научно-популярное приложение к газете "Голос Армении"
Menu

ВОЛНА ЗАЩИЩАЕТ НАНОРАЗМЕРНОСТЬ

Фотографии одноименно заряженные мицелл на люминесцентном микроскопе (в центре наночастица).

В статье "От идеи к результату" ("Мост", 30.10. 2013) мы кратко рассказали о возможности синтеза сверхпроводящих интеркалированных полимерных нанокомпозитов методом фронтальной полимеризации.

В данной статье мы расскажем о проблемах синтеза полимерных нанокомпозитов традиционными методами и возможности решения этих проблем методом фронтальной полимеризации, покажем уникальную возможность синтеза нанокомпозитов с обеспечением сохранности наноразмерности добавленных наночастиц и их равномерным распределением в матрице полимера.

Будут также представлены возможности синтеза градиентных полимерных композитов и нанокомпозитов за один этап в одном и том же образце. Подобные уникальные возможности обеспечивает специфика фронтального распространения волны полимеризации. Метод этот был назван фронтальной полимеризацией, поскольку процесс протекает не сразу во всем реакционном объеме (как при традиционных методах синтеза), а инициируется с одного конца реактора кратковременным приложением тепла, которое вызывает процесс полимеризации локально, а уже тепло, выделенное в результате полимеризации, передается в соседний слой, вызывает тамновый виток полимеризации и таким образом процесс протекает в режиме распространения фронта полимеризации от одного конца реактора к другому автоволновым путем в режиме бегущей волны.

В НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ ФРОНТАЛЬНАЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ ПРИВЛЕКАЕТ БОЛЬШОЙ ИНТЕРЕС во всем мире, будучи не только энергосберегающим, высокоэффективным, но и экологически безопасным технологическим методом. Мы занимаемся фронтальной полимеризацией с 1969 года, казалось, исследовали все теоретические и экспериментальные нюансы данного режима для синтеза разных полимеров и полимерных композитов, но в последнее десятилетие выяснилось, что фронтальная полимеризация является незаменимым методом также и для синтеза нанокомпозитов и одновременно уникальна для синтеза полимерных градиентных материалов.

Одной из важнейших проблем синтеза полимерных нанокомпозитов является сохранение наноразмерности нанодобавок. Дело в том, что для придания полимерным композитам определенных свойств в композит вводятся наночастицы, которые и придают полученному продукту требуемые свойства. Для получения полимерных нанокомпозитов разного назначения наночастицы или добавляются в исходную смесь, или вводятся в готовый полимер. Как известно, одно и то же вещество в микро- и наноразмерном состояниях имеет совершенно разные свойства. В наноразмерном состоянии поверхностная энергия частицы, определяющаяся отношением величины поверхности частицы к ее весу, очень велика. Этим и обусловлены уникальные свойства и необычная активность наночастиц.

Активность наночастиц приводит к тому, что, находясь в соответствующих условиях, где есть возможность приблизиться друг к другу, они притягивают друг друга и объединяются в скопления (агломераты), превышающие наноразмерность и, соответственно, эти агломераты становятся неактивными (тут отношение поверхности частицы к ее весу, естественно, уменьшается, соответственно меньше поверхностное натяжение и активность), агломерированные микрочастицы теряют индивидуальные свойства, присущие наночастицам. Следовательно, если в исходную реагирующую массу добавляются наноразмерные частицы, то в процессе полимеризации исходной смеси они могут самоукрупняться, притягиваясь друг к другу, и в полученном полимерном композите наноразмерных частиц уже не будет, будут только их агломераты, а значит, будет иметь место потеря наноразмерной активности и привлекательности, композит не приобретет тех свойств, ради которых использовались данные нанодобавки. Поэтому при синтезе полимерных нанокомпозитов в традиционных условиях приходится стабилизировать наночастицы разными методами: перед использованием наночастицы "пассивируют" (делают их пассивными), обволакивая полимерными оболочками или поверхностно-активными веществами с образованием одноименно заряженных мицеллярных структур, отталкивающихся друг от друга. Таким образом предотвращается их притяжение друг к другу, но здесь проявляется обратная сторона медали – стабилизированные частицы становятся менее активными, их уникальные свойства в какой-то мере нивелируются (сюда можно вставить фото мицелл, см. второй приложенный файл).

ПАССИВАЦИЯ НАНОЧАСТИЦ ПОЛИМЕРНЫМИ ПЛЕНКАМИ ПРАКТИЧЕСКИ создает те же проблемы по потере индивидуальной привлекательности наноразмерных частиц. Поэтому в настоящее время синтез полимерного композита в присутствии наночастиц проводят под воздействием акустических волн или волн другой природы. Тут вибрация от воздействия волны препятствует агломерации. Сегодня этим исследованиям посвящены тысячи работ. Давайте сравним поведение наночастиц при традиционном методе синтеза полимерного нанокомпозита в процессе полимеризации с добавками наночастиц при фронтальном методе. При традиционном синтезе процесс полимеризации происходит в общем объеме реагирующей смеси. Нетрудно представить, что наночастицы в процессе полимеризации, длящемся как минимум час, будут иметь свободную возможность (тем более при экзотермической полимеризации, протекающей с выделением тепла) достигать друг друга и, притягиваясь, самоукрупняться до неактивного состояния.

