Новые материалы готовы изменить мир
Илон Маск в очередной раз показал себя новатором, черпающим вдохновение для своих прорывов в самых неожиданных местах. Например, к созданию Tesla Cybertruck его подтолкнули автомобили Ford. Главный инженер SpaceX посчитал флагманскую американскую линейку скучной и создал альтернативный прототип со сверхпрочным кузовом из особой марки стали — её же Маск использует для своих сверхтяжёлых ракет Starship.
Автомобиль разработан, чтобы повысить уровень безопасности водителя и пассажиров, но не за счёт электронной начинки, как можно было бы ожидать, а с помощью «неразрушаемого» кузова. Угловатая форма корпуса — вынужденная мера, поскольку новый сплав очень сложно отштамповать или изогнуть, он просто ломает пресс.
Сверхпрочная сталь — не единственный пример, заслуживающий внимания. В промышленных технологиях успело возникнуть и закрепиться новое направление, работающее с умными материалами. О них и поговорим в этой статье.
Smart materials вокруг нас
Исследователи заинтересовались веществами, способными менять форму и свойства под влиянием внешних факторов, например, света, давления, температуры. В плане активности, адаптивности и автономности подобная изменчивость напоминает живые организмы, а это значит, что конечный продукт сможет подстраиваться под наши запросы.
Как работает самовосстанавливающийся бетон
Трещины в бетоне появляются постоянно из–за недостаточной прочности материала на растяжение, поэтому методы самовосстановления стали приоритетным направлением в исследованиях. В традиционной смеси на основе цемента и песка заложен базовый механизм аутогенного заживления дефектов. Эту функцию обеспечивает остаточный негидратированный (или безводный) цемент. После контакта с атмосферной влагой такое соединение вступает в реакцию гидратации, в результате трещины частично заполняются.
Свойство полезное, но его недостаточно для полного восстановления материала. Исследователи поставили задачу улучшить характеристики состава с помощью гидрогелей. Суперабсорбирующие полимеры SAP способны накапливать воду в количестве, превышающем собственный вес в 300–1300 раз. Вся жидкость удерживается в структуре, не растворяясь.
Если в бетоне образуется трещина, полимер вступает в контакт с окружающей средой и набухает, частично закрывая дефект. Далее частицы геля высвобождаются и переносят воду в окружающую матрицу, запуская процесс гидратации и осаждения карбоната кальция CaCO3. В результате повреждение полностью затягивается.
Помимо SAP в бетон вводят специальные капсулированные культуры микроорганизмов, благодаря которым осаждение карбоната происходит вокруг бактериальных клеток.
Самовосстанавливающиеся бетоны работают в автономном режиме, то есть избавляют людей от постоянного мониторинга сооружений. Стратегия использования нового материала уменьшает коррозионные риски, увеличивает срок службы и снижает стоимость конструкций за счёт отсутствия необходимости в наблюдениях и текущем ремонте.
Полимерные композиты, затягивающие микротрещины
В аэрокосмической промышленности похожие материалы со свойством самовосстановления сравнивают со Святым Граалем, творящим чудеса. Дело в том, что во время полёта фюзеляжи, лопасти пропеллеров и другие внешние компоненты самолётов испытывают колоссальные нагрузки, которые возрастают стократно, если воздушное судно сталкивается с птицами или попадает в град. В результате жизненно важные части медленно, но верно разрушаются.
Самое неприятное, что микродефекты не всегда удаётся обнаружить при плановом обследовании поверхностей. Согласно статистике, с 1934 года усталость металла стала причиной 306 авиакатастроф со смертельным исходом (погибло 1803 человека).
Новые составы на основе смол способны вернуть повреждённые элементы в работоспособное состояние, даже если механики не заметят дефекта.
Средства, находящиеся в материале, распределяются по всем критическим поверхностям, а не точечно, как это происходит сегодня — пока надёжный контроль проводят исключительно с помощью датчиков.
