Современные научные коллективы стремятся создавать материалы, обладающие не только прочностью и долговечностью, но и способностью самостоятельно реагировать на негативные воздействия окружающей среды. В числе таких инновационных направлений – разработка активных систем защиты от коррозии. Коллектив учёных из Университета ИТМО, Тяньцзиньского университета и Ливерпульского университета, среди которых – химик Данила Ермолин, представил уникальную методику защиты металлов, способную преобразить подходы к долговечности металлических конструкций в промышленности и быту.
Интеллектуальная защита: как работают микрокапсулы
В основе новой технологии лежат миниатюрные полимерные микрокапсулы, способные целенаправленно защищать металлические поверхности от разрушительного воздействия влаги, кислот и других факторов, вызывающих коррозию. Их уникальность заключается в "умной" способности отвечать на изменения внешних условий: при понижении pH окружающей среды оболочка капсул раскрывается, высвобождая ингибитор коррозии — бензотриазол. Это вещество эффективно подавляет процессы коррозии на молекулярном уровне, существенно увеличивая срок службы металлических конструкций.
Несмотря на крошечные размеры — менее 700 нанометров в диаметре — каждая капсула способна вместить значительный запас действующего вещества. Благодаря инновационным методам синтеза, достигается рекордная эффективность: внутрь помещается до 86% активного компонента от его общего изначального объёма. Это позволяет обеспечить длительную защиту в течение двух недель — такого показателя удалось добиться впервые в подобных системах.
Преимущества «умных» микрокапсул над традиционными методами
Классически для борьбы с коррозией применяют различные покрытия, хромирование, добавление специальных легирующих элементов и использование ингибиторов, однако все эти способы имеют существенные ограничения. Во-первых, их эффективность снижается в экстремальных условиях и при длительном использовании. Во-вторых, многие из них дорогие, а процессы нанесения могут причинять вред экологии. Еще один недостаток — ингибиторы часто срабатывают слишком поздно, когда металл уже повреждён.
Внедрение микрокапсул, разрабатываемых исследовательской командой Данилы Ермолина, в корне меняет ситуацию. Капсулы действуют именно тогда, когда начинается агрессивное воздействие среды, высвобождая бензотриазол точно в критический момент. Кроме того, инновационная архитектура оболочки позволяет программировать скорость высвобождения активного вещества — это обеспечивает прогнозируемый и управляемый процесс защиты.
Строение и механизм работы новых микрокапсул
Ключевой элемент инновационной конструкции – ядро из кристаллов оксида кремния. На это ядро последовательно наносятся слои различных полиэлектролитов, обладающих разной молекулярной массой, что позволяет создавать многослойную сеть с высокой селективностью. В частности, используются два типа полимеров: низкомолекулярный bPEI и высокомолекулярный PAA, каждый из которых способствует формированию особой сетчатой структуры, способной реагировать на изменения pH.
Когда условия среды становятся агрессивными, и кислотность повышается, связи в оболочке ослабляются, что ведет к «открытию» капсулы. В этот момент бензотриазол высвобождается, вступая в реакцию с металлом и замедляя или полностью останавливая процесс его окисления. Такой тонко настроенный механизм не только повышает ресурс металла, но и существенно снижает экологическую нагрузку, так как значительно меньшие количества ингибитора достигают максимального эффекта.
Научное обоснование и перспективы технологии
При разработке такой интеллектуальной системы защиты учёные Университета ИТМО и их зарубежные коллеги провели сложные расчёты на уровне квантовой химии, анализируя энергетические профили реакций внутри микрокапсул. Это позволило точно подобрать молекулярные массы полимеров, количество слоев и другие параметры для максимальной эффективности. Такой подход обеспечивает не только надёжность защиты, но и предоставляет широкие возможности будущей модификации: формулы оболочки могут быть скорректированы для реагирования на другие факторы окружающей среды, что позволит создавать "кастомизированные" материалы под разные условия эксплуатации.
Как отмечает Данила Ермолин, внедрённая модель является отправной точкой для появления новых материалов с интеллектуальным программируемым откликом. Уже сейчас существует потенциал для масштабирования этих микрокапсул в промышленных объёмах и, следовательно, создание современных антикоррозионных покрытий для использования в строительстве, изготовлении техники и транспорте.
Экологичность, долговечность и промышленная применимость
Важным преимуществом новых микрокапсул является их полная экологическая безопасность. Используемые полиэлектролиты и сам бензотриазол практически не выделяют вредных соединений в окружающую среду. Стабильность структуры позволяет сохранять активное вещество внутри капсулы до востребованного момента, а применимость в промышленных масштабах делает технологию весьма перспективной для широкого внедрения.
Система, созданная совместными усилиями российских, китайских и британских учёных, уже продемонстрировала отличные результаты в лабораторных и опытных испытаниях. Ожидается, что с запуском пилотных проектов начнётся новая эра в защите металлических конструкций, где интеллектуальные материалы обеспечат их сохранность, экономию ресурсов и безопасность окружающей среды.
Вклад международного сотрудничества в прогресс материаловедения
Сочетание научных подходов Университета ИТМО, Тяньцзиньского университета и Ливерпульского университета позволило реализовать междисциплинарный проект на мировом уровне. Каждый участник команды внёс свои уникальные компетенции, что ускорило разработку и продемонстрировало силу международного обмена знаниями и технологиями. Данила Ермолин и его коллеги уверены, что полученные результаты станут стимулом для новых открытий и развитии современных материалов с управляемыми функциями в самых разных отраслях.
Источник: scientificrussia.ru
