Навигация
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА ПОЛИМЕРОВ
48339
знаков
0
таблиц
0
изображений
4. ПЕРСПЕКТИВЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА ПОЛИМЕРОВ
Для решения одной из важнейших проблем, связанной с блокированием водопритоков в нефтяных скважинах, была разработана полимерная система (гель гидрофобно модифицированного полиакриламида), которая сама находит место притока воды внутри скважины и блокирует его, не мешая при этом течению нефти. Для гидроразрыва пласта вместо обычно применяемых для этих целей ПАВ предложено использовать сетку, построенную из гидрофобно модифицированного полиакриламида и мицеллярных цепей, что позволило существенно расширить диапазон температур эксплуатации такой системы (до 100оС). И, наконец, для создания систем направленного транспорта веществ в скважине, например, под действием магнитного поля предложены полимерные микрогели из альгината, в которые включены частицы магнитного наполнителя (напр., магнетита) и вещество, которое необходимо доставить в нужное место скважины.
Разработаны основные подходы к созданию биологически активных полимерных систем, целенаправленно изменяющих свои характеристики при изменении параметров окружающей среды и активно воздействующих на эти параметры по механизму обратной связи. Рассмотрены методы синтеза полимерных носителей, способных избирательно концентрироваться в определенном участке организма. На их основе были созданы универсальные системы для направленного транспорта биологически активных соединений, а также приемы и методы получения полимерных матриц, обеспечивающих не только направленный транспорт иммобилизованных в их объеме соединений, но и защищающих эти соединения от денатурирующего воздействия окружающей среды.
“Биодеградируемые полимеры: структура и свойства”. Полимеры этого типа, например, поли(b -гидроксибутираты (ПГБ), получаемые под влиянием микроорганизмов (бактерий), обладают, помимо способности быстро деградировать, высокой биосовместимостью, гидрофобностью и особыми оптическими, мембранными и пьезоэлектрическими свойствами. Автором приведен пример решения технологической проблемы получения изделий из ПГБ, которая связана с близостью температур плавления и деструкции этого полимера.
Очевидно, что перспективы применения нанотехнологий в полимерной отрасли грандиозны, как всегда бывает на стыке нескольких направлений науки и производства. Уже по самому своему определению (нанотехнологии – совокупность методов и приемов, применяемых при изучении, проектировании, производстве и использовании структур, устройств и систем, включающих целенаправленный контроль и модификацию формы, размера, интеграции и взаимодействия составляющих их наномасштабных элементов (1-100 нм) для получения объектов с новыми химическими, физическими, биологическими свойствами), нанотехнологии дают в руки полимерщикам новые методы и приемы производства полимерных материалов наряду с традиционными технологиями и открывают возможность реализовать давнишнюю мечту конструкторов – получить материалы с заранее заданными свойствами путем управляемого упорядочивания расположение молекул в полимерах. И ряд успешных шагов в этом направлении уже сделан. 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.
Ученые из университета штата Пенсильвания и университета Райса (США) сделали новый важный шаг в создании сверхпрочных полимеров. Новый материал является композиционным, в нем использованы обычный нейлон и углеродные нанотрубки. Композит получают методом межфазной полимеризации, с помощью которого нанотрубки равномерно распределяются по длине макромолекулы. Кроме того, исследователи научились модифицировать свойства полимера путем введения алкильных сегментов, или углеродных спейсеров. Спейсеры играют роль связующих сегментов, обеспечивающих ковалентную связь между нанотрубками и макромолекулами. Эта связь определяет прочностные и упругие свойства композиционного материала. Попытки создать композицию нейлона с нанотрубками без спейсеров были неудачными – материалы оказались слишком хрупкими.
Важным результатом исследования является возможность получать материалы с заданными свойствами – регулировать можно не только механические, но и электрические, и термические свойства». Ученые из National Institute of Standards and Technology (NIST) создали совершенно необычный полимер из нанотрубок длинной до 1 см. Трубки позволяют материалу быть не только чрезвычайно прочным, но и неограниченное время поддерживать форму. Кроме материала для чего-либо, данный полимер может применяться как средство передачи малых объемов химикатов (через трубки), т.е. работать как микроскопические шприцы, вводящие молекулы в зону химической реакции по 1 шт. До этого времени самыми «удачными» свойствами обладали нанотрубки из углерода. Стабильные и не хрупкие трубки из другого материала были получены впервые.
