Три работы лауреатов премии Правительства Москвы молодым учёным 2019 года

Наука и жизньНаука

Лауреаты премии Правительства Москвы молодым учёным 2019 года

Премия Правительства Москвы молодым учёным, работающим в научных центрах и университетах столицы, присуждается как за достижения в фундаментальных исследованиях, так и за разработку и внедрение новых технологий. Приём заявок на участие в конкурсе 2020 года открыт до 10 июля 2020 года (подробности: https:// nauka.mos.ru).

В прошлых номерах журнал рассказывал о работах нескольких лауреатов 2019 года (см. «Наука и жизнь» №№ 5, 6, 2020 г.). Представляем ещё три работы лауреатов конкурса.

На композитных крыльях

Самолёты тесно ассоциируются у нас с алюминием — именно на «плечах» этого лёгкого, прочного и блестящего металла поднялась в небо гражданская авиация. Но современные летательные аппараты всё дальше отходят от своих легкосплавных корней, становясь более «пластиковыми», а если точнее, то полимерно-композиционными.

Полимерный композиционный материал состоит из двух основных частей: пластичной полимерной матрицы и армирующего наполнителя. «Арматурой» в авиационных композитах выступает, как правило, углеродное или стеклянное волокно. Нити или ткань из него обладают большой прочностью на растяжение, низким весом и многими другими привлекательными характеристиками. Но ни ткань, ни нить не способны «держать форму», поэтому, если требуется сделать какую-нибудь деталь на основе угле- или стекловолокна, его необходимо чем-то склеить. В роли клея как раз и выступает полимерная матрица: нужно «всего лишь» поместить волокно внутрь полимерного материала.

Полимерные материалы бывают самые разные. В быту нам часто встречаются такие полимеры, как полиэтилен (пакеты и плёнки), полипропилен (пластиковые контейнеры, трубы) или полиэтилентерефталат (прозрачные бутылки). Всех их объединяет то, что они могут плавиться и более или менее обратимо переходить из твёрдого в жидкое состояние и обратно. Но есть и другие полимерные материалы, с которыми такой трюк не получится: сколько ни грей резину или засохший лак, они не расплавятся. При высокой температуре они потеряют прочность и в конце концов сгорят, но никак не станут жидкими. Такие полимерные материалы называются реактопластами, и их особенность состоит в том, что их длинные полимерные молекулы химически сшиты между собой. Это удерживает молекулы полимера от того, чтобы отправиться в свободное плавание при повышении температуры. Соответственно, если мы используем полимерный материал для композита, то хорошо бы, чтобы он сохранял свои полезные свойства и при повышенных температурах. Поэтому в качестве полимерной матрицы в композитах используют в основном реактопласты.

Из этого соображения возникает и технология изготовления полимерных композиционных материалов: армирующий наполнитель нужно сначала пропитать жидким мономером (веществом, из которого получается полимер) и уже затем его заполимеризовать — превратить исходный жидкий мономер в твёрдый и прочный полимер. Полимеризацию жидкого мономера можно вызвать либо химическими добавками — отвердителями и катализаторами, либо под действием нагрева или света. Например, жидкие эпоксидные смолы полимеризуются при добавлении отвердителя на основе различных аминов. Собственно, «эпоксидка», как и различные двухкомпонентные клеи на её основе — одно из самых распространённых полимерных связующих для композитов.

Но у полимерных матриц на основе эпоксидных связующих есть недостаток — это невысокая максимальная температура эксплуатации. При температурах выше 150оС эпоксидные матрицы, как правило, заметно и быстро теряют свою прочность. Тогда как алюминиевые сплавы способны дольше выдерживать и более высокие температуры без критического падения рабочих характеристик. Для композитного корпуса лодки или автомобиля высокая температурная стойкость может и не столь обязательна, но если мы хотим заменить алюминиевые части конструкции самолёта на композитные, то здесь способность выдерживать повышенные температуры становится жизненно важной.

