Новые материалы служат экологии, а экология – дает идеи материаловедам

28.09.2015

Интересный экологический проект реализуется в Израиле. 20 марта 2015 года в городе Рамле состоялось официальное открытие проекта «Биофильтр». Это второй пилотный проект из трех. Первый с большим успехом зарекомендовал себя в Кфар-Сабе. Третий начнется в скором времени в Бат-Яме. Цель пилотных проектов – доказать эффективность биофильтра для сбора дождевой воды и ее очистки от разных видов загрязнителей. По договоренности с государственным управлением водного хозяйства (рашут ха-маим), если все три пилотных проекта завершатся успешно, биофильтры станут обязательной частью любого нового населенного пункта. Они появятся в большинстве городов Израиля.

Проект «Биофильтр» появился на базе докторской диссертации и успешных испытаний в Австралии израильского ученого, доктора Ярона Зингера, исследователя университета Монаша в Мельбурне. Проект базируется на том, что природа умеет сама очищать загрязненную воду. В результате был разработан комплекс из пяти слоев пористых пород (общая глубина 1,3 м), которые содержит разные виды микроорганизмов, в сочетании с особыми видами растений, которые удаляют из воды тяжелые металлы и другие вредные примеси. Внешне «Биофильтр» – это красивый городской сквер, куда сходятся водостоки со всего района или города. Каждая капля дождевой воды находится в биофильтре около двух часов. За это время вода очищается не только ото всех загрязнителей, но и от болезнетворных микробов. После очистки вода подается в аквифер – подземный водоносный слой.

Израиль страдает от хронического дефицита воды, при этом миллионы кубометров дождевой воды каждый год просто выбрасываются в море. Асфальтовое покрытие городов не позволяет воде проникать в почву, что привело к полному истощению водоносного слоя в большинстве городов Израиля. Первый пилотный проект «Биофильтр» был открыт в Кфар-Сабе в 2010 году. Эта первая станция биофильтрации воды показала прекрасную эффективность: более 90% дождевой воды было собрано и очищено до питьевого качества. Но специалисты из Рашут ха-маим решили проверить эффективность биофильтрации при других видах загрязнителей. Таким образом, был выбран город Рамле, где биофильтр будет бороться с загрязнителями проходящего рядом шоссе 40. Бат-Ям был выбран, как город с типичными для Гуш-Дана загрязнителями, здесь будет проверяться эффективность применения «Биофильтра» не в новом микрорайоне, но в мегаполисе старой застройки. Д-р Ярон Зингер абсолютно уверен в успехе. По его словам, на экспериментальных фермах в Австралии были опробованы десятки различных видов загрязнителей, эффективность «Биофильтра» приближалась к 100%.

Как я неоднократно обращал внимание, продолжает победное шествие технология 3D – печати. Так, исследовательская группа Mediated Matter разработала высокоточный метод 3D – печати прозрачного стекла.

Технологию под названием G3DP создавали при участии специалистов Массачусетского технологического университета (MIT) и Института Висc. В качестве исходного сырья для печати используется готовое стекло. Его расплавляют в камере, температура внутри которой превышает 1000 градусов. Затем стекло укладывают слоями, чтобы сформировать новый объект. Конструкция позволяет располагать слои с высокой точностью – максимальное отклонение составило 0,44 миллиметра.

В июне о проводимых экспериментах в области 3D-печати прозрачного стекла рассказала израильская компания Micron 3DP. Ее инженерам удалось напечатать объект из боросиликатного стекла, также используя метод послойного наплавления.