Ученые из Боннского и Левенского университетов обнаружили, что могут влиять на газо- и водопроницаемость пластмасс, добавляя в них наноразмерные пластинки. Если такие пластики использовать для пищевой упаковки, то они могли бы помочь в сохранении фруктов, овощей и других скоропортящихся продуктов, увеличивая допустимое время нахождения на прилавке и снижая стоимость перевозки, включая доставку от производителя до хранилища.
Упаковка из нанополимера, содержащего частицы оксида цинка, не восприимчива к УФ-излучению и продлевает срок хранения пищевых продуктов. Разработка представлена компанией Micronisers. Специальный материал с оксидом цинка Nanocryl обеспечивает наилучшую и наиболее длительную защиту от воздействия солнечного света и высоких температур. Компания также заверяет, что новый ПЭНД пленки на основе нового полимера не так быстро разлагаются в почве как традиционные пластиковые материалы, и может успешно применяться в сельском хозяйстве – как укрывная пленка для растений. Освоена методика организации протяженных структур из нанотрубок и наностержней на разнообразных поверхностях со строго определенной, контролируемой и стабильно выдерживаемой по поверхности плотностью с использованием 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». 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.
Помимо создания материалов с улучшенными характеристиками, симбиоз нанотехнологий и полимеров позволяет получать полезные эффекты, ранее не виданные. 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». 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. Когда 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.
Препарат «тромбовазим», предотвращающий инфаркт и инсульт, разработан учеными из Института цитологии и генетики, Института ядерной физики и Сибирского центра фармакологии и биотехнологии. Препарат не повреждает здоровые ткани организма, не токсичен и не вызывает осложнений, как некоторые его аналоги. Он был создан с использованием электронно-лучевой технологии, нанотехнологии и биополимерной технологии и представляет собой биополимер, соединенный с помощью электронного пучка с лекарственным средством. Препарат является первым в мире пероральным тромболитиком, который всасывается желудочно-кишечным трактом, не теряя своих лечебных качеств. Реактивные двигатели, рабочим телом которых являются полимерные материалы, образующиеся в ходе быстрой полимеризации, могут стать эффективным средством передвижения нанороботов. По крайней мере, в природе такой принцип движения успешно используется некоторыми видами бактерий. К примеру, мощные выбросы через специальные сопла в мембране струй слизи, ключевой компонент которой – полисахариды, формирующиеся путем реакции полимеризации олигосахаридов, позволяют передвигаться миксобактериям. Если полимерная цепь образуется медленно, она так же медленно выделяется из сопла, и движения не возникает. А вот при более быстром образовании полисахарида, превышающем по скорости отток слизи, происходит сжатие этого рабочего тела, и слизь выстреливается из клетки, благодаря чему миксобактерии могут передвигаться со скоростью до 10 мкм/с. Этот принцип передвижения можно использовать для управляемого перемещения нанороботов.
