НТИ июль-август 2012 Ч.2 Новые материалы

   Часть 1    (http://www.metodolog.ru/node/1489)

Часть 2

Раздел НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ по традиции обширен и разнообразен.

«Пластики смогут заменить металлы», пишет 1 августа www.nanonewsnet.ru. «Наука давно и весьма безуспешно бьётся над созданием биодеградирующих полимеров, обладающих схожими потребительскими свойствами с полимерами традиционными. И вот, чтобы жизнь таких лабораторий превратилась в окончательный ад, исследователи из Университета Тель-Авива (Израиль) решили создать пластики, способные по жёсткости соперничать с металлами. Научная группа под руководством профессора Моше Кола разрабатывает сверхжёсткий полипропилен (один из самых распространённых пластиков в мире), который имеет шансы потеснить сталь и другие материалы, используемые для производства важнейших потребительских товаров. Это окажет серьёзное влияние на многие виды промышленного производства, включая автомобилестроение, где пластиковые детали могли бы заменить большинство металлических.

Понятно, что производство износостойких пластиков требует куда меньше энергии. Но есть и другие преимущества. Если в составе автомобиля удастся заменить большинство традиционных стальных частей полипропиленом, получившийся самодвижущийся экипаж будет намного легче оригинала и не столь бензинопрожорливым. Двойная выгода — и вам, и окружающей среде. А поскольку пластики дешевле стали в производстве, то и цена на полипропиленовый автомобиль будет поистине народной. Увы, способные к биодеградации пластики до сих пор не достигли уровня прочности и эластичности пластиков традиционных (того же полипропилена). Почему? Профессор Кол считает, что всё дело в не совсем идеальных катализаторах, используемых при полимеризации исходных мономерных блоков. Чем «лучше» катализатор, тем более упорядоченная, хорошо определённая полимерная цепь будет получаться, а это, в свою очередь, ведёт к созданию более жёстких и износостойких пластиков с повышенной точкой плавления.

Группа г-на Кола разработала совершенно новый катализатор — металлорганический комплекс титана с производным лиганда салалена — для промышленного производства полипропилена, позволяющий получать самую жёсткую версию этого полимера из всех когда-либо создававшихся. Кроме того, новый полипропилен является также наиболее регулярным с самой высокой температурой плавления. Надо полагать, что, доказав свою гипотезу о влиянии качества катализатора на потребительские свойства полимера, профессор Кол и его коллеги теперь переключатся на доработку процесса полимеризации биодеградирующих полимеров. Было бы здорово наконец-то объединить твёрдость стали и экологичность бумаги!..» (и еще было бы классно, если этот полимер не будет «биодеградировать» во время движения авто – Редактор)

«Полужидкие стены: погода в доме», назыыается заметка от 13 августа на www.popmech.ru. «Испанские разработчики создали замену гипсокартону – такую, что сама подогреет или охладит стены дома. Главный секрет материала – в парафиновых микрокапсулах, которые составляют до 45% его объема. Если покрытая такими пластинами стена разогревается выше определенной температуры, парафин плавится – как известно, процесс этот идет с поглощением энергии, приводя к снижению температуры. И наоборот, в прохладе – например, ночью – парафин снова застывает в микрокапсулы, выделяя тепло и подогревая помещение. Практические эксперименты по испытанию такой технологии показали, что плиты такого «парафиногипсокартона» 38-миллиметровой толщины дают впятеро более эффективный теплоизолятор, нежели обычный гипсокартон, и сравними с 15-сантиметровым слоем кирпича. Расчеты показывают, что при его использовании энергопотребление здания может снизиться на 40%, а в помещении, где используется этот материал, температура в пределах 20-30ºC может поддерживается «сама собой», без включения кондиционера. Впрочем, нельзя забывать, что дело происходит в Испании».

«Управление складками: морщины на заказ» описывает 10 августа www.popmech.ru. «Предложен процесс, позволяющий получать материалы со складками нужных размеров и рисунка. Возьмите какой-нибудь изюм. Морщины на его поверхности появляются по понятным причинам: при высыхании мякоти объем уменьшается, а кожица, не имея возможности упруго сократится, образует борозды, чтобы адаптироваться к новым размерам. Тот же принцип решили использовать и ученые для получения материалов со складками контролируемых размеров и рисунка. А потребоваться такое может для огромного числа приложений. Складчатые поверхности требуются для научных и медицинских инструментов, в некоторых датчиках и  перспективных устройствах, управляющих поведением света, адгезивных, антибликовых и антимикробных покрытий.

