Юный техник, 2013 № 01

Этот пластичный материал черного цвета, проводящий электричество, удивляет даже своих создателей, которые продолжают исследовать его свойства. Профессор Лоренц Кинле и доктор Андрей Лотник, аспиранты Меттиас Мекленбург и Арним Шучардт расшифровали атомное строение материала при помощи просвечивающего электронного микроскопа и выяснили, что аэрографит еще очень эластичен. Он также хорошо выдерживает и сжатие, и растяжение. Его можно сжать до 95 %, и он вернется к своей первоначальной форме без каких-либо повреждений.

Команда из Киля, состоящая из Арнима Шучардта, Рейнера Аделанга, Йогнера Мишра и Сорена Капса, использовала оксид цинка в форме порошка. При нагреве до 900 °C он принимает кристаллизованную форму.

Из этого материала ученые сделали своего рода шар. В нем оксид цинка формирует микро- и наноструктуры, так называемые тетраподы. Они переплетаются и образуют устойчивую структуру из частиц, которые формируют пористую сферу.

Следующим шагом является помещение шара в реактор для химического парофазного осаждения, нагрев его до 760 градусов Цельсия. «В движущейся паровой атмосфере, которая обогащена углеродом, окись цинка покрывается слоем графита всего в несколько атомных слоев.

Так формируется сетевая структура аэрографита. Одновременно подается водород. Он вступает в реакцию с кислородом в окиси цинка и приводит к выделению водяного и цинкового газа». Остается характерным образом переплетенная, подобная трубке, углеродистая структура.

Благодаря своим уникальным особенностям, аэрографит может использоваться в качестве электродов литий-ионных аккумуляторов, что приведет к существенному снижению веса батареи. Еще одна возможность использования аэрографита — конструкционный материал в авиации и космонавтике. Он не только очень легкий, но и способен выдерживать сильные вибрации. Наконец, материал можно использовать в виде фильтров при очистке воды и воздуха.

Еще одна версия аэрогеля, прозванная «твердым дымом», создана сотрудниками исследовательского центра NASA в Кливленде. Этот необычный материал не только 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 разработчик «твердого дыма» Мэри Энн Медор. — Но потом выяснилось, что этот материал можно использовать и при строительстве марсианских поселений, и в производстве холодильников, ТВ-антенн…

Новый аэрогель сделан на основе пластика, который высушивается в сверхкритических условиях для удаления всей влаги. После этого из него можно делать тонкие и гибкие листы или даже пленки. Новый материал можно использовать, например, для тормозных устройств NASA, сотрудники которого ныне работают над надувными парашютами, замедляющими космический корабль во время посадки и защищающими аппарат от высоких температур в результате трения при входе в атмосферу.

Многие полагают, что самый растяжимый на свете материал — 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 которых равномерно распределены в объеме воды. Примером геля в быту может послужить обычный кисель.

Эластичность — отличительная черта практически всех гидрогелей. Именно это свойство материалов обуславливает их широкое применение в качестве материала для контактных линз. Более прочные виды гидрогелей используются, к примеру, для изготовления искусственных 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 создали еще один вид сложного гидрогеля, который обладает невероятной эластичностью; его практически невозможно повредить механическим воздействием.

Новый гидрогелевый материал разработан Жигэнг Суо, ученым-материаловедом из Гарвардского университета. В его основе лежат два полимерных материала — альгинат (alginate) и полиакриламид (polyacrylamide).

Ионные связи разрываемых молекул альгината позволяют равномерно распределить энергию воздействия на всю площадь и весь объем материала, это защищает от разрыва молекулы полиакриламида, которые обеспечивают эластичность гидрогелевого материала.

Такое взаимодействие двух компонентов приводит к тому, что гидрогель прочнее резины, может растягиваться в 20 раз относительно изначальной длины. Между тем каучук — самый эластичный материал естественного происхождения — может растянуться всего в 5–6 раз.

Кроме этого, гель обладает свойствами самовосстановления. Когда он теряет эластичность, достаточно нагреть его до 80 градусов Цельсия, чтобы изначальные свойства полностью восстановились.

ВЕСТИ ИЗ ЛАБОРАТОРИЙ. Полировать не обязательно

На первый взгляд понятие «нанокраска», как и «наножидкость», кажется абсурдным. Ведь известно, что жидкости имеют молекулярную природу, а размер молекул редко превышает 1 нм. Но в действительности, когда ученые рассуждают о наножидкостях, а тем более о нанопокрытиях, то речь, как правило, идет о неких «ультрадисперсных системах с жидкой дисперсионной средой».

В переводе на наш обыденный язык это означает вот что. Если в одной жидкости «растворены» капли другой, то, в зависимости от размера капель, она носит название микро- или наноэмульсии, если же в ней равномерно распределены твердые наночастицы, то такую систему называют золем или коллоидным раствором наночастиц.

Ежедневно мы сталкиваемся со многими примерами наножидкостей. Возьмем хотя бы самый обычный чай или кофе, который вы, наверное, пьете по утрам. Если в чашку чая посветить лазерной указкой, то можно увидеть, как через объем жидкости проходит лазерный луч. Согласно эффекту Тиндаля в чае происходит рассеивание лазерного луча на частицах, содержащихся в растворе. В чашке с отфильтрованной чистой водой подобный эффект вы наблюдать не сможете.

Дело в том, что чай — это один из коллоидных растворов, которые содержат взвешенные в объеме растворителя твердые наночастицы, в общем случае, размером от 1 до 100 нм, на которых и происходит рассеяние луча лазера. Потому-то его и хорошо видно.

Так вот, к нанокраскам относят смеси, где в летучей, испаряющейся жидкости содержатся наночастицы с различными, порой весьма неожиданными свойствами. Так, например, в подмосковном Жуковском, где расположен ЦАГИ — Центральный гидродинамический институт, — были созданы краски, которые весьма облегчают испытания моделей самолетов в аэродинамических трубах.

Такие краски называются ЛПД — люминесцентные преобразователи давления, — рассказал начальник отдела новых авиационных технологий, кандидат технических наук Леонид Теперин. — Такая краска позволяет видеть значение давления на поверхности, поскольку она изменяет свой цвет под действием воздушной струи.