Архит._материал._-_Шеина_Ч1

Процесс электроспининга (electrospinning) – вытягивание тончайшего волокна на наноуровне из жидкости под действием электрического поля – известен более 100 лет (запатентован в 1902 г.). Важный шаг от теории к промышленному производству волокон и пряжи из полимерных прекурсоров был сделан в 1934 г. в Германии. Российские ученые также внесли большой вклад (рисунок 54).

Рисунок 54 – Устройство электроспининга.

Технология производства нетканых волокнистых материалов, основанная на электростатическом вытягивании волокон из растворов полимеров, была разрабо-

тана для нужд атомной промышленности в 40-х гг. прошлого столетия в НИФХИ им. Л.Я. Карпова.

С помощью электроспиннинга можно получать нановолокна из самых разных материалов – полимеров, полупроводников, металлов и даже керамики. Более того, используя различные конструкции и модификации аппаратуры, можно формировать ансамбли нановолокон, расширяющие возможности их применения. Вытягивание тончайшего волокна на микроили наноуровне из жидкости происходит под действием электрического поля (рисунок 55).

Рисунок 55 – Микрофотографии полученных нановолокон (а,b); нановолокон после стабилизации на воздухе (c,d) и после термообработки в атмосфере аргона (e-h)

Нанотрубки – цилиндры без шва, полученные в результате сворачивания и сшивки отдельного атомного слоя кристалличе-

ского графита, называемого графеновым листом. К настоящему времени разработано несколько различных технологий синтеза нанотрубок: электродуговой метод; при испарении мишени пучком электронов; лазерным лучом или нагревом углеродной фольги; пиролизом бензола в присутствии водорода; электрохимический синтез; высокотемпературный нагрев фуллереновой сажи.

Углеродные нанотрубки могут быть не только однослойными или многослойными, а также прямыми, зубчатыми, зигзагообразными и спиральными (рисунок

56).

92

рой без изменения валентности происходит частичное замещение отдельных атомов кремния атомами углерода таким образом, что они всегда связаны через азот. Нанокристаллы в пленках карбонитрида бора с высокой концентрацией азота имеют структуру гексагонального нитрида бора h-BN.

При аналогичных показателях модуля Юнга нанотрубки из нитрида бора имеют значительно более высокую химическую и термическую стабильность.

С использованием сверхпроводящих квантово-интерференционных магнетометров (SQUID) определены их сверхпарамагнитные свойства.

В таблице 15 представлены некоторые физические свойства и функциональные характеристики нанопленок из карбонитридов кремния и бора.

Поскольку слоистая многостенная структура нитрида бора химически гораздо более стабильна, чем углерод графитовой структуры, предполагалась и лучшая биологическая инерция. Нанотрубки из нитрида бора, с их уникальной одномерной полой наноструктурой и необычными свойствами, могут проявлять себя как важный новый класс мультифункциональных бионаноустройств.

На основе нанотрубок-модификаторов, так называемых эпилам, можно получить самоочищающиеся и негорючие лакокрасочные материалы. Такие покрытия защищают здание от электромагнитного смога, которого тем больше, чем больше город, причем без отрыва от, так сказать, «старых» функций (рисунок 59).

Рисунок 59 – Памятник жертвам Холокоста в Берлине. Специальное покрытие

Группа учёных университета Мичигана под руководством профессора Джерома Линча (Jerome Lynch) разработала покрытие для мостов, которым можно «покрасить» поверхность, требующую контроля на предмет внутренних, а также внешних, но невидимых глазу дефектов, трещин и ржавчины. Чтобы решить эту

проблему, учёные использовали устойчивый к механическому воздействию композит, который представляет собой сети углеродных нанотрубок, расположенные между слоями полимерного материала. Каждый такой слой нанотрубок способен реагировать на изменения различных параметров. Например, один слой нанотру-

94

бок стал чувствителен к изменению кислотности металла (что сигнализирует о начале коррозийного процесса), другой – к изменению напряжений внутри него.

