Идея, которая приходила в голову многим - и фантастам и инженерам: а хорошо бы, чтобы машины сами себя чинили. Пока что это так и остаётся мечтой. Но вот материалы, которые сами себя восстанавливают - уже существуют. Пока что говорить о массовом их применении не приходится, это только передний край технологий, но обсуждаются они настолько активно, что можно смело предположить - уже завтра мы встретимся с материалами, способными самостоятельно восстанавливать свои повреждения. Каким образом они это делают?
Общая идея
Общая идея достаточно проста: в тело материала включаются элементы, которые при необходимости выполняют "лечение" микротрещин. Проще это показать, чем пересказывать словами:
В тело основного материала включаются микрокапсулы, содержащие "лекарственный" элемент - это может быть твердеющий под воздействием внешних факторов (воздуха или излучения) полимер или даже колония бактерий, о чём мы поговорим чуть позже. Если в материале появляется микротрещина, она разрушает не только основной материал, но и капсулу - её содержимое контактирует с внешний средой и запускается процесс "лечения" - пластик начинает твердеть или бактерии начинают выделять вещества, способные пломбировать трещину, не давая её расширяться.
Ничего, казалось бы сложного, пока дело не доходит до конкретных реализаций. Но о тонкостях технологий мы говорить не будем - если они вам интересны, то обратите внимание на список источников в конце статьи - там есть небольшая подборка публикаций, с которых можно начать погружение в мир самовосстанавливающихся материалов. Мы же поговорим о тех областях, где подобные удивительные материалы могут применяться.
Бетон
Но, судя по научным публикациям, начать нами имеет смысл всё-таки не с машиностроения, а со строительства, потому что именно в этой области самовосстанавливающиеся материалы более всего, как кажется, востребованы. Объясняется это достаточно легко - здания требуют постоянного ремонта, поэтому снижение затрат на восстановление и ремонт может дать наибольший эффект. Ну а современное строительство - это в первую очередь бетон, так что одна из самых популярных разработок в этой сфере - это именно самовосстанавливающийся бетон. Нам это интересно ещё и потому, что сами по себе методы создания самовосстанавливающегося бетона в той или иной форме применяются и в других областях, о которых мы будем говорить дальше.
Технологий, на основе которых бетон получает способность самовосстанавливаться, несколько:
Полимерные заплаты
Суть технологии в том, что в состав бетона включаются микрокапсулы с материалом, который при соприкосновении с воздухом затвердевает. При разрушении конструкции микрокапсулы с этим материалом так же разрушаются и полимер, в них находящийся "заклеивает" образовавшиеся микротрещины, не давая им увеличиваться. Такие материалы называются "композиционными" - не путайте их с композитными, это о другом. Ну и надо сказать, что эта технология является основой для создания других композиционных материалов с функцией самовосстановления, хотя если говорить о бетоне, то она в этой конкретной области - не самая интересная и, возможно, не самая перспективная.
Использование бактерий-реставраторов
Основная идея та же - микрокапсулы, но не с полимерным материалом, а с лактатными кальциевыми бактериями, способными использовать в пищу углеродом и кальцием, которых достаточно в бетоне. Вы можете решить - что же хорошего в том, что бактерии начинают поедать бетонную конструкцию, но штука в том, что питания им надо немного, зато в ходе своей жизнедеятельности они выделяют карбонат кальция, которым они по сути пломбируют трещину, закрывая её от проникновения влаги, которая то замерзая то оттаивая начала бы расширять трещину, в конце концов приведя к разрушению конструкции. Кстати, возникает вопрос - а как долго бактерии могут ждать своего часа, для того, чтобы приступить к ремонту? Не получится ли, что они просто умрут так и не выполнив свою работу? Учёные утверждают, что можно рассчитывать на то, что в "спящем" жизнеспособном состоянии бактерии могут прожить до двухсот лет.
Полимерные волокна
Идея та же - спящие бактерии, но помещённые не в капсулы, а в гидрогель, которым покрываются полимерные волокна, пронизывающие бетонную конструкцию. За счёт этого мы не только используем восстановительные способности микроорганизмов, но и дополнительно армируем бетон полимерноыми волокнами.
