МАТЕРИАЛЫ БУДУЩЕГО

Бордина Г.Е.¹, Лопина Н.П.², Некрасова Е.Г.³, Бигина Ю.В.⁴, Сухарева Д.Д.⁵

¹Кандидат биологических наук, доцент,

²Кандидат химических наук, доцент,

³Кандидат медицинских наук, доцент,

^4,5Студент,

Тверской государственный медицинский университет

МАТЕРИАЛЫ БУДУЩЕГО

Аннотация

Рассмотрены самые перспективные и активно использующиеся группы «умных» материалов и происхождение самого термина. Указаны основные свойства, методы создания и области применения «умных» материалов. Установлена их многофункциональность. Приведены теоретические основы и эксперимент по созданию супрамолекулярных материалов учеными Мюнхенского технического университета. Результаты проведенного исследования проанализированы, сделан вывод об ограниченности применения супрамолекулярных гидрогелей в отношении живого организма.

Ключевые слова: умные материалы, материаловедение, супрамолекулярные материалы.

Bordina G.E.¹, Lopina N.P.², Nekrasova E.G.³, Bigina Yu.V.⁴, Sukhareva D.D.⁵

¹PhD in Biology, Associate professor,

²PhD in Chemistry, Associate professor,

³MD, Associate professor,

^4,5Students,

Tver State Medical University

MATERIALS OF FUTURE

Abstract

The most perspective and actively used groups of "smart" materials and the origin of the term itself are considered in the paper. The basic properties, the methods of development and application of "smart" materials are indicated, their multi-functionality is established. The theoretical basics and the experiment on development of supramolecular materials by the scientists of Munich Technical University are given. The results of this study are analyzed, and the conclusion is as follows: the use of supramolecular hydrogels in relation to the living organism is limited.

Keywords: smart materials, material science, supramolecular materials.

«Умные» материалы – отдельный класс материалов, различных по химическому составу и агрегатному состоянию. Главной отличительной чертой таких материалов является их многофункциональность, выходящая за пределы свойств, определяемых их структурой [1].

«Умные» материалы включают множество групп, но в статье будут освещены только те, которые в настоящее время широко используются в промышленности и других сферах жизнедеятельности человека. Это, к примеру, самовосстанавливающиеся материалы, особенностью которых является способность к «залечиванию», т.е. восстановлению механических повреждений, нанесенных структуре. Для их создания используются термореактивные полимеры (композиты на основе эпоксидных смол), отличающиеся повышенной прочностью за счет сшивания полимерных цепей, и капсулы, стенки которых выполнены из инертного материала (поликарбамид-формальдегид). В капсуле заключен «залечивающий» агент (полиэфирная смола), так при деформации полимера целостность оболочки капсулы нарушается, и её содержимое - «залечивающий» агент - высвобождается и заполняет собой дефектное пространство. К основному материалу также отдельно друг от друга добавляются «отвердитель» и катализатор (например, катализатор Граббса), которые смешиваются с «залечивающим» агентом и полностью герметизируют трещину [2, С. 145].

В керамических композитах такого же эффекта добиваются, применяя реакции окисления, в результате которых объём продуктов увеличивается, что позволяет заполнить небольшие трещины [3, С. 1395-1403].

Также известны материалы с «эффектом запоминания формы». Сначала сплаву придается необходимая форма, а затем он подвергается высокотемпературному (около 500 градусов Цельсия) обжигу. На этой стадии формируется неупругий аустенит, обладающий прочной кристаллической решеткой. В результате последующего охлаждения образуется легко деформируемый мартенсит. На стадии мартенсита любая деформация может быть легко восстановлена после нагревания образца, так как в результате повышения температуры атомы сплава образуют аустенитную решетку [1, С. 921].

Существуют полимеры с «памятью формы», восстанавливающие свою конфигурацию под воздействием света, электрического или магнитного поля и растворителей различного химического состава [4, С. 369-374].

Также в промышленности широко применяются магнитореологические жидкости (сокращенно МРЖ) – жидкости, реологические свойства которых изменяются при приложении магнитного поля. При воздействии магнитных волн диспергированные частицы жидкости образуют цепочечные структуры, которые выстраиваются параллельно направлению магнитных волн поля. За счет образования этих структур текучесть и вязкость магнитореологических жидкостей изменяется. Эти изменения легко появляются и исчезают при приложении магнитного поля [1, С. 599].

Не менее интересны самосмазывающиеся материалы, для создания которых существует несколько методов. Первый из них заключается в покрытии смежных поверхностей смазывающими материалами, однако такие поверхности должны обладать большой износостойкостью, либо иметь низкий коэффициент поверхностной энергии для уменьшения трения [5, С. 1-2]. Особое внимание ученых направлено на создание керамических и полимерных композитов. Так нанокомпозит, обладающий способностью к самосмазыванию, включает в себя молекулы фуллерена С60 и углеродные нанотрубки, которые исполняют роль своеобразных «подшипников» в системе, уменьшая коэффициент трения [6, С. 1479-1487].

Особенно практичными считаются самоочищающиеся материалы, чьи особые свойства обусловлены наличием впадин и выступов на поверхности, промежутки между которыми удерживают каплю жидкости и воздух. Поверхностное натяжение обеспечивает большой угол соприкосновения между каплей и поверхностью, что создает «эффект самоочищения», при котором капля жидкости свободно перемещается по всей поверхности, удерживаемая воздухом между структурами. Это физическая очистка [7, С. 1536-1542]. При объединении тефлона и термоусаживаемой пластмассы образуется поверхность, отличающаяся высокой гидрофобностью даже при механических повреждениях. Это свойство обусловлено сочетанием микро- и наноузоров. На поверхности, полученной нанесением пластмассы на тефлон, угол контакта между каплей и покрытием равен 172°, что означает, что капли едва соприкасаются с материалом [7, С. 1543-1545]. Аналогичного эффекта можно добиться путем нанесения на хлопковую ткань наночастиц TiO₂ или наностержней ZnO, в этом случае эффект самоочищения будет иметь химическую природу [8, С. 267-275], [9, C. 3-6].

