Наночудеса, или Как получить металлическую древесину и прозрачное дерево
Давно прошли времена, когда человечество использовало готовые, данные Матерью-Природой материалы. Нанотехнологии позволяют проделывать с уже известными материалами такие «фокусы», что остается только удивляться. Например, уже сегодня можно производить из никеля «металлическую древесину» из никеля, и наилегчайшая эта «древесина» - прочнее титана. Тут всё дело – в секрете получения металлических структур с невероятно легкими, прочными и многофункциональными нанопорами. И если титан, применяющийся в военной и космической промышленности, – штука дорогая, да и возни с ним тоже хватает, то изменение кристаллической структуры позволяет использовать вместо титана куда более податливые материалы с куда более впечатляющими характеристиками.
Еще весной 2018 году в журнале «Scientific Reports» появилась статья группы американских исследователей из Кремниевой долины, работающих над созданием принципиально новых материалов под руководством профессора Джеймса Пикуля. Ученые сообщили, что им удалось создать в куске обыкновенного мягкого никеля массу наноразмерных пор, сделавших никель прочнее титана и легче воды.
«Эти поры можно заполнять другим вязким материалом, придавая структуре нужные дополнительные свойства, например, способность накапливать энергию, - говорится в статье. - Мы называем это "металлическим деревом" не только благодаря его плотности, примерно сравнимой с древесиной, но и благодаря его "клеточной" природе».
Исследователи взяли за образец структуру деревьев, где есть не только плотные и толстые части, удерживающие всю «конструкцию», но и более легкие, пористые фрагменты, выполняющие биологические функции, - например, транспортировку воды от корней к стволу и кронам. Именно такую структуру и создали американские исследователи в никеле, произведя, фактически, новый, не существующий в природе материал.
Чтобы получить такую структуру, ученые использовали взвесь пластиковых сфер диаметром в несколько сотен нанометров. По мере испарения воды, они оседали ровными рядами, напоминая аккуратно уложенные шарики. На эти «шарики» напылили никель, потом пластик растворили, и получили металлическую структуру, 70 процентов объема которой составляют воздушные «норы». При размерах никелевых структур в 16 нанометров, прочность нового материала составила 800 МПа, - а это в несколько раз превосходит показатели обычного цельного никеля.
«Меняя геометрию и величину структурных элементов, а также размеры пор, эти свойства можно варьировать в пределах от 90 до 880 МПа, а плотность – от 880 до 14500 кг/м3, - говорится в статье.
По словам автором исследования, все компоненты, используемые для получения таких сверхпрочных структур, дешевы и широко распространены. Однако, даже при высоких американских темпах внедрения новинок, в массовое производство новая технология пока не пошла. И дело тут вовсе не в пандемии. Проблема в том, что и сегодня, через три года после открытия группы профессора Пикуля, отсутствуют технологии и техника для производства чудо-никеля в промышленных масштабах, как нет и методов получения крупных образцов. Если ученым удастся решить эти вопросы и внедрить свой метод в массовое производство никелевых нанопор, мир может ожидать что-то подобное новой промышленной революции, поскольку такая технология позволяет создавать материалы с огромным диапазоном характеристик. Такие материалы можно использовать в военной, электронной, космической промышленности, в строительстве домов, автомобилестроении и других отраслях.
Впрочем, не меньшей сенсацией стала другая разработка американских инженеров-материаловедов под руководством доктора Аниш Тутея из Университета штата Мичиган, создавших устойчивое и легко ложащееся на любые поверхности омнифобное покрытие. Речь идет о материале, отталкивающем любые виды грязи: жир, масло, молоко, вино, воду, спирты и даже вездесущее арахисовое масло. Как утверждают авторы изобретения, созданный ими новый материал намного устойчивее и эффективнее своих предшественников.
В принципе, все и так знали, что, к примеру, шершавые поверхности иногда могут отталкивать воду за счет пузырьков воздуха в неровностях. Однако при контакте с жирами и спиртами, у которых ниже поверхностное натяжение, такая защита оказывается бессильной. Чтобы защита срабатывала, поверхность омнифобного покрытия должна быть почти идеально гладкой. А такая гладкость смесовых твердых материалов и достигается за счет уменьшения фазового расслоения. Ученые из Мичиганского университета успешно решили эту задачу, найдя ингредиенты, способные не расслаиваться при смешивании. Они смешали фторированный полиуретан и супергидрофобное вещество F-POSS. Такую смесь можно наносить на поверхности кисточкой или распылителем, а можно и просто окунуть изделие в эту «краску». Судя по информации, опубликованной в открытых источниках, новый материал может применяться в создании покрытий бытовых приборов, потребительской и промышленной электронике, и при отделочных работах в строительстве.
