Марк Медовник - Жидкости

Конечно, многим пользователям автодорог доводилось замечать, что свойства самовосстановления имеют предел: со временем дороги все же стареют и начинают разрушаться. Отчасти в этом виновата температура. Если она опускается ниже, скажем, 20 °C, жидкий битум становится таким вязким, что уже не может течь и залечивать трещинки по мере их появления. Кроме того, со временем кислород воздуха реагирует с молекулами на поверхности битума и изменяет их свойства, делая битум опять же все более вязким и все менее способным запечатывать трещинки. Через некоторое время дорожное покрытие меняет цвет и постепенно теряет текучесть, точно так же как кожа наша становится с возрастом менее гибкой и более сухой. Именно тогда на дороге появляются мелкие ямки, которые, если о них не позаботиться, постепенно растут и со временем полностью разрушают покрытие.

Хорошая иллюстрация к сказанному — мое путешествие на аэропортовском автобусе до гостиницы. Въехав в город, мы сразу же застряли в пробке, возникшей из-за перекрытия полос для замены дорожного полотна. Автобус еле полз, пока три полосы движения не сошлись в одну — по моей оценке, километр с небольшим мы ехали полчаса. Мои внутренние часы подсказывали, что сейчас два часа пополуночи; я устал и отчаянно хотел в туалет.

На самом деле такая ситуация вовсе не обязательна. По крайней мере мы, материаловеды, надеемся на это. Ученые и инженеры по всему миру активно разрабатывают стратегии увеличения срока службы дорог и снижения, таким образом, транспортных заторов. В Нидерландах группа инженеров изучает эффект от включения в битум микроскопических волокон стали. Это не слишком изменит механические свойства дороги, но сделает ее прочнее. Если этот материал подвергнуть действию переменного магнитного поля, в стальных волокнах возникнут электрические токи, которые их разогреют. Горячая сталь, в свою очередь, разогреет битум, сделав его локально более текучим и позволив затянуть любые трещинки. По сути, это перезарядка самовосстанавливающих свойств битума; кроме того, это поможет ему противостоять зимнему холоду. Сейчас эта технология испытывается на отрезках дороги в Нидерландах; по ней циркулирует специальный автомобиль, генерирующий требуемое магнитное поле. Идея в том, что в будущем все автомобили можно будет оснастить подобным устройством, чтобы всякий, проезжая по дороге, одновременно обновлял ее покрытие.

Еще один способ противодействия естественной потере битумом текучести — вовремя восполнять утраченные составляющие, те самые вещества, которые обеспечивают это его свойство. Простейший вариант — смазывать дорожное полотно специальным кремом, по сути увлажняющим, примерно таким же, какой мы наносим на свою кожу. Более хитроумный вариант этого метода сейчас испытывается группой в Ноттингемском университете под руководством доктора Альваро Гарсия. Ученые добавляют в битум микрокапсулы с подсолнечным маслом. Они остаются в веществе нетронутыми, пока в нем не возникнут микротрещины, которые разрушат оболочку. Высвобожденное масло локально повысит текучесть битума — а вместе с ней и его самовосстанавливающую способность. Результаты исследований показывают, что образцы треснувшего асфальта восстанавливаются до первоначальной прочности через два дня после высвобождения подсолнечного масла. Это кардинальное улучшение. По оценкам специалистов, этот метод потенциально способен увеличить срок жизни дорожного покрытия с двенадцати до шестнадцати лет при очень малом росте стоимости.

Наша исследовательская группа в Производственном институте работает над технологиями, способными помочь в ремонте асфальта, трещинки в котором уже довольно велики: мы придумали печатать битум на трехмерном принтере.

Трехмерная печать — относительно новый способ изготовления и ремонта предметов. Тысячи лет назад в Китае изобрели печать как процесс переноса чернил на лист с помощью деревянного блока. Остальной мир позаимствовал идею и привнес свои новшества, подарив нам мир книг, газет и журналов — информационную революцию. Но всё это двумерная печать. Трехмерная продвигает идею еще на шаг вперед; вместо того чтобы наносить тонкий слой чернил на страницу, можно создавать множество двумерных слоев жидкости, один поверх другого, причем каждый затвердевает прежде, чем накладывается следующий. В итоге получается трехмерный объект.

Процесс трехмерной печати. Головка превращает твердое тело в жидкость (часто путем нагревания) и выдавливает по заранее спланированной схеме на координатную плоскость. После остывания получается один твердый слой. Затем платформа сдвигается чуть ниже, и головка печатает следующий слой уже по новой схеме. Создав таким образом сотни слоев, вы получите объект

Конечно, чтобы напечатать такой объект, не обязательно использовать чернила. Можно взять любой материал, который способен переходить из жидкой формы в твердую. Посмотрите хотя бы на пчел. Именно так они сооружают свои необыкновенные шестиугольные соты. В возрасте от двенадцати до двадцати дней у рабочих пчел развивается особая железа, способная превращать мед в мягкие восковые хлопья. Они жуют воск и накладывают его слой за слоем, строя соты. Осы при строительстве своих гнезд пользуются этим же приемом; они пережевывают волокна древесины и смешивают их со слюной, создавая бумажные дома для своих личинок.

Человеческая технология трехмерной печати догоняет по качеству пчелиные и осиные. Пластмассу, например, можно выдавливать из принтера, слой за слоем, создавая твердые объекты сложнее пчелиных сот. Возможно даже получить трехмерные объекты с движущимися частями: эта техника используется в медицине для изготовления недорогих цельных протезов с действующими суставами. Трехмерная печать также применяется для создания биологических материалов. В 2018 г. китайские ученые провели первые клинические испытания по созданию искусственных ушных раковин для детей с врожденными пороками. Они использовали собственную клеточную ткань детей и трехмерные принтеры для формирования каркаса, по которому клеточная масса могла бы принять нужную форму.

Пчелы пользуются 3D-печатью при постройке своих сот намного дольше человека. © Frank Mikley

Трехмерная печать работает и с металлами. Голландская компания MX 3D использует ее для изготовления стальных мостов, добавляя расплавленную сталь капля за каплей и полагаясь на методы, позаимствованные из сварки. Еще одна технология предполагает использование мощного лазера, который плавит металлические порошки и соединяет их. Этот процесс используется для изготовления всего: от золотых украшений до деталей реактивных двигателей. Одно из главных преимуществ метода — возможность создавать полые объекты, снижая их вес и экономя материал. Объекты всё чаще разрабатываются сразу с внутренними каналами, по которым должны течь охладитель, смазка или даже топливо. По сути, такая конструкция имитирует строение тела: мы частично состоим из плотных тканей, частично из жидкости. Циркуляция крови доставляет к тканям питательные вещества при помощи сердечно-сосудистой системы, которая также транспортирует белки и другие молекулярные ингредиенты к поврежденным участкам. Это позволяет организму вырастить замену поврежденным клеткам кожи, мозга, печени, почек, сердца и т. п. Это еще один аспект природы, который мы можем теперь сымитировать благодаря трехмерной печати; потенциально это позволит технике служить дольше и самовосстанавливаться, а потому быть более надежной.