Полиэтилен — важный и широко используемый сегодня пластик, хорошо подходящий для переработки. Из него сделаны флаконы для жидкостей, упаковочная пленка и современные трубы коммунальных коммуникаций. В обычных бытовых условиях он не разрушается под действием щелочей и кислот, но, как и все пластики, боится ультрафиолетового излучения.
На молекулярном уровне полиэтилен — длинная цепочка из –CH2– (пара таких компонентов составляет обычный этилен). При нагреве он становится пластичным, полиэтиленовые детали могут менять форму, склеиваться друг с другом и быстро застывать в новом состоянии. При этом требуемый нагрев невелик — для формовки хватает температур порядка 120 градусов Цельсия.
В затвердевшем виде полиэтилен, например, в трубах, имеет кристаллическое строение: атомы и молекулы внутри материала расположены в предсказуемом порядке. Когда две нагретые полиэтиленовые поверхности спрессовывают вместе, цепочки полимеров деталей переплетаются и формируют ту же кристаллическую структуру. Это необычное свойство, не все пластики в месте соединения обретают прочность.
Физики в деталях смоделировали процессы кристаллизации полиэтилена на месте сварного шва. Им пришлось провести крупномасштабные симуляции молекулярной динамики, включающие взаимодействия миллионов связанных частиц в полимерных цепях, их слияние и процессы, происходящие при охлаждении материала.
Оказалось, что на самой границе соединения материал даже в нагретом виде не полностью разжижался и терял кристаллическую структуру, в нем оставались подсказки об ориентации молекул и связей. Они сработали как зародыши кристаллизации и указали остывающему материалу энергетически выгодное кристаллическое состояние. В процессе охлаждения шов становится даже более упорядоченным, чем материал вокруг него.
Увеличенная жесткость соединения оказалась полезна и тем, что хорошо выдерживает напряжения — сварной шов не принимает весь стресс на себя, а перераспределяет его в окружающий, менее кристаллический полиэтилен. Детали симуляции опубликованы в статье в журнале Physical Review Letters.
Команда исследователей считает, что их вычисления можно использовать, чтобы правильно выбирать температуру нагрева и скорость охлаждения шва так, чтобы усилить естественный эффект упрочнения материала. Авторы также надеются, что их работа поможет инженерам меньше опасаться переработанного полиэтилена. Их работа показывает, что расплавление и соединение труб из этого полимера создают прочную, готовую к нагрузкам деталь.