Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2013 № 01

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.

Слова «красота» и «краска» имеют один и тот же корень. Однако современные краски, особенно те, к которым можно добавить приставку «нано», оказывается, способны не только навести красоту.

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.

Этот способ сейчас запатентован и широко используется практически во всех авиационных центрах мира.

Суть же изобретения такова. Особые крупинки, которые на Западе называют сумной пылью», добавляют в краску, которой красят как модели, так и самые настоящие самолеты. И в каждом испытании, в каждом полете эти крупинки в зависимости от воздушного давления, температуры, деформации той или иной части конструкции выдают электромагнитные сигналы, которые фиксирует аппаратура. Таким образом, сразу можно получать огромное количество информации, в том числе и такой, что не может быть получена иным способом.

Еще одну разновидность нанокраски придумали германские изобретатели из города Бремена. Они создали краску, которая, по их мнению, позволяет серьезно сократить расход авиационного топлива. Пользу от этой краски можно получить и если наносить ее на морские суда, а также на ветрогенераторы.

Идея пришла к немецким исследователям, когда они наблюдали за тем, как быстро плавают акулы. Дело в том, что шершавая кожа акулы покрыта мельчайшими пластинками, которые улучшают обтекание и уменьшают ее коэффициент сопротивления.

Сам этот факт, конечно, не новость. Несколько лет назад военно-морской флот США заказал разработку покрытия для судов, оценив свойства акульей кожи.

Военные хотели улучшить ход кораблей и повысить их: маневренность.

Краска, которую предъявили миру немецкие ученые, содержит наночастицы. Общий принцип изобретения: можно понять, представив себе, например, поверхность, листа лотоса, испещренного микрошероховатостями, по которым без задержек стекает вода. Наночастицы в краске не только уменьшают сопротивление любого покрытого ею объекта воздушному потоку и гидрофобность (неспособность материала к смачиванию водой), но и противостоят ультрафиолетовой радиации.

При этом новая краска переносит перепады температур от -55 до +70 градусов Цельсия. Она безвредна для окружающей среды, не делает самолет тяжелее. Если: такой краской покрасить все самолеты в мире, то благодаря снижению аэродинамической сопротивляемости в год, по подсчетам ученых, будет сэкономлено около 4,48 млн. т топлива. А в случае если краску нанесут на суда, то каждый большой контейнеровоз в год израсходует на 2 тыс. т топлива меньше.

Термолюминесцентные краски наглядно демонстрируют распределение давлений на крыле самолета.