Микрокапсулы смол с диспергированным катализатором добавляют к композиту, из которого производят важные части конструкции летательного аппарата. При появлении микротрещины дозированная ячейка разрывается, высвобождая самовосстанавливающее средство. Соединение активируется катализатором, запуская реакцию полимеризации и закрывая трещину. Исследователи стремятся создать инструмент «всё в одной капсуле» — такая система будет полностью автономной.
Ещё один метод самовосстановления заключается в использовании обратимых полимеров, которые будут затягивать трещины при воздействии внешних факторов, например, тепла, видимого или УФ–излучения, электрической индукции.
Новые материалы прошли успешные испытания на оборудовании, имитирующем удары на высокой скорости, а это значит, что в скором времени полёты могут стать ещё надёжнее и безопаснее.
Сплавы с эффектом памяти
Эффектом памяти называют способность материала восстанавливать форму после нагрева. Сегодня создано несколько сплавов с подобными свойствами. Самый известный — нитинол. Помимо металлов исследователи работают над производством похожих полимеров, способных возвращаться в исходное состояние не только от тепла, но и в результате воздействия светом, электричеством, магнитным полем или после контакта с определённым химическим соединением.
Такие свойства активно используют в промышленности. Так, волокна нитинола внедряют в ортопедические имплантаты и медицинские стенты при нейрососудистых вмешательствах. Кроме того, сплавы с памятью есть в современных строительных смесях — их применяют в качестве «чувствительного компонента», реагирующего на микротрещины.
Самосмазывающиеся материалы
Смазка нужна, чтобы уменьшить трение, а значит и износ. Подобные соединения необходимо постоянно добавлять в зазор между трущимися поверхностями. Это не только удорожает процесс, но и снижает производительность машин, поскольку в большинстве случаев требуется остановить оборудование. С появлением самосмазывающихся материалов необходимость в дополнительных составах для снижения трения отпадает, поскольку антифрикционный компонент «встраивается» в саму деталь.
Cамосмазывающиеся композиты изготавливают на основе металлов, полимеров, керамики. В таких соединениях смазка может формироваться в результате химической реакции, возникающей после механического контакта поверхностей. Например, образование борной кислоты из атмосферного водяного пара и оксида бора даёт твёрдые частицы со смазывающими свойствами, как у графита.
Молекулы кислоты, возникающие в зоне контакта, связаны между собой ван–дер–ваальсовыми силами. При трении слои двигаются относительно друг друга, обеспечивая надёжную смазку.
В пластиковых композитах роль фрикционного компонента выполняют специальные добавки, которые вводят в полимеры при производстве. Благодаря однородной структуре скольжение обеспечивает вся деталь целиком, то есть стенка работает как поверхность износа без вспомогательной смазки.
Материалы с расширенными возможностями — только верхушка айсберга новаторских средств, появившихся в промышленности. Сегодня учёные работают с композитными соединениями, напоминающими органическую материю.
Новая реальность — живые материалы
Вещества, способные самостоятельно расти и развиваться, находят применение в медицине. В этой сфере используют интересное качество композитных структур — взаимодействие с тканями человека.
От традиционных имплантов многого ожидать не приходится. На протяжении всего срока службы они продолжают оставаться инородными компонентами в человеческом организме. Иногда это приводит к отторжению. В большинстве случаев пациенту приходится пожизненно принимать препараты, снимающие реакцию организма на инородное тело.
Новые структуры не только не отторгаются, наоборот, они естественным образом сращиваются с повреждёнными участками, способствуя скорейшему восстановлению после травм.
Регенерация костной ткани с помощью биоактивных стёкол
Биостекло — одно из подобных соединений. Материал производят на основе диоксида кремния SiO2 с добавлением модификаторов. В результате получается высокореактивная поверхность, способная в течение нескольких дней образовывать прочную связь с костью и адгезионные взаимодействия с мягкими тканями. Если нужны именно такие свойства, в составе должно быть 42–53% оксида кремния.