Нанопленки – двухмерные нанообъекты (2D-системы), в них один характе-

ристический размер находится в диапазоне до 100 нм.

Ученые из университета Манчестера при содействии германского института Макса Планка расположили атомы углерода в конфигурации, напоминающей пчелиные соты, оставив им при этом небольшое пространство для колебаний. Новый вид материала получил название “графен” (graphene – слово, близкое к “графиту”, обозначающее двумерную структуру из атомов углерода, расположенную в виде бензольных колец). Эта самая тонкая нанопленка из всех существующих на Земле открывает революционные перспективы в компьютерной технике и медицине (рисунок 60).

Рисунок 60 – Графеновая нанопленка

Нанопленка обладает комплексом универсальных

свойств – высокой твердостью и оптической прозрачностью, низкой диэлектрической проницаемостью, что позволяет считать ее новым перспективным материалом.

Инновационный метод микро-сплиттинга Nanolux Клиниг с нанесением гидрофильной нанопленки на стекло обеспечивает основательное его очищение без агрессивных тензидов, растворителей, энзимов и отбеливателей, так как при этом молекулы грязи разбиваются на отдельные атомы, которые потом можно легко смыть (рисунок 61).

Фуллерены, астралены, кукурбитулы и нанопорошки – трехмерные нано-

объекты (3D-системы), в них три характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм.

Рисунок 61 – Эффект самоочистки Nanolux

Фуллерены, открытые в 1996

г. Смоли, Крото и Керлу, представляют собой каркасную молекулярную разновидность углерода, в которой атомы находятся в состоянии гибридизации.

Наиболее распространенным среди фуллеренов является фуллерен С60... Это молекула из 60 атомов углерода, образующих замкнутую сферическую поверхность, составленную из 20 правильных шестиугольников и 12 правильных пяти-

95

угольников (гексагоны и пентагоны), так что каждый шестиугольник граничит с тремя пяти- и шестиугольниками; является наиболее устойчивый, так как атомы находятся в одинаковых состояниях.

Многослойные фуллерены присутствуют в природных и техногенных углеродных материалах – например, в саже или шунгите (рисунки 62, 63).

Линейные размеры молекул фуллеренов лежат в диапазоне 0,67…1,5 нм, ассоциаты фуллеренов могут иметь поперечные размеры уже в 10…30 нм, однако являются непрочными образованиями.

Главной особенностью фуллеренов является их повышенная реакционная активность. Они легко захватывают атомы других веществ, поэтому могут быть использованы как "нанокирпичики" для конструирования материалов с заданными параметрами.

У фуллеренов есть еще одно свойство, которое позволяет создавать лакокрасочные материалы, образующие са-

свойства – генерация на поверхности фуллеренов под действием ультрафиолетовых лучей, в

частности тех, которые входят в солнечный спектр свободных радикалов, способных окислять органические соединения до воды, углекислого газа и, к тому же, уничтожать микроорганизмы. А именно органические соединения, находящиеся, например, в городской пыли, предопределяют прилипание грязи. Впервые такая фотокаталитическая активность была обнаружена на наночастицах (размер 10…15 нм) диоксида титана анатазной модификации, производство которых уже налажено в Германии. С использованием таких частиц, которые, будучи сорберами УФлучей, прозрачны для видимого света, уже производят не только фасадные краски, но и лаки, которыми для тех же целей окрашивают оконные стекла.

Недостатком интумесцентных (вспучивающихся) красок является малая адгезионная прочность образующейся негорючей пены с низкой теплопроводностью по отношению к черному металлу. С.С. Мнацаканов с соавторами предложил вводить в эти краски фуллерены в количестве до 0,7 %. Это оказывает структурирующее воздействие на формирующийся при горении пенококс и способствует сохранению адгезии.

Фуллереновым адгезивом обновляют старые и защищают новые мраморные скульптуры и изделия.

