Композиты и нанокомпозиты

Далее речь пойдет о разнообразных нанокомпозитах, которые широко и успешно применяются в современной технике. Согласно классическому определению, композит - это неоднородный материал из двух и более компонент (составляющих), причем между компонентами существует практически четкая граница раздела [2]. Примером может служить известный многим стеклопластик, в котором стеклянные волокна включены в полимерную основу. Так как между атомами разных веществ существует взаимодействие, граница фактически состоит из тонкого переходного слоя. Часто можно выделить среди компонент так называемую матрицу, более или менее непрерывную среду, в которой находятся частички наполнителя. Наполнитель может иметь вид отдельных частичек, волокон, слоев. Слои или волокна могут быть определенным образом ориентированы или располагаться в матрице беспорядочно (рис. 7.3).

К композиционным материалам прибегают, если необходимо либо сочетание двух разных свойств материала, либо даже на первый взгляд противоположных свойств. Пример первого случая - композиционный материал из полимерной матрицы и малых частиц ферромагнетика. При достаточной концентрации наполнителя он проявляет ферромагнитные свойства, а за счет полимерной матрицы легко обрабатывается на станках. Пример второго - углепластик, основной материал современных скоростных самолетов и ракет, в котором сочетается высокая прочность хрупких углеродных волокон и ударостойкость достаточно прочной полимерной матрицы. В этом отношении конструкционные композиционные материалы идеологически повторяют строение внутреннего или внешнего (панцирь) скелета животных. Кости и панцири также сочетают в себе высокопрочную, но хрупкую составляющую (кристаллы минеральной природы) с непрочными, но гасящими ударные нагрузки биополимерами.

Иногда композиционные материалы позволяют решить экономические или экологические проблемы, когда в качестве наполнителя используют либо отходы производства (древесная стружка, нитки), либо дешевый природный материал (глина).

В полимерных композитах экологические проблемы решаются, например, при использовании в качестве наполнителя вторичного сырья: измельченных старых автомобильных протекторов (работы Института синтетических полимерных материалов РАН), полимерных отходов кабельной промышленности и т. д.

Получить материал с дополняющими друг друга свойствами можно также при сочетании макроскопических слоев разных материалов. Так, в полиплексах - перемежающихся слоях неорганического стекла и полимера - прозрачность неорганического стекла необходима для остекления самолетов, автомашин. Полимерная прослойка гасит энергию удара, оберегая прочное, но хрупкое стекло.

Сочетание различных полезных свойств можно получить и в другом крайнем случае - варьируя структуру материала на молекулярном уровне. Например, в блоксополимере длинная макромолекула состоит из последовательностей (блоков) разных мономеров. Варьируя природу этих мономеров, можно получать разные по свойствам материалы и даже инициировать самосборку полимерных цепей в наноструктуры (рис. 7.4).

Таким образом, нанокомпозит оказывается промежуточным звеном между этими «молекулярными» и классическими композитами. В нанокомпозитах по крайней мере одна компонента имеет наноразмеры.

Примером могут служить ферромагнитные наночастички, включенные в антиферромагнитную матрицу.

Однако для нанокомпозитов поверхность раздела (понятие макроскопическое) между компонентами выделить не всегда возможно в силу их малости. Но даже в случае определенности такой границы, например между наночастицами одного полимера и матрицей из другого, доля от общего объема и роль этой нанограницы (переходного слоя), имеющей иную структуру, чем объемная матрица, оказывается существенной.

Примером нанокомпозита могут служить дешевые композиты полимера с природной глиной, которые уже начали использовать, в том числе для изготовления бамперов японских автомобилей.

В последние годы разработчики автомобилей стремятся снизить их вес с целью экономии топлива и, соответственно, снижения выброса в атмосферу двуокиси углерода. Полимерные нанокомпозиты, армированные наночастицами, почти не уступают металлу по жесткости и прочности, а по звукопоглощению и стойкости к коррозии его превосходят. Разрабатываются специальные программы создания соответствующей дешевой технологии. Полимерные нанокомпозиты найдут массовое применение в строительстве (детали отделки зданий, трубы и пр.), мебельной и бытовой промышленности.

Недавно изготовили почти невидимую пленку толщиной 45 нм, которая тоже является нанокомпозитом. Полимерная матрица нанокомпозита (полимерная сетка) пронизана диоксидом циркония, который формируется одновременно с полимером и придает нанокомпозиту прочность. Полимерная сетка обеспечивает пластичность и деформируемость пленки, которую можно протянуть через отверстие микропипетки, в 30 тыс. раз меньшее, чем сантиметровая ширина пленки (рис. 7.5).

В итоге пленка может удерживать жидкую среду в 70 тыс. раз тяжелее, чем она сама. Возможное применение - датчики, мембраны.

Композиционный материал, сочетающий нановолокна с наночастицами, планируют разработать для костюма солдата будущего.

