Пористые мембраны для «программированного выхода лекарств».

Рис. Структура покрытия из нанослоев на стали.

Основой является нержавеющая хирургическая сталь. Поверхность изолирует и сглаживает алмазоподобное (Diamond-Like Coating - DLC) покрытие. Два слоя лекарств, подавляющих отторжение, последовательно выращиваются на DLC. Лекарственные слои разделяются нано- мембранами, контролирующими скорость выхода лекарств. Толщина и пористость мембран подобраны таким образом, чтобы лекарства постепенно выходили из покрытия: 1-ое лекарство выходит 1 – 2 часа, 2-ое – в течение 100 дней. Это называется «программированным выходом лекарств». Оба лекарственных слоя и мембраны, регулирующие скорость выхода лекарств полностью биодеградируют (растворяются в условиях организма), не оставляя каких-либо остатков на стенте.

Реакторный объем. Выгоднее всего в качестве топлива использовать самый распространённый химический элемент во Вселенной – водород. При окислении (сгорании) водорода образуется вода, и эта реакция идёт с выделением очень большого количества тепла (120 КДж/кг). Для сравнения, удельная теплота сгорания бензина и природного газа в три раза меньше, чем у водорода. При сгорании водорода не образуется вредных для экологии оксидов азота, углерода и серы.

К аноду подводят водород, который, проникая в электролит через очень мелкие поры в материале электрода и участвуя в реакции хемосорбции, превращается в положительно заряженные ионы. К катоду подводят кислород. Для ускорения реакции применяют катализаторы. Электроды топливного элемента соединяют с нагрузкой. Чистый водород может быть заменен водородосодержащими газами типа этанола или метанола СН₃ОН. Пористая стеклянная мембрана на порядок увеличивает фронт взаимодействия метанола и кислорода, облегчает отвод результата реакции – воду.

Рис. Схема и изображение нанопористой стеклянной мембраны для метанолового источника питания.

Аэрогель - эластомер. Он обладает самостоятельной формой и упругостью. (ГЕЛИ (от лат. gelo- застываю). Вещества группы аэрогелей называют "твёрдый газ", "голубой дым" или «замороженный дым». Полупрозрачный аэрогель имеет сверхнизкую плотность. В результате изготовления образуется разветвленная структура с непрерывной поверхностью

толщиной 2-5 нм. Поры имеют размер менее 100 нм. Газом заполнено от 50% до 99% объёма вещества. Одного кубического сантиметра аэрогеля было бы достаточно, чтобы, будучи "развёрнутыми", эти самые "перегородки" покрыли площадь футбольного поля.

Уникальные свойства "замороженного дыма": прозрачность, очень низкая плотность,

высокая твёрдость, жаропрочностью, акустическая изоляция ( скорость звука при прохождении через аэрогель составляет 100 м/сек).

Рис. Аэрогель. Образец выдерживает большие распределенные нагрузки.

При точечном воздействии – податлив, и его можно сжать в «точку».

Рис. Прочность: 2,5 кг кирпич поддерживается 2-граммовой пластиной аэрогеля.

Металлическая пластина, покрытая 6 мм слоем аэрогеля, не была повреждена при взрыве килограмма динамита в непосредственной близости от этой пластины, не претерпела каких-либо изменений при нагревании слоя аэрогеля паяльной лампой с температурой пламени более 1300°C. Компания Dunlop разработала несколько новых типов ракеток для тенниса и сквоша, где аэрогель применяется для усиления конструкции. Аэрогелем NASA - Aspen Aerogel, были заполнены ловушки, которыми брали пробу кометного вещества на комете Вайлд-2 (Wild-2) во время полета американского межпланетного зонда Stardust, запущенного NASA в феврале 1999 года.

Рис. Ловушка для кометного вещества зонда Stardust (NASA) и частицы кометного вещества в ловушке зонда.

Аэрогель с разрывами «перегородок» способен очищать воду от свинца и ртути, морскую воду от разливов нефти, благодаря большой поглощающей способности за счет 99% пустот. Аэрогель Al₂O₃∙H₂O из-за своей чрезвычайно высокой удельной поверхности и наличия на ней активных центров (отрицательно заряженные алюминольные группы) перспективен для разработки новых сорбентов, катализаторов и носителей катализаторов

Композиционные материалы

Если материал не удовлетворяет таким требованиям как высокая прочность или жаростойкость, то в него (как в матрицу) добавляют составляющие с подходящими параметрами. При этом формируется композитный материал (КМ). Добавки представляют собой микро- и нано- частицы, «усы», волокна, микроконтейнеры. Между матрицей и добавкой должна устанавливаться прочная связь, преимущественно в виде твердого раствора или химического соединения.

Матрица с добавками обладает более высокой энергией связи U_св, т.к.

- химические соединения добавок могут быть сильнее (ковалентная связь сильнее других видов),

- справочные данные параметров приводятся для реальных материалов, а не для идеальных вставок («усов» - «вискеров»),

- происходит сочетание свойств: часть нагрузки передается от матрицы к добавке с другими параметрами прочности и пластичности.

В зависимости от поставленной задачи и структуры добавок КМ формируются как

- сплавы (твердые растворы, механические смеси),

- армированные конструкции (форму и прочность обеспечивает добавка),

- «сотовые» композиции (обеспечивает требуемые характеристики добавка в сотах или порах).

Рис. Виды нанокомпозитов.

Прочность КМ σ_КМ: σ_КМ = σ_мат v_мат + σ_вст v_вст,

где σ_мат и σ_вст - пределы прочности матрицы и вставки, а v_мат и v_вст - объемные доли матрицы и вставки.

