Материалы для современной техники. Искусственные кристаллы. Полимеры и химические волокна

Задумывались ли вы, из чего сделаны вещи вокруг нас? Ваш смартфон, куртка, зубная щётка, детали космического корабля или даже медицинский шприц – всё это сделано из материалов, которые ещё 100 лет назад казались фантастикой! Сегодня мир техники развивается невероятно быстро. И во многом это заслуга новых, удивительных материалов. Мы поговорим о трёх больших группах таких «супергероев» современности: искусственных кристаллах, полимерах и химических волокнах. Мы не только узнаем, что это такое, но и увидим, как именно они работают в самых разных устройствах и технологиях, и познакомимся с новейшими разработками!

Полимеры – Царство Пластмасс

Полимеры – это вещества, имеющие очень длинные молекулы, состоящие из нескольких тысяч атомов (как длинная цепочка из одинаковых бусин).

Существуют природные полимеры. Природные полимеры – это ДНК в наших клетках, белки, целлюлоза в деревьях, шерсть.

Но человек научился создавать свои, синтетические полимеры, и это произвело настоящую революцию! Синтетические полимеры – это полимеры, созданные человеком из нефти, газа или угля. Как их создают? Основной метод – полимеризация: маленькие молекулы-мономеры (как отдельные бусины) под действием катализаторов и температуры соединяются в длинные цепи (полимеры). Представьте, как тысячи маленьких машинок Лего сами собираются в огромный корабль!

Среди полимеров очень важны пластмассы.

Первую пластмассу создал английский металлург и изобретатель Александр Паркс в 1855 году, присвоив ей имя паркезин (со временем закрепилось иное наименование – целлулоид).

Паркезин часто называли искусственной слоновой костью. Впервые публике материал продемонстрировали на Лондонской Всемирной выставке спустя семь лет (в 1862 году).

В 1907 году бельгийский и американский учёный-химик Лео Бакеланд представил миру бакелит – первый доступный, огнестойкий и универсальный полностью синтетический пластик. Стремительно развивающаяся электрическая инфраструктура Америки нуждалась в надёжном изоляционном материале взамен дорогого эбонита и шеллака. Однако вскоре выяснилось, что бакелит идеально подходит для автоматизированного массового изготовления широкого спектра изделий. 

Параллельно аналогичные исследования проводились и в России. В период 1913–1914 годов на шёлкоткацкой фабрике деревни Дубровка близ города Орехово-Зуево группа учёных во главе с Григорием Семёновичем Петровым успешно синтезировала отечественный аналог бакелита – карболит, запустив его промышленное производство.

В марте 1933 года благодаря британским учёным Реджинальду Гибсону и Эрику Фосетту состоялось открытие полиэтилена. А технологические основы промышленного выпуска были разработаны двумя годами позже.

Полиэтилен (ПЭ) – самый распространённый пластик! Из него делают:

·     Пакеты (магазинные, для завтрака, для мусора).

·     Бутылки (для молока, шампуня, бытовой химии).

·     Игрушки (ведёрки, лопатки).

·     Трубы для воды и канализации.

·     Упаковочную плёнку (стрейч-плёнка, пузырчатая плёнка).

Почему он так популярен? Всё просто. Он дешёвый, прочный, гибкий, не боится воды и многих химикатов.

Поливинилхлорид (ПВХ). Он появился значительно раньше. Немецкий химик Ойген Бауман открыл его ещё в 1872 году. Однако лишь в конце 1920-х гг. американская промышленность смогла организовать его массовое производство.

Поливинилхлорид – очень универсальный пластик. Исходно он жёсткий. Но если добавить специальные добавки (пластификаторы), то он становится гибким.

Жёсткий ПВХ применяется, например, при создании оконных рам, сайдинга для домов, труб и пластиковых карт.

Гибкий ПВХ используют при изготовлении напольных покрытий (например, линолеума), искусственной кожи для курток и сумок, изоляции электрических проводов, медицинских капельниц, надувных лодок, бассейнов и так далее.

