Какие новые самовосстанавливающиеся умные материалы существуют: биобетон и его друзья

Умные материалы

Формального определения у броского термина «умные материалы», конечно, нет. Обычно так называют материалы, способные изменять свои свойства под воздействием среды. Например, есть так называемые материалы с памятью. Скажем, проволока из никелида титана (его еще называют нитинол), будучи изогнутой, после нагрева возвращает себе исходную форму.

Тут сразу следует заметить, что, несмотря на свежесть самого термина, эффекты, связанные с умными материалами, были открыты достаточно давно. Например, эффект памяти изучался еще в 30-х годах прошлого века, а свойства нитинола были изучены советскими металлургами Курдюмовым и Хандорсоном в 1948 году (правда, свое название сплав получил из-за переоткрывших это дело в 60-х годах американцев, но это совсем другая история).

Речь в нашем тексте пойдет об особенном классе умных материалов — самовосстанавливающихся материалах. Под этим словосочетанием скрываются системы, способные противостоять структурному разрушению из-за механического воздействия. Главное требование, предъявляемое к таким материалам, заключается в том, чтобы «залечивание» повреждений происходило без участия человека. Механизмов подобного залечивания имеется огромное множество.

Особенности биобетона

Сооружения из бетона постоянно подвергаются воздействию различных факторов. Среди них есть как благоприятные условия, так и неблагоприятные. Ученые учли и этот факт. Ими была разработана методика существования бактерий в различных условиях. Смысл данной методики заключается в следующем:

• в случае благоприятных условий и при сухом климате бактерии лишь размножаются;
• если на поверхность здания попадает вода, то бактерии включаются в работу, начиная активно выделять известняк, который, в свою очередь, затягивает трещины и микротрещины, обеспечивая сооружению долгий срок существования.

Еще одной весьма интересной особенностью данного типа бетона является возможность проращивать на его поверхности всевозможные растения: мох, лишайник и другое. Это происходит благодаря благоприятной для микроскопических растений среде, которая образуется на биобетоне. Возможно в ближайшем будущем люди будут использовать для строительства исключительно такой стройматериал, как биобетон. Ведь здания, покрытые растениями, выглядят особенно красиво и создают вокруг экологическую чистоту.

Хроматирование в космосе

Одним из способов защиты металлических (например, алюминиевых) деталей является хроматирование — их обработка специальными растворами, зачастую содержащими хромовую кислоту. При такой обработке формируется тонкий слой, защищающий металл от коррозии. Этот же слой служит прекрасной грунтовкой для последующей покраски или напыления. При хроматировании, однако, используется шестивалентный хром. Этот материал считается опасным для здоровья, поскольку, в отличие от, например, хрома трехвалентного, относительно легко проникает в живые клетки.

Вместе с тем в некоторых отраслях — например, военной и космической — при обработке алюминиевых сплавов до сих пор используется опасное хроматирование. Помимо прочего, это связано с тем, что при эксплуатации такое покрытие в течение нескольких недель способно само залечивать небольшие царапины и повреждения. Грубо говоря, хром сам мигрирует на место царапины, заполняя и закрывая ее. Царапина при такой миграции, конечно, не затянется (товарный вид изделия все равно будет испорчен), однако подложка из алюминиевого сплава будет защищена (конечно, хуже, но защищена).

Таким образом, одной из задач, стоящих перед химиками, является создание покрытия, которое могло бы заменить опасное хроматирование. В конце октября 2012 года ученые из Университета Невады представили свой прототип такого покрытия. Они придумали покрытие на основе молибдена. Ученые также предложили способ нанесения этого покрытия на поверхность из алюминиевого сплава AA2024-T6, который используется в космической промышленности.

Во время исследования ученые специально повредили образец. Затем, используя сразу несколько методов спектроскопии (чтобы уж наверняка), они убедились, что молибден на поврежденном участке присутствует, то есть покрытие способно самовосстанавливаться. Сами ученые говорят, что их работа еще не завершена — они работают над усовершенствованием формулы покрытия. Примечательно, что до получения приемлемых результатов исследователи перепробовали около 200 различных составов.