Для начала исследователи под руководством профессоров Мэри Бойс (Mary Boyce) и Карен Глисон (Karen Gleason) получили двухслойный материал: нижний слой составил упругий силиконовый полимер, а верхний – осажденный на этой основе из пара полимер, не обладающий упругими свойствами. Затем к материалу прикладывалось нужной величины растяжение, сперва в одном направлении, затем – в противоположном. По словам авторов, если растягивать материал сразу во всех направлениях, складки будут появляться хаотически, как на том же изюме. А такой пошаговый аккуратный подход позволяет контролировать их формирование. Для демонстрации возможностей нового метода ученые получили материал с идеально ровной «елочкой», размер и расположение соседних борозд и бугорков в которой точно определяются силой растяжения по одному, а затем и по другому направлению. Влияние на них оказывают также порядок, в котором в этих направлениях было сделано растяжение, и, конечно, толщина самого материала и его слоев. В общих чертах именно так появляются и наши с вами складчатые поверхности на подушечках пальцев – иначе говоря, отпечатки».

«Химики создали для солдат огнеупорный "макияж"», сообщает 23 августа www.nanonewsnet.ru. «Американские химики разработали особую камуфляжную краску, способную не только скрыть лицо солдата от взора противника, но и защитить его от тепловой энергии, выделяющейся во время взрыва самодельных бомб, и представили ее миру на ежегодной конференции Американского химического общества (ACS). «Взрыв фугаса на дороге или любого другого взрывного устройства приводит к появлению двух смертельно опасных волн. Первая из них – волна высокого давления – распространяется со сверхзвуковой скоростью и способна нанести ужасающие повреждения. За ней, практически сразу, следует тепловая волна. Внутри нее температура может превышать 600 градусов Цельсия. Тепловой удар длится всего две секунды, однако за это время энергия взрыва может буквально сварить лицо, руки и обнаженные участки кожи», – пояснил руководитель группы химиков Роберт Локхэд (Robert Lochhead) из университета Южной Миссисипи в Хаттисберге (США).

Локхэд и его коллеги по заказу министерства обороны Соединенных Штатов разработали средство для защиты от тепловой энергии, выделяющейся при взрыве. Как объясняют ученые, их задача состояла в следующем – создать специальную мазь, способную защищать солдата от воздействия тепла в течение нескольких секунд. Кроме того, средство должно было содержать в себе маскировочные пигменты и репеллент, отпугивающий насекомых. По словам Локхэда, основной проблемой при разработке стали последние два компонента. Большинство современных красок и отпугивающее комаров вещество DEET, используемое министерством обороны США, состоят из легко воспламеняемых спиртов, углеводов и минеральных масел. Это делает невозможным применение таких компонентов для изготовления теплостойкого «макияжа». Химики решили эти проблемы следующим образом:

  • Во-первых, они заменили воспламеняемые пигменты на их аналоги, изготовленные из силиконовых компонентов. Соединения кремния не горят и не поглощают инфракрасное излучение, и тем самым не снижают термостойкости маскировочной краски.
  • Вторая проблема была более сложной – репеллент невозможно заменить неорганическими компонентами без потери в эффективности. Поэтому ученые подошли к ее решению с другой стороны – они растворили молекулы DEET в гидрогеле – студенистой материи с высоким содержанием воды. Этот трюк сделал репеллент стойким к воспламенению.

По словам химиков, свойства мази превзошли ожидания заказчиков и самих изобретателей – данное вещество успешно защищало манекена от «ожогов» в течение 15 секунд. При более низких температурах камуфляжная краска способна выдержать 60 секунд «поджаривания», что позволяет использовать ее для защиты пожарников. Как утверждают Локхэд и его коллеги, их изобретение уже прошло предварительные лабораторные тесты и в скором времени перейдет к полевым испытаниям. В случае их успеха ученые планируют разработать бесцветный аналог для защиты пожарных и пропитки тканей палаток и других вещей, которым может угрожать возгорание».

«Омнифобная поверхность с дистанционным управлением» описана 1 августа на www.nanonewnet.ru. «Химики из США разработали материал, который в обычном состоянии не смачивается ни водой, ни липофильными жидкостями, однако это свойство может быть «отключено» с помощью магнита; в результате такого «отключения» жидкость может смочить поверхность. Идея создания омнифобных поверхностей взята исследователями у природы – ее можно рассматривать как развитие существующего в природе явления водооталкивания или сверхгидрофобности – такая гидрофобность характерна, например, для листьев лотоса.

Строение новой омнифобной системы таково – слой воздуха находится под слоем жидкости, за счет особой микроскопической структуры поверхности, которая заставляет воду и другие жидкости собираться каплями на поверхности и стекать с таких материалов, не увлажняя их. Руководитель исследования, Сергий Минько (Sergiy Minko) отмечает, что поверхности с таким строением не существуют в природе. Минько поясняет, что разница между сверхгидрофобной и сверхомнифобной поверхностью заключается в их геометрии. По его словам, система наностолбов или волосков может проявлять сверхгидрофобные свойства, однако если такие на такие столбики «надеть» подобие шапочки – придать им геометрию подобную «микрогвоздям», разработанным в группе Минько, на определенном удалении от поверхности возникают дополнительные капиллярные силы. Возникновение этих сил приводит к тому, что система получает способность отталкивать и жидкости с относительно небольшим поверхностным натяжением – например, водный раствор мыла или углеводороды.

