05.11.2012, 09:58:26

Версия для печати | PDA/КПК

Бетон и его друзья

Краткий обзор новых самовосстанавливающихся умных материалов

Недавно появилась новость о том, что ученые из голландского Дельфтского технического университета приступили к полевым испытаниям умного биобетона. Материал называют умным, потому что он способен восстанавливать повреждения, вызванные внешними факторами. Сами ученые надеются, что это позволит значительно сэкономить при производстве и эксплуатации бетонных конструкций. По этому случаю "Лента.ру" подготовила небольшой обзор новостей о самовосстанавливающихся материалах, благо исследования в этом направлении ведутся активно по всему миру.

 

Умные материалы

Формального определения у броского термина "умные материалы", конечно, нет. Обычно так называют материалы, способные изменять свои свойства под воздействием среды. Например, есть так называемые материалы с памятью. Скажем, проволока из никелида титана (его еще называют нитинол), будучи изогнутой, после нагрева возвращает себе исходную форму.

Тут сразу следует заметить, что, несмотря на свежесть самого термина, эффекты, связанные с умными материалами, были открыты достаточно давно. Например, эффект памяти изучался еще в 30-х годах прошлого века, а свойства нитинола были изучены советскими металлургами Курдюмовым и Хандорсоном в 1948 году (правда, свое название сплав получил из-за переоткрывших это дело в 60-х годах американцев, но это совсем другая история).

Речь в нашем тексте пойдет об особенном классе умных материалов - самовосстанавливающихся материалах. Под этим словосочетанием скрываются системы, способные противостоять структурному разрушению из-за механического воздействия. Главное требование, предъявляемое к таким материалам, заключается в том, чтобы "залечивание" повреждений происходило без участия человека. Механизмов подобного залечивания имеется огромное множество.

 

Хроматирование в космосе

Одним из способов защиты металлических (например, алюминиевых) деталей является хроматирование - их обработка специальными растворами, зачастую содержащими хромовую кислоту. При такой обработке формируется тонкий слой, защищающий металл от коррозии. Этот же слой служит прекрасной грунтовкой для последующей покраски или напыления. При хроматировании, однако, используется шестивалентный хром. Этот материал считается опасным для здоровья, поскольку, в отличие от, например, хрома трехвалентного, относительно легко проникает в живые клетки.

Покрытие алюминиевого сплава молибденом. Кадр из видео авторов исследования на сайте redorbit.com

Вместе с тем в некоторых отраслях - например, военной и космической - при обработке алюминиевых сплавов до сих пор используется опасное хроматирование. Помимо прочего, это связано с тем, что при эксплуатации такое покрытие в течение нескольких недель способно само залечивать небольшие царапины и повреждения. Грубо говоря, хром сам мигрирует на место царапины, заполняя и закрывая ее. Царапина при такой миграции, конечно, не затянется (товарный вид изделия все равно будет испорчен), однако подложка из алюминиевого сплава будет защищена (конечно, хуже, но защищена).

Таким образом, одной из задач, стоящей перед химиками, является создания покрытия, которое могло бы заменить опасное хроматирование. В конце октября 2012 года ученые из Университета Невады представили свой прототип такого покрытия. Они придумали покрытие на основе молибдена. Ученые также предложили способ нанесения этого покрытия на поверхность из алюминиевого сплава AA2024-T6, который используется в космической промышленности.

Во время исследования ученые специально повредили образец. Затем, используя сразу несколько методов спектроскопии (чтобы уж наверняка), они убедились, что молибден на поврежденном участке присутствует, то есть покрытие способно самовосстанавливаться. Сами ученые говорят, что их работа еще не завершена - они работают над усовершенствованием формулы покрытия. Примечательно, что до получения приемлемых результатов исследователи перепробовали около 200 различных составов.

 

Кровоточащий пластик

Одним из общих методов создания самовосстанавливающихся материалов является использование в их структуре микроскопических капсул, содержащих вещество-заплатку. Когда материал повреждают, капсулы раскрываются и материал из них заполняет трещины и царапины. Сами ученые сравнивают этот метод с кровотечением из раны живого человека - отсюда и название. Главным его недостатком является то, что материал не сможет восстановится, если его повредить одном и том же месте повторно. Кроме того, технически довольно сложно добиться, чтобы капсулы в материале были распределены равномерно, поэтому некоторые его участки могут оказаться уязвимее остальных.

Система каналов в пластике. Изображение SPL

В 2001 году ученые из университета Иллинойса представили пластик, способный лечить собственные повреждения описанным способом - он содержал множество капсул с подходящим материалом. В 2011 году ученые усовершенствовали собственную разработку - они создали материал, в котором есть целая система сообщающихся сосудов с материалом-заплаткой. В настоящее время этот материал тестируется и, по данным на конец октября 2012 года, довольно успешно.