Кровоточащий пластик

Одним из общих методов создания самовосстанавливающихся материалов является использование в их структуре микроскопических капсул, содержащих вещество-заплатку. Когда материал повреждают, капсулы раскрываются и материал из них заполняет трещины и царапины. Сами ученые сравнивают этот метод с кровотечением из раны живого человека — отсюда и название. Главным его недостатком является то, что материал не сможет восстановиться, если его повредить в одном и том же месте повторно. Кроме того, технически довольно сложно добиться, чтобы капсулы в материале были распределены равномерно, поэтому некоторые его участки могут оказаться уязвимее остальных.

В 2001 году ученые из университета Иллинойса представили пластик, способный лечить собственные повреждения описанным способом — он содержал множество капсул с подходящим материалом. В 2011 году ученые усовершенствовали собственную разработку — они создали материал, в котором есть целая система сообщающихся сосудов с материалом-заплаткой. В настоящее время этот материал тестируется и, по данным на конец октября 2012 года, довольно успешно.

По словам исследователей, им удалось добиться замечательных результатов — одна и та же трещина залечивалась более 50 раз подряд. Кроме этого, говорят ученые, их материал можно «перезаправлять». Насколько такая перезаправка будет эффективна, не сообщается — ведь ток, подходящий к поврежденному участку, может оказаться блокированным. Примечательно, что создание пластиков с системой пор может служить не только в производстве самовосстанавливающихся материалов. Такого рода каналы можно использовать, например, для циркуляции воды и понижения температуры прибора.

Суть технологии самовосстановления бетона

Микробиологу Хенку Джонкерсу и инженеру-микромеханику Эрику Шлагену в результате опытного отбора удалось найти подходящих микроорганизмов. Для получения биобетона исследователи помещают споры представителей вида Bacillus на обычный бетон. Бактерии пребывают в латентном состоянии до момента попадания в трещины дождевой воды. В условиях влажной среды эти микроорганизмы переходят в активную фазу жизнедеятельности.

Питаясь введенными в состав бетона гранулами лактата кальция (компонента молока), бактерии перерабатывают его, выделяя известковый продукт — кальцит. Это вещество за счет вяжущих свойств заполняет образующиеся в бетоне трещины, восстанавливая целостность поверхности.

Эксперты считают основной проблемой данного инновационного материала  сохранение регенеративных свойств бактерий в ходе процесса смешивания ингредиентов. В принципе технология проста: капсулы со спорами бактерий и необходимым количеством лактата кальция добавляются в раствор при осуществлении замеса. Такая нехитрая манипуляция не требует соблюдения особого температурного режима или специальных настроек миксера. Вероятность повреждения микрокапсул практически нулевая в связи с тем, что ученые придумали защищать их особым веществом. Производство этой «брони» пока сопровождается значительными издержками, что увеличивает себестоимость биобетона. Однако ученые всерьез намерены найти способ снизить затраты на внедрение инновации в строительную практику.

Подробнее о бетонных инновациях

Разработки и работы по созданию гибкого бетона, способного к самовосстановлению, ведутся давно. Так, на базе Бингемтонского университета (штат Нью-Йорк) с помощью ученых университета Рутгерса была создана новая смесь – ее назвали самовосстанавливающимся бетоном. Материал еще известен как грибковый бетон и у него есть потенциал исключить проблемы появления на бетонном монолите трещин.

Ученые выявили интересный момент: взяв гриб Trichoderma reesei, вмешали его в традиционную цементную смесь, потом залили конструкцию и искусственно создали трещины. При обнаружении первой трещины грибок (до того спящий) активизировался. По мере того, как в трещины попадали кислород и вода, споры грибов росли и создавали карбонат кальция, заполняющий и скрепляющий трещины.

Пока исследования находятся все еще на первой стадии, остается масса неисследованных вопросов и самый важный из них касается выживаемости грибка Trichoderma reesei в суровых условиях.

Дальнейшие погружения в раствор

Другая группа ученых из Университета Кардиффа (Уэльс) тестировала 3 технологии исцеления бетона: полимерную память формы, использование бактерий и целебных агентов через микрокапсулы, закачку органических/неорганических материалов в структуру материала.