Исследователи из технологического института Нью-Джерси (NJIT) разработали новый тип солнечных батарей, отличающийся невысокой стоимостью и возможностью производить их путем печати на гибкой пластиковой подложке. По мнению ведущего разработчика и автора идеи Сомната Митра, профессора и руководителя кафедры химии и окружающей среды NJIT, домовладельцы смогут даже печатать ячейки этих солнечных батарей на недорогих домашних струйных принтерах. Затем они смогут прикрепить полученный продукт на стену, крышу или забор, чтобы создать собственную электростанцию. Суть технологии заключается в том, что углеродные нанотрубки комбинируются с фуллеренами и формируют таким образом структуры наподобие «змеевиков». Солнечный свет, падая на полимерную основу, возбуждает в полимере ток, и фуллерены захватывают электроны. Однако фуллерены не обладают электропроводностью, и здесь свою роль играют нанотрубки, проводящие ток аналогично медным проводникам. Захваченные электроны, двигаясь по нанотрубкам, создают в них ток. «Использование этой уникальной комбинации в солнечных батареях на органической основе приведет к увеличению эффективности будущих печатных солнечных батарей, – считает Митра. – Эта технология позволит обеспечить домовладельцев недорогим альтернативным источником энергии». В Дубне учеными Научного центра прикладных исследований (НЦеПИ) ОИЯИ на основе нового вещества – гетероэлектрика (гетероэлектрик – гетерогенная субстанция, состоящая из носителя и активного начала – наночастиц вещества, отличного от вещества носителя, при этом размеры наночастиц и расстояние между ними меньше длины волны воздействующего электромагнитного поля, что позволяет осуществлять управление магнитным полем и его преобразование с целью создания приборов и устройств с прогнозируемыми оптическими, электрическими и магнитными свойствами) создана «звездная батарея». «Звездная батарея» состоит из гетероэлектрического фотоэлемента с высокой эффективностью работы в видимом и инфракрасном спектре и гетероэлектрического конденсатора огромной емкости в малом объеме. На способы и устройства с использованием гетероэлектрика специалистами НЦеПИ получены патенты, не имеющие аналогов в мире: наноусилитель электрического излучения, электрический конденсатор и ненавесные элементы интегральных схем, зеркало, способ генерации когерентного электромагнитного излучения и дипольный нанолазер на его основе, оптическое стекло, фотокатод, гетерогенный фотоэлемент, фотоэлемент. Специалистами НЦеПИ подана также заявка на оптическое стекло из гетероэлектрика с рекордным показателем преломления света, превышающим современные показатели в десятки раз. В настоящее время слабое применение солнечной энергетики обусловлено следующими ее недостатками:
низкая эффективность преобразования света в электрический ток (не более 20%);
отсутствие возможности получения электроэнергии ночью, при облачности и с малым количеством солнечных дней в году;
отсутствие высокоэффективных и экологически безопасных источников накопления энергии (в настоящее время используются аккумуляторы).
У демонстрируемого учеными НЦеПИ образца гетероэлектрического фотоэлемента, являющегося основным компонентом «Звездной батареи», эти недостатки отсутствуют.
Зато имеются явные преимущества: эффективность преобразования видимого спектра cоставляет -54%, что значительно превышает существующие мировые показатели, а эффективность преобразования инфракрасного спектра – 31% , что даже выше, чем у современных солнечных батарей. Фототок гетероэлектрического фотоэлемента (ГЭФ) в 4 раза выше, чем у современных солнечных батарей. При этом ГЭФ имеет массу полупроводникового вещества на ватт энергии в 1000 раз меньше, чем у фотоэлементов современных солнечных батарей. Полученные расчеты указывают на то, что себестоимость гетероэлектрического фотоэлемента звездной батареи будет ниже себестоимости фотоэлемента современной солнечной батареи.
Для справки
Новое вещество, открытое и запатентованное под названием гетероэлектрик, обладает интересным свойством: если в какой-либо материал (носитель) ввести наночастицы определенного ряда других материалов (затравку), то воздействие электромагнитного поля вызывает явление суперкогерентности – интенсивные согласованные по времени колебания электронов «затравки», приводящие к интенсивному взаимодействию всего образца (гетероэлектрика) с электромагнитным полем, что уникальным образом меняют свойства этого материала. В переводе на простонародный: формирование структуры материала посредством введения в него наночастиц другого материала под действием электромагнитного поля позволяет существенным образом изменять свойства исходного материала и управлять этими свойствами, изменяя параметры электромагнитного излучения. Ученые из екатеринбургского Финансово-промышленного венчурного фонда ВПК, разработали жидкую броню на основе жидкого полимера, наполненного наночастицами. Сам