Прекрасно! А есть ли у этих технологий минусы?
Скажем так - есть вопросы к конкретному воплощению. Если мы используем микрокапсулы - не важно, с полимером или с бактериями - то нужно определить их размер: слишком крупные будут ухудшать свойства бетона, являясь чем-то вроде каверн в однородном материале, а слишком маленькие - не обеспечат эффективность "лечения" материала.
Второй вопрос, касающийся в первую очередь используемых полимерных материалов - это огнестойкость. Добавлять к бетону горючий материал кажется не очень хорошей идеей, особенно учитывая, что бетон всё чаще используется для строительства высотных зданий, которые просто в силу своей конструкции становятся опасными при возникновении пожара. Так что над этим ещё предстоит поработать.
Но зато на выходе мы имеем не только снижение расходов на ремонт бетонных зданий, но и экологическую пользу, поскольку производства цемента - не полезная для окружающей среды технология, увеличение надёжности и долговечности конструкций, а значит и общую экономию ресурсов.
Ткани
Одежда, способная сама себя зашивать? Ну, пока это только мечта. Но некоторые возможности к самовосстановлению у современных "умных" тканей уже есть - уже знакомая нам идея: микро- и даже нанокапсулы, системы искусственных "сосудов", подобно кровеносной системе, пронизывающие ткань и другие невидимые глазу резервуары, содержащие восстанавливающий материал - всё как и в бетонных конструкциях, только миниатюрнее.
Правда, в этой технологии мы видим и некоторые особенности - к системе самовосстановления добавляется ещё и некоторое дополнительное "армирование" из полиуретана с добавлением оксетана и хитозина, благодаря чему ткань приобретает эластичность и устойчивость к ряду растворителей, что позволяет её очищать, не боясь повредить окончательно. Правда, самовосстановление у такой ткани "включается" не автоматически а под воздействием ультрафиолета, так если такая одежда получит распространение, то пользователям придётся самостоятельно облучать её уф-светильниками. Ну или помещать уф-лампы в свои платяные шкафы.
Кстати, пока не решена и проблема окрашивания таких тканей - пока что получается делать их абсолютно прозрачными. Так что сейчас они если кому-то и подойдут, то в качестве верхнего покрытия для спецодежды или для работы в химически опасных средах (вспоминаем про устойчивость к растворителям), поэтом пока что рано спрашивать у торговцев магазинах про самовосстанавливающиеся плащи - рановато.
И, наконец, машины
И тут возникает вопрос - а как эта технология может быть применена в машиностроении, ведь знакомые нам механизмы созданы в основном из металлов, а это подразумевает переплавку, термообработку, многочисленные операции по обработке - какие тут микрокапсулы, пусть даже с полимерами, а уж тем более с бактериями?
Ну, начнём с того, что современное машиностроение - это далеко не всегда металл. Это, например, ещё и полимеры и композиты. Вот, например, схема, показывающая использование композитов в конструкции самолета МС-21:
А композиты - стеклопластики, углепластики - вполне можно сделать самовосстанавливающимися, мы уже знаем, как. Впрочем, использование композитов даёт дополнительные возможности для реализации механизма самовосстановления материалов: кроме капсульного метода мы можем теперь использовать обратимую реакцию Дильса-Альдера. Если кратко, то особенностью этого процесса является то, что для его запуска этого процесса можно использовать изменение внешней среды - её pH, воздействие света, давления или присутствие кислорода. Интересно ещё то, что в случае использования описанного нами капсульного метода, он срабатывает однократно - если через уже "залеченную" трещину пройдет вторая, например, поперёк, то снова процесс не запустится. Да и "вылеченный" участок будет отличаться от своего окружения по механическим и иным свойствам. Использование "самолечения" на основе реакции Дильса-Альдера лишено этих недостатков - материал "излечивается" на молекулярном уровне и остаётся однородным, а кроме того - этот процесс может повторяться многократно, в теории - бесконечно.
