Исследователи из Массачусетского технологического института и Университета Дьюка разработали инновационную стратегию, позволяющую сделать пластиковые материалы значительно прочнее и долговечнее. Это открытие может привести к созданию более устойчивых к повреждениям полимеров и, как следствие, сократить объемы пластиковых отходов.

Результаты, опубликованные в журнале ACS Central Science, показывают, что использование машинного обучения ускоряет поиск перспективных молекул, называемых механофорами – соединений, которые изменяют свои свойства под механическим воздействием. Такие материалы становятся более устойчивыми к разрыву и другим деформациям.

Главной особенностью исследования стало применение железосодержащих соединений ферроценов. До сих пор ферроцены редко использовались в качестве механофоров, несмотря на свой высокий потенциал.

Парадоксально, но ключ к повышению прочности полимеров лежит в установлении слабых связей. В исследовании, проводившемся в 2023 году, учёные обнаружили, что при растяжении материала трещины стремятся «обходить» прочные связи и разрушают более слабые. В результате трещине приходится преодолевать большее число связей, что замедляет её распространение и повышает общую прочность материала.

Обнаружение и описание механофоров представляет собой сложную задачу, требующую либо длительных экспериментов, либо интенсивного компьютерного моделирования молекулярных взаимодействий. Большинство известных механофоров представляют собой органические соединения. В 2023 году, например, в качестве механофора исследователями использовался циклобутан. Теперь же они решили обратиться к ферроценам – металлоорганическим соединениям, у которых атом железа расположен между двумя углеродсодержащими кольцами. К этим кольцам могут быть добавлены различные химические группы, которые изменяют химические и механические свойства вещества.

Чтобы ускорить процесс моделирования, исследователи задействовали нейронную сеть, обученную на данных о 400 ферроценах, и проанализировали с ее помощью более 11 тыс. соединений. Модель предсказывала, какие из них легче разрываются под нагрузкой, то есть подходят на роль слабых звеньев в полимерной сети. В результате были выявлены две ключевые особенности, способствующие повышению прочности: взаимодействия между химическими группами на кольцах ферроцена и наличие крупных, объёмных молекул на обоих кольцах, которое повышало вероятность разрыва. Последнее открытие стало неожиданным, и без машинного обучения сделать его было бы невозможно.

Выявив около ста многообещающих кандидатов, исследователи синтезировали полимер m-TMS-Fc, выступающий в роли соединителя полимерных нитей, из которых состоит полиакрилат. Прикладывая усилие к каждому полимеру до момента разрыва, исследователи обнаружили, что из слабого связующего m-TMS-Fc получается прочный, устойчивый к разрыву полимер. Он оказался примерно в четыре раза прочнее полимеров со стандартным ферроценом.

При повышении прочности материала срок его службы будет увеличиваться, а это в свою очередь должно привести к сокращению производства пластмасс и уменьшению объема пластиковых отходов.