По словам исследователей, им удалось добиться замечательных результатов - одна и та же трещина залечивалась более 50 раз подряд. Кроме этого, говорят ученые, их материал можно "перезаправлять". Насколько такая перезаправка будет эффективна, не сообщается - ведь ток, подходящий к поврежденному участку, может оказаться блокированным. Примечательно, что создание пластиков с системой пор может служить не только в производстве самовосстанавливающихся материалов. Такого рода каналы можно использовать, например, для циркуляции воды и понижения температуры прибора.

 

"Живой" гидрогель

В марте 2012 года в Proceedings of the National Academy of Sciences появилась статья, авторы которой предложили полимер, способный не только затягивать царапины, но даже склеивать отдельные куски. Полученная система представляет собой гидрогель - молекулы полимера, связанные с молекулами воды. По сути это вещество, напоминающее по внешнему виду желе, можно рассматривать как густую взвесь частиц в водной среде (водную дисперсную среду). Молекулы полимера были снабжены боковыми "отростками", состоящими из гидрофобных и гидрофильных фрагментов - в правильном подборе молекул и заключается "ноу-хау" исследователей.

Во время испытания ученые брали куски геля и разрезали их на несколько частей или повреждали их поверхность. После этого куски помещали в водный раствор. Как оказалось, благодаря боковым отросткам в кислой среде разрезанные куски склеивались, а повреждения затягивались. Процесс склеивания оказался обратимым - в щелочной среде куски отклеивались.

Ученые заявили, что в растворе с правильным pH механические свойства восстановленного куска не отличаются от свойств изначально целого фрагмента геля. Примечательно, что процесс сращивания происходит крайне быстро.

 

 

Жадный до света полимер

В апреле 2011 года химики из Швейцарии создали пластик, который можно "лечить" ультрафиолетом. Новый пластик относился к так называемым супрамолекулярным веществам (pdf) - соединениям, в которых компоненты самостоятельно образуют разные фазы (пленки, слои, мембраны, пузырьки или прочее).

Ученые смешали металл (цинк или лантан) и полимер с достаточно малой молекулярной массой (то есть короткими молекулами) и получили пластик с металлическими прослойками. Оказалось, что небольшая - толщиной 400 микрометров - пластинка такого пластика после 30-секундного воздействия достаточно мощным источником ультрафиолетового излучения способна залечивать царапины глубиной до 200 микрометров (то есть в половину толщины).

Принцип работы довольно прост: при облучении ультрафиолетовым светом атомы металла в пластике поглощают фотоны и преобразуют их в тепло. В результате пластик разогревается изнутри и царапина заплавляется. Исследователи отмечают, что их пластик пока далек от внедрения в промышленность. Главной сложностью они называют тот факт, что облучаемый фрагмент должен быть прозрачным, чтобы технология работала. Кроме того, механические свойства пластика после переплавки могут отличаться от изначальных.

 

Биобетон

Концепцию биобетона ученые из Дельфтского технического университета в Нидерландах придумали еще лет двадцать назад. Основная идея была следующей: предлагается, чтобы в бетоне жили микроорганизмы, которые в случае повреждения без вмешательства человека заделывали образующиеся трещины.

Биобетон. Изображение с сайта tweaktown.com

Проблема поиска и устранения повреждений железобетонных конструкций - самого популярного материала в строительстве - крайне актуальна. Микротрещины, в которые попадают вода и разные "агрессивные ионы" (так говорят сами изобретатели), со временем приводят к образованию полноценных трещин. Это, в свою очередь, открывает доступ к металлическим конструкциям, скрытым в толще типичного железобетона. Их разрушение, в свою очередь, существенно влияет на прочность конструкций. Ученые подсчитали, что обслуживание конструкций обходится весьма дорого - как в денежном выражении, так и с точки зрения затраченных человеко-часов. Поэтому они захотели перепоручить эту работу бактериям.

На доведение идеи до практической реализации у исследователей ушло много времени. В этом нет ничего удивительного - им надо было подобрать правильные организмы, обеспечить их питанием. Кроме этого продукты жизнедеятельности бактерий должны были быть подходящими для заделывания дыр. Оказалось, что для такой работы подходят микроорганизмы рода Bacillus. Бетон содержит споры этих организмов, а также гранулы лактата кальция. Помимо того, что это вещество служит источником энергии для бактерий, при его переработке образуется кальцит (одна из форм карбоната кальция), отложения которого и заполняют образующиеся в бетоне щели.

Соответственно, споры оживают в случае, когда в трещины попадает влага. В спящем же состоянии они способны жить в бетоне долгие годы.

Первые лабораторные опыты показали, что бактерии действительно способны заделывать трещины кальцитом. При этом исчезают как относительно крупные дефекты, так и микротрещины размером около 0,2 миллиметров. Такие трещины не учитываются нормами строительства, но, как говорилось выше, со временем способны разрастаться до серьезных размеров.

Теперь же ученым из Нидерландов предстоит доказать работоспособность их материала на практике. Это, по их словам, займет около трех лет.