Однако существуют высокотемпературные полимеры, способные выдерживать нагрев выше 200оС и даже больше — вплоть до 400оС. Это группы полимеров, принадлежащие к химическим классам бисмалеимидов, циановых эфиров, полиимидов и фталонитрилов. Последние, можно сказать, короли в плане термостойкости. Полимерные композиты на основе фталонитрильных связующих начинают заметно терять прочность лишь при температурах выше 400оС. Изучать подобные соединения для использования в композитах начали далеко не сегодня, а в 80-х годах прошлого века, и на текущий день разработано множество составов высокотемпературных полимеров. Так почему замена традиционного алюминия на композитные материалы в гражданской авиации такой не быстрый процесс?

Потому, что мало изобрести высокотехнологичное связующее, нужно ещё разработать технологию его использования в промышленности. Одно дело поместить небольшой образец в печь в лаборатории, и совсем другое — соорудить автоклав для изготовления крупных деталей самолёта. Новые технологии требуют новых материалов и новых подходов в проектировании, производстве и эксплуатации авиационной техники. Поэтому так часто научное открытие от его воплощения на практике отделяет не одно десятилетие, а за каждым маленьким улучшением технологии лежит напряжённая многолетняя работа исследователей.

Один из лауреатов премии Правительства Москвы для молодых учёных 2019 года — кандидат химических наук Борис Анатольевич Булгаков, старший научный сотрудник кафедры химической технологии химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова. Он удостоен награды в номинации «Новые материалы и нанотехнологии» за работу, посвящённую исследованию и разработке новых импортозамещающих полимерных композитных материалов.

О важности импортозамещения говорить не будем — это и так очевидно, особенно если учесть, что в нашей стране когда-то были производства и химических волокон, и сырья для высокотехнологичных полимеров, которые мы сейчас вынуждены покупать за границей для производства того же нового отечественного самолёта МС-21. А вот на теме новых материалов хотелось бы остановиться подробнее, тем более что это как раз те самые фталонитрильные полимерные связующие, о которых мы упоминали чуть выше.

Почему мы всё время говорим о фталонитрилах во множественном числе, а не называем конкретные молекулы? Дело в том, что это очень большой класс молекул, которые можно представить состоящими из двух функциональных частей: двух фталонитрильных фрагментов (назовём их образно «руки») и мостика между ними (пусть это будет «тело» мономера). За счёт образования связей между «руками» мономеры объединяются в цепочки — полимерные молекулы. Фталонитрилы могут соединяться друг с другом разными способами: не только одна молекула с другой, но и три молекулы вместе, и даже четыре. За счёт этого образуются сложные трёхмерные полимерные структуры. Разумеется, от того, как соединятся друг с другом молекулы мономеров, будут зависеть свойства получившегося полимерного вещества, например, какая у него будет температурная устойчивость и прочность. Но не станем забывать, что кроме «рук» у фталонитрилов есть ещё и «тело» (или мостик, кому как больше нравится), от которого во многом зависит процессинг и свойства конечной полимерной матрицы.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Переступить порог рейхстага Переступить порог рейхстага

История главного исторического здания Берлина

Наука и жизнь
Хакеры на заказ с техподдержкой: чем известна группировка DarkSide, которая вызвала кризис топлива в США Хакеры на заказ с техподдержкой: чем известна группировка DarkSide, которая вызвала кризис топлива в США

DarkSide стала одной из крупнейших и авторитетных хакерских организаций в мире

VC.RU
Новый мир в штате Чьяпас Новый мир в штате Чьяпас

Жизнь революционных сапатистов

Вокруг света
4 вредных мифа о высоком холестерине у мужчин, которые пора развеять 4 вредных мифа о высоком холестерине у мужчин, которые пора развеять

Этой информацией должен располагать каждый.

Playboy
Наука и жизнь 1890: Криптографiя (искусство секретной переписки.) Наука и жизнь 1890: Криптографiя (искусство секретной переписки.)

История криптографии

Наука и жизнь
Французский пасхальный пирог Французский пасхальный пирог

Le Tourteau Fromage – французский пасхальный пирог

Weekend
Вот такие пироги: какую выпечку готовили в разных губерниях Вот такие пироги: какую выпечку готовили в разных губерниях

Знакомьтесь с историей русской выпечки и готовьте традиционные блюда

Культура.РФ
История провала Flime: как мы потеряли €2 млн на запуске сервиса за рубежом История провала Flime: как мы потеряли €2 млн на запуске сервиса за рубежом

Два года нервов и два миллиона евро. История провала Flime

Inc.
Лионелла Пырьева. О друзьях и недругах Лионелла Пырьева. О друзьях и недругах

