Представляем обзор последних достижений на стыке химии полимеров и нанотехнологий. Они еще не использованы в промышленном производстве, а в некоторых случаях, - еще достаточно далеки от этого. Но в будущем позволят существенно улучшить качество жизни и, возможно, даже, смогут совершить «переворот» в той или иной индустриальной сфере.

НОВЫЙ НАНОКОМПОЗИТНЫЙ МАТЕРИАЛ НАПОМИНАЕТ ПЕРЛАМУТР

Ученые создали новый конструкционный композитный материал на основе оксида алюминия, помещенного в полимерную матрицу. Они научились получать Al2O3 в форме микроскопических пластинок, которые и являются основой инновации, - пишет gazeta.ru.

Изобретение сотрудников швейцарского Федерального технологического института в Цюрихе в будущем сможет быть применено в изготовлении зубных и костных имплантатов, а также стать прототипом конструкционного материала для машиностроительной индустрии. Главными достоинствами композита являются его необычайная прочность и эластичность, а также небольшой вес.

Новое достижение швейцарских ученых под руководством профессора Людвига Гауклера перекрывает успехи исследователей из Массачусетского технологического института, до сих пор являвшиеся наиболее удачным примером биомиметического подхода в материаловедении. Материал, полученный в Цюрихе, впятеро прочнее и обладает выраженной пластичностью, прочность пленки композита эквивалентна прочности алюминиевой фольги той же толщины. При этом материал выдерживает 25%-ную деформацию, в то время как алюминий рвется уже при двухпроцентной.

В то же время материаловедам удалось сохранить необыкновенную легкость композита: по оценкам Андре Стюарта, материаловеда из Гарварда, также задействованного в работе, гибрид может быть вчетверо легче стали, обладающей соответствующими прочностными характеристиками. Это свойство материала пророчит ему большое будущее в машиностроении, где в настоящее время в изготовлении неметаллических деталей применяется не самое легкое стекловолокно. Кроме того, выгодным отличием нового материала от стекловолокна является меньшая анизотропия свойств. Так, стекловолокно сохраняет свою прочность только вдоль одного направления, совпадающего с направленностью волокон. Пластинчатая же структура материала из оксида алюминия обеспечивает его прочность в двух направлениях.

Для того чтобы получить тонкую пленку нового композитного материала, ученые применили метод наслоения. Первоначально приготовив дисперсию керамических пластинок оксида алюминия в этиловом спирте, они поместили ее на поверхности более плотной жидкости – воды. Таким образом был сформирован одиночный слой пластинок на поверхности воды, который был перенесен на подложку из стекла простым погружением последнего в воду. В качестве связующего полимера был использован биосовместимый хитозан, известный в том числе и многим почитателям биологических добавок.

Прототипом разработки для ученых оказался перламутр, образующийся в виде тонкой пленки на поверхности морских раковин. К чести создателей, они не только стремились повторить его структуру, но и улучшить ее. Ракушки используют карбонат кальция для создания пленки перламутра, который распределяют в виде пластин в толще белкового полимера. При этом ключевую роль играет соотношение длины и толщины пластинок, которое и позволяет достичь уникального сочетания пластичности и прочности, до этого воспроизведенного людьми только в металлах и сплавах.

Слишком большое соотношение длины и толщины приводит к преждевременному разрушению материала при приложении нагрузки. Если же соотношение слишком мало, материал становится непрочным.

Исследователи отдали предпочтение оксиду алюминия, так как последний отличается впятеро большей прочностью по сравнению с карбонатом кальция. Кроме того, ученые использовали пластинки меньшей толщины, чем те, что были обнаружены в перламутровом покрытии: двести нанометров против пятисот. Эта мера позволила уменьшить риск возникновения пустот и трещин в конечном продукте послойного синтеза. Теоретические расчеты показали, что соотношение между длиной и толщиной пластинок, равное сорока, приводит к наилучшим механическим характеристикам композитного материала. Таким образом, длина их составила от 5 до 10 микрон. В итоге ученые получили большую прочность материала при меньшей концентрации пластинок в нем. Это позволило использовать большие количества полимера, что вылилось в превосходную пластичность.

Несмотря на это, перед внедрением в зубопротезную промышленность, не говоря уже о костной имплантации и тяжелой индустрии, ученым предстоит разработать более технологичный и быстрый метод получения композита.

Сам Гауклер полагает, что поле для усовершенствований материала еще очень широко. Например, необходимо провести поиск иного полимерного связующего, которое может еще более повысить прочность материала и сделать его дешевле. Кроме того, в увеличении нуждается и адгезия («прилипучесть») полимера к пластинкам Al2O3.

