Наноструктуры призовут на военную службу
Уникальные свойства так называемых металл-органических каркасных полимеров активно исследуют ученые Самарского университета. Новые материалы сулят революцию в мире привычных технологий. Найдется им применение и в военной сфере. Об особенностях высокопористых материалов и о больших перспективах наноструктур «Армейскому стандарту» рассказал сотрудник Межвузовского научно-исследовательского центра по теоретическому материаловедению Евгений Александров.
По оценке ученых, этот класс материалов способен повлиять на промышленность XXI века так же, как в прошлом веке - пластмассы. Они будут востребованы в самых различных отраслях. Что же представляют собой металл-органические полимеры? Строение этих структур можно сравнить с детским «Лего», где детали скрепляются друг с другом, образуя полые конструкции. Вот только размер этих структур измеряется в нанометрах - это одна миллиардная часть метра, или миллионная часть миллиметра. В обычный микроскоп не увидишь. Эти полимеры - пористые, как губка. Пространство между стенками пор - от одной десятой нанометра до десяти нанометров.
Научное название новых материалов - «высокопористые полимеры органических молекул и ионов металла, связанных в объемную структуру». Один грамм такой «губки» имеет поверхность пор, соизмеримую по площади с футбольным полем.
Как ни странно, эта сложная конструкция является наиболее оптимальной для хранения и транспортировки газа. В обычном сосуде или баллоне, где между стенками ничего нет, молекулы газов движутся хаотично во всем объеме, разгоняясь и сталкиваясь. Если нагреть такую закрытую емкость с газом, давление повысится, и газ попросту разорвет баллон.
Совершенно по-другому газ ведет себя в пористых наноструктурах. Это связано с тем, что газ имеет свойство скапливаться на поверхности твердого тела. То есть адсорбироваться. Другими словами, «прилипая» к стенкам пор, молекулы газа перестают двигаться, натыкаться друг на друга. Благодаря этому в сосуде уменьшается давление. Чем больше внутренняя поверхность пористого материала, тем больше газообразного вещества можно хранить.
О том, как пористая структура меняет условия хранения газа, лучше всего дает пример метана. Это вещество широко употребляется в качестве топлива для автомобилей. В обычном баллоне метана помещается немного. При этом нужно обеспечить очень большое давление - около 200 атмосфер. А чем большее давление должна выдерживать емкость, тем прочнее и массивнее она должна быть.
Если же заполнить баллон или, допустим, танкер новым микропористым веществом, давление можно снизить в шесть раз - до 30 атмосфер. При этом сама полимерная конструкция в виде порошка займет лишь 20 процентов объема емкости.
Такая способность высокопористых полимеров сулит немало выгоды промышленности, работающей с большими объемами различных газов, или тем же автолюбителям, которым легче будет перейти с бензина на более дешевый и экологичный метан. Существующие автомобильные баллоны для хранения и транспортировки метана тяжелы и существенно дороже баков для бензина. В баллонах с пористым наполнителем давление можно будет снизить в 4 раза. Баллоны станут легче, их можно будет брать больше, а значит, автомобиль сможет на одной заправке проезжать значительно большие расстояния.
Аналогичные преимущества высокопористые полимеры дают при хранении и транспортировке других газообразных веществ - водорода, азота, ацетилена, диоксида углерода. Но это не все. Новые материалы востребованы при разделении газа на компоненты, при определении состава или идентификации газа, а также в качестве ловушек вредных примесей. По оценке самарских ученых, новые полимеры имеют огромный потенциал для очистки воздуха от токсичных газов.
Нанокаркасы определенной формы и нужного размера могут «ловить» определенные молекулы. Например, молекулы загрязняющего атмосферу углекислого газа. Их можно использовать как губку, которая соберет из воздуха всю гадость, по тому же принципу, как активированный уголь. Поэтому пористые полимеры можно применять, например, в противогазах.
По мнению Евгения Александрова, высокопористые полимеры можно использовать как молекулярное сито для извлечения нужных молекул из смеси большого числа похожих химических соединений. Это достойная альтернатива существующим сорбентам во многих областях, где нужна очистка или хранение газов. «Это идеальные мембраны для разделения газов, катализаторы, сенсоры, наноконтейнеры для токсичных и нестабильных веществ», - рассказал ученый.
По его словам, наноструктуры можно использовать и для создания средств защиты от химических угроз. А это уже прямая дорога на службу в войсках радиационной, химической и биологической защиты.
Но это далеко не все области военного применения металлизированных пористых наноструктур. Ученые доказали, что металлоорганическая каркасная структура обладает свойством поглощения сверхвысокочастотного излучения. А еще они способны уменьшать электромагнитные помехи между электрическими компонентами в современных электронных цепях. Очень востребованное качество там, где техника буквально напичкана радиоэлектроникой и излучателями. Это и боевые корабли, и самолеты, и комплексы радиоэлектронной борьбы или радиотехнической разведки. В этой технике важно обеспечить электромагнитную совместимость аппаратуры, в том числе за счет полимерных «глушилок».
Такое качество высокопористых полимеров, как способность поглощать микроволны, очень ценно для военного использования. На нем основывается такое важнейшее для вооружения и военной техники качество, как малая радиозаметность. Это одна из граней стелс-технологий. Покрытие, выполненное на основе металл-органических полимеров, поможет самолетам, кораблям и другой военной технике избегать обнаружения радарами противника.
«Приложений для практического применения очень много, и это учитывая, что мы находимся только в начале пути изучения свойств и дизайна этих новых материалов», - сказал Евгений Александров.
Сегодня известно порядка 80 тысяч металлорганических соединений. Ученые заняты их классификацией и изучением свойств. Эта работа в самом начале, и она, похоже, сулит еще немало приятных неожиданностей.
