CC BY
275МАТЕРИАЛЫ
XXI ВЕКА
Камень, кирпич, древесина, металлы, пластмассы, композиты — вот, пожалуй, основные виды материалов, которыми пользуется человечество. Ныне в этот ряд технологи не прочь добавить еще нанотрубки, «твердый дым» и гидрогели. И вот почему.
Его назвали «аэрографиТ»...
Сеть пористых углеродистых трубок, которые по всему объему переплетены на нано- и микроуровне, — вот что представляет собой самый легкий материал в мире, пишет журнал Advanced Materials. Кубический сантиметр этого синтетического «войлока» весит всего 0,2 миллиграмма; он в 75 раз легче, чем пенопласт, и очень прочен. Ученые из Университета Киля и Гамбургского Технологического университета назвали свое коллективное творение « аэрографитом ».
Этот пластичный материал черного цвета, проводящий электричество, удивляет даже своих создателей, которые продолжают исследовать его свойства. Профессор Лоренц Кинле и доктор Андрей Лотник, аспиранты Меттиас Мекленбург и Арним Шучардт расшифровали атомное строение материала при помощи просвечивающего электронного микроскопа и выяснили, что аэрографит еще очень эластичен. Он также хорошо выдерживает и сжатие, и растяжение. Его можно сжать до 95%, и он вернется к своей первоначальной форме без каких-либо повреждений.
Команда из Киля, состоящая из Арнима Шучардта, Рейнера Аделанга, Йогнера Мишра и Сорена Капса, использовала оксид цинка в форме порошка. При нагреве до 900оС он принимает кристаллизованную форму.
цинка формирует микро- и наноструктуры, так называемые тетраподы. Они переплетаются и образуют устойчивую структуру из частиц, которые формируют пористую сферу.
Следующим шагом является помещение шара в реактор для химического парофазного осаждения, нагрев его до 760 градусов Цельсия. «В движущейся паровой атмосфере, которая обогащена углеродом, окись цинка покрывается слоем графита всего в несколько атомных слоев. Так формируется сетевая структура аэрографита. Одновременно подается водород. Он вступает в реакцию с кислородом в окиси цинка и приводит к выделению водяного и цинкового газа». Остается характерным образом переплетенная, подобная трубке, углеродистая структура.
Благодаря своим уникальным особенностям, аэрографит может использоваться в качестве электродов литий-ионных аккумуляторов, что приведет к существенному снижению веса батареи. Еще одна возможность использования аэрографита — конструкционный материал в авиации и космонавтике. Он не только очень легкий,
но и способен выдерживать сильные вибрации. Наконец, материал можно использовать в виде фильтров при очистке воды и воздуха.
«Твердый дым»
Еще одна версия аэрогеля, прозванная «твердым дымом», создана сотрудниками исследовательского центра NASA в Кливленде. Этот необычный материал не только один из самых легких в мире; он в 500 раз тверже, чем многие другие пластики и композиты.
«Изначально мы разрабатывали этот материал для космических скафандров, — отметила ведущая разра-ботчица «твердого дыма» Мэри Энн Медор. — Но потом выяснилось, что этот материал можно использовать и при строительстве марсианских поселений, и в производстве холодильников, ТВ-антенн...
Новый аэрогель сделан на основе пластика, который высушивается в сверхкритических условиях для удаления всей влаги. После этого из него можно делать тонкие и гибкие листы или даже пленки. Новый материал можно использовать, например, для тормозных устройств NASA, сотрудники которого ныне работают над надувными парашютами, замедляющими космический корабль во время посадки и защищающими аппарат от высоких температур в результате трения при входе в атмосферу.
ЭласТичнее резины?
Многие полагают, что самый растяжимый на свете материал — известная всем резина. На самом деле это не так. На свете существует еще ряд материалов, которые куда ее эластичнее. Прежде всего, к таким материалам относятся гидрогели — материалы, твердые частицы которых равномерно распределены в объеме воды. Примером геля в быту может послужить обычный кисель.
Эластичность — отличительная черта практически всех гидрогелей. Именно это свойство материалов обус-
лавливает их широкое применение в качестве материала для контактных линз. Более прочные виды гидрогелей используются, к примеру, для изготовления искусственных хрящей и сухожилий, заготовок для выращивания на них искусственных органов.
Однако ныне начали применять гидрогели не только в медицине, но и в технике. Так, недавно ученые создали еще один вид сложного гидрогеля, который обладает невероятной эластичностью; его практически невозможно повредить механическим воздействием.
Новый гидрогелевый материал разработан Жигэнг Суо, ученым-материаловедом из Гарвардского университета. В его основе лежат два полимерных материала — альгинат (alginate) и полиакриламид (polyacrylamide).
Ионные связи разрываемых молекул альгината позволяют равномерно распределить энергию воздействия на всю площадь и весь объем материала, это защищает от разрыва молекулы полиакриламида, которые обеспечивают эластичность гидрогелевого материала.
Такое взаимодействие двух компонентов приводит к тому, что гидрогель прочнее резины, может растягиваться в 20 раз относительно изначальной длины. Между тем каучук — самый эластичный материал естественного происхождения — может растянуться всего в 5 — 6 раз.
Кроме этого, гель обладает свойствами самовосстановления. Когда он теряет эластичность, достаточно нагреть его до 80 градусов Цельсия, чтобы изначальные свойства полностью восстановились.
