Основой для экспериментов стал кристаллического сплава никеля и титана. Его применяют в авиастроении, а также в медицине для создания биосовместимых имплантатов и хирургических инструментов. Пористость позволяет не только сымитировать структуру костной ткани, куда вживляют имплантат, но и обеспечить его необходимую прочность, упругость и пластичность, сопоставимую с прочностью естественной ткани.
Этот процесс важно контролировать. Если прочностные и упруго-пластичные характеристики имплантата будут сильно выше, чем у кости, он может разрушать живую ткань. Ученые из Казанского федерального университета с коллегами из Томского государственного университета показали, что можно контролируемо понижать механические характеристики сплава никеля и титана за счет внесения в него пористости.
Они изучили механические свойства этого сплава с порами микронного размера, а также при разном их распределении в материале. Поры могут располагаться изолированно друг от друга, или же срастаться и образовывать каналы. Спекая порошок с гранулами титаната никеля, размеры которых варьировались в диапазоне от 100 до 200 микрон, исследователи изготовили образцы сплава с одиночными и «сросшимися» порами, а также промежуточными вариантами их распределения. Потом ученые определили прочностные характеристики сплавов с помощью экспериментов на растяжение.
Случаи с порами нанометрового размера (в миллионы раз меньше миллиметра) физики исследовали с помощью моделирования неравновесной молекулярной динамики. Этот метод позволяет описывать структуру вещества на атомном уровне, а потому подходит для исследования нанопористых материалов — когда размеры пор сопоставимы с размерами атома. Кроме того, метод с высокой точностью определяет практически любые физические свойства исследуемых объектов.
Оказалось, что в целом показатель упругости образцов с порами нанометрового размера примерно в три раза больше, чем у сплавов с микронными порами. При этом пластичность и прочность нанопористых образцов примерно в 20 раз выше, чем у микропористых материалов. Авторы систематизировали полученные экспериментальные данные и результаты моделирования, выведя общее уравнение. Оно позволяет с точностью 96% определять, какими упруго-пластичными и прочностными свойствами будет обладать сплав с произвольной пористостью.
«Предложенные в ходе моделирования уравнения позволяют оценить ключевые механические характеристики материалов с произвольными пористостью и размером пор: от наноразмерных до пор величиной в десятые доли миллиметра. Полученные результаты можно использовать для решения прикладных задач, например, при создании материалов с необходимым сочетанием физико-механических характеристик, в частности пористых металлических биоматериалов», — рассказал руководитель проекта Анатолий Мокшин, профессор, заведующий кафедрой вычислительной физики Института физики Казанского федерального университета.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Crystals.
