Тема:Полимеризация. Нанополимеры Баранцев Н.Р., Петрозаводский Государственный Университет

Введение Использование материалов имеющих в своей основе нанополимеры дает неоспоримые преимущества, касающиеся не только улучшения качеств привычных нам изделий, используемых в повседневной жизни, но и создания новых, принципиально отличающихся от всего, что было ранее создано человеком. Развитие нанонауки и нанопромышленности не стоит на месте и, возможно, через двадцать-тридцать лет мы «мы будем ходить в суперпрочной наноодежде, есть из суперстойкой нанопосуды суперпитательную нанопищу».

Полимеризация (греч. polymeres - состоящий из многих частей) процесс образования высокомолекулярного вещества (полимера) путём многократного присоединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера, олигомера) к активным центрам в растущей молекуле полимера. Молекула мономера, входящая в состав полимера, образует мономерное звено. Элементный состав (молекулярные формулы) мономера и полимера приблизительно одинаков. Полимеризация

Нанополимеры Исследователи из Массачусетского технологического института создали новый класс материалов нанополимеры. В длину они достигают 50 тыс. частиц, при этом могут образовывать тонкие полимерные пленки площадью 1 кв. см и толщиной 60 мкм. Полимеры были созданы благодаря нарушению симметрии сферических наночастиц. Ученые присоединили два различных типа лигандов, молекул тиола, к полюсам сфер. Затем лиганды одной наносферы соединялись с лигандами другой частицы, образуя наномасштабный эквивалент полимера. Цепная реакция, которая занимает несколько часов, очень похожа на реакцию полимеризации нейлона. С помощью новой технологии можно создавать нанополимеры, обладающие определенными полезными свойствами. Например, она дает возможность контролировать пористость материала на наноуровне. Кроме того, новые полимеры могут использоваться для исследования фундаментальных свойств материалов.

Одежда Уже несколько лет ученые пытаются повторить удивительные способности маленькой ящерицы – геккона. Команде нанотехнологов из Калифорнийского Университета в Беркли (University of California) известно, почему геккону удается ползать по стенам. Все дело в миниатюрных волосках нанометровых размеров, которые позволяют держаться на вертикальной поверхности, как бы «приклеиваться» к ней, благодаря силам межмолекулярного притяжения (силам Ван-дер-Ваальса). Благодаря этому теперь мы можем поймать геккона и сшить из его шкуры пальто. Области применения нанополимеров

Нанотехнологии сегодня могут обеспечить почти точное воспроизведение прилипающей поверхности ноги геккона, вот только ученые долгое время не могли подобрать необходимый для этого материал. Ранее использовали даже кремниевые нано- волоски, полученные фотолитографической техникой, однако они не давали должного сцепления с поверхностью для прилипания. В новом исследовании ученые взяли новый материал – жесткий полипропилен, из которого был сформирован «ковер» из нанонитей диаметром 600 нанометров, что в 100 раз меньше диаметра человеческого волоса.

Рис. 1. Полимерная поверхность, имитирующая липкие части ноги геккона Рис. 2. Тест нано-геккона на 400 граммовой гирьке

Полипропилен показал лучшие результаты, чем все остальные материалы (кремний и ряд полимеров). Получившаяся пленка площадью около двух квадратных сантиметров может держать на вертикальной стеклянной поверхности груз до 400 грамм! Это почти 1/6 от «прилипательной» силы геккона, и это максимум, что исследователи могут сегодня добиться от наноматериала. То есть пока природа лучше понимает в нанотехнологиях, чем ученые. Кроме того, для достижения тех же целей используются карбоновые нанотрубки, являющиеся на сегодня самым прочным материалом в мире полимеров. Его так же предполагается использовать для формирования миниатюрных волосков при создании специального костюма.

Рис. 3. Специальный костюм

Шины Полимерная резиновая смесь молекулярного уровня, рожденная нанотехнологиями, обеспечивает взаимодействие шины даже с самыми мельчайшими выступами дорожной поверхности, идущее на молекулярном уровне. Можно сказать, новая шина прямо-таки берет дорогу в свои объятия. Новая резиновая смесь также отличается выдающимися параметрами износостойкости. Объединение этих противоречивых параметров – отличное сцепление и низкий износ – относится к заслугам разработчиков шин. И все это за счет нанотехнологий.

«Электронная бумага» Созданная американскими исследователям химического факультета Калифорнийского университета в Риверсайде жидкость, изменяющая свой цвет под воздействием магнитного поля, содержит крошечные частицы оксида железа диаметром примерно 100 нанометров с нанесенным на них полимерным покрытием. Пластик несет на себе электрический заряд, а оксид железа подвержен действию магнитных полей. В результате манипуляций этими двумя противостоящими силами из частиц можно создавать упорядоченные структуры, носящие наименование коллоидных «фотонных кристаллов». Аккуратно выстроенная решетка обладает способностью не пропускать свет с длиной волны, сравнимой с периодом структуры фотонного кристалла – таким образом можно менять цвет изображения на «жидких экранах». Подобная взвесь частиц чрезвычайно дешева и проста в изготовлении и помимо гигантских мониторов, не «слепнущих» под прямыми лучами солнца, с успехом может быть использована при создании гибкой перезаписываемой «электронной бумаги».