В отличие от других исследовательских групп, занимавшихся разработкой сверхомнифобных поверхностей, исследователи из группы Минько планировали изучить, каким образом угол перекрывания влияет на смачиваемость поверхности. Для этого они создали микрогвозди из никеля, чтобы с помощью магнитного поля их можно было бы наклонять и с изменением угла изменять свойства поверхности от омнифобной до смачиваемой. Исследователи отмечают, что на основании теоретических рассуждений, такого результата можно было ожидать, однако до настоящего времени он не был подтвержден экспериментально. Для получения «микрогвоздей» исследователи нанесли пленку из пористого поликарбоната на золотой электрод и, с помощью электрохимических методов, вырастили нанопровода никеля, проникающие через эти поры.

Когда никель достигал верхней части поликарбоната он начинал расти, образуя сферические «колпачки». Исследователи останавливали процесс роста до того, как эти никелевые «колпачки» слипались между собой, а затем, растворяя слой поликарбоната, получали систему, состоящую из микрогвоздей – таким образом, и получение поверхности, и управление ее смачиваемостью представляют собой очень простые процессы, гораздо более эффективные, чем применяющаяся для сходных целей фотолитография. По словам Минько, возможность переключения смачиваемости поверхности весьма важна для практического применения -– даже сверхгидрофобная поверхность может загрязниться (загрязнение может попасть внутрь микроструктуры), при этом такую загрязненную поверхность нельзя просто взять и промыть – она будет отталкивать любую жидкость. (Здесь видна задача сродни всемирно известной, про то в чем хранить абсолютный растворитель - Ред).

Переключение от сверхомнифобности к смачиваемости позволит отмыть поверхность от загрязнений, просушить и снова вернуть ее в сверхомнифобное состояние. Дальнейшее совершенствование такого омнифобного материала в перспективе может привести к созданию экранов электронных устройств, устойчивых к загрязнению, а также к созданию более эффективных систем для перемещения жидкостей».

«Австралия научит бронемашины менять окраску», пишет 12 августа www.nanonewsnet.ru. «Исследовательская лаборатория министерства обороны Австралии (DSTO) ведет разработку технологии, которая позволит боевым бронированным машинам менять камуфляжную окраску. Об этом сообщается на сайте ведомства. Целью работы является создание электрохромных материалов, способных менять расцветку в зависимости от изменения электрического напряжения. По словам сотрудницы DSTO Вивьен Уитон (Vivienne Wheaton), новая технология позволит бронемашинам менять камуфляж при перемещении из одного типа местности в другой. Кроме того, один и тот же ландшафт может выглядеть по-разному в разное время суток. В настоящее время DSTO изучает возможности применения в военных целях так называемой «умной пленки» (smart film), уже нашедшей применение в коммерческих целях. В зависимости от подаваемого напряжения пленка становится темнее или светлее.

Основной сложностью, по словам Уитон, является то, что «умная пленка» может использоваться только на полимерных поверхностях или стекле. В разработке технологии, которую можно было бы применять в полевых условиях содействие DSTO оказывают специалисты Университета Южной Австралии. Сроки возможного создания «умной пленки» для бронемашин не уточняются. Так же неизвестно, во сколько может обойтись австралийскому минобороны оснащение военной техники такой пленкой».

«Ученые из IBM Research разработали полимер, который убивает бактерии, стойкие к антибиотикам», сообщает 9 июля www.nanonewsnet.ru. «Проблема бактерий и антибиотиков существует достаточно давно и единственным способом борьбы с болезнетворными микроорганизмами является разработка новых видов лекарственных препаратов-антибиотиков. Но спустя некоторое время, порой даже очень короткое, после появления нового антибиотика он резко начинает терять свою эффективность из-за того, что бактерии мутируют и становятся невосприимчивыми к его воздействию. Cовсем недавно исследователи из IBM Research обнаружили новый метод борьбы с болезнетворными микроорганизмами, который не требует использования антибиотиков и позволяет расправиться даже чрезвычайно выносливыми бактериями, такими как бактерии вида methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA). Интересен тот факт, что данный метод стал побочным эффектом разработки новых технологий изготовления полупроводников.