Секрет ученых из Мичигана – в том, что им удалось подобрать ингредиенты с нужными свойствами и посредством математического моделирования предсказать особенности нового комбинированного материала. У американцев получилось то, чего до сих пор не удавалось никому: они смогли найти компонентные вещества, которые не только не ухудшают свойства друг друга, но и отличаются высокой степенью смешиваемости. А это позволяет получить однородную смесь с повышенной влагоотталкивающей способностью.
- Если покрыть нашим материалом ноутбук или смартфон, им уже не будут страшны падения в воду и пролитая на них чашка кофе, - утверждает доктор Тутея. – А если вы нанесете этот материал на полы и стены, они вообще не будут пачкаться.
Разумеется, омнифобные материалы были известны и до этого, их создавали из двух компонентов: износостойкого и влагоотталкивающего. Но до сих пор не удалось получить комбинированный материал, свойства которого были бы суммой свойств его компонентов. Скажем, репеллент сделает такой материал менее стойким, чем износостойкий компонент, и наоборот.
Итак, американцы уже знают, как делать очень прочное покрытие из фосфорилированного полиуретана, которое можно применять при производстве потребительских товаров, той же электроники. Весь вопрос в цене нового покрытия, - пока производство F-POSS дешевым не назовешь, а значит, это сразу скажется на цене товаров. Так что, придется ждать, пока не будет найден дешевый способ получения нового вещества.
Стекло – один из самых популярных материалов, которые ученые пытаются модернизировать. Наверное, самое большое количество превращений испытало ударопрочное стекло, широко использующееся в автомобильной промышленности и строительстве. Получить первое ударопрочное стекло удалось случайно: в 1903 году французский ученый Эдуард Бенедиктус случайно уронил на пол пустую стеклянную колбу, и очень удивился, что колба не разбилась. Потом выяснилось, что до этого в колбе хранился раствор коллодия, - раствор, конечно, испарился, но стенки сосуда остались покрыты его тонким слоем, и именно этот слой усилил прочность стеклянной колбы. Бенедиктус попытался предложить новое стекло автомобилестроителям, но те сочли изобретение француза слишком дорогим, и какое-то время предпочитали использовать в автомобилях обычное стекло, что приводило к частым травмам водителей. И только когда на заводах Форда стали использовать только ударопрочное стекло, мода на новинку пришла туда, где она появилась – в Европу.
Конечно, на этом эксперименты со стеклом не закончились. Так, в конце 2017 года ученые Токийского университета создали прочное самовосстанавливающееся стекло, полученное на основе полимочевины. После того, как образец стекла размером 20 на 10 мм и толщиной 2 мм разделили на две части, их снова соединили вместе. Половинки соединились при небольшом приложенном давлении спустя всего несколько секунд, хотя процесс полного восстановления при комнатной температуре занял несколько часов.
Восстановленный кусок смог выдержать подвешенный груз массой 300 граммов. А самое смешное, - японцы вообще не собирались изобретать самовосстанавливающееся стекло, они бились над созданием нового типа клея…
Из последних интересных разработок вспомним полученную шведскими учеными из Королевского технологического института прозрачную древесину для строительства. Этот экологичный и экономичный гибридный материал, основанный на дереве и пластике, имеет отличные теплоизоляционные свойства, и может использоваться при строительстве домов. Впервые такой шведы получили «прозрачное дерево» еще в 2016 году, взяв за основу бальсовое дерево, растворив содержащийся в нем лигнин, и пропитав полученную древесину акриловым пластиком. Первые образцы не были полостью прозрачными, но уже тогда они превосходили по прочности акриловое стекло, поскольку в новом материале сохранялась структура древесины. Позже к этому материалу добавили полиэтиленгликоль, поместив его между слоями акрилового дерева. При повышении температуры полиэтиленгликоль плавится, а материал при этом не размягчается благодаря твердым внешним слоям, и это обеспечивает хорошие теплоизоляционные свойства «прозрачного дерева».