Фотоэлементы Учеными создан первый в мире нейроинтерфейс, связывающий нейроны с пленками, содержащими фотоэлементы. Как считают исследователи, это открытие позволит в будущем сконструировать искусственную сетчатку глаза. Профессору Николасу Котову из медицинского отделения Техасского университета и его коллегам из университета Мичигана удалось связать нервные клетки с воздействием фотонов на специальную фотосенсорную пленку, связанную с клетками. Это открытие не обошлось без использования нанотехнологий. Наночастицы, использованные в составе световоспринимающей пленки, помогли создать современный прототип будущей искусственной сетчатки. Основа искусственной сетчатки – тонкая пленка, созданная послойно. Она представляет собой «бутерброд» из двух слоев: слоя наночастиц теллурида ртути и положительно заряженного слоя полимера PDDA.

Оба слоя ученые соединили с помощью специального клея и нанесли на поверхность «бутерброда» биосовместимое аминокислотное покрытие, чтобы нервные клетки могли без проблем взаимодействовать с пленкой. На пленке ученые разместили культуру нейронов. Как только фотоны начали попадать на ее поверхность, в пленке наночастицы абсорбировали фотоны, производя при этом электроны, проходящие через слой полимера PDDA, вырабатывающего слабый электрический ток. Как только ток доходил до клеточной мембраны нейронов, происходил процесс ее деполяризации, и начиналось распространение нервного сигнала, свидетельствующее о наличие в этой области пленки света. Искусственная сетчатка, созданная на базе открытия ученых, сможет даже воспроизводить цветовую насыщенность объектов, не говоря уже о высоком разрешении. Также сетчатка биологически совместима с тканями человека, благодаря использованию полимеров.

Биологические сенсоры и экраны Освоена методика организации протяженных структур из нанотрубок и наностержней на разнообразных поверхностях со строго определенной, контролируемой и стабильно выдерживаемой по поверхности плотностью с полимерных пузырей. Ученым из Гарвардского и Гавайского университетов удалось продемонстрировать возможность использования метода экструзии посредством надувания пузырей для создания протяженных слоев из ориентированных в пространстве заданным образом нанотрубок. Аналогичные технологии были известны и использовались в промышленности и раньше, например, при производстве пластиковых пленок, однако для организации массивов из нанотрубок технология «мыльных пузырей» была применена впервые. В ходе проведенных экспериментов наноструктуры растворялись в жидкости на основе полимера, из которой выдувался пузырь. Малая толщина стенок пузыря (несколько сот нанометров) способствовала равномерному и упорядоченному расположению нанотрубок в стенках пузыря. По мере контролируемого роста пузырь соприкасался с экспериментальной подложкой - например, кремниевой пластиной. При этом стенка пузыря с содержащимися в ней наноструктурами «прилипала» к пластине, образуя сверхтонкую пленку со строго определенной и контролируемой удельной плотностью наноструктур. Предполагается, что новая технология позволит удешевить, в частности, массивы биологических сенсоров и экраны на основе наноструктур.

Строительство Первый коттедж, который сможет противостоять разрушению от землетрясения умеренной силы за счет достижений нанотехнологий, будет построен в Греции в 2010 году. Необычный проект разрабатывает Институт нанотехнологического производства университета Лидса, а также ряд других научных учреждений и компаний Европы. Ученые намерены ввести в состав бетона мириады полимерных наночастиц, разработанных таким образом, что под давлением они превращаются в жидкость, способную проникать в трещины, а затем – укрепляться, словно клей или бетон. По замыслу ученых, наночастицы должны стабилизировать несущую структуру дома после повреждений, полученных при землетрясении, тем самым повысив его сейсмостойкость и снизив риск серьезных разрушений. Один из лидеров проекта, профессор Терри Уилкинс из института нанотехнологического производства, поясняет, что здесь ученые едва ли не впервые пробуют найти работу нанополимерам в изделиях столь большого масштаба. Уилкинс говорит: "Как только у нас появится оптимальный проект, мы могли бы быстро начать производство тысяч литров жидкости с наночастицами, добавляя ее небольшой процент к гипсовой смеси".

Следует сказать, что нанотехнология еще очень молодое научное направление и пока находится на стадии первичного развития – когда основная часть информации и знаний используется только в лабораторных условиях. Однако нанотехнологии развиваются высокими темпами, и то, что еще вчера казалось невозможным, завтра будет доступно для внедрения в промышленных масштабах.