головного мозга, аддитивное производство с использованием холодного распыления или гиперскоростные удары в космосе.