Очень перспективное направление представляют супрамолекулярные материалы, образованные молекулярными частицами, которые связаны между собой межмолекулярными или ионными химическими связями. В большинстве случаев связи водородные, и за их счет возможно полное восстановление супрамолекулярной структуры. Наиболее известные представители этой группы - биологически активные гидрогели, представляющие собой полимерные сети, которые обладают высокой гидрофильностью (процентное содержание воды в гидрогеле часто достигает 90) [10, C. 1-3].

Для супрамолекулярных систем природного происхождения характерно состояние динамического равновесия между самосборкой и разрушением, которое способно смещаться в любую из сторон в зависимости от концентрации «топлива» реакции, например, аденозинтрифосфата (АТФ). Основная роль «топлива» в системе – регуляция временного промежутка между самосборкой и разрушением. Таким образом становится понятно, что для природных супрамолекулярных систем характерен кинетический контроль, который обусловлен концентрацией «топлива» [10, C. 3-5].

Стремясь создать материал, обладающий свойствами природных супрамолекулярных систем, Джоб Бэкховен и его исследовательская группа на базе Мюнхенского технического университета начали работу над особым синтетическим гидрогелем. Основу системы составили дикарбоксилаты, а на роль «топлива» выбрали  карбодиимиды. В качестве среды был использован прозрачный полиакриламидный гидрогель, который позволил наблюдать весь ход эксперимента [11, C. 4-6].

При взаимодействии составляющих системы дикарбоксилаты переходят в ангидриды, которые самоорганизуются в структуры сетчатого характера. По мере расхода карбодиимиды превращаются в производные мочевины, а ангидриды вступают в реакцию гидролиза с водой, содержащейся в среде гидрогеля, в результате чего вновь образуются дикарбоксилаты. Так происходит процесс самосборки и разрушения системы [11, C. 4-6].

Временной промежуток между образованием и разрушением такой сетчатой структуры легко регулируется путем изменения объёма топлива в системе. Дикарбоксилаты снова превращаются в ангидриды при добавлении карбодиимидов. Основываясь на этом, можно сказать, что созданный гидрогель максимально приближен к природной системе, так как он подвергается кинетическому контролю, о котором говорилось ранее [11, C. 2-3].

Исследование показало, что получение различных по конфигурации и по продолжительности существования саморазрушающихся супрамолекулярных структур возможно. Структуры на аминокислотной или пептидной основе подконтрольны кинетическим факторам (концентрациии химического топлива) [11, C. 2-3]. Однако исследования будут продолжены.

«Умные» материалы уже включают в себя большое количество групп, каждая из которых нашла применение сразу в нескольких областях человеческой жизнедеятельности. Перспективы «умных» материалов велики, и потому исследования по улучшению методов их создания и открытие новых групп ещё долгие годы будут одним из приоритетных направлений в химии и физике.

Список литературы / References

1. Schwartz M. Encyсlopedia of smart materials / Mel Schwartz. – New York: Wiley, 2002. – preface, 599, 921 p.
2. Ghosh S.K. Self-healing materials: fundamentals, design Strategies and applications / Ghosh, Swapan Kumar. – New York: Wiley, 2008. – 145 p.
3. Yoshioka S. Methodology for evaluating self-healing agent of structural ceramics / Yoshioka S., Nakao W. // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. – 2015. – Vol. 26(11). – P. 1395-1403.
4. Yu K. Conductive Shape Memory Polymer Composite Incorporated with Hybrid Fillers: Electrical, Mechanical, and Shape Memory Properties / Yu K., Liu Y., Leng J. // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. – 2011. – Vol. 22. – P. 369-374.
5. Hilp H. Self-lubricating, maintenance-free sliding materials / Hubert Hilp // MPT International. – 2004. – Vol. 26(4) – P. 1-2.
6. Srikant R.R. Development and performance evaluation of self-lubricating drill tools / Srikant R.R., Ramana V., Vamsi Krishna P. // Journal of Engineering Tribology. – 2015. – Vol. 229(12). - P. 1479-1487.
7. Kong L., Design, fabrication and characterization of three-dimensional patterned microstructured surfaces with self-cleaning properties from hydrophilic materials / Kong L., Cheung C., To S. // Journal of Engineering Manufacture. – 2012. – Vol. 226(9) – P. 1536-1545.
8. Lee H. Fabrication of self-cleaning textiles by TiO2-carbon nanotube treatment / Lee H., Kim J., Park C. // Textile Research Journal. 2014. – Vol. 84(3). – P. 267-275.
9. Ashraf M. Study the multi self-cleaning characteristics of ZnO nanorods functionalized polyester fabric / Ashraf M. // Journal of Industrial Textiles. – 2014. – P. 3-6.
10.    Bartosz A. Self-assembly: from crystals to cells / Bartosz A. Grzybowski et al. // Soft Matter. – 2009. – P. 1-5.
11. Boekhoven J. Non-equilibrium dissipative supramolecular materials with a tunable lifetime / Job Boekhoven et al. // Nat. Commun. – 2017. – P. 2-6.