Российские ученые разработали «умные» сверхпрочные полимеры, которые могут выдержать температуру свыше 500 °С
Новые материалы обладают памятью формы, имеют повышенную прочность, а также устойчивы к высоким температурам и радиации: если их использовать при строительстве космических аппаратов, то они смогут проработать на околоземной орбите без потери эксплуатационных свойств более 10 лет. Получение смарт-полимера открывает путь к 4D-печати и созданию самосборных и программируемых материалов.
Команда ученых Института регенеративной медицины Сеченовского Университета Минздрава России и Байкальского института природопользования Сибирского отделения РАН (БИП СО РАН) разработала интеллектуальные фотополимерные материалы с памятью формы, обладающие уникальными физико-химическими свойствами. Это можно назвать научным прорывом: прочность на разрыв новых полимеров достигает 115 МПа (мегапаскалей), а прочность подобных полимерных интеллектуальных материалов, существующих сегодня на рынке и описанных в научных статьях, не превосходит 75 МПа.
Разработанные смарт-полимеры обладают термической и радиационной стойкостью, а также способностью выдерживать большие нагрузки. Благодаря этому их можно использовать при создании развертываемых космических конструкций — космических антенн, систем типа «солнечный парус», деталей радиотелескопов и солнечных панелей. Подобные космические системы смогут работать на околоземной орбите по 10 лет непрерывно без потери свойств.
Исследование опубликовано в научном журнале «Полимер» (Polymer) издательства Elsevier, который размещает статьи по физике и химии полимеров. Издание входит в базу данных Scopus.
«Умные» полимеры с памятью формы отличаются тем, что могут менять свои свойства под действием внешних факторов. Им можно придавать различную форму, а потом, после воздействия на них какого-либо внешнего стимула (в данном случае – температуры), полимерные материалы возвращаются к своей первоначальной геометрии. Таким образом, ученые Первого МГМУ и БИП СО РАН создали один из компонентов новой фотополимерной композиции и научились целенаправленно изменять его форму с помощью нагрева.
Новый синтезированный полимер обладает эффектом памяти формы: при достижении температуры 295 °С он становился мягким и ему можно было придать любую форму, а после охлаждения он возвращался в твердое состояние с сохранением новой формы. Но когда его снова нагревали, то первоначальная форма самопроизвольно восстанавливалась.
Разработанные полимеры являются термостабильными: так, термогравиметрический анализ (ТГА; метод, при котором измеряется изменение массы образца с течением времени в зависимости от температуры) показал, что в диапазоне 462–541 °С потерялись только 5% от образца — они превратились в кокс. Остальной материал сохранил свои свойства.
Получение нового «умного» полимера открывает возможности для 4D-печати, которая задает не только форму предмета, но и его способность менять свои свойства, отмечает Ксения Бардакова, научный сотрудник отдела современных биоматериалов Института регенеративной медицины Научно-технологического парка биомедицины Сеченовского Университета. По ее словам, «разработанный полимер станет одним из компонентов чернил для 3D-принтера, что позволит печатать трехмерные структуры с памятью формы. Известно, что если 3D-объект состоит из подобного интеллектуального материала, то для него добавляется еще четвертое измерение, подразумевающее преобразования с течением времени. То есть, регулируя какой-либо параметр окружающей среды (температуру, свет, кислотность (pH) или влажность), мы можем менять форму 3D-объекта, а это уже область программируемых и самосборных материалов».
Уникальные свойства смарт-полимера делают его перспективным для применения в разных сферах. Из него можно печатать изделия с высоким разрешением (от 20 микрон). Разработчики говорят, что он будет востребован в микроэлектронике, авиастроении и робототехнике. Во время эксперимента созданный из подобного интеллектуального материала трехмерный захват-манипулятор смог поднять массу в 5–7 раз больше своего веса.
Кроме всего прочего, смарт-полимеры могут конкурировать с металлами и сплавами, так как легче их и при производстве дают меньше отходов. Предполагается, что 4D-печать способна стать заменой некоторым традиционным промышленным методам — литью под давлением, фрезерованию и штамповке.
Ученые считают, что 4D-печать с использованием «умных» материалов открывает дорогу к новым революционным материалам — когда сначала будет распечатываться плоская структура, а затем под внешним воздействием она будет принимать определенную, запрограммированную форму. Уже сейчас известно об экспериментах, когда распечатанный плоский лист разработчики «заставляют» сворачиваться и превращаться в элемент мебели.
Статья в Polymer является продолжением совместной работы совместно с Байкальским институтом природопользования СО РАН по разработке фотополимерных композиций для 3D-печати структур с памятью формы. Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 22-73-10011.
По словам ученых, научная группа занимается разработкой подобных материалов несколько лет и каждый последующий состав полимеров превосходит предыдущий по своим эксплуатационным свойствам. В Сеченовском Университете работа ведется под руководством директора Научно-технологического парка биомедицины, профессора Петра Тимашева.
