О создании новых материалов

Фото Крымского федерального университета

Создание новых материалов – одно из важнейших направлений деятельности современных ученых, которое способствует развитию медицины, строительства, промышленности, космоса, биологии и других сфер жизнедеятельности человека. 

Именно открытие новых материалов оказало ключевое влияние на развитие цивилизации – в честь них даже называли века: каменный, бронзовый, железный. А открытие кремния означало собой начало эпохи современных цифровых технологий. Сегодня процесс создания новых материалов и улучшения свойств уже существующих происходит очень быстро. Подробнее – в нашем материале. 

Новые материалы в медицине 

Современные материалы часто используются в персонифицированной медицине. Например, при восстановлении костных структур челюстно-лицевой области после выполнения радикальных хирургических вмешательств у онкологических больных. 

Стандартные реконструктивные методики с использованием аутотканей не лишены недостатков. Это и дополнительная травматичность, длительность и сложность реконструкции, трудности достижения высокого функционального и эстетического результатов. Решением этих проблем стало использование персонифицированных имплантатов, изготовленных с применением аддитивных технологий и современных реконструктивных материалов. В этом преуспели сотрудники НИИ онкологии Томского НИМЦ, которые совместно с коллегами из Томского государственного университета разработали и впервые в России успешно применили методику одномоментного с удалением опухоли восстановления челюстно-лицевой области с использованием персонифицированных биокерамических имплантатов на основе оксида циркония. Этот материал обладает выраженным сродством с костной тканью, лишен токсического и канцерогенного воздействия на организм. Технология уникальна тем, что при ее использовании получаются максимально анатомически точные реконструктивные имплантаты с воспроизведенные методом 3D-печати. 

Имплантаты, которые получают при помощи аддитивных технологий, отвечают всем прочностным свойствам, характерным для костной ткани челюстно-лицевой области. Такой подход позволяет получить максимальный косметический результат без дополнительной травмы для пациента и удлинения времени хирургического лечения.

Совместно с учеными ТПУ была разработана уникальная технология по нанесению биоактивного покрытия на трехмерные реконструктивные имплантаты, что позволяет создавать искусственные индивидуальные имплантаты с функционализированной поверхностью, обладающие повышенной способностью к интеграции с костными и мягкими тканями организма. 

Новые материалы в биологии 

Аспирантка Северо-Восточного федерального университета Марфа Егорова работает над новым классом материалов на основе углерода – углеродными точками. Углеродные точки по сравнению с традиционными полупроводниковыми квантовыми точками и органическими красителями обладают такими уникальными свойствами, как настраиваемая яркая люминесценция, биосовместимость и низкая токсичность. Это позволяет использовать их во многих областях, в частности, в биологии и медицине для биовизуализации, а также в качестве носителей лекарственных средств. Получают их из углеродсодержащих материалов – использоваться может как молоко, так и трехосновные карбоновые кислоты. 

Углеродные точки были открыты в 2004 году и с тех пор привлекают внимание ученых по всему миру. Способов их получения сейчас разработано очень много. 

В августе 2020 года Марфа Егорова и ее коллеги из учебно-научно-технологической лаборатории «Графеновые технологии» получили патент на способ получения углеродных точек из прекурсора бересты березы – ранее таким образом углеродные точки не получали. «Предложенный нами способ простой, не требует дорогостоящего оборудования и долгих этапов очистки. Углеродные точки получаются с яркой зеленой люминесценцией, которая остается таковой на протяжении долгого времени – обычно люминесценция быстро пропадает или снижается интенсивность», – объясняет аспирантка ИЕН СВФУ. 

Новые материалы в дорожном строительстве 

Для обычного человека дорога – это асфальтовое покрытие и бордюры. Для ученого же дорога – это сложное инженерное сооружение, которое выглядит как многослойный пирог. И если какой-то слой из этого пирога недостаточно качественный, то рассыпается все сооружение. Поэтому на кафедре химико-технологических процессов филиала Уфимского государственного нефтяного технического университета в Салавате студенты-дипломники разрабатывают новые материалы для повышения качества асфальтобетонных покрытий, к которым относятся и нефтяные битумы. 

В битумной лаборатории кафедры под руководством профессора Натальи Евдокимовой студенты Арина Борисова, Виктория Спаскова, Алсу Гайсина и Ксения Жиленко занимаются разработкой современных и высококачественных дорожных битумных материалов. Они регулируют их свойства с помощью технологий компаундирования и модифицирования добавками. Выбор этих направлений в научной работе был неслучайным: метод компаундирования широко применяется на российских битумных установках, с помощью которых получают дорожные нефтяные битумы, а полимерно-битумные вяжущие материалы – в дорожном строительстве. 

