Потребности человечества постоянно растут, а количество ресурсов остается ограниченным. Одним из возможных выходов в сложившейся ситуации является интенсивное развитие технологий и создание новых материалов, в частности — гибридных. О том, что они собой представляют, как создаются и какие перспективы открывают, рассказал ведущий эксперт в области создания гибридных материалов, почетный доктор Российской академии наук, заведующий лабораторией «Гибридные наноструктурные материалы» НИТУ «МИСиС» (Москва, Россия), профессор департамента материаловедения Университета им. Монаша (Мельбурн, Австралия) Юрий Эстрин.
Al Hayat: Поясните, пожалуйста, что такое «гибриды» в материаловедении и зачем их создавать?
Юрий Эстрин: Используемые сегодня традиционные материалы имеют предел по своим свойствам — они не могут обладать прочностью или пластичностью выше определенного предельного уровня, поэтому в материаловедении наблюдается движение в сторону создания «гибридов» — материалов, состоящих из нескольких, часто совершенно разнородных, компонентов, которые дают сочетание нужных свойств во вновь созданном материале. Важную роль при этом играет не только химический состав отдельных компонентов, но и их микроструктура и взаимное расположение, то есть внутренняя архитектура гибрида. Она дает возможность управлять свойствами получаемого материала, а многообразие возможных геометрий открывает целый спектр дополнительных свойств.
— Каковы основные способы создания гибридов?
— Существует много способов создания гибридных материалов, но в наших исследованиях мы используем два основных метода. Первый — интенсивная пластическая деформация. Совместной деформации в сотни, иногда тысячи процентов, одновременно подвергается два или несколько материалов. Заготовку из материалов многократно продавливают через матрицу с заданной формой каналов. Процесс интенсивной деформации напоминает то, как кусок мяса пропускают через мясорубку. На выходе заготовка сохраняет свою форму, но она испытала гигантскую деформацию и внутри претерпела неимоверные изменения. Внутренняя структура материала измельчается до наноразмеров.
Если поликристаллический материал имеет зеренную микроструктуру с размером зерна, скажем, в десятки или сотни микрон, то в результате деформации зерна разбиваются на более мелкие — субмикронные. Их средний размер может быть порядка сотни нанометров, то есть десятой доли микрона. Такая процедура позволяет, с одной стороны, получить задуманную внутреннюю архитектуру гибрида, а с другой — добиться наноструктурирования, улучшающего механические характеристики и меняющего физические свойства гибрида. Интенсивная пластическая деформация повышает прочность чистых металлов в несколько раз, а сплавов — на 20-30%.
Второй способ — использование метода топологического самозацепления. Можно сказать, что здесь мы придерживаемся принципа «разделяй и властвуй» — делим цельные материалы на сегменты, чтобы «господствовать» над их свойствами. Исходный материал сегментируется, то есть разбивается на элементарные блоки, затем из них воссоздается структура требуемого материала. Элементы структуры самозацепляются — или, другими словами, самозаклиниваются — за счет геометрии и расположения относительно друг друга. Например, в некоторых вариантах таких конструкций каждый блок поддерживают шесть соседних, соединительные элементы или связующая масса при этом не нужны. Три соседних блока препятствуют движению центрального блока в одну сторону, три других — в противоположную. По краям дело обстоит сложней — соседей, которые не давали бы блокам сдвигаться, нет, поэтому структуру нужно ограничивать, например рамкой, или другими способами. Мы с коллегами из Австралии нашли целый ряд геометрических форм, позволяющих реализовать принцип топологического самозацепления. В таких структурах можно совмещать любые, даже крайне разнородные, материалы, тем самым придавая гибриду необходимую многофункциональность. Химически это могут быть любые материалы, даже полые блоки. Размер блоков, в зависимости от применений, варьируется от нескольких миллиметров до нескольких метров.
— При попадании камня в стекло от места удара расходятся трещины, а если же бросить камень в ваш материал, то повреждение останется локальным, не распространится на соседние участки?
— Да, все верно. Магистральная трещина не проходит через всю пластину, составленную из топологических самозацепленных блоков. Она прерывается на поверхностях раздела между соседними блоками.
Если же блоки разрушать поодиночке, случайным образом, то структура сохранит свою целостность и не развалится, пока не будет разрушено около 25 % блоков. При первом же повреждении по монолитной пластине сразу бы пошли трещины, и она бы разрушилась. Такая уникальная невосприимчивость к локальным повреждениям — замечательное свойство топологически самозацепленных структур, в корне отличающих их от монолитных.
— Получается, что за счет этого свойства гораздо проще осуществлять ремонт, заменяя небольшой поврежденный фрагмент?
— Не совсем так, с ремонтом дело обстоит сложнее. Можно поставить «заплатку» на поврежденный сегмент, но вытащить сломанный сегмент и вставить вместо него такой же новый невозможно. Для того, чтобы заменить поврежденный блок, необходимо подбираться к нему, двигаясь от края сборки, то есть разбирать часть составной пластины.
— Поскольку гибридные наноструктуры не ломаются даже от нескольких локальных повреждений, то выходит, что они очень хорошо бы подошли для дальних космических полетов или строительства баз на других планетах? Какими еще свойствами обладают данные материалы?