96

Эффект противодействия термо- и фотоокислительной и радиационной деструкции и высокая гидрофобность позволили применить фуллероиды в составах, резко снижающих водопоглощение и повышающих ресурс гидрофобизирующих покрытий для мрамора и других осадочных пород, применяемых в качестве внешнего отделочного материала. Эта разработка доведена до уровня федеральной нормативно-технической документации и внедрена при реставрации Исаакиевского Собора, Мраморного дворца и других памятников архитектуры в СанктПетербурге (рисунок 64).

Рисунок 64 – Покрытие Funcosil (нанотрубки, астралены – АСТРОФЛЕКС-АКФ)

В строительной индустрии фуллерены используют также для получения нового класса полимеров с заданными механическими, оптическими, электрическими и магнитными свойствами для записи и хранения информации.

Международной команде ученых в составе Александра Вировеца из Института неорганической химии Сибирского отделения РАН, Юнфей Бай из Института координационной химии Нанкинского университета (Китай) и Манфреда Шера из Института неорганической химии в Карлсруэ (Германия) удалось синтезировать практически полностью неорганический аналог фуллерена (рисунок 65).

Рисунок 65 – Неорганическое соединение, подобное фуллерену: сферическая молекулярная структура (атомы Н для простоты опущены)

Внутри каждого фосфорного «пентагона» находится углеродное пятичленное кольцо с присоединенными к атомам углерода метильными группами – СН3 (рисунок 66).

97

противоизносной добавки к антифрикционным материалам на основе полимерных матриц.

Введение астраленов в цементные композиции способствует направленному образованию фибриллярной структуры в них и вызывает увеличение прочности, как на сжатие, так и на изгиб цементного камня. При этом для модифицированных образцов прочность на изгиб достигала 50 % от прочности на сжатие, что может быть объяснено дополнительным увеличением однородности модифицированных образцов (рисунок 68).

Рисунок 68 – Цементные композиты, модифицированные астраленами

Использование наносиликатов с удельной поверхностью не менее 180 м2/кг, на порядок превышаю-

щей удельную поверхность микрокремнезема, и новых диспергаторовгиперпластификаторов на основе поликарбоксилатов специального молекулярного дизайна обеспечивает достижение кардинально новых прочностей и структур цементного камня, создавая предпосылки дальнейшего развития реактивных порошковых композитов с прочностью на сжатие около 800 МПа и прочностью на растяжение при изгибе около 100 МПа.

Введение астраленов в боросиликатные стекла позволяет снизить температуру стеклования на 15…20оС и, тем самым, уменьшить вязкость стекол на одиндва порядка. Повысить химическую стойкость к выщелачиванию в два раза, что крайне интересно в технологическом аспекте, так как эти стекла являются базой для производства лабораторных и качественных стекол, при этом микротвердость не меняется.

Фуллероидные нанообъекты по значениям удельной поверхностной энергии могут быть продифференцированы в следующем порядке (по мере возрастания): фуллерены, однослойные нанотрубки, многослойные нанотрубки, астралены.

Молекулярные строительные блоки: кукурбитурил и кластеры. Кукур-

битурил – тривиальное название органического макроциклического соединения состава C36H36N24O12, данное ему в 1981 г. В. Фриманом в связи с внешним сходством формы молекулы с тыквой (род Cucurbita). Высота ее – 6 Å, максимальный внутренний диаметр – 5,5 Å, атомы кислорода карбонильных групп образуют два одинаковых портала (т.е. вход и выход) с ван-дер-ваальсовым диаметром 4,2 Å (рисунок 69).

Кукурбитурил растворим в кислотах и щелочах, устойчив и способен к координации различных частиц. Это делает его удобным для синтеза разнообразных супрамолекулярных соединений. Даже при очень низкой концентрации он чрезвычайно легко связывает кальций – в результате молекулы у курбитурила выстраиваются друг над другом и, чередуясь с катионами кальция, образуют бесконечные полимерные цепи – молекулярные «трубы» (рисунок 70).

99