Материалы будущего

В прошлом году «Промышленные вести» писали о проекте ВГУ «Создание программно­вычислительного комплекса для компьютерного моделирования структурных, сорбционных и электронных свойств фуллеренов и углеродных нанотрубок и процессов адсорбции». Учёные давно заметили, что использование наноструктур дает возможность существенно улучшать свойства различных материалов и технологических процессов.

Особая роль в совершенствовании свойств существующих материалов принадлежит углеродным наночастицам. Учёные университета как раз и занимаются теоретическими исследованиями и разработкой методики внедрения наноструктур в существующие материалы с целью улучшения эксплуатационных свойств. Что изменилось за прошедший год, каких результатов удалось достичь в реализации проекта, мы узнали у доктора химических наук, профессора химического факультета, кафедры аналитической химии Елены Бутырской.

— Мы существенно продвинулись вперёд, — рассказывает Елена Васильевна. — Сегодня с уверенностью можно сказать, что, используя разрабатываемую в рамках проекта базу данных структуры и свойств углеродных наночастиц, можно узнать, какие нанотрубки нужно выбрать для их внедрения в различные материалы в целях направленного усовершенствования конкретного свойства того или иного продукта. Конечно, для этого нужно понимать, как нанотрубки взаимодействуют с матрицей внедряемого материала и какие свойства наночастиц необходимы в конкретной практической задаче. Тогда информация, содержащаяся в базе данных, позволит выбрать наночастицы с требуемыми характеристиками для их внедрения в существующие материалы с целью улучшения эксплуатационных свойств.

Способность углеродных наночастиц улучшать функциональные свойства материалов, в которые они добавлены, является одной из причин их приоритета в технологиях индустрии наноматериалов развитых стран. Обусловлено это уникальными характеристиками углеродных наночастиц: относительно низким удельным весом, высокой пластичностью, термической стабильностью, электрическими, сорбционными, теплопроводными, прочностными и другими свойствами. Углеродные нанотрубки, с одной стороны, придают полимерам заданные функциональные свойства, а с другой — эффективно увеличивают модуль упругости полимерной матрицы и, таким образом, прочностные характеристики композиционного материала в целом. Разработкой данного проекта занимаются сотрудники, аспиранты и студенты трех факультетов — химического, физического и факультета компьютерных наук. Это свидетельствует о сложности проводимых исследований и проникновении одних дисциплин в другие.

— В настоящее время нашей научной группой для направленного выбора углеродных наночастиц с требуемыми свойствами разработан программно­вычислительный комплекс, — продолжает Елена Васильевна. — Для него написана специальная программа, включающая программу расчета атомов углерода в углеродных нанотрубках различной структуры, программный модуль визуализации электронной плотности и электростатического потенциала наночастиц и базу данных их структуры и разнообразных свойств. Свойства углеродных наночастиц различной структуры, вносимые в базу данных, получены нашей научной группой в результате их расчета методами квантовой химии. Сегодня в формируемую базу данных постоянно вносятся результаты всех расчетов и исследований. На последнем этапе проекта все элементы будут объединены в комплекс с помощью модуля администрирования.

Однако уже сейчас проект имеет прикладные перспективы, поскольку создаваемая в проекте база данных структуры и свойств углеродных наночастиц важна не только для науки, но и для промышленного производства.

— Вместе с нашим индустриальным партнером ООО «ТехПромСинтез» мы разрабатываем методики внедрения углеродных нанотрубок в различные лакокрасочные материалы и проводим сравнительный анализ свойств существующих и модифицированных красок, — поясняет Елена Бутырская. — Исследования показывают, что улучшаются механические и антикоррозионные свойства. Например, стальная пластина, которая покрыта обычной краской, и стальная пластина, обработанная краской с добавлением нанотрубок, были помещены на 600 часов в камеру солевого тумана, являющегося агрессивной средой для процесса коррозии. Внешний вид пластин до снятия краски отличался не очень существенно, хотя на первой пластине следы коррозии были более значительны. Однако после снятия краски выяснилось, что пластина, обработанная лакокрасочным материалом без нанотрубок, покрылась коррозией полностью, а вторая — лишь немного по краям. ВГУ имеет с индустриальным партнером договор, на основании которого предприятие ООО «ТехПромСинтез», выпускающее антикоррозионные лакокрасочные материалы, внедрит в производство новые материалы на основе методик, разработанных в ходе исследований. Согласно этому договору разработчик новых лакокрасочных материалов будет получать 2% от стоимости реализованной продукции.

Максим Михайлов •