Необычный материал

Время релаксации

Необычный материал

В природе - немало интересных и необычных веществ, обладающих удивительными свойствами. На выставке подобных материалов как-то был представлен необычный материал, который по внешним проявлениям напоминал резину или даже пластилин. Его можно было мять, давить, лепить фигуры. Материал обладал большой упругостью и одновременно пластичностью. Но ко всеобщему удивлению, когда из него слепили шарик и бросили вниз, то он не прилип к полу, а отскочил почти на ту же высоту, с которой был кинут - как резиновый мяч. Если этот материал растянуть в длинный жгут, после чего резко потянуть за концы, - жгут лопнет со значительным треском! Можно было снова слепить из него шарик и ударить молотком - шарик разобьётся на мелкие осколки. Но эти осколки можно легко собрать и снова слепит в этот же шарик. Этот необычный материал явился результатом или даже ошибкой синтеза специального полимера, который пытались получить американские учёные с целью придания ему определённых строго направленных специфических свойств! Но как вышло полученный материал - не то что хотели получить учёные. Результат такого синтеза был пригоден лишь для продажи в магазине игрушек.

Из этого эксперимента следует вывод, что не всегда можно с точностью говорить, является ли представленный материал твёрдым телом или жидкостью. В 19 веке даже было высказано предположение о том, что жидкие и твёрдые тела не имеют чёткой границы. Если подумать, здесь нет ничего особо удивительного. Если, например, по воде сильно ударить ладонью, то вода будет себя вести, как твёрдое тело (при желании это можно почувствовать!). Если ударить молотком по струе густой жидкости, то с помощью малой выдержки фотоаппарата можно зафиксировать, что от удара струя разлетится на множество мелки острых осколков (капель), что говорит о некоторых свойствах твёрдого хрупкого тела.

необычный материал, брызки воды
Пуля пробивает банку с напитком, брызги разлетаются подобно мелким осколкам стекла

Или если взять кусок смолы, стекла - это аморфные тела. Они на столько вязкие, что свойства текучести этих материалов не видны. На сомом же деле - они текут, и это можно легко определить, приложив к ним нагрузку! (конечно, стекло - более вязкое вещество и при проявлении свойств текучести требует более индивидуальные условия, например, нагрев или длительного времени приложения нагрузки).

Почему так происходит?! оказывается всё дело во времени воздействия на материал. Существует понятие время релаксации молекул вещества, другими словами - это время, которое необходимо молекуле, чтобы переместиться (среагировать) на воздействие. Если время релаксации молекул данного вещества значительно больше времени воздействия на вещество, то молекулы не успевают перестроиться (переместиться) под нагрузкой, что приводит к разрыву химических связей в веществе. Для различных веществ время релаксации различно и может изменяться в очень широких пределах: от тысячных долей секунды до нескольких тысячелетий.

Наибольший интерес вызывают вещества, молекулы которых имеют не такое большое время релаксации, например, как у застывшей смолы, но и не такое малое, как у воды. Как раз к таким веществам относится наш полимерный необычный материал. При этом его эластичные свойства проявляются при повышенной температуре (например, как у металлов), а остальные свойства - при комнатной температуре: если нагрузку прикладывать медленно - ведёт, как вязкая жидкость, при быстро приложенной нагрузке - как резина, при очень быстром - проявляет хрупкие свойства!

Рассмотрим необычный материал со стороны химического состава. Он может состоять из 0,5 - 7,5 % бора, входящего в борсодержащую группу - O-B-O-. Входящие в него структурные цепочки (—(CH3)2Si—О—)n делают его принадлежным к силиконовым каучукам. Борсодержащие группы являются связующими звеньями для силиконовым цепочек. Как у многих полимеров, молекулярная масса такого материала может изменяться от сотен до десятков тысяч массовых единиц, в связи с чем и агрегатное состояние изменяется от жидкого до твёрдого. Замечено, что если материал имеет не очень большую молекулярную массу (состоит из не очень большого число цепочек), то уже при комнатной температуре способен растекаться. С увеличением молекулярной массы - приобретает твёрдость, упругость и прыгучесть. При падении на твёрдую поверхность способен подскакивать почти на такую же высоту.

Свойство упругости некоторых жидкостей можно также наблюдать, если, например, наклонить стакан с этой жидкостью на бок. Жидкость постепенно будет перетекать на край стакана. Но если стакан резко наклонить в другую сторону, то течение жидкости продолжится! С водой, конечно же, такой опыт не пройдёт, так как вода не обладает достаточной упругостью.

Для проведения подобных опытов в домашних условиях совсем не обязательно изготавливать или закупать, или синтезировать необычный материал. Можно использовать обыкновенное сгущённое молоко. Забавно, но можно использовать и мёд, и отдельные шампуни - эти вещества обладают необычным временем релаксации. Если струю разрезать ножницами, то нижняя часть упадёт вниз, а верхняя - вернётся в ёмкость, откуда вытекала.
Вот ещё опыт: если шампунь достаточной густоты наливать, например на блюдце струйкой, то вскоре можно будет заметить, что струя, упавшая вниз, начнёт виться, как верёвка (поверх уже налитой шампуни), извиваться и даже сползать вниз. Это говорит о том, что шампунь обладает свойством резины!
Забавный опыт с силикатным клеем (водный раствор силиката натрия) и этиловым спитом:

В небольшую ёмкость наливаем немного (10 мл клея), после чего добавляем, при этом непрерывно размешивая, этиловый спирт в таком же объёме. После того, как жидкость превратится в студень, извлекаем его и лепим шарик, промываем его водой (не забудьте отмыть посуду от клея!). Мы получили эластичный силикагель (химическая формула SiO2•nН2О). Он обладает всеми свойствами необычного материала: если нагрузку прикладывать медленно - то это очень вязкая жидкость (или даже пластилин, можно мять руками), если оставить шарик на твёрдой поверхности - растечётся, в то же время при ударе о твёрдую поверхность - отскакивает, как резиновый и рассыпается при более сильном ударе. Но всё же, со временем силикагель высыхает, становиться хрупким и, конечно же, теряет почти все свои свойства.