В Британской Колумбии ученые университета «Виктории» (факультета гражданского строительства) объявили про запуск различных экспериментов с волокнами (древесная целлюлоза, зольная пыль). Они могут помочь создать уникальную формулу бетона, способного к самовосстановлению.

В Канаде же создали экологически чистый композит на базе пластично-цементной смеси. Данный строительный материал армирован полимерными волокнами и в ходе испытаний выяснилось, что такой раствор способен выдерживать толчки землетрясения мощностью до 9 баллов по шкале Рихтера.

От современных исследований к древнему Риму

Идея бетона и самого цемента римлянами была не придумана, а заимствована у древних греков. Так, есть пример хорошо сохранившегося водопроводного резервуара в греческом городе Мегара – его конструкции были обмазаны чем-то похожим на цемент. И если изучить этот цемент, можно отыскать особый компонент, который придает крепость и прочность древнеримским зданиям.

Состав греческого цемента включал вулканический пепел – сегодня он называется «пуццолан». Тогда его добывали у холмов города Путеолы (сегодня Поццуоли) возле Везувия, от чего и произошло название вещества. Бетон с вулканическим пеплом в Древнем Риме начали применять со 2 в. до н.э. В смеси вводили пуццолан, известь, пемзу, вулканический туф, камни, песок.

Материал свой древние римляне называли греческим словом «emplekton» или латинским «rudus», вяжущее – «оpus caementum». Французский термин «бетон» появился лишь в 18 столетии.

Инновация профессора Ричарда Римана

Профессор Ричард Риман умудрился создать легкий и экологически чистый бетон, которому присущи свойства гидротермального жидкофазного уплотнения. Профессор утверждает, что он смог понизить углеродный след цемента/бетона до 70%, а в итоге даже не исключено поглощение углекислого газа. Но эта технология, как и все современные разработки, требует тщательного изучения, доработки, получения достоверных результатов проверок и т.д.

«Живой» гидрогель

В марте 2012 года в Proceedings of the National Academy of Sciences появилась статья, авторы которой предложили полимер, способный не только затягивать царапины, но даже склеивать отдельные куски. Полученная система представляет собой гидрогель — молекулы полимера, связанные с молекулами воды. По сути это вещество, напоминающее по внешнему виду желе, можно рассматривать как густую взвесь частиц в водной среде (водную дисперсную среду). Молекулы полимера были снабжены боковыми «отростками», состоящими из гидрофобных и гидрофильных фрагментов — в правильном подборе молекул и заключается «ноу-хау» исследователей.

Во время испытания ученые брали куски геля и разрезали их на несколько частей или повреждали их поверхность. После этого куски помещали в водный раствор. Как оказалось, благодаря боковым отросткам в кислой среде разрезанные куски склеивались, а повреждения затягивались. Процесс склеивания оказался обратимым — в щелочной среде куски отклеивались.

Ученые заявили, что в растворе с правильным pH механические свойства восстановленного куска не отличаются от свойств изначально целого фрагмента геля. Примечательно, что процесс сращивания происходит крайне быстро.

Жадный до света полимер

В апреле 2011 года химики из Швейцарии создали пластик, который можно «лечить» ультрафиолетом. Новый пластик относился к так называемым супрамолекулярным веществам (pdf) — соединениям, в которых компоненты самостоятельно образуют разные фазы (пленки, слои, мембраны, пузырьки или прочее).

Ученые смешали металл (цинк или лантан) и полимер с достаточно малой молекулярной массой (то есть короткими молекулами) и получили пластик с металлическими прослойками. Оказалось, что небольшая — толщиной 400 микрометров — пластинка такого пластика после 30-секундного воздействия достаточно мощным источником ультрафиолетового излучения способна залечивать царапины глубиной до 200 микрометров (то есть в половину толщины).

Принцип работы довольно прост: при облучении ультрафиолетовым светом атомы металла в пластике поглощают фотоны и преобразуют их в тепло. В результате пластик разогревается изнутри и царапина заплавляется. Исследователи отмечают, что их пластик пока далек от внедрения в промышленность. Главной сложностью они называют тот факт, что облучаемый фрагмент должен быть прозрачным, чтобы технология работала. Кроме того, механические свойства пластика после переплавки могут отличаться от изначальных.