А теперь представим процесс, протекающий во фронтальном режиме. Тепло, подаваемое на локальный участок реактора, вызывает полимеризацию в данном слое, это происходит в течение секунд и только в узком слое, выделенное при полимеризации тепло передается в соседний слой. Практически наночастицы не имеют степеней свободы для свободного пробега друг к другу, то есть очень быстрый процесс распространения автоволны полимеризации не оставляет времени и возможности для самоагрегирования наночастиц. Нами было четко показано, что в режиме фронтальной полимеризации процесс стабилизирует не только наноразмерность, но и имеет место деагломерация уже имеющихся укрупненных агломератов. Мы показали это при синтезе различных нанокомпозитов в условиях фронтального распространения волны, таких как высокотемпературные сверхпроводящие композиты или гидрогели с нанодобавками, полученные в режиме фронтальной полимеризации и имеющие заранее заданные требуемые свойства. По всей видимости, здесь играет роль и ударная тепловая волна полимеризации, которая воздействует аналогично фронту волн различного происхождения (например, акустических), используемых в процессе традиционного синтеза полимерных нанокомпозитов.

В ОТНОШЕНИИ СИНТЕЗА ГРАДИЕНТНЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ фронтальной полимеризации вопрос ставится следующим образом - получить образец, например, стержень, в котором композиты по длине (или по радиусу) имеют совершенно разные свойства. Мы уже рассказывали, что нам удалось синтезировать полимерные нанокомпозиты со сверхпроводящими свойствами, одновременно нам удалось получить сверхпрочные полимерные композиты, армированные природными материалами - паутиной и шелкопрядом, были исследованы и условия синтеза электропроводящих полимерных композитов с использованием добавок наносеребра. Таким образом, мы знаем нюансы и закономерности синтеза данных композитов, каждого в отдельности. Теперь необходимо осуществить чередование этих свойств в одном образце. Ознакомившись с процессом фронтальной полимеризации, нетрудно заметить, что если заполнить ампулу, чередуя исходные вещества для синтеза композитов с соответствующими свойствами, процесс распространения волны фронта зафиксирует заранее заданные свойства в одном образце.

Например, мы знаем, в каком количестве и при каких условиях можем провести полимеризацию мономера с добавками сверхпроводящей керамики, чтобы получить полимерный сверхпроводящий нанокомпозит. В следующем слое у нас будут компоненты с добавками наносеребра для электропроводящего композита, далее - с армированными сверхпрочными свойствами. Поскольку процесс при фронтальной полимеризации, в отличие от традиционных, происходит не одновременно во всем объеме, а послойно, то нет возможности перемешивания исходных составов, и фронтальная волна фиксирует заданные и требуемые свойства.

Однако каждый отдельный этап должен быть заранее тщательно изучен, должны быть установлены условия стационарного распространения фронта реакции для каждого отдельного композита. В этом случае мы получим стержень из полимерного композита, где свойства чередуются согласно предварительному требованию. Например, мы получили тонкие сферические чипы для сверхбыстрой калориметрии. В центре сверхпроводящий полимерный нанокомпозит, далее по радиусу чередуются электропроводящий, армированный, упрочненный и завершается диэлектрическим.Такого рода образцы традиционными способами можно получать только при осуществлении синтеза композитов с разными свойствами поэтапно, получить в отдельности каждый слой и затем собрать их в одном образце. Можно представить и трудоемкость, и проблематичность подобной сборки. А вот фронтальная полимеризация позволяет получить готовый образец с требуемыми градиентными свойствами и сохранением наноразмерности добавляемых наночастиц.

ЗНАЯ ВСЕ ТОНКОСТИ СИНТЕЗА РАЗЛИЧНЫХ НАНОКОМПОЗИТОВ, можно получить полимерные композиты с градиентными свойствами в разных направлениях как по радиусу, так и по направлению стержня. Надеемся, что подобные градиентные материалы найдут применение в качестве чипов для разных приборов, и в частности, для сверхбыстрой калориметрии, в которой очень нуждаемся и мы сами.

Отметим также, что та же фронтальная полимеризация, опять-таки благодаря протеканию процесса в автоволновом режиме, позволила получить полиакриламидные гидрогели суперабсорбенты (впервые без остаточных количеств ядовитого мономера-акриламида) с фантастической поглощаемостью – 2 литра воды на один грамм сухого гидрогеля. Этот метод в настоящее время вызвал большой интерес как для синтеза гелей для очистки нефти в Саудовской Аравии, так и в Германии, России с целью использования их как в сельском хозяйстве, так и в медицине. Но это уже другая история, хотя и не менее интересная.

Севан ДАВТЯН, член-корреспондент НАН РА

Анаит ТОНОЯН, доктор химических наук, профессор

Опубликовано в Лаборатория
Прочитано 1853 раз
Оцените материал
(84 голосов)
Другие материалы в этой категории: « АПОЛОГИЯ ВЕРОЯТНОСТИ ПРОТЕИН ЖИЗНИ »

Оставить комментарий

Убедитесь, что вы вводите (*) необходимую информацию, где нужно
HTML-коды запрещены

Наверх