Прототип напечатанного на 3D – принтере механического протеза руки принёс своим создателям, британской компании робототехников Open Bionics, победу в национальной премии Джеймса Дайсона (James Dyson Award). Компания, базирующаяся в городе Бристоль, утверждает, что их проект может стать недорогостоящей альтернативой существующим на настоящий момент протезам, при этом специалисты могут создать индивидуальную роботизированную руку за 2 дня. Как правило, подобные продукты изготавливаются несколько недель или даже месяцев. Джоэл Гиббард (Joel Gibbard), один из создателей роботизированной руки, утверждает, что в настоящее время он может рассчитать размер индивидуальной модели в считанные минуты с помощью планшета, оснащённого специальными датчиками. 3D-печать частей занимает 40 часов, а сведение их вместе – около двух часов. «Мы надеемся начать коммерческое производство уже в 2016 году, – рассказывает Гиббард. – Наше устройство достаточно доступное и при этом функциональное. В то же время оно очень лёгкое и его можно настроить для каждого человека. Рука представляет собой роботизированный «скелет“, обтянутый своего рода кожей, для которой можно создать индивидуальный стиль и дизайн». Изобретатель полагает, что итоговая стоимость устройства составит около £1-2 тысяч. Как правило, за подобную цену продаются лишь нефункциональные, косметические протезы, однако руки с управляемыми пальцами обходятся покупателям в £20-60 тысяч. Такая цена может быть непомерно высокой для инвалидов, в особенности для детей, которым приходится менять протез почти ежегодно из-за того, что они всё ещё растут. Конструкция Open Bionics полагается на миоэлектрические сигналы, то есть обнаруживает мышечные сокращения через датчики, закреплённые на коже владельца, и использует их, чтобы контролировать движения механической ладони. Пользователь руки не чувствует прикосновения к пальцам (хотя некоторые современные протезы могут позволить и это). Зато рука обладает датчиками, которые могут показать, когда она вступает в контакт с объектом, чтобы пользователь мог регулировать давление. Таким образом, владельцы протеза смогут манипулировать и достаточно хрупкими предметами.

Специалисты НАСА проводят много времени, исследуя новые технологии трехмерной печати и производя испытаний узлов реактивных двигателей, изготовленных при помощи этих технологий. При помощи трехмерной печати уже были изготовлены одни из самых сложных узлов реактивных двигателей — камеры сгорания, инжекторы, которые выдержали все нагрузки, возникающие во время работы двигателя. Целью всех этих работ является снижение стоимости и ускорение производства деталей и узлов космических аппаратов, которые в перспективе могут быть изготовлены прямо в космосе. А недавно специалисты НАСА произвели испытания еще более сложного узла реактивного двигателя, турбонасоса, изготовленного на промышленном трехмерном принтере. Турбонасос является самым сложным на сегодняшний день узлом реактивного двигателя, изготовленным при помощи трехмерной печати Вращающаяся турбина этого насоса движется со скоростью 90 тысяч оборотов в минуту, качая топливо, жидкий водород, в камеру сгорания двигателя. Турбина турбонасоса выдает мощность, эквивалентную 2 тысячам лошадиных сил, перекачивая в минуту 4.5 тысячи литров жидкого водорода. Испытания турбонасоса были произведены сотрудниками Центра космических полетов НАСА имени Маршала. Во время этих испытаний турбонасос запускался 15 раз, каждый раз выходя на полную мощность и перекачивая жидкий водород в количестве, достаточном для снабжения реактивного двигателя, вырабатывающего 15.8 тонн реактивной тяги. Специалисты НАСА отметили, что в конструкции нового турбонасоса насчитывается на 45 процентов меньше деталей, нежели в конструкции аналогичного турбонасоса, изготовленного при помощи традиционных методов металлообработки, сварки и сборки. И, как другие подобные изделия, турбонасос был изготовлен при помощи технологии трехмерной печати, известной под названием выборочное лазерное плавление порошкообразного материала (selective laser melting).

Хотя 3D – печать является лидирующим направлением в Material Engineering, новые технологии продолжают победное шествие в этой области науки и техники.