состав «наноброни», как и имена разработчиков, не разглашается, поскольку все детали научного проекта спрятаны под грифом «секретно», но принцип ее действия широко известен: при резком механическом воздействии (например, ударе пули) наночастицы в жидком полимере практически мгновенно сближаются и за счет сил межмолекулярного взаимодействия слипаются в кластеры. Жидкая броня превращается в прочный твердый композит. В частности, элементы технологии «жидкой брони» можно с успехом применить в строительстве сейсмоустойчивых сооружений, которые при подземных толчках превращались бы в прочные бастионы, а не рассыпались, как карточные домики. Ведь есть же примеры слияния нанотехнологий и полимеров при строительстве сейсмоустойчивых зданий. Но пока что не у нас. Что касается перспектив нанотехнологий в индустрии полимеров, то согласно прогнозам американской компании ВСС, основанным на исследовании рынка наноматериалов, несмотря на то, что в настоящее время наибольшую долю по уровню потребления составляют неполимерные наноматериалы, в ближайшем будущем они уступят свое место нанополимерам, которые уже сегодня уверенно составляют более четверти всего рыночного сегмента. Именно нанополимеры станут, по прогнозу ВСС, наиболее востребованными наноматериалами в мире. Ряд исследователей предполагает использовать углеродные нанотрубки, являющиеся на сегодняшний день наиболее известными наноструктурами, для формирования миниатюрных волосков при создании костюма «человека-паука». Принцип его действия подобен ухищрениям ящериц и пауков: у обоих этих видов животных на лапках есть крошечные волоски, которые позволяют им держаться на вертикальной поверхности, как бы «приклеиваться» к ней, благодаря силам межмолекулярного притяжения (силам Ван-дер-Ваальса). Вот некоторые ученые и работают над технологией создания материала, покрытого множеством тончайших прочных волосков, свободные электроны с поверхности которых вступают во взаимодействие со свободными электронами гладкой на первый взгляд вертикальной поверхности, позволяя легко перемещаться по ней. Одними из самых перспективных материалов для костюма «человека-паука» являются нанополимеры.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, в современном мире все больший вес набирают именно инновационные науки, в частности нанотехнологии. Во всем мире предпочтение отдается именно им. На их развитие тратятся миллиарды долларов. Это же характерно и для тенденций развития науки о полимерах. Новые открытия в области высокомолекулярных соединений находят огромное применение в различных областях науки и техники, в частности в медицине, оборонной промышленности, биотехнологии и др.
Россия, в силу застойности развития науки в последние несколько лет, отстает от Европы и США в этом направлении, однако уже сейчас российская наука может представить миру свои последние достижения в этих отраслях, причем некоторые новинки вызывают серьезный научный интерес Запада.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
полимер синтез химия
1. Семчиков Ю.Д. Высокомолекулярные соединения : Учеб. для вузов – Н. Новгород: Издательство Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского; М. : Издательский центр «Академия», 2003. – 368 с.
2. http//ru.wikipedia/org
3. http://www.rfbr.ru/
Похожие работы
... преломления, равном 1,48 для кремнийорганического полимера, и 1,49 для полиметилметакрилата, показатели преломления для нанокомпозитов составили 1,74. Проведенный анализ физико-химических свойств композиций на основе металлоорганосилоксанов дает возможность предположить, что данные материалы перспективны для создания на их основе оптически прозрачных диэлектрических наноматериалов для ...
... вещей (»арден 1987: 53-68, Назаретян 1991: 60, Абдеев 1994: 150- 160). Атрибутивная концепция информации - информация как мера упорядоченности структур и их взаимодействий на всех стадиях организации материи (Абдеев 1994: 162). Одна из самых сложных проблем современного естествознания - функционирование отражения в неживом мире (существует ли в неживом мире опосредующее звено между ...
... характеристиками по отношению к изученным металлам. Установлено, что степень извлечения ионов вольфрама, молибдена и свинца композитами достигает 50-70% в слабокислой и нейтральной среде. Выявлена возможность использования новых полимерно-глинистых композитов для концентрирования металлов из разбавленных растворов. Литература 1. Помогайло А.Д. // Высокомолек. соед. 2006, ...
... о биологической причинности. Ряд феноменов, которые витализм считал специфическими для биологических объектов (способность к саморегуляции, усложнение строения, достижение одного результата разными способами) рассматриваются в современном естествознании как типичные проявления процессов самоорганизации любых достаточно сложных систем, а не только живых. Н.Бор: “ни один результат биологического ...
0 комментариев