Материалы: прочнее, легче, гибче

01 декабря 2011 года, 00:00

1. Пластмасса — один из первых материалов, с которым знакомятся современные дети. Из него делают куклы и многие другие игрушки
2. Алюминиевая фольга — чудо, которому нет и 150 лет
Фото: DIOMEDIA, SHUTTERSTOCK

Технические достижения последних полутора столетий немыслимы без применения новых материалов. Их внедрение – скачок едва ли не больший, чем переход человечества от камня к металлам

Сохраняя форму

Сорок лет назад в книге «Шок будущего» футуролог Элвин Тоффлер увидел характерную черту нарождающегося нового мира в распространении одноразовых вещей. Их появление неразрывно связано с пластмассами — органическими полимерными материалами, которые под действием тепла и давления легко принимают любую заданную форму и, остывая, сохраняют ее. При этом пластмасса прочнее дерева, не промокает, не гниет, не ржавеет, не проводит электричество, может быть любого цвета и вообще прозрачной. Универсальный и дешевый материал преобразил повседневную жизнь и привел к радикальной переоценке предметов быта. Вещи, изготовление которых прежде требовало кропотливой работы с деревом, металлом, стеклом, керамикой, стали в считанные секунды штамповаться из пластмассы. Это основа современного изобилия бытовой техники. Но вместе с ценой многие вещи теряют и ценность — к пластику не липнут человеческие чувства. На дешевых предметах, подлежащих безжалостной замене при поломке, лежит отпечаток временности, у них нет истории. В таком антураже сама жизнь начинает казаться слегка ненатуральной, словно сделанной из нефти, как пластмасса.

Дитя электролиза

Земная кора состоит из него примерно на 8%. Он в ней третий по распространенности элемент после кислорода и кремния. Но полтора века назад алюминий был дороже серебра и золота, так сложен был процесс его выделения из глинозема. На банкетах у императора Наполеона III алюминиевые столовые приборы подавали только самым почетным гостям — на всех не хватало. Так что Николаю Чернышевскому нужно было обладать изрядной фантазией, чтобы в 1863 году увидеть в нем конструкционный материал будущего.

Но когда в 1886 году был разработан электролитический метод получения алюминия, гораздо более простой, хотя и требующий больших затрат электроэнергии, для легкого, ковкого, химически устойчивого металла нашлось множество применений. Особенно после того, как в 1909 году немецкий инженер Альфред Вильм разработал дюраль — сплав с добавлением меди, магния и марганца, который в пять раз прочнее алюминия.

Дюралюминий стал основным материалом авиации, а потом и космонавтики. Из алюминия делают корпуса компьютеров и строительные леса, нержавеющую посуду и дешевые провода, фольгу для шоколадных плиток и отражающее покрытие для зеркал телескопов. 

2. Микросхема с кремниевыми транзисторами по периферии. Их изобретение позволило резко уменьшить размеры калькуляторов и компьютеров при увеличении производительности. Фото: SPL/EAST NEWS 

Основа электроники

В конкурсе на самый инновационный элемент XX века, безусловно, победил бы кремний. Сто лет назад использование второго по распространенности на Земле элемента ограничивалось камнем и стеклом. Сегодня его кристаллы в окружающих нас устройствах придают им новые свойства и способность взаимодействовать между собой.

Оказалось, что кристаллический кремний относится к классу полупроводников — материалов, которые сильно меняют свою электропроводность под действием света, тепла или электрического поля. За счет этого полупроводниковый прибор, называемый транзистором, может служить элементарным вентилем для электрического тока. Причем ток, пропускаемый одним транзистором, может управлять другими, те — следующими, так что в результате получается сколь угодно сложная система управления, которую можно динамично перенастраивать — программировать. Сначала такие компьютеры собирали из отдельных транзисторов, соединяя их поштучно.

А в 1959 году Роберт Нойс из компании Fairchild Semiconductor обнаружил, что если в сверхчистые монокристаллы кремния в определенных местах внедрять примеси, локально изменяющие электрические свойства кристалла, то на его поверхности можно получать системы из множества транзисторов. Так возникли полупроводниковые интегральные микросхемы, а затем и микропроцессоры. Сверхчистые кристаллы кремния и других полупроводников стали материальной основой современного информационного общества. Именно они заставили сотни миллионов людей менять образ жизни и профессии. 

