Исследование механизмов релаксации напряжений в пластической зоне перед вершиной трещины в природных композитах с развитой иерархической структурой (дентине и эмали зубов человека)

Реализация преимуществ современных композитов, в частности созданных на основе тканей живых организмов – биомиметиков, перед традиционными материалами сталкивается с трудностями, обусловленными недостатком информации о механизмах их деформации и разрушения. Для решения проблемы нужны модельные материалы с развитой иерархической структурой. В качестве таковых в настоящем проекте используются твердые ткани зубов человека (дентин и эмаль), которые обладают сложной многоуровневой структурой и уникальным сочетанием механических свойств: высокой упругостью, способностью к значительной необратимой деформации и прочностью, близкой к прочности низколегированной стали. Дентин – биополимер, упрочненный ультра мелкодисперстными частицами апатитной фазы, а эмаль – биоминерал с волокнистой морфологией. Целью проекта является получение новых экспериментальных данных о структуре твердых тканей зубов человека на разных масштабных уровнях и o связи их структуры с прочностными свойствами, которые станут основой разрабатываемых физических моделей деформации и разрушения дентина и эмали.
Процессы деформации и разрушения дентина и эмали на масштабах, доступных прямому наблюдению, изучаются при помощи известных методов физического материаловедения: оптической и электронной микроскопии (на просвет и на отражение) и методом рентгеновского фазового контраста в синхротронном излучении. Элементный состав твердых тканей зубов (степень минерализации) оценивается современными физико-химическими методами, включая локальный элементный анализ). Объектами, на которых процессы деформации и разрушения можно изучать в развитии и во взаимодействии, являются трещины и пластические зоны перед их вершинами. Важной составляющей проекта является развитие теоретических модельных представлений об основных носителях, механизмах и закономерностях пластической (необратимой) деформации в дентине и эмали, о физических процессах, определяющих деформацию и разрушение этих твердых тканей на разных масштабных уровнях.
В проекте впервые проводится комплексное изучение геометрии трещин и траекторий их движения в дентине и эмали в зависимости от схемы приложения нагрузки в режиме активного нагружения (сжатие, растяжение, диаметральное сжатие, изгиб и сдвиг) и от особенностей морфологии твердой ткани, включая степень ее минерализации, а также развитие структуры материала и геометрических характеристик пластической зоны в вершине трещины на макро-, мезо- и микроскопическом масштабе, причем, что чрезвычайно важно, часть экспериментов будет выполнена на одних и тех же лабораторных образцах. На основании полученных экспериментальных данных будут впервые в мире определены механизмы и построены физические модели деформации и разрушения таких различных по строению и функциональным свойствам твердых тканей зубов человека как дентин и эмаль. В состав основных исполнителей проекта входят исследователи, внесшие существенный вклад в имеющиеся представления о деформационном поведении дентина и эмали и о взаимосвязи структуры и механизмов деформации и разрушения наноматериалов. Участие в исследовательской группе молодых кандидатов наук способствует росту их профессионального уровня в области физического материаловедения биоматериалов и композитов.