Жизнь и профессия Лионеллы Пырьевой

Коллекция. Караван историй
Как мы узнаем лица и как возникают галлюцинации Как мы узнаем лица и как возникают галлюцинации

Есть ли пределы работы органов чувств и как они формируют наше восприятие мира

СНОБ
Мишель Родригес о новом «Форсаже», женских боевиках и Грузии Мишель Родригес о новом «Форсаже», женских боевиках и Грузии

В честь выхода на экраны девятого «Форсажа», Cosmo поговорил с Мишель Родригес

Cosmopolitan
Сепарация от родителей: что делать, чтобы перестать зависеть от их мнения Сепарация от родителей: что делать, чтобы перестать зависеть от их мнения

Как услышать свой собственный голос

Reminder
Развод во время беременности Развод во время беременности

По статистике распадается примерно половина всех браков

9 месяцев
Нефтяное пятно после разлива топлива в Республике Коми движется в Северный Ледовитый океан Нефтяное пятно после разлива топлива в Республике Коми движется в Северный Ледовитый океан

Аварию до сих пор не удалось локализовать.

National Geographic
Честное лицо Честное лицо

Почему дорогостоящие аппаратные процедуры и инъекции не всегда работают?

Harper's Bazaar
Семейное наследие: как отделить свои чувства от чужих Семейное наследие: как отделить свои чувства от чужих

Чувства приходят и уходят, но оставляют в нас след, иногда очень глубокий

Psychologies
Зоологи предложили вернуть ягуаров на юго-запад США Зоологи предложили вернуть ягуаров на юго-запад США

Возвращение ягуаров поможет сохранить вид и пойдет на пользу экосистемам

N+1
Моя крепость Моя крепость

Добротный и колоритный интерьер для загородного дома

SALON-Interior
Украшения из человеческих волос и коллекция паразитов: 5 самых странных музеев мира Украшения из человеческих волос и коллекция паразитов: 5 самых странных музеев мира

Ленточный червь, волосы и расписанные унитазы. Самые странные экспонаты музеев

Популярная механика
Почему ваш смартфон заряжается так долго: 8 самых популярных причин Почему ваш смартфон заряжается так долго: 8 самых популярных причин

Причин, которые могут повлиять на длительность зарядки смартфона

CHIP
Анатомия нидерландского алтаря Анатомия нидерландского алтаря

Алтарный триптих — один из самых узнаваемых форматов нидерландской живописи

Arzamas
Вне зоны доступа Вне зоны доступа

Проверь – не забываешь ли ты ухаживать за «секретными» зонами лица и шеи

Лиза
Кто есть кто: 10 лучших парикмахеров Петербурга Кто есть кто: 10 лучших парикмахеров Петербурга

Кто стрижет солистку Little Big Соню Таюрскую: лучшие парикмахеры Петербурга

Собака.ru
«Момент взлета» Мелинды Гейтс: как спасти всех женщин «Момент взлета» Мелинды Гейтс: как спасти всех женщин

Одна из самых богатых и влиятельных женщин мира пишет о том, что ее волнует

Эксперт
Таруса, или куда поехать на выходные Таруса, или куда поехать на выходные

Таруса: так близко и так далеко одновременно

Seasons of life
«Не радость» Байдена: как личные проблемы могут стать общественными «Не радость» Байдена: как личные проблемы могут стать общественными

Джо Байден стал старейшим президентом Штатов за всю историю страны

Naked Science
Главный по теплице. Интервью во время карантина Главный по теплице. Интервью во время карантина

Родриго де ла Калле — человек, который придумал термин «гастроботаника»

Bones
Шаги навстречу: как найти идеального инвестора Шаги навстречу: как найти идеального инвестора

О самых важных шагах на пути к обретению идеального инвестора

Forbes
На свободную тему На свободную тему

Режиссер Луиза Мутц о темах, которые волнуют современных парижанок

Grazia
Аль Пачино, Павел Дуров, Элтон Джон и еще 7 знаменитостей, которые носят парики Аль Пачино, Павел Дуров, Элтон Джон и еще 7 знаменитостей, которые носят парики

Они не любят, когда им взъерошивают волосы

Maxim
Открыть в приложении