— Гибридные структуры из самозацепленных блоков — действительно, отличное инженерное решениe для применений в космической технике. Их можно использовать для облицовки космического корабля или при строительстве зданий на Луне или Марсе. Для сооружений из топологических самозацепляющих блоков не требуется раствор, поэтому в безводном окружении такая технология открывает широкие перспективы. Если говорить о Луне, то здания можно строить прямо из реголита — лунного грунта, располагающегося на ee поверхности. Конечно, необходимо разработать технологию спекания грунта и научиться формировать его в блоки с нужной геометрией. Зданию из таких блоков не страшен даже метеоритный дождь.
Гибридная структура, сегментированная на отдельные элементы, открывает массу уникальных возможностей. Сегментированные объекты лучше поглощают звук и эффективнее рассеивают ударную энергию, чем цельные объекты, изготовленные из того же материала. Опыты с керамическими материалами показали, что если пропускать звук через монолитный материал, то коэффициент поглощения звукa составляет, скажем, 5-10%, если же тот же материал сегментировать на топологические самозацепленные блоки, то коэффициент поглощения будет равен уже 60 %. При этом увеличение этого показателя достигается только за счет сегментации на блоки с особой геометрией. Если же поработать еще и над самим материалом — выбрать правильный, да еще и сделать его пористым, то можно получить коэффициент поглощения, близкий к 100%. Сразу напрашивается использование такого материала для звукоизолирующих барьеров на автострадах, звукоизоляции в зданиях. Применение принципа топологического самозацепления также открывает крайне интересные перспективы для строительства в сейсмоопасных регионах.
— В каких еще сферах применяются гибридные материалы? Над чем конкретно вы работаете в данный момент?
— Гибридные материалы — это в основном конструкционные материалы, которые потенциально будут востребованы в строительстве, автомобилестроении, авиационной промышленности, космической технике и так далее. Везде, где речь идет о любых мобильных объектах, для которых требуется более легкий, но в тоже время более резистентный к разрушению материал. Однако, промышленные фирмы пока не очень-то торопятся их внедрять. Тут необходимо донести до индустриальных партнеров и инвесторов преимущества новых принципов дизайна и изготовления гибридных материалов, и в этом мы видим одну из важных задач нашей лаборатории.
Разрабатываемые нами методы интенсивной пластической деформации весьма перспективны и для создания биоразлагаемых костных имплантатов и стентов на основе как традиционных, так и гибридных материалов.
После того, как имплантаты сослужили свою службу, как правило, требуется их оперативное удаление. Однако если имплантаты будут сами рассасываться в ходе восстановления ткани, то повторное хирургическое вмешательство не потребуется. В лаборатории ведутся экспериментальные работы по разработке биоразлагаемых материалов медицинского применения на базе магниевых сплавов и полимеров.
Интенсивная пластическая деформация и вызванное ею наноструктурирование материала также открывает новые возможности для развития водородной энергетики. Сейчас водород рассматривается как возможная альтернатива углеводородному сырью, поэтому материалы, способные его накапливать и хранить, в перспективе могут быть использованы в батареях для новой энергетики. Наноструктурные гибридные материалы позволяют улучшить способность металла или сплава накапливать водород, ускорить его отдачу и сделать возможным протекание процесса при более низких температурах.
— Ваши исследования связаны с использованием в качестве компонентов гибрида материалов, обладающих характеристиками, которые позволяют контролируемым образом менять свойства материала при внешних воздействиях. Означает ли это, что шар из подобного материала при разной температуре может быть сначала футбольным мячиком, а потом — пушечным ядром?
— Мы пропускаем через гибридные структуры нити, которые можно натягивать до разной степени, и получаем гибкие структуры, составленные из блоков очень жесткого материала. Такая технология позволяет сделать жесткий материал податливым и гибким. Если сделать нити из материала с эффектом памяти формы, предварительно деформировав этот материал, а потом нагрев его, например, пропуская через него электрический ток, то мы заставим их вернуться к исходной форме. Таким способом мы можем менять натяжение нитей и, тем самым, контролировать изгибную жесткость нашей структуры.
Если речь идет о полимерах, то в них можно добавлять не нити, а целые элементы, обладающие эффектом памяти формы. На такую пластину можно подуть горячим воздухом, и она в ответ станет жесткой. Тут как раз можно провести аналогию с мячом, превращающимся в пушечное ядро, но превращение происходит однократно и только в одну сторону.
— Некоторые разработки и научные открытия не просто что-то добавляют к нашей жизни, а фактически полностью меняют мир, например, антибиотики или реактивный двигатель. Есть ли в материаловедении такая задача, решение которой изменило бы мир?
— Революцию в материаловедении произвело бы создание материалов для умной одежды. Умная одежда — это одежда, сочетающая в себе тепловую, радиационную, противоударную защиту с элементами электроники. Необходимой компонентом данной концепции является свойство самозалечивания материала — то есть способность материала самостоятельно устранять локальные повреждения. Такая одежда подобна второй коже, но во многом превосходит ее по свойствам. В материаловедении есть целое направление, занимающееся разработкой таких материалов. Оно сейчас очень активно развивается.
Если говорить о всеобъемлющей "сверхзадаче" в материаловедении, то боюсь, что ее не существует.
Материаловедение обслуживает массу разных инженерных направлений. Для каждого из них нужны свои решения и материалы. В специализированных журналах по материаловедению, да и в научно-популярных изданиях, содержится масса интересных идей, от которых порой захватывает дух. Но думаю, что наиболее впечатляющих прорывoв, результаты которых могли бы найти практическое применение, стоит ожидать именно в области гибридных материалов с особой внутренней архитектурой на разных масштабных уровнях.