Полистирол. Производство полистирола стартовало в Германии в 1930-х гг.. Полистирол бывает двух основных видов:

Обычный прозрачный (из него делают, например, стаканчики для йогурта, коробочки для CD/DVD, прозрачные упаковочные коробки, одноразовая посуда, линейки и тому подобное).

И вспененный полистирол (пенопласт). Он лёгкий как пух (на 95 % состоит из воздуха). Это отличный утеплитель для стен домов, упаковка для хрупкой техники (телевизоры, холодильники), одноразовые лотки для еды, спасательные круги и жилеты (потому что не тонет!), материал для создания макетов зданий при моделировании.

В 1941 году было американской корпорацией было разработано полиэфирное волокно и освоено производство тканей на его основе под названием лавсан или полиэтилентерефталат (ПЭТ).

А как вы думаете, где, кроме тканей, мы встречаем лавсан? Конечно же – в пластиковых бутылках. ПЭТ-бутылка была запатентована в 1973 году. А распространению бутылок из ПЭТ способствовала их сравнительная дешевизна и практичность. Сейчас в мире уделяется особое внимание по переработке ПЭТ-бутылок, чтобы предотвратить загрязнение окружающей среды пластиком и микропластиком. Во многих регионах их собирают отдельно от других бытовых отходов.

А что ещё из полимеров?

Эпоксидные смолы – супер-клей для всего! Их используют для склеивания металлов, пластиков, в ремонте лодок, в производстве лыж и сноубордов, в электронике для заливки микросхем.

Силиконы – очень гибкие, термостойкие и инертные (не вступают в реакции). Из них делают формы для выпечки, медицинские имплантаты (например, искусственные суставы), герметики для ванн и окон, кухонные лопатки.

«Умные» полимеры – это уже почти фантастика! Например, есть полимеры, которые меняют свойства под действием среды! Так гидрогели могут разбухать в воде. Их используют при производстве линз, подгузников и носителей лекарств. Есть полимеры с памятью формы (они возвращаются в исходную форму при нагреве).

Теперь поговорим об искусственных кристаллах – основе высоких технологий.

Кристаллы – это не просто красивые камушки в мамином кольце или соль на столе. Это вещества, где атомы расположены в строгом, упорядоченном виде, как солдаты на параде. Природные кристаллы растут медленно и часто с дефектами. Учёные научились выращивать искусственные кристаллы в лабораториях – большие, сверхчистые и с заданными свойствами. Это фундамент современной электроники, оптики, лазерной техники и многого другого!

Кристаллы-полупроводники – это сердце практически всей современной электроники. Без них не было бы компьютеров, смартфонов, телевизоров и солнечных батарей. Самый известный – кремний – абсолютный король! Более 95 % всей электроники работают на кремнии. Из тончайших пластинок кремния делают микропроцессоры (мозг компьютера) и чипы памяти. Но есть и другие. Например, арсенид галлия используется для сверхбыстрых микросхем и лазерных диодов в проигрывателях Blu-ray. А нитрид галлия применяют для мощных светодиодов LED и зарядных устройств.

Один из первых кристаллов, который научились выращивать в лабораториях был искусственный рубин. Он не только красивый (используется в ювелирных украшениях как замена природному), но и обладает удивительным свойством: он – ключевая часть лазера!

Первый в мире лазер использовал именно искусственный рубин. Сейчас лазеры на разных кристаллах везде: в указках, считывателях штрих-кодов, лазерных принтерах, системах связи по оптоволокну, в медицине (хирургия глаза). А на заводах лазеры используют для резки металла.

Все вы слышали о керамической посуде, в которой мы готовим и из которой мы принимаем пищу каждый день. Но современная техническая керамика – это не горшки! Это сверхпрочные материалы на основе кристаллов оксидов, нитридов, карбидов. Они очень твёрдые, жаропрочные, стойкие к износу и химии. Их используют, например, как:

Термобарьерные покрытия: тонкий слой керамики (часто из оксида циркония) защищает лопатки турбин в реактивных двигателях самолётов и электростанций от чудовищного жара (до 1500 °C).

Режущий инструмент: пластины из нитрида бора или карбида кремния режут металлы лучше и дольше, чем сталь.