Задумавшись над проблемой ремонта космических летательных аппаратов при их повреждении микрометеоритами, Scott R. Zavada, Nicholas R. McHardy, Keith L. Gordon и Timothy F. Scott, команда исследователей из Университета Мичигана и космического агентства NASA разработала новый самовосстанавливающийся материал из тиол-ен-триалкилборановой жидкой смолы, зажатой между двумя полимерными панелями. До тех пор, пока смола остаётся «спрятанной» между панелями, она не затвердевает. Однако как только полимерную пластину повреждает что-то извне, смола вытекает из проделанного отверстия и полимеризируется при контакте с кислородом в воздухе, который присутствует внутри корпуса корабля. В результате, если появляется угроза разгерметизации судна, в отверстии практически мгновенно образуется прочная пробка. Одно из существенных преимуществ разработки – это прозрачность материала. Это означает, что такой материал можно наносить не только на корпус космического корабля, но и на иллюминаторы, в том числе и лобовые, которые сильнее всего подвергаются опасности бомбардировки микрометеоритами.

Ученые из США нашли способ извлекать углекислый газ из воздуха и создавать из него ценный материал – углеродные нановолокна. Разработчики назвали процесс получения нановолокон STEP (Solar Thermal Electrochemical Process), но между собой они называют его «алмазы с небес». Система работает на солнечных батареях и требует напряжения всего в несколько вольт, которое используется для работы ванны с расплавленным электролитом – карбонатом лития, нагретым до температуры в 723 градусов Цельсия. Через эту ёмкость продувается атмосферный воздух, а углекислый газ, содержащийся в нём, растворяется в электролите и разлагается под воздействием температуры и электрического тока, пропускаемого через электроды из никеля и стали. Углеродные нановолокна появляются на одном из стальных электродов устройства. Впоследствии их можно извлечь и использовать. В настоящее время система позволяет произвести 10 граммов нановолокон за час работы. Изобретатели рассчитывают, что промышленное масштабирование процесса в один прекрасный день может оказать влияние на выбросы CO2 и сократить количество углекислого газа в атмосфере. Данный способ дешевле других методик изготовления углеродных нановолокон, существующих на настоящий момент. По оценкам производство одной тонны материала будет обходиться приблизительно в $1000. «До сих пор производство угдеродных нановолокон было слишком дорогостоящим и, по сути, не окупалось», – рассказывает один из авторов исследования, профессор Стюарт Лихт (Stuart Licht) из Университета Джорджа Вашингтона. Углеродные нановолокна в настоящее время используются во многих высокопроизводительных устройствах, в том числе в электронных компонентах и аккумуляторах. Если затраты на производство углеволокна будут снижены, то эти наноструктуры получат более широкое применение, например, они будут использоваться при создании прочных и лёгких композитов, используемых в авиационных и автомобильных промышленностях. Идея превращения углекислого газа, извлечённого из воздуха, достаточно популярна. Однако до сих пор практического её воплощения в жизнь учёные так и не придумали. Профессор Лихт уверен, что его проект ждёт успех, ведь система не требует высоких энергетических затрат. Он также полагает, что данная система – «разумный путь, который снизит уровни углекислого газа в атмосфере».

Углекислый газ СО2 и эпоксиды (реакционноспособные соединения с трехчленными циклами, содержащими два атома углерода и один – кислорода) могут вступать в реакцию образования поликарбонатов в присутствии определенных катализаторов. Этот процесс является менее опасной для окружающей среды альтернативой существующим методам получения поликарбонатов. Тем не менее, поскольку пока существующие поликарбонаты, полученные с использованием CO2, гидрофобны и не содержат функциональных групп, их области применения ограничены. В особенности печально то обстоятельство, что такие поликарбонаты оказываются бесперспективными для биомедицины, где уже используется немалое количество биологически совместимых поликарбонатов. Исследователи из группы Доналда Даренсборо (Donald J. Darensbourg) попробовали найти решение проблемы. Впервые исследователям удалось получить амфифильные поликарбонатные блок-сополимеры, в которых основой и гидрофильных, и гидрофобных блоков является CO2. Также исследователям удалось инкорпорировать в полимеры значительное количество функциональных групп, в том числе и ионогенных. Поскольку подобрать строительные блоки для получения гидрофильных поликарбонатов непросто, исследователи пошли другим путем – сначала они получили полимер, а затем ввели водорастворимые функциональные группы с помощью постполимеризационной модификации. Несмотря на две стадии – получение полимерной основы и ее модификацию – весь процесс можно провести в режиме one­pot: первоначально в реакционной смеси происходит взаимодействие CO2 и пропиленоксида, затем – в реакционную систему вводится другой эпоксидный строительный блок – аллилглицидиловый эфир – эпоксид, содержащий двойную связь. Полимер, содержащий аллил-глицидиловые структурные звенья, растет на обоих концах уже образовавшегося поликарбоната, в результате чего образуется триблоксополимер, размер блоков которого может регулироваться. На следующей стадии «тиол-еновая click-реакция» применяется для быстрого введения в полимер функциональных групп, обеспечивающих растворимость в воде. Некоторые из амфифильных поликарбонатов, полученных по новому способу, способны самоорганизовываться в наночастицы или мицеллы, что, как и способность ряда таких мицелл реагировать на изменения значения рН, может оказаться полезным в плане взаимодействия новых полимеров с биологически активными веществами и, следовательно – для применения в биомедицине.