В то же время успех швейцарцев – еще одна знаковая веха в развитии биомиметических подходов, не так давно позволивших химикам создать инновационные адгезионные материалы на основе строения лапок ящериц и древесных лягушек.

НЕВИДИМЫЕ НАНОЧАСТИЦЫ

Американские ученые разработали невидимое покрытие для наночастиц. Благодаря новой технологии видимые размеры наночастиц могут быть уменьшены в тысячи раз по сравнению с их реальными размерами, - сообщает rnd.rnd.cnews.ru.

Профессора Майкл Боксталер (Michael Bockstaller) и Криштоф Матяшевский (Krzysztof Matyjaszewski) из университета Карнеги Меллона прививали к поверхности частиц полимеры, плотность, химический состав и размер которых строго контролировались. Структура полученных наночастиц позволяет свету проходить сквозь них почти беспрепятственно, сообщает EurekAlert.

По мнению ученых, новая технология позволит создавать материалы, обладающие интересными комбинациями свойств, например, прочностью и оптической прозрачностью.

ИСКУССТВЕННАЯ НАНОПОЛИМЕРНАЯ КОЖА -  НЕ ХУЖЕ ПРИРОДНОЙ

Новый вид искусственной кожи, созданной из тонких слоев полимеров и углеродных нанотрубок, вскоре позволит роботам и людям, носящим протезы, чувствовать тепло, холод и давление, - пишет zhelezyaka.com.

С развитием компьютерных технологий и робототехники искусственные конечности по функциональности уже почти не уступают настоящим. Но искусственная кожа все еще остается нечувствительным пластиковым покрытием.

"Технология, использующая углеродные нанотрубки, поможет не только приблизиться к характеристикам настоящей кожи, но даже превзойти их", – говорит специалист из Национальной лаборатории Оук Ридж Джон Симпсон.

В настоящий момент исследователи работают над созданием FILMskin (Flexible, Integrated, Lightweight, Multifunctional skin), которая обладает водоотталкивающими свойствами и способна чувствовать изменения температуры и давления.

По мнению специалистов, такое покрытие не будет отторгаться человеческим организмом. В будущем планируется разработать сенсоры, связанные с нервной системой человека, что позволит передавать сигналы непосредственно в мозг.

НОВЫЙ МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ПОЛЫХ ЧАСТИЦ

Предложен перспективный метод получения полых частиц, - по информации nanometer.ru.  Это может стать очередным шагом на пути к созданию новых «биомедицинских» материалов.

Получение сферических полых частиц – одна из важных задач современной технологии, решение которой даст ключ к новым материалам для различных биомедицинских приложений.

Классическим подходом является темплатный синтез, заключающийся в нанесении слоя полимера на сферический шаблон. Однако при этом возникает ряд трудноразрешимых задач, а именно удаление шаблона и введение активного вещества внутрь частицы. Однако, недавно предложен новый метод получения полых частиц, которые могут быть в дальнейшем «запечатаны».

Частицы микронного размера были приготовлены двумя путями. В первом случае продажные частицы полимера (использовался полиметилметакрилат и полистирол), взвешенные в воде под действием подходящего растворителя «разбухали», после чего проводилась обработка жидким азотом. Далее растворитель был удален испарением ниже 0оС. При малых коэффициентах «разбухания» формировалась структура с одной полостью, при больших возможно образование пор на внешней поверхности. Лед дополнительно стабилизирует структуру, предотвращая схлопывание полостей.

Однако этот метод имеет ограничения, связанные со сложностью получения исходных частиц кристаллических полимеров (поликапролактон, поли-L-лактид) подходящего микрометрового диаметра с узким распределением по размеру. Поэтому применялся второй метод, который отличается тем, что прекурсорами являются не продажные частицы, а эмульсия раствора полимера, что позволяет получать частицы из кристаллических полимеров.

При помощи отжига или обработки полученных частиц раствором полимера становится возможным закрыть полости, что делает эти структуры перспективными для использования в медицинских приложениях, в т.ч. в точечной доставке лекарств. Для демонстрации был выбран процесс инкапсулирования родамина. После центрифугирования родамин был введен в полости частиц, после чего частицы были запечатаны обработкой в диоксане при 40оС.

Далее изучался процесс высвобождения родамина в фосфатном буферном растворе, который показал, что в случае биоразлагаемого PCL процесс проходит сравнительно быстро, даже в отсутствие белков, а полистирол не высвобождает родамин, что свидетельствует о высокой степени устойчивости и «прочности» этих частиц.
 

ФИНСКИЙ ЦЕНТР НАНОЦЕЛЛЮЛОЗНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Центр технических исследований Финляндии VTT, Технологический университет Хельсинки (TKK) и компания UPM основали Финский центр наноцеллюлозных технологий, - по сообщению Бумпром.ру.  Он открылся 1 марта 2008 года.