Композиционным материалом является недавно созданная искусственная роговица - гидрогель, в котором содержание воды может достигать 80% (как в живых тканях). Трехмерная эластичная сетка хорошо выдерживает процедуру пришивания; живые клетки из окружающих тканей хорошо размножаются в ее порах и вырабатывают коллаген, склеивающий искусственную роговицу с глазным яблоком. Сегодня более 10 млн человек во всем мире слепы из-за различных повреждений роговицы, а при пересадке от донора примерно в 20% случаев роговица отторгается. Применение искусственной роговицы решит проблему - зрение восстанавливается почти сразу (при трансплантации донорской роговицы этот процесс занимает от полугода до года).

Разнообразие структуры полимеров определяет разнообразие структур наносистем полимер - металл.

Ионы металлов и супрамолекулярные структуры (рис. 7.6, а) объединяются в супрамолекулярные композиты.

Дендример с ветвящейся древовидной структурой может «захватывать» различные наночастицы (см. рис. 9.4.). На периодическом молекулярном рисунке поверхности некоторых полимеров наночастицы металла укладываются в соответствующий узор и после отжига образуют нанопроволоки.

Из полимерных нанокомпозитов с наполнителями из наночастичек металлов, сплавов, полупроводников изготавливают электропроводящие пленочные материалы, оптические элементы, светофильтры. Один из существенных недостатков полимеров при их использовании в качестве конструкционных материалов - горючесть, часто с выделением ядовитых веществ. Введение в полимер наноразмерных порошков может привести к снижению его горючести вплоть до самозатухания огня.

Для решения сложных задач сочетают различные наноматериалы. Известная компания «DuPont» разработала новый материал для костюмов людей, работающих в экстремальных условиях (солдат, пожарных, спасателей и пр.). Этот материал, кроме слоев прочных и огнестойких нанотканей, содержит слой особой выборочно проницаемой наномембраны, которая является непроницаемой для отравляющих и биологически опасных веществ и вместе с тем позволяет влаге от пота уходить наружу, чтобы не допустить перегрева тела. Можно сказать, что нанокомпозиты затем объединены в макрокомпозит (как в полиплексе). Новые костюмы на 50% легче обычных, мягче и к тому же «дышащие». Они проходят испытания в армии США.

Нанопористые материалы

Нанопористые материалы рассматриваются последнее время как новый класс функциональных материалов. Традиционно они используются как фильтры - катализаторы с развитой поверхностью, но, кроме того, в поры (особенно калиброванные по размеру) можно помещать самые разнообразные вещества, выполняющие различные функции. Трековые мембраны используются как фильтры для бактерий, плазмы крови и пр. (см. рис. 7.1, а).

Ведутся работы по созданию керамических нанофильтров в форме цилиндров. Они предназначены повысить эффективность технологии очистки нефти (в настоящее время почти 20% сырой нефти остается непереработанной из-за плохой очистки).

Металлоорганические структуры - каркасы или «кристаллические губки» способны накапливать газы лучше остальных пористых материалов. Поэтому их можно использовать для удаления углекислого газа из заводских выбросов, в них можно эффективно накапливать топливо в виде водорода и метана.

Нанопленки и покрытия

Тонкие пленки и покрытия играют в современной технике все большую роль. Они применяются как прозрачные проводящие плоские экраны, антифрикционные покрытия в подшипниках, в качестве регистрирующих, отражающих и буферных слоев дисков CD, DVD и магнитооптических носителей данных; используются в жестких магнитных дисках, а также в оптических и магнитных ленточных и дисковых накопителях. Благодаря определенным оптическим свойствам их используют в микрозеркалах видеопроекторов, в противоотражательных покрытиях для объективов.

Компания «Sharp» изготовила солнечную батарею в виде пленки толщиной от 1-3 мкм, а это тоньше ранее применяемых пленок примерно в сто раз. Пленка площадью в две визитные карточки весит всего 1 г и обладает мощностью 2,6 Вт (достаточно, чтобы обеспечить электропитанием велосипедный фонарь). Слоями солнечных батарей планируется покрывать мобильные телефоны, автомобили и даже специальную одежду.

В то время как в электронике ставится задача перехода от планарных (плоских) структур к трехмерным, в области наноматериалов наметилась тенденция к получению материалов с наномерной толщиной и даже толщиной в 1 атом.

Получена прозрачная ткань из нанотрубок толщиной в несколько десятков атомов, причем разработана технология производства кусков ткани большого размера. За счет сочетания высокой проводимости, гибкости и большой удельной прочности эта ткань перспективна для применения во многих областях - от солнечного паруса до светодиодов. Поскольку она хорошо поглощает микроволновые излучения и при этом нагревается, ее можно сваривать без шва, а также применять для обогрева автомобильных стекол.

Новый материал графен (см. рис. 4.9), открытый совместно английскими и российскими учеными во главе с А. Геймом в 2004 г., стал первым моноатомным по толщине материалом. Получившие его ученые считают, что речь идет о совершенно новом, фантастическом классе материалов толщиной в один атом, которые будут демонстрировать уникальные свойства и найдут широкое применение на Земле и в космосе. Важно, что разработан метод извлечения отдельных атомных плоскостей из различных кристаллов («микромеханическое расщепление»), и в зависимости от потребностей можно будет использовать тот или иной из них.