Открытия в области создания новых материалов всегда приводят к серьезным прорывам в разных областях науки и технологий. Большие ожидания в развитии строительной отрасли, электроники, энергетики и других областей промышленного производства связаны с недавно открытым материалом графеном, который в 2004 году получили российские исследователи. Это первый двумерный материал, обнаруженный в природе. Он прочнее алмаза, гибкий как пластик и проводит ток лучше серебра. Его активно исследуют для дальнейшего внедрения в энергетику, электронику, медицину, авиацию и нанотехнологии. В «чистом» виде его сложно получить, поэтому для массового применения, например, при получении композитов используют графеносодержащие материалы, частицы которых представляют собой многослойный графен. Основная проблема при создании таких материалов — сложность равномерного распределения частиц внутри. Ученые Пермского Политеха исследовали поведение графеноподобных материалов и их частиц при разработке композитов. Это поможет более эффективно использовать их в строительстве, электронике, для создания токопроводящих, сверхпрочных защитных покрытий в авиации и в других стремительно развивающихся сферах.
На разработку получен патент № 2839727. Исследование проведено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».
В 2004 году российские ученые Андрей Гейм и Константин Новоселов совершили открытие, экспериментируя с графитом — тем самым, который есть в стержне каждого карандаша. Они приклеили к нему кусочек скотча и, отрывая липкую ленту, забирали тончайшие слои. После множества повторений исследователи впервые в истории выделили материал толщиной в один атом, который оказался крепче стали и прочнее алмаза. Если представить лист графена толщиной в пищевую пленку, он мог бы выдержать вес слона или удержать на себе автомобиль. При этом он невероятно легкий и гибкий и идеален для создания сверхмощных аккумуляторов, сверхпрочных материалов, например, бронежилетов нового поколения, укрепления корпусов самолетов и космических кораблей.
Чтобы его изготовить, нужно многократно разделять графит до очень тонкого слоя. На это уходит много времени и ресурсов. Так, из-за сложности производства его применение почти не выходит за рамки лабораторных экспериментов.
В то же время есть аналоги, более доступные в промышленности и для изучения, — графеносодержащие материалы. Это порошковые материалы из частиц не однослойного, а многослойного графена. По свойствам они уступают чистому графену, но методы их получения гораздо более простые. Сейчас их пробуют применять в качестве добавки при изготовлении композитов, которые можно использовать для создания защитных антикоррозионных покрытий в авиации и космической технике, а также — в качестве упрочняющей добавки для бетона и керамики в строительстве.
Традиционно для создания таких композитов используют частицы графена и связующее (например, эпоксидную смолу, керамику и т.д.). Проблема в том, что существующие технологии производства часто не позволяют равномерно распределить упрочняющий материал внутри композита. Ученые Пермского Политеха изучили, как частицы графеноподобного материала «ведут себя» во время его формирования. При этом, в исследованиях графеновый материал использовали и в качестве связуюшего, и в качестве наполнителя для повышения эффективности прессования изделий на его основе.
— В результате смешивания графенового материала с водой мы получили гидрогель-связующее, необходимое для «склеивания» частиц между собой. Затем добавили в гель сухой графеновый порошок и после прессования получили образцы, которые не расслаиваются и при испытаниях разрушаются постепенно. Для нас особый интерес представляет тот факт, что графеноподобный материал при обычном смешении с водой сам по себе способен образовывать гидрогель для композитов. Мы выявили условие гелеобразования, при котором соотношение графенового материала и жидкости должно составлять 1:1,5-2, — комментирует Елена Матыгуллина, профессор кафедры «Инновационные технологии машиностроения» ПНИПУ, доктор технических наук».
Результаты исследования ученых Пермского Политеха могут быть полезны на этапе разработки новых графеносодержащих материалов и изделий на их основе, например, стройматериалов нового поколения, адсорбентов, наполнителей композиционных материалов на полимерной и керамической основе, двигателей и насосов в автомобильной промышленности, защитных покрытий в авиации и т.д.