Блог компании Сбер. Автор: Анна Колосова. Илон Маск в очередной раз показал себя новатором, черпающим вдохновение для своих прорывов в самых неожиданных местах. Например, к созданию Tesla Cybertruck его подтолкнули автомобили Ford. Главный инженер SpaceX посчитал флагманскую американскую линейку скучной и создал альтернативный прототип со сверхпрочным кузовом из особой марки стали — её же Маск использует для своих сверхтяжёлых ракет Starship.

Автомобиль разработан, чтобы повысить уровень безопасности водителя и пассажиров, но не за счёт электронной начинки, как можно было бы ожидать, а с помощью «неразрушаемого» кузова. Угловатая форма корпуса — вынужденная мера, поскольку новый сплав очень сложно отштамповать или изогнуть, он просто ломает пресс.

Сверхпрочная сталь — не единственный пример, заслуживающий внимания. В промышленных технологиях успело возникнуть и закрепиться новое направление, работающее с умными материалами. О них и поговорим в этой статье.

Smart materials вокруг нас

Исследователи заинтересовались веществами, способными менять форму и свойства под влиянием внешних факторов, например, света, давления, температуры. В плане активности, адаптивности и автономности подобная изменчивость напоминает живые организмы, а это значит, что конечный продукт сможет подстраиваться под наши запросы.

Как работает самовосстанавливающийся бетон

Трещины в бетоне появляются постоянно из–за недостаточной прочности материала на растяжение, поэтому методы самовосстановления стали приоритетным направлением в исследованиях. В традиционной смеси на основе цемента и песка заложен базовый механизм аутогенного заживления дефектов. Эту функцию обеспечивает остаточный негидратированный (или безводный) цемент. После контакта с атмосферной влагой такое соединение вступает в реакцию гидратации, в результате трещины частично заполняются.

Свойство полезное, но его недостаточно для полного восстановления материала. Исследователи поставили задачу улучшить характеристики состава с помощью гидрогелей. Суперабсорбирующие полимеры SAP способны накапливать воду в количестве, превышающем собственный вес в 300–1300 раз. Вся жидкость удерживается в структуре, не растворяясь.

Если в бетоне образуется трещина, полимер вступает в контакт с окружающей средой и набухает, частично закрывая дефект. Далее частицы геля высвобождаются и переносят воду в окружающую матрицу, запуская процесс гидратации и осаждения карбоната кальция CaCO₃. В результате повреждение полностью затягивается.

Помимо SAP в бетон вводят специальные капсулированные культуры микроорганизмов, благодаря которым осаждение карбоната происходит вокруг бактериальных клеток.

Самовосстанавливающиеся бетоны работают в автономном режиме, то есть избавляют людей от постоянного мониторинга сооружений. Стратегия использования нового материала уменьшает коррозионные риски, увеличивает срок службы и снижает стоимость конструкций за счёт отсутствия необходимости в наблюдениях и текущем ремонте.

Полимерные композиты, затягивающие микротрещины

В аэрокосмической промышленности похожие материалы со свойством самовосстановления сравнивают со Святым Граалем, творящим чудеса. Дело в том, что во время полёта фюзеляжи, лопасти пропеллеров и другие внешние компоненты самолётов испытывают колоссальные нагрузки, которые возрастают стократно, если воздушное судно сталкивается с птицами или попадает в град. В результате жизненно важные части медленно, но верно разрушаются.

Самое неприятное, что микродефекты не всегда удаётся обнаружить при плановом обследовании поверхностей. Согласно статистике, с 1934 года усталость металла стала причиной 306 авиакатастроф со смертельным исходом (погибло 1803 человека).

Новые составы на основе смол способны вернуть повреждённые элементы в работоспособное состояние, даже если механики не заметят дефекта.

Средства, находящиеся в материале, распределяются по всем критическим поверхностям, а не точечно, как это происходит сегодня — пока надёжный контроль проводят исключительно с помощью датчиков.