Сегодня студенты работают над синтезом новых эффективных модифицирующих добавок для битумов на основе отходов и побочных продуктов нефтехимических производств ООО «Газпром нефтехим Салават». В своих исследованиях молодые ученые используют отходы производства полиэтилена высокого и низкого давления, кубовый остаток ректификации стирола, тяжелый газойль каталитического крекинга и кислые гудроны. 

С помощью метода сульфатирования студенты получили эффективные полимерные добавки. Они позволяют значительно увеличить температурный интервал работоспособности полимерсодержащего дорожного битумного материала и повысить его стабильность к термоокислительным процессам старения. Другой метод – сополимеризации – позволил синтезировать модифицирующие добавки к битуму. Они получились технологичными, а их производство – малозатратным. 

Проекты по разработке новых технологий и материалов для асфальтобетонных покрытий реализуются в рамках Национальной программы модернизации и развития автомобильных дорог Российской Федерации до 2025 года. 

Новые материалы для строительства 

Ученые Крымского федерального университета разработали способ создания строительных материалов из отхода, образующегося в результате комплексной переработки нефелиновой руды на глинозем для производства алюминия, – нефелинового шлама. 

«Предложенный нами метод переработки нефелинового шлама в строительные материалы и изделия, кроме всего прочего, позволит значительно снизить выбросы вредного углекислого газа в атмосферу. Полученные результаты дают возможность разработки технологии производства кирпичей, камней, блоков, плит для мощения. В результате создания материалов и изделий по нашей технологии углекислый газ не выбрасывается в атмосферу, а, наоборот, поглощается и оседает (‘‘хоронится’’) в материале в виде стабильных соединений – карбонатов, придавая им высокую прочность и водостойкость», – рассказал заместитель директора Академии строительства и архитектуры Крымского федерального университета по научной работе Николай Любомирский. 

По его словам, нефелиновый шлам в настоящее время имеет низкую степень использования (повторной переработки). Его ограниченно используют в качестве добавки при производстве цемента, для укрепления грунтов при строительстве дорог и аэродромов, а между тем особенности химико-минералогического состава позволяют перевести его в разряд перспективного сырья для производства многотоннажных строительных материалов и изделий.

«Основу отходов составляет двухкальциевый силикат – белит – цементный минерал, который обладает вяжущими свойствами, но при обычных (нормальных) условиях медленно затвердевает. Наряду с этим он способен карбонизироваться, то есть твердеть за счет поглощения углекислого газа. Наш способ искусственной карбонизации с применением антропогенного углекислого газа, который содержится в газовых выбросах, позволяет значительно ускорить процесс твердения белита в шламе, тем самым расширив спектр его применения», – добавил Николай Любомирский. 

Такие технологии производства строительных материалов и изделий карбонатного твердения можно назвать «зелеными», поскольку они включаются в кругооборот углекислого газа, связывая его в безопасные продукты. В свою очередь, это является эффективным решением экологических проблем, связанных с глобальным потеплением, и одним из действенных шагов для перехода к «низкоуглеродной экономике».  

Что еще? 

Создать новые материалы – это большое дело, но нельзя забывать о модернизации старых. Поэтому в Саратовском государственном техническом университете имени Гагарина больше внимание уделяется не столько созданию новых материалов, сколько упрочению и появлению дополнительных возможностей уже имеющихся.

Ирина Злобина, кандидат технических наук, доцент Института машиностроения и материаловедения исследует влияние обработки в СВЧ электромагнитном поле электрофизических характеристик армированных волокон углепластиков.

Результаты были получены в ходе выполнения гранта Российского фонда фундаментальных исследований. Метод, предложенный учеными СГТУ, позволит повысить прочность корпуса самолета или беспилотника. Суть разработки – в особом электрофизическом воздействии на уже сформированное из этого материала изделие, которое повышает его прочность и выносливость. «Воздействие неконтактное и непродолжительное – не более двух минут. – Ирина Злобина. – Однако этого времени оказывается достаточно, чтобы изменилась структура связующего материала: ее изначально обтекаемые формы становятся более рельефными, появляются дополнительные связи, повышается прочность».

Эксперименты подтвердили повышение прочности различных композиционных материалов от 14 до 60 % в зависимости от вида испытаний, состава материала и технологии его получения. Кроме того, у обработанных таким методом конструкций из композиционных материалов до трех раз возрастает время устойчивости под нагрузкой.