Для увеличения прочности в КМ

Ag c 24% «усов» - нитей сапфира Al₂O₃. Предел текучести возрастает в 30 раз по сравнению с чистым серебром. Алюминиевый сплав с добавкой Al₂O₃ увеличивает прочность при температуре свыше 300 ˚С. Это позволяет использовать КМ для изготовление поршней, валов. Добавка сапфировых нитей в вольфрам и молибден позволила вдвое увеличить прочность сопла ракеты при 1650˚С.

При нормальной температуре сверхпроводники, например, интерметаллид Nb₃Sn, хрупки и непластичны. Из них нельзя получить длинные и тонкие проводники. Для получения пластичных проводов, работающих в широком температурном диапазоне, сверхпроводники запрессовывают в Сu. При низкой температуре сверхпроводник шунтирует медь, а при нормальной - медь шунтирует высокоомный материал.

Полимерные матрицы используются для изготовления подложек (стеклотекстолит), подшипников из композиции фторопласта с бронзой (обеспечивается скольжение).

КМ используются для выполнения резисторов определенного номинала не из-за геометрических размеров, а за счет внутренней структуры.

Материалы разрывных контактов должны быть тепло- и электропроводными, эрозионностойкими при воздействии электрической дуги, не свариваться в процессе работы. Контактное сопротивление должно быть возможно меньшим, а критические сила тока и напряжение при образовании дуги – возможно большими. Чистых металлов, удовлетворяющих всем этим требованиям, нет. Изготавливают контактные материалы прессованием с последующим спеканием или пропиткой пористого тугоплавкого каркаса более легкоплавким металлом (например, вольфрам пропитывают медью или серебром). Тяжелонагруженные разрывные контакты для высоковольтных аппаратов делают из смесей вольфрам – серебро – никель или железо – медь. В низковольтной и слаботочной аппаратуре широко используют материалы на основе серебра с никелем, оксидом кадмия и другими добавками, а также медно – графитовые материалы.

Скользящие контакты широко используют в приборах, коллекторных электрических машинах и электрическом транспорте (токосъемники). Они представляют собой пары трения, должны обладать высокими антифрикционными свойствами, причем контакт должен быть мягче, чем контртело и не изнашивать его, так как заменить скользящий контакт проще, чем коллектор или привод. Для обеспечения антифрикционности, в состав смесей для скользящих контактов вводят твердые смазки – графит, дисульфид молибдена, гексагональный нитрид бора. Большинство контактов электрических машин изготавливают из меди с графитом. Контакты приборов изготавливают из серебра с графитом, серебра с палладием, никелем, дисульфидом молибдена, вольфрама с палладием.

Пластиковая сталь включает наночешуйки Al₂O₃ (сапфира) размером порядка 110 нанометров в составе материала «Na⁺-Montmorillonite» (MTM) Основой служит полимерный клей поливиниловый спирт (PVA) плюс глутаральдегид (glutaraldehyde). После нанесения каждый слой высыхался, а затем наносился новый слой. Таким образом формируется материал лёгких, но при этом прочных бронежилетов, корпусов летательных аппаратов и автомобилей, медицинских трансплантатов или деталей иной техники.

Рис. Общий принцип строения пластиковой стали. Коричневым показаны нанопластинки MTM, жёлтым — PVA, голубым — стеклянная подложка, чёрным и зелёным — молекулы глутаральдегида (иллюстрация University of Michigan)..

Полимеры и углеродные нанотрубки Плотность нанотрубок в пять раз меньше, чем стали, а прочность в десятки раз больше. Если между соседними волокнами полимерного материала поместить нанотрубку, связав её с ними углеводородными цепочками, то прочность данного участка материала приблизиться к прочности нанотрубки. Формируется трехмерный полимер из линейных молекул. Таким образом, добавка нанотрубок в 0,6% даёт 4-х кратное увеличение прочности полимера. Учёные считают, что, если нанотрубки будут занимать 10% объёма полимера, то смогут увеличить его прочность в 20 раз!

Рис. Схематическое изображение нанотрубки, встроенной между молекулами полимера, соединённой с ними с помощью бутильных групп (БГ).

Полимер и графен..

Рис. Проводимость композита полистирол/графен как функция объемной доли φ графена в композите. φ_с – порог перколяции. (Northwestern Univ. и Purdue Univ., США).

Процедура отделения графеновых слоев от графита крайне сложна, поэтому один из путей практического использования их уникальных свойств состоит в том, чтобы попытаться изготовить композиты на их основе

Синтез композитов полимер/графен основан на химическом окислении графита, его обработке ультразвуком (при которой происходит расщепление на отдельные окисленные графеновые слои), растворении совместно с полимером в растворителе и последующем восстановлении с целью удаления кислородных групп. В результате образуется твердый композит, характеристики которого почти такие же, как у композитов на основе углеродных нанотрубок, а себестоимость – гораздо ниже (цена графита – несколько долларов за килограмм). При концентрации графена φ ~ 1 об. % проводимость достигает ~ 0.1С/м (что уже достаточно для многих приложений) и быстро увеличивается с ростом φ.

Применение графеновые композиты найдут в солнечных батареях, в компонентах компьютеров (для диссипации избыточного тепла), где проводимость углеродных волокон недостаточно высока, а углеродные нанотрубки слишком дороги.

В волокнисто игольчатом композите в электрическом поле генерируется и поддерживается тлеющий разряд даже при атмосферном давлении. Этому способствуют острые углы наностержней. Как известно, на острие накапливается большой заряд. Это позволяет применять его для различных высокотехнологичных приборов, например, стерилизаторов продуктов питания, генерации озона.

Рис. Разряд в композите.

Дата добавления: 2015-07-11