Микрокапсулы смол с диспергированным катализатором добавляют к композиту, из которого производят важные части конструкции летательного аппарата. При появлении микротрещины дозированная ячейка разрывается, высвобождая самовосстанавливающее средство. Соединение активируется катализатором, запуская реакцию полимеризации и закрывая трещину. Исследователи стремятся создать инструмент «всё в одной капсуле» — такая система будет полностью автономной.

Ещё один метод самовосстановления заключается в использовании обратимых полимеров, которые будут затягивать трещины при воздействии внешних факторов, например, тепла, видимого или УФ–излучения, электрической индукции.

Новые материалы прошли успешные испытания на оборудовании, имитирующем удары на высокой скорости, а это значит, что в скором времени полёты могут стать ещё надёжнее и безопаснее.

Сплавы с эффектом памяти

Эффектом памяти называют способность материала восстанавливать форму после нагрева. Сегодня создано несколько сплавов с подобными свойствами. Самый известный — нитинол. Помимо металлов исследователи работают над производством похожих полимеров, способных возвращаться в исходное состояние не только от тепла, но и в результате воздействия светом, электричеством, магнитным полем или после контакта с определённым химическим соединением.

Такие свойства активно используют в промышленности. Так, волокна нитинола внедряют в ортопедические имплантаты и медицинские стенты при нейрососудистых вмешательствах. Кроме того, сплавы с памятью есть в современных строительных смесях — их применяют в качестве «чувствительного компонента», реагирующего на микротрещины.

Самосмазывающиеся материалы

Смазка нужна, чтобы уменьшить трение, а значит и износ. Подобные соединения необходимо постоянно добавлять в зазор между трущимися поверхностями. Это не только удорожает процесс, но и снижает производительность машин, поскольку в большинстве случаев требуется остановить оборудование. С появлением самосмазывающихся материалов необходимость в дополнительных составах для снижения трения отпадает, поскольку антифрикционный компонент «встраивается» в саму деталь.

Cамосмазывающиеся композиты изготавливают на основе металлов, полимеров, керамики. В таких соединениях смазка может формироваться в результате химической реакции, возникающей после механического контакта поверхностей. Например, образование борной кислоты из атмосферного водяного пара и оксида бора даёт твёрдые частицы со смазывающими свойствами, как у графита

B₂O₃ + 3H₂O → 2H₃BO₃

Молекулы кислоты, возникающие в зоне контакта, связаны между собой ван–дер–ваальсовыми силами. При трении слои двигаются относительно друг друга, обеспечивая надёжную смазку.

В пластиковых композитах роль фрикционного компонента выполняют специальные добавки, которые вводят в полимеры при производстве. Благодаря однородной структуре скольжение обеспечивает вся деталь целиком, то есть стенка работает как поверхность износа без вспомогательной смазки.

Материалы с расширенными возможностями — только верхушка айсберга новаторских средств, появившихся в промышленности. Сегодня учёные работают с композитными соединениями, напоминающими органическую материю.

Новая реальность — живые материалы

Вещества, способные самостоятельно расти и развиваться, находят применение в медицине. В этой сфере используют интересное качество композитных структур — взаимодействие с тканями человека.

От традиционных имплантов многого ожидать не приходится. На протяжении всего срока службы они продолжают оставаться инородными компонентами в человеческом организме. Иногда это приводит к отторжению. В большинстве случаев пациенту приходится пожизненно принимать препараты, снимающие реакцию организма на инородное тело.

Новые структуры не только не отторгаются, наоборот, они естественным образом сращиваются с повреждёнными участками, способствуя скорейшему восстановлению после травм.

Регенерация костной ткани с помощью биоактивных стёкол

Биостекло — одно из подобных соединений. Материал производят на основе диоксида кремния SiO₂ с добавлением модификаторов. В результате получается высокореактивная поверхность, способная в течение нескольких дней образовывать прочную связь с костью и адгезионные взаимодействия с мягкими тканями. Если нужны именно такие свойства, в составе должно быть 42–53% оксида кремния.