Синтез полимеров с контролируемой длиной и стереохимией пока еще представляет собой ту область, в которой наука еще не может догнать и перегнать природу. Тем не менее, исследователи из Массачусетского Технологического Института пытаются сократить расстояние, разработав эффективную стратегию синтеза семейства монодисперсных полимеров с определенной стереоконфигурацией. Ключом к реализации этой стратегии является click-химия. Ранее полимеры, обладающие сходными параметрами, были получены за счет тщательного дозирования мономеров к растущей цепи, закрепленной на твердой или растворимой подложке из другого полимерного материала, однако для таких однородных по массе и по форме полимеров был характерен низкий выход, а их получение характеризовалось низким расходом реагентов. Как поясняет руководитель исследования Джеремия Джонсон (Jeremiah A Johnson), для получения нового полимера используется стратегия экспоненциального роста цепи полимера, где вместо цепного механизма (удлинения растущей цепи полимера на одно звено за одну элементарную стадию реакции) используется ступенчатый механизм (удвоение цепи полимера на каждой стадии). По словам исследователя, такой подход позволяет получать более длинные цепи за меньшие промежутки времени, а также проводить реакцию в каталитическом режиме, добиваясь большей атомной экономии. Такая стратегия ранее применялась для получения полимеров с предопределенной длиной цепи, однако Джонсон модифицировал ее, совместив экспоненциальный рост цепи с функционализацией боковых групп, что позволяет вносить разнообразие в строение получаемых полимеров непосредственно в момент синтеза самой макромолекулы. Возможности методики были продемонстрированы на примере получения полимера со степенью полимеризации 32 и молекулярной массой полимера 6720 Дальтон. Синтез был завершен за несколько дней, и этот результат, по сути, представляет собой новую веху в синтезе однородных полимеров с контролируемым строением. Как отмечает высоко оценивающий результаты новой работы специалист по полимерам Жан-Франсуа Лютц (Jean-Francois Lutz), самой привлекательной стороной нового метода является введение боковых групп. По его словам, мотив строения главной цепи природных полимеров, например, белков, одинаков, и единственный фактор, обеспечивающий разнообразие структур и свойств биомолекул – боковые цепи. Результаты новой работы, представленной Джонсоном – очередной шаг по направлению к созданию рукотворных материалов, не менее сложных, чем природные. И, хотя молекулярная масса новых макромолекул более высокая, чем масса других синтетических полимеров, полученных человеком, она все же еще не может соревноваться с молекулярной массой природных полимеров. Лютц надеется, что получить синтетические полимеры, размеры которых будут соответствовать тем же белкам, удастся в ближайшее десятилетие, максимум – через двадцать лет, а понимание того, как первичная и более высокоуровневая структуры синтетических полимеров будут влиять на их свойства, позволит исследователям найти способы подстройки свойств полимеров для их практического применения в биоинженерии, молекулярной электронике и катализе.

Источник: www.ecolife.ru

 

к списку