С увеличением объёмной доли до 54–60% процесс приклеивания к кости затягивается до 2–4 недель, а с мягкими тканями связей вообще не образуется. При содержании SiO2 более 60% биостекло не связывается ни с костью, ни с мягкими тканями.
Исследователи экспериментируют с разными типами структур. Например, боратные комплексы показывают обнадёживающие результаты в заживлении хронических диабетических язв, которые не удаётся лечить традиционными методами.
Умные перевязочные материалы
Сегодня проблема сложного восстановления раневых поверхностей затрагивает около 1% людей во всём мире — столько пациентов страдает от хронических венозных язв. Ещё 463 млн даёт статистика больных диабетом. В этой связи выбор правильной повязки для заживления ран приобретает решающее значение.
Умная повязка светится, если рана инфицирована.
В клинической практике уже используют противомикробные повязки с флуоресцентным свечением. В состав такой ткани вводят гидроксид магния 
, способствующий заживлению. Если инфекция продолжает развиваться, поражённая область меняет pH на более щелочной. В результате материал начинает светиться в УФ–свете, то есть можно следить за процессом восстановления. Здесь важны не только лечебные и мониторинговые свойства ткани, но и то, что саму повязку не нужно постоянно снимать для проверки области поражения.
В тяжёлых случаях, когда механическое снятие материала с места повреждения способно ухудшить восстановительный процесс, используют самоудаляющиеся термочувствительные повязки. При низкой температуре такой состав остаётся жидким и легко снимается. Если рана ещё не зажила и поверхность нагрета, соединение преобразуется в гидрогель, прикрывающий область раны.
Светящиеся и термочувствительные повязки не единственные примеры умных материалов. Сегодня исследователи разрабатывают новые перевязочные способы для следующих состояний:
Создания и поддержание влажной среды.
Стимуляции роста кровеносных сосудов.
Длительного высвобождения лекарственных средств.
Регенерации тканей.
Лучшей кислородной проницаемости.
Защиты от инфекций.
Помимо материалов со специализированным действием проводятся испытания многофункциональных повязок для лечения ран на разных стадиях заживления.
Полимеры для стоматологии и лечения рака
Проблемы с зубами скоро уйдут в прошлое — над выращиванием костеподобной ткани работают учёные в России.
Человеческую кость можно рассматривать как природный композит, состоящий из неорганической и органической материи. Минеральный каркас образует гидроксиапатит (60–70%), остальное приходится главным образом на коллагеновые волокна (30–40%). В лаборатории ННГУ решили воспроизвести аналогичный материал с использованием рыбного коллагена, который на 96% подобен человеческому.
Новый композит пригодится в стоматологии для лечения кариеса, полного восстановления зубов и даже челюсти. Из синтетически полученного состава можно изготовить каркас нужной формы, срастить его с костью и дождаться образования соединительной ткани. Дальше основа пойдёт на строительство утраченных фрагментов, поставляя нужные ионы организму. То есть зубы получится вырастить с нуля, и это не протезирование, а полноценная замена на человеческую костную ткань.
Ещё одна разработка ННГУ — плёнка для лечения рака, работающая как неинвазивная инъекция. Её можно использовать как средство адресной доставки препаратов к поражённым областям. Кроме онкологических заболеваний полимер может оказаться полезным для лечения псориаза, нейродермитов, ревматоидного артрита.
Заключение
Мир умных материалов — больше, чем просто перечень сплавов, полимеров и композитов. Это сфера, благодаря которой становятся доступными адаптивные продукты, реагирующие на потребности пользователей.
Сегодня учёные и исследователи ставят задачу проектирования свойств на молекулярном уровне, то есть с ориентацией на конкретный запрос. Это может быть не только условная прочность или долговечность, но и большая безопасность для окружающего нас мира.
В будущем новые структуры расширят наши возможности в медицине, строительстве, машиностроении, аэрокосмической и других отраслях промышленности. Кроме того, они помогут в решении глобальных проблем, связанных с загрязнением планеты, а это значит, что наша жизнь станет не просто лучше, но и экологичнее.
