Топор из каши: в Курчатовском институте создается суспензия, твердеющая под воздействием электрополя
- Статьи
- Наука и техника
- Топор из каши: в Курчатовском институте создается суспензия, твердеющая под воздействием электрополя
Российские ученые разрабатывают новый состав суспензии, которая из жидкого состояния мгновенно переходит в твердое. Такие материалы могут использоваться для создания заслонок, приводов, демпферов для точного позиционирования движений суставов роботов, для изготовления трансмиссионных масел с регулируемой вязкостью, для экзоскелетов, систем гашения динамических нагрузок в военной технике, например при создании платформ для запуска ракет, снижения отдачи орудий и снайперских винтовок высокой мощности.
Ученые лаборатории полимерных материалов Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий НИЦ «Курчатовский институт» работают над созданием суспензий с низким содержанием эффективной добавки, которые под воздействием электрического поля качественно меняют свои свойства.
Умная жидкость
Возможность создания таких жидкостей была открыта еще в середине ХХ века. Их назвали электрореологическими (реология — раздел физики, изучающий деформации и текучесть вещества. — Прим. «Известий»). С тех пор ученые работают над изучением свойств и улучшением состава таких жидкостей.
Электрореологические жидкости относятся к умным материалам, которые меняют свои свойства при каком-либо внешнем воздействии. Воздействие может быть температурным, механическим, химическим, связано с изменением давления приложением магнитных или электрических полей.
Состав электрореологической жидкости включает основу (дисперсионную среду) и наполнитель. Если дисперсионной средой обычно избираются масла, так как они устойчивы в широком диапазоне температур, то наполнителями может послужить всё, что включает незаряженные, легко поляризуемые частицы.
Электрореологический эффект заключается в поляризации частиц наполнителя и образовании структуры под действием электрического поля. От прочности образованных структур зависят характеристики используемой жидкости.
— Вся «игра», если так можно выразиться, идет вокруг наполнителя, — поясняет инженер-исследователь лаборатории полимерных материалов Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий НИЦ «Курчатовский институт» Никита Кузнецов. — Мы используем природные наполнители — это алюмосиликатные глины. Сейчас мы исследуем различные типы наполнителей: монтмориллонит и галлуазит. Монтмориллонит представляет собой пластины, которые собраны в стопки, — это похоже на карточную колоду. А частицу галлуазита легко представить, если свернуть эту пластину в трубку.
Уникальные частицы
Частицы монтмориллонита уникальны по своим размерам — они представляют собой пластины 100 нм в длину и 1–2 нм в толщину. С точки зрения ученых, это уникальные характеристики для частиц природного материала, которые очень выгодно использовать в качестве наполнителя.
Одной из ключевых задач лаборатории полимерных материалов является создание низкоконцентрационных жидкостей. Во-первых, это важно для контраста свойств: при использовании низких концентраций наполнителя жидкость имеет невысокую вязкость, а при воздействии электрическим полем сильно меняет свои свойства, переходя в твердое состояние. Во-вторых, это выгодно экономически: ведь чем ниже концентрация наполнителя, тем дешевле жидкость.
После приложения электрического поля происходит поляризация частиц, их ориентация и образование протяженных колончатых структур. Частицы ориентируются вдоль силовых линий электрического поля.
Против осаждения
Одна из ключевых проблем электрореологических жидкостей — это седиментация, то есть осаждение наполнителя. При осаждении жидкость может совсем потерять свои свойства.
— Для того чтобы решить эту проблему, мы применяем модификацию пластин монтмориллонита различными веществами, — сообщила «Известиям» инженер-исследователь лаборатории полимерных материалов Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий НИЦ «Курчатовский институт» Дина Столярова. — Мы используем олигомеры (молекулы в виде цепочки из небольшого числа одинаковых звеньев. — Прим. «Известий»), которые соединяются с пластинами. Олигомеры, которые синтезированы в ИСПМ им. Н.С. Ениколопова РАН, похожи по своей химической природе на силиконовое масло, которое служит дисперсной средой. Активные центры этих молекул, как «лапки», цепляются к монтмориллониту и связывают между собой пластины.
Олигомеры помогают выстраиваться частицам так, чтобы процесс осаждения происходил как можно медленнее. То есть идет работа над тем, чтобы регулировать плотность «сетки» внутри электрореологической жидкости. В результате время седиментации увеличивается на несколько недель.
— Получить устойчивые суспензии таких частиц в маслах сложно именно из-за высокой скорости их осаждения, — считает доктор химических наук, заведующий лабораторией «Химия гибридных наноматериалов и супрамолекулярных систем» Института химии растворов им. Г.А. Крестова Александр Агафонов. — Получается, нужно делать какую-то мешалку, чтобы она поддерживала раствор в рабочем состоянии. Это сильно усложнит любую конструкцию. Тем не менее думаю, что теоретически эту проблему всё же можно решить с помощью олигомеров, создав среду вообще без осаждения.
Что же касается практического применения создаваемых в Курчатовском институте жидкостей, то здесь спектр необычайно широк. Кроме использования их для заслонок, приводов, демпферов, которые основаны на быстром отклике, жидкости можно применять в робототехнике, трансмиссионных маслах с регулируемой вязкостью для гоночных автомобилей, системах для сейсмоустойчивого строительства, запорных устройствах подводных батискафов, сенсорах с тактильным откликом, а также военной технике, например при создании платформ для запуска ракет, снижения отдачи орудий и снайперских винтовок высокой мощности.