С увеличением объёмной доли до 54–60% процесс приклеивания к кости затягивается до 2–4 недель, а с мягкими тканями связей вообще не образуется. При содержании SiO₂ более 60% биостекло не связывается ни с костью, ни с мягкими тканями.

Исследователи экспериментируют с разными типами структур. Например, боратные комплексы показывают обнадёживающие результаты в заживлении хронических диабетических язв, которые не удаётся лечить традиционными методами.

Умные перевязочные материалы

Сегодня проблема сложного восстановления раневых поверхностей затрагивает около 1% людей во всём мире — столько пациентов страдает от хронических венозных язв. Ещё 463 млн даёт статистика больных диабетом. В этой связи выбор правильной повязки для заживления ран приобретает решающее значение.

Умная повязка светится, если рана инфицирована.

В клинической практике уже используют противомикробные повязки с флуоресцентным свечением. В состав такой ткани вводят гидроксид магния Mg(OH)₂, способствующий заживлению. Если инфекция продолжает развиваться, поражённая область меняет pH на более щелочной. В результате материал начинает светиться в УФ–свете, то есть можно следить за процессом восстановления. Здесь важны не только лечебные и мониторинговые свойства ткани, но и то, что саму повязку не нужно постоянно снимать для проверки области поражения.

В тяжёлых случаях, когда механическое снятие материала с места повреждения способно ухудшить восстановительный процесс, используют самоудаляющиеся термочувствительные повязки. При низкой температуре такой состав остаётся жидким и легко снимается. Если рана ещё не зажила и поверхность нагрета, соединение преобразуется в гидрогель, прикрывающий область раны.

Светящиеся и термочувствительные повязки не единственные примеры умных материалов. Сегодня исследователи разрабатывают новые перевязочные способы для следующих состояний:

• Создания и поддержание влажной среды.
• Стимуляции роста кровеносных сосудов.
• Длительного высвобождения лекарственных средств.
• Регенерации тканей.
• Лучшей кислородной проницаемости.
• Защиты от инфекций.

Помимо материалов со специализированным действием проводятся испытания многофункциональных повязок для лечения ран на разных стадиях заживления.

Полимеры для стоматологии и лечения рака

Проблемы с зубами скоро уйдут в прошлое — над выращиванием костеподобной ткани работают учёные в России.

Человеческую кость можно рассматривать как природный композит, состоящий из неорганической и органической материи. Минеральный каркас образует гидроксиапатит (60–70%), остальное приходится главным образом на коллагеновые волокна (30–40%). В лаборатории ННГУ решили воспроизвести аналогичный материал с использованием рыбного коллагена, который на 96% подобен человеческому.

Новый композит пригодится в стоматологии для лечения кариеса, полного восстановления зубов и даже челюсти. Из синтетически полученного состава можно изготовить каркас нужной формы, срастить его с костью и дождаться образования соединительной ткани. Дальше основа пойдёт на строительство утраченных фрагментов, поставляя нужные ионы организму. То есть зубы получится вырастить с нуля, и это не протезирование, а полноценная замена на человеческую костную ткань.

Ещё одна разработка ННГУ — плёнка для лечения рака, работающая как неинвазивная инъекция. Её можно использовать как средство адресной доставки препаратов к поражённым областям. Кроме онкологических заболеваний полимер может оказаться полезным для лечения псориаза, нейродермитов, ревматоидного артрита.

Заключение

Мир умных материалов — больше, чем просто перечень сплавов, полимеров и композитов. Это сфера, благодаря которой становятся доступными адаптивные продукты, реагирующие на потребности пользователей.

Сегодня учёные и исследователи ставят задачу проектирования свойств на молекулярном уровне, то есть с ориентацией на конкретный запрос. Это может быть не только условная прочность или долговечность, но и большая безопасность для окружающего нас мира.

В будущем новые структуры расширят наши возможности в медицине, строительстве, машиностроении, аэрокосмической и других отраслях промышленности. Кроме того, они помогут в решении глобальных проблем, связанных с загрязнением планеты, а это значит, что наша жизнь станет не просто лучше, но и экологичнее.