Нашли друг друга

Многокомпонентные материалы за счет чередования разных веществ могут приобретать свойства, которыми компоненты по отдельности не обладают. Чаще всего композит включает пластичную основу, армированную прочным наполнителем. Самый распространенный из таких композитов — железобетон, запатентованный почти полтора века назад, в 1867 году, — совершил революцию в строительстве, позволив возводить небоскребы, огромные заводские цеха и гигантские плотины.

А сегодня пластик, армированный высокопрочными нитями  углеродного волокна, меняет лицо автопрома и авиации. Корпус новейшего лайнера «Боинг-787» на 80% по объему (и на 50% по весу) состоит из углепластика. За счет снижения веса композит позволил сократить расход топлива и увеличить дальность полета, а за счет повышения прочности — почти вдвое увеличить размеры иллюминаторов. У А380 почти четверть веса корпуса тоже приходится на композиты, в основном GLARE, в котором чередуются слои алюминия и стеклопластика, в свою очередь являющегося композитом из пластмассы, армированной стекловолокном.

Многоразовый суборбитальный космический корабль SpaceShipTwo и его носитель, самолет WhiteNightTwo. Аппарат изготовлен с применением композитных материалов

Достоинства композитов ограничены сложностью их свойств, параметры неодинаковы по разным направлениям (вдоль и поперек армирующего наполнителя) и у них особая механика износа. Выпуск «Боинга -787» значительно задержался из-за трудностей определения ресурса композитных колец, из которых собран его фюзеляж. 

Сделано в dupont

Никакой другой компании мы не обязаны таким числом слов для новых материалов. Ее торговые марки становились нарицательными, даже если аналоги выпускались другими производителями.

1930 Неопрен
Разновидность синтетического каучука. Пористый, мягкий, водонепроницаемый материал, используемый, в частности, для изготовления гидрокостюмов.

1935 Нейлон
(капрон) Нейлоновые нити упруги и устойчивы к истиранию. После войны начался бум нейлоновой одежды, затронувший и СССР: дефицитные импортные нейлоновые чулки стоили в 5–10 раз дороже отечественных хлопчатобумажных.

1938 Тефлон
(фторопласт-4) Пластмасса уникальной химической стойкости — выше, чем у других синтетических материалов и благородных металлов. Не смачивается водой и большинством растворителей. Поэтому и пища на сковородках с тефлоновым покрытием не пригорает.

1952 Майлар (лавсан)
Почти нерастяжимая полимерная пленка. Используется для магнитных лент, упаковки, конденсаторов. Противометеоритные экраны кораблей «Аполлон» были сделаны из многослойного майлара.

1962 Лайкра (эластан, спандекс)
Упругая синтетическая нить, способная растягиваться в 5–8 раз. Широко применяется для изготовления плотно облегающей тело спортивной одежды.

1965 Кевлар
Материал на основе синтетического волокна, в пять раз превосходящий по прочности сталь. Создавался для армирования автомобильных шин и других композитных материалов. Кевларом укрепляют оболочки кабелей и защитные вставки в одежду. Из него делают бронежилеты.

1967 Кориан (акриловый камень)
Акриловая смола с минеральными и пигментными добавками. Внешне материал очень похож на настоящий камень, однако не имеет микропор, а потому непроницаем для воды. Широко применяется в дизайне интерьеров. 

1. Видеокассета, в которой использовалась лента из майлара
2. Сковородка с тефлоновым покрытием. Пища на ней не пригорает
3. Велосипедист в эластичном костюме из лайкры
Фото: JEFF FOUST (CC-BY), SHUTTERSTOCK (х2), PANORAMA MEDIA/EAST NEWS

Клетки на вырост

Особый вид композитов применяется в тканевой инженерии. На пористую или сетчатую подложку, например из коллагена, высевают живые клетки, и через некоторое время в биореакторе формируется графт — тканеинженерный имплантат, который можно пересадить пациенту. Так уже выращивают «искусственную» живую кожу, ведется разработка графтов для клапанов сердца, органов гортани, печени.

Рубрика: Эволюция
Ключевые слова: материаловедение
Просмотров: 9325