Развивается компьютерное моделирование новых материалов
Медицина, химия, авиакосмическая, оборонная и даже атомная отрасли — все они сегодня нуждаются в материалах, состоящих из компонентов нанометрового диапазона и оказывающих заметное влияние на свойства композита в конечном изделии. Например, добавление углеродных нанотрубок улучшает электрическую и тепловую проводимость. Другие виды наночастиц совершенствуют такие свойства материала, как жесткость, гибкость, прочность…
Одна из ведущих в мире научных групп по этому направлению работает в Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова. Исследования по проекту «Мягкие» композитные материалы на основе полимерных микрогелей и мицеллярных ПАВ для современных практических применений» поддержал Российский научный фонд. По просьбе «Поиска» об этой работе рассказывает руководитель проекта, профессор кафедры физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ Игорь ПОТЕМКИН.
— Игорь Иванович, область применения нанокомпозитных материалов весьма широка: от медицины до ракето- и самолетостроения. Вы же сконцентрировались на нефтедобывающей промышленности. Почему?
— Нефтедобыча — важна для Российской Федерации. Модернизация применяемых в ней технологий (в частности, с использованием нанокомпозитов) особенно значима для государства как в интересах роста экономики, так и сохранения экологии. Научную значимость проекта определяет прорывной характер исследований в области самоорганизации полимерных микрогелей (и микрогелевых гранул) в разнообразные структуры. Например, червеобразных мицелл на основе поверхностно-активных веществ толщиной в несколько нанометров, твердых наночастиц (размером от десятков до сотен нанометров) и «мягких» микрогелей или микрогелевых гранул (от сотен нанометров до сотен микрон). Полученные результаты будут соответствовать мировому уровню знаний, а где-то даже превосходить их, что уже подтверждают достижения наших ученых.
Макрогели перспективны для создания селективных систем блокирования проникновения воды в нефтедобывающие скважины. Ученые определили, что макрогели можно разрушить до исходных микрогелей путем понижения рН. Есть методики получения макрогелей путем сшивания микрогелей друг с другом. Также обнаружена возможность локального упрочнения макрогеля за счет введения частиц магнетита в определенную его часть.
В качестве основы этих новых веществ ученые используют различные ПАВ (поверхностно-активные вещества), которые формируют червеобразные мицеллы и сетку зацеплений (рис. А). Также в ход идут разнообразные самоорганизующиеся микрогели и гранулы. За счет взаимодействий различной природы они могут «склеиваться» в макроскопический гель (рис. Б).
— Вашу научную группу называют одной из ведущих в мире по компьютерному моделированию полимерных микрогелей. Насколько сейчас проще вести эту работу, чем еще несколько лет назад?
— Думаю, что коллеги преувеличивают, — улыбаясь, отвечает Игорь Потемкин — Еще примерно 10 лет назад наша группа микрогелями не занималась вообще. Когда меня пригласили участвовать в крупном международном проекте, посвященному микрогелям, я был сначала удивлен. Казалось бы, что нового можно ожидать от сеток микроскопического размера, набухших в растворителях? Однако более глубокое погружение в предмет исследований позволило выявить так много нового, что исследования нас захватили с головой, и сегодня примерно 70-80% работ нашей группы связаны с микрогелями.
Компьютерное моделирование позволяет ученым «взглянуть» на системы в масштабе, почти недосягаемом для экспериментальных методов. Дает возможность «увидеть» эволюцию вещества во всех подробностях, предсказывать новые эффекты, объяснять экспериментальные данные и оптимизировать работу. На моделирование уходит гораздо меньше времени, чем на реальный синтез, измерения структуры или свойств. Исследования проводятся при тесном взаимодействии теоретиков, экспериментаторов и синтетиков. А есть работы, в которых «солируют» модельеры, объясняют коллегам непонятные
свойства получаемых гелей. А где-то наоборот: сначала модельеры тестируют поведение систем, а после берутся за дело экспериментаторы, — говорит Игорь Иванович.
— Какие материалы уже созданы? Насколько они безопасны для людей?
— Нам удалось получить, в частности, «мягкие» магнитные композиты на основе микрогелей природного полимера гуара и магнитных наночастиц. Такие композиты сочетают в себе целый ряд свойств, важных для практического применения: достаточно высокий модуль упругости, восприимчивость к изменению рН, способность деформироваться и перемещаться в магнитном поле, а также способность к самозаживлению. Для получения композитов используется биосовместимый, биоразлагаемый и нетоксичный полимер, что делает их достаточно безопасными.
Также созданы «мягкие» нанокомпозиты на основе водных растворов мицеллярных цепей ПАВ. Сегодня их широко используют для технологии гидроразрыва пласта в нефтедобыче. Они обладают вязкостью при течении в сотни раз выше, чем исходные растворы без наночастиц. Это обеспечивает высокую эффективность их использования и позволяет постоянно расширять область применения технологии. В качестве наполнителя в нанокомпозитах берем частицы глины, так что это безопасно и для человека, и для экологии.
Еще одно перспективное направление — магнитоуправляемые гели.
— Это даже звучит как нечто из научной фантастики…
— Да, но на самом деле московские ученые уже получили несколько таких управляемых систем.
— Как работают магнитоуправляемые гели?
— Большинство магнитоуправляемых гелей содержит магнитные наночастицы, которые связаны с полимерной матрицей. При помещении геля в магнитное поле частицы начинают двигаться, «утягивая» за собой окружающие их молекулы полимера. Так удается добиться отклика нанокомпозитного геля на магнитное поле. А значит, микрогелевые гранулы с магнитным наполнителем могут быть использованы для временного блокирования потока воды в определенном участке трубы, например, при проведении ремонтных работ. По их окончании такую «пробку» легко «расформировать». Подобный подход позволит получить гидрогель в ограниченной области системы, не загрязняя находящийся в ней раствор ни мономером, ни полимерными макромолекулами: весь материал для формирования геля будет сконцентрирован вблизи магнита, что крайне важно с экологической точки зрения.
— Чем вашему проекту помог грант РНФ? Какие научные успехи можете отметить особенно?
— Наш проект по «мягким» композитным материалам объединил лаборатории и специалистов высочайшего класса, и, конечно, он бы не состоялся без поддержки РНФ. Если говорить о научных успехах за время с начала проекта, то следует отметить синтез ряда новых ПАВ с улучшенными свойствами и разработку новых «мягких» нанокомпозитных материалов, в том числе на основе композиций из микрогелей. Сейчас это направление — один из приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации.
Арсений ТОНКУШИН
Нет комментариев