Что же до металлов, как таковых, то пока мы, конечно, не знаем, как обеспечить им возможность самовосстановления. Но мы можем работать с лакокрасочными покрытиями, так же будут включать в себя функцию самолечения. Вот, например, фотографии, полученные в ходе тестирования того, как подобное покрытие справляется с соляным туманом - слева обычная полимерная защита, справа - оно же, но с включением микрокапсул, содержащих "лечащее" вещество.
И тут уже нам открывается целый спектр возможностей по применению функции самовосстановления покрытия - ведь само по себе покрытие может применяться в великом множестве областей, от дорожного строительства (и разработки самовосстанавливающихся дорожные покрытий уже ведутся) до космических аппаратов, где повреждения могут наноситься, кроме всего прочего, еще и метеоритами.
Захватывающая перспектива, не правда ли. Но это лишь малая часть того, что мы сегодня называем "природоподобными" или "биоподобными" технологиями, заимствующими идеи у живых организмов. В будущих наших публикациях мы обязательно будем рассказывать о подобных технологиях, так что - следите за нашими публикациями.
Что ещё почитать?
Если вас заинтересовала тема, то можете поискать в Сети другие публикации, часть из которых использована в нашей статье:
- САМОВОССТАНАВЛИВАЮЩИЙСЯ БЕТОН Шлюпикова Полина Вадимовна, Кукарина Елена Евгеньевна, НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «CETERIS PARIBUS» №5 / 2024
- СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ БУДУЩЕГО Федосов Даниил Дмитриевич, Пахомова Ангелина Евгеньевна, Михайлова Татьяна Витальевна СТУДЕНТ И НАУКА
- РАЗНОВИДНОСТИ УМНОГО ТЕКСТИЛЯ В ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ, Гайнутдинов Р.Ф. Пацукова А.Ю. Хамматова В.В. ДЕКОРАТИВНОЕ ИСКУССТВО И ПРЕДМЕТНО-ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СРЕДА. ВЕСТНИК РГХПУ ИМ. С.Г. СТРОГАНОВА
- СОВРЕМЕННЫЕ САМОВОССТАНАВЛИВАЮЩИЕСЯ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ Артамонова Ольга Владимировна, Закатов Артем Борисович, Материалы V Всероссийской научно-практической конеренции "Современная наука: теория, методология, практика"
- САМОВОССТАНАВЛИВАЮЩИЙСЯ БЕТОН. ОБЗОР ЗАРУБЕЖНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ Л.В. Ильина, Л.Н. Тацки, К.С. Дьякова ВЕСТНИК Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления
- САМОВОССТАНАВЛИВАЮЩИЕСЯ МАТЕРИАЛЫ И ПОКРЫТИЯ Черенков Егор Дмитриевич, Наука и молодежь. Материалы XX Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Барнаул, 2023.
- СЛОИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ С ВНУТРЕННИМ ВЯЗКОТЕКУЧИМ НАПОЛНИТЕЛЕМ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИМ САМОВОССТАНОВЛЕНИЕ ГЕРМЕТИЧНОСТИ Ситников Н.Н. Залетова И.А., Материалы
- ОЦЕНКА ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ САМОВОССТАНАВЛИВАЮЩИХСЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ КОНСТРУКЦИЙ МЕХАНИЗАЦИИ КРЫЛА, Авиация будущего: тренды, вызовы и возможности, Казань 2023
- ПРИМЕНЕНИЕ САМОВОССТАНАВЛИВАЮЩИХСЯ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ МОРСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ, Иманова Г.И., Международный научный журнал «ВЕСТНИК НАУКИ» № 3 (72) Том 1. МАРТ 2024 г.
- САМОЗАЛЕЧИВАЮЩИЕСЯ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЗАДАЧ В КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКЕ, БЛОШЕНКО А.В.1, ДУБИНИН В.И.2, ЗАЛЕТОВА И.А.3, КОШЛАКОВ В.В.3, ПОПОВА Е.В.2,3, РИЗАХАНОВ Р.Н.3, СИТНИКОВ Н.Н.3, ЮРЧЕНКО И.И., ВЕСТНИК НПО ИМ. С.А. ЛАВОЧКИНА