МАТЕРИАЛЫ XXI ВЕКА

МАТЕРИАЛЫ
XXI ВЕКА
Камень, кирпич, древесина, металлы, пласт
массы, композиты — вот, пожалуй, основ
ные виды материалов, которыми пользует
ся человечество. Ныне в этот ряд техноло
ги 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, пи
шет журнал Advanced Materials. Кубический сантиметр
этого синтетического «войлока» весит всего 0,2 милли
грамма; он в 75 раз легче, чем пенопласт, и очень про
чен. Ученые из Университета Киля и Гамбургского Тех
нологического университета назвали свое коллективное
творение «аэрографитом».
Этот пластичный материал черного цвета, проводя
щий электричество, удивляет даже своих создателей,
которые продолжают исследовать его свойства. Профес
сор Лоренц Кинле и доктор Андрей Лотник, аспиранты
Меттиас Мекленбург и Арним Шучардт расшифровали
атомное строение материала при помощи просвечиваю
щего электронного микроскопа и выяснили, что аэро
графит еще очень эластичен. Он также хорошо выдер
живает и сжатие, и растяжение. Его можно сжать до
95%, и он вернется к своей первоначальной форме без
какихлибо повреждений.
Команда из Киля, состоящая из Арнима Шучардта,
Рейнера Аделанга, Йогнера Мишра и Сорена Капса, ис
пользовала оксид цинка в форме порошка. При нагреве
до 900оС он принимает кристаллизованную форму.
20
ГОРИЗОНТЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ
Из этого материала ученые сдела
ли своего рода шар. В нем оксид
цинка формирует микро и наноструктуры, так называ
емые тетраподы. Они переплетаются и образуют устой
чивую структуру из частиц, которые формируют пори
стую сферу.
Следующим шагом является помещение шара в реак
тор для химического парофазного осаждения, нагрев его
до 760 градусов Цельсия. «В движущейся паровой атмос
фере, которая обогащена углеродом, окись цинка покры
вается слоем графита всего в несколько атомных слоев.
Так формируется сетевая структура аэрографита. Одно
временно подается водород. Он вступает в реакцию с кис
лородом в окиси цинка и приводит к выделению водяно
го и цинкового газа». Остается характерным образом пе
реплетенная, подобная трубке, углеродистая структура.
Благодаря своим уникальным особенностям, аэрогра
фит может использоваться в качестве электродов литий
ионных аккумуляторов, что приведет к существенному
снижению веса батареи. Еще одна возможность исполь
зования аэрографита — конструкционный материал
в авиации и космонавтике. Он не только очень легкий,
21
но и способен выдерживать сильные вибрации. Нако
нец, материал можно использовать в виде фильтров при
очистке воды и воздуха.
«Твердый дым»
Еще одна версия аэрогеля, прозванная «твердым ды
мом», создана сотрудниками исследовательского центра
NASA в Кливленде. Этот необычный материал не толь
ко 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 произ
водстве холодильников, ТВантенн...
Новый аэрогель сделан на основе пластика, который
высушивается в сверхкритических условиях для удале
ния всей влаги. После этого из него можно делать тонкие
и гибкие листы или даже пленки. Новый материал мож
но использовать, например,
для тормозных устройств
NASA, сотрудники которого
ныне работают над надувны
ми парашютами, замедляю
щими космический корабль
во время посадки и защища
ющими аппарат от высоких
температур в результате тре
ния при входе в атмосферу.
Эластичнее резины?
Многие полагают, что самый растяжимый на свете ма
териал — 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 ко
торых равномерно распределены в объеме воды. Приме
ром геля в быту может послужить обычный кисель.
Эластичность — отличительная черта практически
всех гидрогелей. Именно это свойство материалов обус
22
лавливает их широкое применение в качестве материала
для контактных линз. Более прочные виды гидрогелей
используются, к примеру, для изготовления искусствен
ных 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 созда
ли еще один вид сложного гидрогеля, который облада
ет невероятной эластичностью; его практически невоз
можно повредить механическим воздействием.
Новый гидрогелевый материал разработан Жигэнг
Суо, ученымматериаловедом из Гарвардского универси
тета. В его основе лежат два полимерных материала —
альгинат (alginate) и полиакриламид (polyacrylamide).
Ионные связи разрываемых молекул альгината позво
ляют равномерно распределить энергию воздействия на
всю площадь и весь объем материала, это защищает от
разрыва молекулы полиакриламида, которые обеспечи
вают эластичность гидрогелевого материала.
Такое взаимодействие двух компонентов приводит к то
му, что гидрогель прочнее резины, может растягиваться
в 20 раз относительно изначальной длины. Между тем ка
учук — самый эластичный материал естественного проис
хождения — может растянуться всего в 5 — 6 раз.
Кроме этого, гель обладает свойствами самовосстанов
ления. Когда он теряет эластичность, достаточно нагреть
его до 80 градусов Цельсия, чтобы изначальные свойства
полностью восстановились.
23