Медицина, химия, авиакосмическая, оборонная и даже атомная отрасли. Все они сегодня нуждаются в современных нанокомпозитах. Это материалы, состоящие из компонентов нанометрового диапазона, которые в свою очередь оказывают заметное влияние на свойства композита в макромасштабе. Например, добавление углеродных нанотрубок улучшает электрическую и тепловую проводимость. Другие виды наночастиц совершенствуют оптические или механические свойства, такие как жесткость, гибкость, прочность и другие.
Одна из ведущих в мире научных групп по созданию мягких композитных материалов на основе полимерных микрогелей и мицеллярных ПАВ (поверхностно-активных веществ) работает в Московском государственном университете имени М. В. Ломоносова. Уже третий год их исследования поддерживает Российский научный фонд. Рассказать об этой работе «Поиск» попросил руководителя проекта, профессора кафедры физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ Игоря Потёмкина.
— Игорь Иванович, область применения нанокомпозитных материалов весьма широка: от медицины до ракето — и самолетостроения. Вы же сконцентрировались на нефтедобывающей промышленности. Почему?
— Нефтедобыча – одна из ведущих отраслей промышленности Российской Федерации. Модернизация используемых в ней технологий (в частности, с использованием нанокомпозитов) особенно важна для государства, как с экономической, так и с экологической точек зрения.
Для нефтедобывающей промышленности «мягкие» материалы оказались чрезвычайно важными. С их помощью можно создать среду с высокой проницаемостью по отношению к нефти. В качестве основы получаемых гелей учёные используют различные ПАВ, которые формируют червеобразные мицеллы и сетку зацеплений (см. рисунок 1а). Также в ход идут разнообразные самоорганизующиеся микрогели и гранулы (рисунок 1б). За счет взаимодействий различной природы они могут «склеиваться» в макроскопический гель.
Рисунок 1. (а) Микрофотография сетки зацеплений из мицеллярных ПАВ, полученная методом крио ПЭМ. (б) Компьютерное моделирование микрогеля с твердой частицей внутри, способного к «слипанию» с аналогичными микрогелями или с мицеллярными ПАВ.
— 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 (улыбается). Еще примерно 10 лет назад наша группа микрогелями не занималась вообще. Когда меня пригласили принять участие в крупном международном проекте, посвященному микрогелям, я был сначала несколько 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 на сегодняшний день примерно 70-80% работ нашей группы связаны с микрогелями.
Компьютерное моделирование позволяет учёным «взглянуть» на такие малые масштабы систем, почти недосягаемые для экспериментальных методов, и «увидеть» во всех подробностях их эволюцию. Это позволяет предсказывать новые эффекты, объяснять экспериментальные данные и оптимизировать работу. На моделирование уходит гораздо меньше времени, чем на реальный синтез и измерения структуры или свойств. Исследования проводятся на комплементарной основе, то есть при тесном взаимодействии теоретиков, синтетиков и экспериментаторов. Мы проводим исследования по самым разным направлениям, чтобы получить разнообразные материалы. В каких-то «солируют» экспериментаторы, а задача модельеров – объяснить непонятные свойства. А где-то наоборот: сначала модельеры тестируют поведение систем, а после берутся за дело экспериментаторы – говорит Игорь Иванович.
— Какие материалы уже удалось получить? Насколько они безопасны?
— 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 используют частицы глины, так что это безопасно и для человека и экологии.
Ещё одно перспективное направление – магнитоуправляемые гели. Это даже звучит, как нечто из научной фантастики. Но на самом деле, московские учёные уже получили несколько таких управляемых систем.
— Как работают магнитоуправляемые гели?
— Большинство магнитоуправляемых гелей содержат магнитные наночастицы, которые связаны с полимерной матрицей. При помещении геля в магнитное поле частицы перемещаются, «утягивая» за собой окружающие их молекулы полимера. Так удается добиться отклика нанокомпозитного геля на магнитное поле.
— 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.
Арсений ТОНКУШИН
Нет комментариев