Эффективность работы бетонорегенерирующих бактерий

Испытания биобетона в лабораторных условиях прошли успешно. Кальцитопродуцирующие бактерии помогают «заживить» трещины размером 0,2—0,5 мм. Хотя строительные нормативы не считают появление подобных микрощелей критичным, однако под воздействием влаги и температурных скачков даже они способны приобрести опасные размеры.

Кроме того, исследователи обнаружили замечательную особенность поверхности «биологического» бетона. Имея наполовину «живой» состав, она может стать питательной средой для проращивания некоторых микроскопических мхов и  лишайников, которые с радостью  будут питаться фосфатом натрия, входящим в состав материала.  Как знать, возможно благодаря внедрению в практику биобетона возводимые из него здания в городах приобретут зелёный цвет за счет растущих на их стенах растений.

Биобетон

Концепцию биобетона ученые из Делфтского технического университета в Нидерландах придумали еще лет двадцать назад. Основная идея была следующей: предлагается, чтобы в бетоне жили микроорганизмы, которые в случае повреждения без вмешательства человека заделывали образующиеся трещины.

Биобетон. Изображение с сайта tweaktown.comLenta.ru

Проблема поиска и устранения повреждений железобетонных конструкций — самого популярного материала в строительстве — крайне актуальна. Микротрещины, в которые попадают вода и разные «агрессивные ионы» (так говорят сами изобретатели), со временем приводят к образованию полноценных трещин. Это, в свою очередь, открывает доступ к металлическим конструкциям, скрытым в толще типичного железобетона. Их разрушение, в свою очередь, существенно влияет на прочность конструкций. Ученые подсчитали, что обслуживание конструкций обходится весьма дорого — как в денежном выражении, так и с точки зрения затраченных человеко-часов. Поэтому они захотели перепоручить эту работу бактериям.

На доведение идеи до практической реализации у исследователей ушло много времени. В этом нет ничего удивительного — им надо было подобрать правильные организмы, обеспечить их питанием. Кроме этого продукты жизнедеятельности бактерий должны были быть подходящими для заделывания дыр. Оказалось, что для такой работы подходят микроорганизмы рода Bacillus. Бетон содержит споры этих организмов, а также гранулы лактата кальция. Помимо того, что это вещество служит источником энергии для бактерий, при его переработке образуется кальцит (одна из форм карбоната кальция), отложения которого и заполняют образующиеся в бетоне щели.

Соответственно, споры оживают в случае, когда в трещины попадает влага. В спящем же состоянии они способны жить в бетоне долгие годы.

Первые лабораторные опыты показали, что бактерии действительно способны заделывать трещины кальцитом. При этом исчезают как относительно крупные дефекты, так и микротрещины размером около 0,2 миллиметра. Такие трещины не учитываются нормами строительства, но, как говорилось выше, со временем способны разрастаться до серьезных размеров.

Теперь же ученым из Нидерландов предстоит доказать работоспособность их материала на практике. Это, по их словам, займет около трех лет.

Перейти в «Мою Ленту» Обсудить Ссылки по теме Свет оказался способен «лечить» полимеры lenta.ru, 21 апреля 2011 Ученые создали самовосстанавливающийся гидрогель lenta.ru, 06 марта 2012 Начались полевые испытания самовосстанавливающегося бетона lenta.ru, 31 октября 2012 Другие материалы рубрики Наука и техника 00:0111 сентября

Разработки Делфтских исследователей

Ученые технического университета города Делфта (Голландия), стремясь помочь ликвидировать факторы растрескивания бетона и найти способ возвращения целостности его поверхности,  предложили призвать бактерии на службу восстановления.

Около двух десятков лет пытливые умы разрабатывали этот материал. Главной целью их исследований был подбор типа бактерий, которые будут сохранять свою жизнеспособность в бетоне, находить там источник питания. А продуктами жизнедеятельности этих микробов, по предположениям ученых, будут заполняться образующиеся микротрещины. Накопленный биоматериал должен стать препятствием для проникновения влаги в  эрозионные щели и остановить дальнейшее увеличение их размеров.