Ученые-химики из IBM Research в Альмадене, Калифорния, работали над разработкой нового метода травления микроскопических структур на кремниевых подложках, который может обеспечить более высокую точность, чем технологии, используемые сейчас в электронной промышленности. В ходе своих исследований они разрабатывали новые материалы, частицы которых, обладая электрическим потенциалом, группируются вместе и формируют полимеры, защищающие поверхность кремния от травящего вещества. После того, как искомые материалы были найдены и технология заработала положенным образом, ученые провели дополнительные исследования что бы выяснить, нельзя ли использовать эти материалы где-нибудь еще. В результате появилось то, что получило название полимер-убийца. Когда частицы такого материала вводятся в жидкую среду, в воду или кровь, они самособираются в биологически совместимые наноструктуры, которые за счет электростатических сил притягиваются к инфицированным клеткам, обладающим собственным потенциалом. При достижении инфицированной клетки полимер проникает внутрь ее, поражает болезнетворный микроорганизм и разлагается, оставляя за собой безвредные вещества. (Функционально процедура подобна тому, что делают молекулы серебра – Ред) По имеющейся информации такой метод борьбы с инфекционными заболеваниями не имеет никаких побочных эффектов, а в организме не происходит накопления никаких вредных веществ.

«Механизм работы этих полимеров-убийц в корне отличается от механизма действия антибиотика» – рассказывает Джим Хедрик (Jim Hedrick), ученый-химик из IBM Research. – «Действие полимера больше напоминает действие иммунной системы организма. Полимер дестабилизирует мембрану микроорганизма, который после этого просто распадается, а продукты распада полимера и микроорганизма выводятся из него естественным путем. И у микроорганизмов нет никаких шансов развить сопротивляемость такому методу воздействия». Помимо борьбы с болезнетворными микроорганизмами прямо внутри организма человека, новые полимерные материалы найдут широкое применение там, где требуется стерильность и препятствование росту любых видов микроорганизмов. Это изготовление различного рода лопаток и скребков для пищевых продуктов, упаковка и замена не очень полезных антибактериальных средств в таких вещах, как зубная паста и жидкость для полоскания рта, к примеру…»

«Создан препятствующий образованию биопленок полимерный материал», утверждает 15 августа www.nanonewsnet.ru. «Американские и британские ученые разработали группу полимерных материалов, на поверхности которых не могут закрепиться бактерии и, соответственно, не образуются биопленки. Полимеры, которые могут впоследствии широко использоваться в различных медизделиях, прошли успешные испытания как in vitro, так и in vivo, сообщается на сайте Университета Ноттингема. Результаты работы, проведенной под руководством профессора Моргана Александера (Morgan Alexander) и профессора Пола Уильямса (Paul Williams) из Университета Ноттингема (University of Nottingham) и при участии ученых из Массачусетского технологического университета (MIT), опубликованы в журнале Nature Biotechnology.

Под биопленкой понимается сообщество микроорганизмов, внедренное в синтезированный ими полимерный матрикс. Бактерии составляют от 5 до 35 процентов массы биопленки, остальная ее часть — это межбактериальный матрикс. Микроорганизмы могут образовывать биопленки как на органической, так и на неорганической поверхности. Эта форма существования позволяет микроорганизмам выжить при воздействии неблагоприятных факторов внешней среды и организма-хозяина. Так, они становятся устойчивыми к антибактериальным и дезинфицирующим средствам, к действиям среды с различными значениями pH и даже к воздействию иммунной системы хозяина. Биопленки, образующиеся на имплантируемых медицинских изделиях (катетерах, искусственных клапанах сердца, линзах и так далее), приводят к развитию тяжелых, трудно излечимых хронических заболеваний.

В течение четырех лет исследователи изучали свойства поверхности сотен различных полимеров. При помощи специальной технологии микромассивов, разработанной учеными из Массачусетского технологического университета, они могли нанести на небольшой участок стеклянной поверхности до 400 образцов полимерных материалов. Затем определялось количество прикрепившихся к каждому образцу микроорганизмов. Эксперименты проводились с использованием таких патогенов, как Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus и Escherichia coli. В ходе работы ученые выявили группу структурно схожих акрилатных и метакрилатных полимеров, к поверхности которых прикреплялось наименьшее количество бактерий. Эти полимеры и были использованы для дальнейших исследований.

Для проведения лабораторного эксперимента ученые нанесли покрытие из новых полимеров на силикон. В ходе последующей работы было установлено, что покрытая бактериями площадь поверхности на таком силиконе была в 30 раз (на 96, 7 процента) меньше, чем на широко используемом гидрогеле с серебром. Новые материалы также показали свою эффективность in vivo в имплантах инфицированных мышей. Поскольку бактерии не могли закрепиться на поверхности импланта, иммунитет животных мог уничтожить их до того, как они приобрели устойчивость за счет образования биопленок. В дальнейшем ученые планируют запустить экспериментальное производство этих полимеров и провести клинические испытания различных медизделий, покрытых новыми материалами».

 

RSS-материал