Организация ставит себе задачу найти новые способы применения целлюлозы в качестве сырья, материала и конечного продукта. Нановолокна на основе целлюлозы могут использоваться для изменения структуры материала и создания новых продуктов.

Финский центр наноцеллюлозных технологий расположен в Отаниеми, Еспоо. В Центре будут работать около 40 исследователей. Он будет представлять собой равноправный консорциум трех партнерских организаций. Деятельность его будет финансироваться путем общественных и частных инвестиций.

Волокна целлюлозы (30 мкм в диаметре, 2-3 миллиметра длиной) состоят из нанофибрилл, размер которых составляет одну тысячную от размера волокна целлюлозы. Одной из сложностей в исследовании является производство больших количеств нанофибрилл однородного качества.

Нанофибриллы создают ряд возможностей работать с древесным волокном, добавляя ему совершенно новые свойства. Можно улучшить механические свойства сырья, обеспечить контроль его реакций на влажность, изменить его электрические показатели или регулировать оптические свойства.

Новая технология может применяться для производства специальных бумаг, в меловании бумаг, в производстве упаковочных и строительных материалов.

Лесная индустрия претерпевает сейчас крупные изменения, а использование новых технологий даст возможность повысить конкурентоспособность в этом секторе. Благодаря сочетанию фундаментальных и прикладных исследований партнеры намерены ускорить вывод на мировой рынок новых прибыльных продуктов в ближайшем будущем.

МОРСКИЕ ОГУРЦЫ – ДЛЯ ПЕРЕДОВОЙ ПОЛИМЕРНОЙ НАУКИ

Новый полимер, копирующий полезные свойства морских огурцов, способен менять степень жесткости. Ученые видят большие возможности его применения нового полимера, в частности, для лечения болезни Паркинсона.

Американскими учеными был разработан новый полимер, который меняет степень жесткости в зависимости от присутствия жидкости, - сообщает Treli.ru.  Новый материал копирует свойства морских огурцов - червеобразных иглокожих.

Свойства нового материала в "жестком" состоянии напоминают CD-диск, а в "мягком" - резину. Полимер размягчается в присутствии водного растворителя. После испарения жидкости разработанный учеными материал вновь становится жестким.

Обычно мягкое тело морских огурцов, с которых был "скопирован" необычный полимер, способно быстро приобретать жесткость для защиты от врагов. Кожный покров морских огурцов содержит сеть чрезвычайно тонких целлюлозных нитей. В случае опасности нервные клетки морских огурцов вырабатывают определенные вещества, которые скрепляют нити вместе. Мягкое тело огурцов покрывается прочной броней. После того как опасность исчезает, другие клетки выделяют белок, ослабляющий связи.

Ученые под руководством Кристофа Ведера (Christoph Weder) выделили целлюлозные нити из тел оболочников - организмов со схожим строением внешних оболочек. Ученые смешали нити со смесью резиновых полимеров. Нити образовали трехмерный каркас, который придавал жесткость полимерному материалу.

Целлюлозные нити оставались соединенными друг с другом благодаря связям между гидроксильными группами, расположенными на их поверхности. В отсутствие молекул, содержащих водород, гидроксильные группы образовывали связи друг с другом, поддерживая сеть в стабильном состоянии. При добавлении растворителя на водной основе, его молекулы, содержащие большое количество гидроксильных групп, соединялись с гидроксильными группами целлюлозных нитей. Соответственно, образованная ими сеть ослаблялась, и полимер становился менее жестким. При испарении растворителя связи между нитями восстанавливались, и полимер вновь приобретал жесткость.

Ученые видят большие возможности применения нового полимера. Они считают, что его можно использовать для конструкции внутримозговых микроэлектродов. Они были разработаны для лечения некоторых заболеваний, например, болезни Паркинсона. Однако в пилотных экспериментах было показано, что через несколько месяцев микроэлектроды перестают помогать больным. Разработчики предположили, что слишком жесткий материал, из которого сделаны микроэлектроды, повреждает мягкие ткани мозга. Дастин Тайлер (Dustin Tyler), занимающийся разработкой методов электрической стимуляции считает, что новый материал, способный изменять свою жесткость, поможет решить эту проблему. По его словам, эксперименты по использованию микроэлектродов из нового полимера готовы начаться в ближайшее время.

Для подготовки материала использована информация:

Академия Конъюнктуры Промышленных Рынков
Тел.: (495) 918-13-12, (495) 911-58-70
E-mail: mail@akpr.ru
WWW: www.akpr.ru