Биокерамика: искусственные кости и суставы (из оксида алюминия, гидроксиапатита).

Есть и другие важные кристаллы. Среди них синтетический сапфир. Он очень твёрдый и прозрачный. Из него делают сверхпрочные стекла для часов (например, дорогих швейцарских) и иллюминаторы космических кораблей.

Химические волокна – одежда, техника и будущее

Волокна – это тонкие, гибкие нити. Химические волокна получают не из растений (как хлопок или лён) или животных (как шерсть или шёлк), а путём химических реакций. Они делятся на две большие группы:

1. Искусственные волокна. Их делают из природного сырья (чаще всего – целлюлозы из древесины), но химически перерабатывают.

Самый известный пример – вискоза. Она похожа на хлопок или шёлк. Используется для блузок, платьев, подкладки костюмов, домашнего текстиля. Ткань мягкая, дышащая и хорошо впитывает влагу.

Ацетат / триацетат. Он похож на шёлк. Чаще всего используется для подкладки, галстуков, платьев и зонтов.

Лиоцелл. Это современное волокно, которое получают экологичным способом. Оно очень прочное (даже во влажном состоянии!), гигроскопичное, мягкое, гипоаллергенное и обладает антибактериальными свойствами. Применяют волокно для пошива качественной одежды (от нижнего белья до джинсов), постельного белья и медицинских материалов.

2. Синтетические волокна. Их получают путём полного химического синтеза полимеров из продуктов нефтепереработки. Вот самые распространённые:

Полиэстер (лавсан) – король синтетики! Очень прочный, износостойкий, не мнётся и быстро сохнет. Используется очень широко: куртки, спортивная одежда, футболки, постельное белье, шторы, тенты, верёвки, утеплители (синтепон, холлофайбер), наполнитель для мягких игрушек и мебели. Часто смешивается с хлопком или шерстью, чтобы улучшить их свойства.

Полиамид (известный нам как нейлон или капрон). Он очень прочный и эластичный. Представьте, капроновая нить диаметром всего в 0,1 миллиметра выдерживает груз массой более 0,55 кг. Первые женские колготки, парашюты, верёвки для альпинистов, рыболовные сети, зубные щётки, подушки безопасности в машинах – всё это про полиамид.

Эластан (лайкра, спандекс). Супер-растяжимое волокно – растягивается в 6–8 раз. Поэтому он никогда не используется один. Его добавляют в небольших количествах (2–20 %) к другим волокнам (хлопку, полиэстеру или шерсти) для придания эластичности. Джинсы «стрейч», спортивная одежда (леггинсы, велосипедки), купальники, нижнее белье и носки – это всё про эластан.

Сейчас учёные научились создавать волокна с особыми свойствами. Их ещё называют «умными» волокнами. Среди них:

Мембранные ткани, которые не продуваются ветром, не пропускают дождь, но при этом «дышат» – выводят пот наружу. Они идеально подходят для изготовления для горнолыжных костюмов и курток для активного отдыха.

Углеродное волокно. Нет, конечно же это не ткань для одежды. Это суперпрочные и очень лёгкие нити из углерода (они легче алюминия, но при этом прочнее стали). Из них изготавливают детали самолётов, ракет и спутников), кузова спорткаров и велосипедов, медицинских шин и протезов.

Помимо всего прочего, учёные научились изготавливать композиты (композиционные материалы). Это не один материал, а «бутерброд» или смесь разных материалов, которые вместе работают лучше, чем по отдельности.

Классический пример – стеклопластик (стеклянные волокна + полимерная смола). Он прочный и лёгкий. Его используют для изготовления корпусов лодок, бассейнов, труб. Более продвинутый вариант – это углепластик (карбон) (углеродные волокна + смола) – он ещё прочнее и легче.

Жаропрочные сплавы – особые сплавы металлов (часто на основе никеля, кобальта, титана), которые не теряют прочность при очень высоких температурах. Без них невозможны реактивные двигатели самолётов и ракет, турбины электростанций, части мощных промышленных печей.

Вот так! Мы познакомились с удивительным миром современных материалов, которые формируют нашу реальность.