Учёные открыли новый класс полимеров

Вообразите себе будущее, в котором корпуса автомобилей после каждой незначительной царапины восстанавливаются самостоятельно. Или представьте себе экономию (для покупателя), возможную благодаря более эффективному использованию в производстве микротехнологий: стоимость изготовления полупроводников, например, сокращается, однако на их свойствах – надёжности, лёгкости и даже пригодности ко вторичной переработке – это не отражается! Всё это очень скоро станет возможным благодаря новому классу полимеров, открытому специалистами IBM Research. Подобные инновации могут повлиять практически на любую сферу – от процесса создания адгезивов до самолётостроения.

Новый класс полимеров исследователи IBM Research обнаружили вместе со своими коллегами из научно-технологического центра имени Короля Абдулазиза (ЦНТКА) в Эр-Рияде (Саудовская Аравия), Калифорнийского университета в Беркли (США) и Технического университета Эйндховена (Нидерланды).

Уникальные свойства

Коммерческое название для этой группы полимеров ещё не озвучено, а вот химическое уже известно – гемиаминальные динамические ковалентные сети; когда эти соединения подвергаются дальнейшей обработке при высоких температурах, образуется поли(гексагидротриазин). Уникальные свойства новых полимеров включают большую прочность, лёгкую структуру, стойкость к растворителям и способность к самовосстановлению (возвращение в первоначальную форму). Они на 100% поддаются вторичной переработке и подходят для усиления композитного материала. Полимеры с этими свойствами идеально подходят для использования в транспортной и аэрокосмической отраслях промышленности, а также в микроэлектронике; они могут кардинально изменить процесс производства.

Материалы, используемые в транспортной или аэрокосмической промышленности, подвергаются воздействию суровых условий окружающей среды, которые могут привести к разрушению популярных на сегодняшний день материалов – несмотря на то, что все они считаются достаточно прочными. Эти полимеры, как правило, непригодны для вторичной переработки, ведь после затвердевания их структура не может быть перестроена – потому-то они и подлежат утилизации. Что касается микроэлектроники, то детали и микросхемы после изготовления также нельзя изменять, поэтому при обнаружении дефектов их выбрасывают. Полупроводниковые материалы стоят дорого, и подобные меры требуют от производителя крупных затрат.

Компьютерное проектирование

В последний раз новый класс полимеров открыли несколько десятилетий назад. С тех пор большинство новых материалов появлялись в результате медленных и методичных экспериментов в лабораторных условиях. В ходе исследований учёные изучали уже существующие материалы, комбинировали их с другими известными полимерами или изменяли их до получения желаемого эффекта. В процессе, разработанном сотрудниками IBM, для определения новых реакций, в результате которых образуются полимеры, используется передовая вычислительная техника.

Джеймс Хендрик, специалист IBM Research по передовым органическим материалам, отметил:

«Хотя в работе над высокоэффективными материалами и были достигнуты значительные успехи, сегодняшним инженерным полимерам всё ещё не хватает нескольких фундаментальных свойств. Инновации в области создания материалов имеют большое значение для решения основных глобальных проблем, разработки новых продуктов и передовых технологий <...> Теперь мы можем предсказывать, как молекулы будут реагировать на химические реакции, и строить новые полимерные структуры при помощи вычислительной техники, применение которой облегчает ускоренную разработку материалов. Это уникальный опыт для IBM, в то же время у нас есть возможность удовлетворять сложные потребности современных материалов, необходимых для применения в транспортной промышленности, микроэлектронике или передовом производстве».

Новые полимеры не подвержены воздействию основной воды (с высоким уровнем рН), а вот под воздействием кислой воды (с низким уровнем рН) они распадаются до первоначального материала, что позволяет использовать их повторно. Прочность их может быть увеличена с помощью углеродных нанотрубок, других наполнителей и последующего нагревания при высоких температурах. Свойства полученных полимеров подобны свойствам металлов, но их главным отличием от металлов является лёгкость. Использование их в производстве автомобилей и самолётов приведёт к уменьшению количества отходов и снижению затрат на топливо.

Самовосстанавливающиеся полимеры

Формовка гелеобразного полимера происходит при температуре, едва превышающей комнатную. Он крепче других полимеров, а его упругость достигается за счёт растворителей. Одним из самых необычных и удивительных свойств этих эластичных полимеров считается их способность к самовосстановлению. Если отделить от материала кусок, а затем соединить края два конца вместе, практически мгновенно начнётся процесс восстановления его целостности. Такое «самовосстановление» возможно за счёт водородных связей в структуре полимера.

В мире полимеров высоко оценили разработку специалистов IBM и их коллег.