Новости

30 марта, 2023 15:04

Нанооснова макроперемен. Развивается компьютерное моделирование новых материалов

Источник: Поиск
Медицина, химия, авиакосмическая, оборонная и даже атомная отрасли. Все они сегодня нуждаются в  современных нанокомпозитах. Это материалы, состоящие из компонентов нанометрового диапазона, которые в свою очередь оказывают заметное влияние на свойства композита в макромасштабе. Например, добавление углеродных нанотрубок улучшает электрическую и тепловую проводимость. Одна из ведущих в мире научных групп по созданию мягких композитных материалов на основе  полимерных микрогелей и мицеллярных ПАВ (поверхностно-активных веществ) работает в Московском государственном университете имени М. В. Ломоносова. Уже третий год их исследования поддерживает Российский научный фонд. Рассказать об этой работе «Поиск» попросил руководителя проекта, профессора кафедры физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ Игоря Потёмкина.
(а) Микрофотография сетки зацеплений из мицеллярных ПАВ, полученная методом крио ПЭМ. (б) Компьютерное моделирование микрогеля с твердой частицей внутри, способного к «слипанию» с микрогелями или с мицеллярными ПАВ. Источник: автор исследования

– Игорь Иванович, область применения нанокомпозитных материалов весьма широка: от медицины до ракето – и самолетостроения. Вы же сконцентрировались на нефтедобывающей промышленности. Почему?

– Нефтедобыча – одна из ведущих отраслей промышленности Российской Федерации. Модернизация  используемых в ней технологий (в частности, с использованием нанокомпозитов) особенно важна для государства, как с экономической, так и с экологической точек зрения.

Для нефтедобывающей промышленности «мягкие» материалы оказались чрезвычайно важными. С их помощью можно создать среду с высокой проницаемостью по отношению к нефти. В качестве основы получаемых гелей учёные используют различные ПАВ, которые формируют червеобразные мицеллы и сетку зацеплений (см. рисунок 1а). Также в ход идут разнообразные самоорганизующиеся микрогели и гранулы (рисунок 1б). За счет взаимодействий различной природы они могут «склеиваться» в макроскопический гель.

– Вашу научную группу называют одной из ведущих в мире по компьютерному моделированию полимерных микрогелей. Насколько сейчас проще вести эту работу, чем еще несколько лет назад?

– Думаю, что коллеги преувеличивают (улыбается). Еще примерно 10 лет назад наша группа микрогелями не занималась вообще. Когда меня пригласили принять участие в крупном международном проекте, посвященному микрогелям, я был сначала несколько удивлен. Казалось бы, что нового можно ожидать от сеток микроскопического размера, набухших в растворителях? Однако более глубокое погружение в предмет исследований позволило выявить так много нового, что исследования нас захватили с головой и на сегодняшний день примерно 70-80% работ нашей группы связаны с микрогелями.

Компьютерное моделирование позволяет учёным «взглянуть» на такие малые масштабы систем, почти недосягаемые для экспериментальных методов, и «увидеть» во всех подробностях их эволюцию. Это позволяет предсказывать новые эффекты, объяснять экспериментальные данные и оптимизировать работу. На моделирование уходит гораздо меньше времени, чем на реальный синтез и измерения структуры или свойств. Исследования проводятся на комплементарной основе, то есть при тесном взаимодействии теоретиков, синтетиков и экспериментаторов. Мы проводим исследования по самым разным направлениям, чтобы получить разнообразные материалы. В каких-то «солируют» экспериментаторы, а задача модельеров – объяснить непонятные свойства. А где-то наоборот: сначала модельеры тестируют поведение систем, а после берутся за дело экспериментаторы – говорит Игорь Иванович.

– Какие материалы уже удалось получить? Насколько они безопасны?

– Нам удалось получить, в частности, «мягкие» магнитные композиты на основе микрогелей природного полимера гуара и магнитных наночастиц. Такие композиты сочетают в себе целый ряд свойств, важных для практического применения – достаточно высокий модуль упругости, восприимчивость к изменению рН, способность деформироваться и перемещаться в магнитном поле, а также способность к самозаживлению.
Для получения композитов используется биосовместимый, биоразлагаемый и нетоксичный полимер, что делает их достаточно безопасными. Также созданы мягкие нанокомпозиты на основе водных растворов мицеллярных цепей ПАВ. Сегодня их широко используют для технологии гидроразрыва пласта в нефтедобыче. Они обладают вязкостью при течении в сотни раз выше, чем исходные растворы без наночастиц. Это обеспечивает высокую эффективность их использования и позволяет постоянно расширять область применения технологии. В качестве наполнителя в нанокомпозитах используют частицы глины, так что это безопасно и для человека и экологии.

Ещё одно перспективное направление – магнитоуправляемые гели. Это даже звучит, как нечто из научной фантастики. Но на самом деле, московские учёные уже получили несколько таких управляемых систем.

– Как работают магнитоуправляемые гели?

– Большинство магнитоуправляемых гелей содержат магнитные наночастицы, которые связаны с  полимерной матрицей. При помещении геля в магнитное поле частицы перемещаются, «утягивая» за собой окружающие их молекулы полимера. Так удается добиться отклика нанокомпозитного геля на магнитное поле.

– Чем вашему проекту помог грант РНФ? Какие научные успехи можете отметить особенно?

Наш проект по «мягким» композитным материалам объединил лаборатории и специалистов высочайшего класса и, конечно, он бы не состоялся без поддержки РНФ. Если говорить о научных успехах за время с начала проекта, то следует отметить синтез ряда новых ПАВ с улучшенными свойствами и разработку новых «мягких» нанокомпозитных материалов, в том числе на основе композиций из микрогелей.

Теги
Интервью
16 февраля, 2025
Степан Калмыков: «Мы хотим сформировать такой научный ландшафт, где из гипотез будут вырастать проект за проектом»
Опираясь на систему национальных приоритетов, РНФ разрабатывает меры поддержки ученых. Сотрудничес...
14 февраля, 2025
Глава Российского научного фонда Владимир Беспалов: Новая программа мегагрантов предоставляет ученым право на риск
С этого года программа мегагрантов по поручению президента страны перешла от Минобрнауки РФ к Росс...