Нанокомпозиты – материалы на заказ

 

Композиционными материалами или композитами называют сплошные материалы, состоящие из двух и более компонентов. Свойства композита зависят от свойств компонентов, из которых он состоит, их соотношения и связей между ними. При этом часто композит обладает свойствами, которые отсутствуют у составляющих его компонентов. Так, наличие многочисленных границ раздела между компонентами делает композит, как правило, гораздо более прочным (см. Нанофазные материалы), чем исходные компоненты. Обычная клеёная фанера, железобетон и стеклопластик являются примерами композиционных материалов. 

Нанокомпозитом является композиционный материал, в качестве одного из компонентов которого взяты наообъекты (наночастицы, нанотрубки и т.п.).  При этом процент нанодобавок часто очень невелик (не более 5 %), т.к. их эффективность во многих случаях зависит от поверхности соприкосновения компонентов, а известно, что отношение поверхности к объёму у нанообъектов огромно. Так при создании нанокомпозита на полимерной основе с наполнителем из наночастиц серебра их концентрация составляет всего несколько десятитысячных долей процента, и этот нанокомпозит проявляет необычайно сильное бактерицидное действие.

Полимеры и нанопластинки из глины

Одним из перспективных нанокомпозитов могут стать нанокомпозиты  на полимерной основе с наполнителем в виде наночастиц глины – алюмосиликатов. Алюмосиликаты в определённых условиях соединяются друг с другом образуя плоские пластинки толщиной около 1 нм. Размеры этих глиняных пластинок могут достигать несколько микрометров, что делает их объектами с очень большим отношением поверхности к объёму (рис.57).

Рисунок 57. (а) - химическая структура молекул алюмосиликатов, образующих пластинки толщиной 1 нм (1 nm); разными цветами показаны химические элементы и их группы, образующие молекулу алюмосиликата. (b) – электронная микрофотография участка нанокомпозита, состоящего из полимера (нейлона) с добавлением 5 % нанопластинок глины, заметных в виде горизонтальных тёмных нитей длиной несколько сотен нм. Калибровка справа внизу соответствует 500 нм. Взято с сайта http://www.sigmaaldrich.com.

 

Поэтому добавление таких глиняных пластинок даже в небольших количествах приводит к заметному изменению физических свойств материала. Так, нанокомпозит, показанный на рис.57, обладает гораздо большей прочностью и термостойкостью, чем нейлон, на основе которого он сделан. Полагают, что нанокомпозиты из глиняных пластинок, изготовленные на основе известных термопластиков (полиамида и полипропилена), будут обладать такой прочностью и термостойкостью, что вполне смогут заменить металлы при производстве, например, самолётов.

Другое полезное свойство, которым обладают полимерные нанокомпозиты из глиняных пластинок  -  уменьшение диффузии газов через плёнки, изготовленные из этих нанокомпозитов. Поэтому еда, завёрнутая в такие полимерные плёнки, будет меньше портиться при хранении.

Полимеры и углеродные нанотрубки

Плотность нанотрубок в пять раз меньше, чем у стали, а прочность в десятки раз больше. Поэтому, чтобы сделать полимерные материалы более прочными, не увеличивая их веса, химики решили включать в их состав углеродные нанотрубки. Если между соседними волокнами полимерного материала поместить нанотрубку, связав её с ними углеводородными цепочками, то прочность данного участка материала приблизиться к прочности нанотрубки (см. рисунок 58). Таким образом, добавка нанотрубок в 0,6% даёт 4-х кратное увеличение прочности полимера. Учёные считают, что, если нанотрубки будут занимать 10% объёма полимера, то смогут увеличить его прочность в 20 раз!

Рисунок 58. Схематическое изображение нанотрубки, встроенной между молекулами полимера, соединённой с ними с помощью бутильных групп (БГ). Взято из New Scientist, 18 September 2004, p. 18.

 

Вернуться к ОГЛАВЛЕНИЮ               читать ДАЛЬШЕ