Композиты и нанокомпозиты — новое и старое

Возьмем в качестве примера такой, на первый взгляд, хорошо известный композит, как фанера. Почему она прочная, много прочнее чем деревянная пластина такой же толщины? Дело в том, что тонкие слои древесины в фанере уложены слоями, в которых ориентация волокон древесины в каждом слое перпендикулярны ориентации в предыдущем. Так вот, оказывается, щиты римских воинов были уже в первом столетии нашей эры сделаны из фанеры. Этот материал после падения Римской Империи был забыт на десятки веков. Второе рождение он получил после второй мировой войны, когда началось «открытие» композитов и их широкое внедрение. Третьему циклу обновления фанеры дали итальянские дизайнеры мебели. Для них технологи-композитчики разработали фанеры красивого вида, шпонированные дорогими породами дерева, с высокими эксплуатационными характеристиками, химостойкими покрытиями и удовлетворяющие экологическим требованиям.

Аналогичные циклы развития прошли и другие композиты: гипрок, триплекс, резины, пористые материалы, бетоны и так далее.

Насколько новыми являются наноматериалы и нанотехнологии? Принято считать, что они открыты в восьмидесятых годах прошлого века, то есть не более 40 лет тому назад. На самом деле нанотрубки были известны задолго до открытия этих нанообъектов японским ученым Ииджимой. Но на работы советских ученых почти не обратили внимания.

Были и другие разработки в области нанотехнологий. Еще в семидесятых годах прошлого века появились электроно-ионообменные волокнистые и гранульные материалы с ультра дисперсной фазой металлов, закрепленной в их структуре. А коллоидные системы: суспензии и эмульсии — изучаются с 18 столетия, в частности М.В.Ломоносовым.

Все было, но вот приставки НАНО не существовало. И будем считать, что с ее внедрением сначала в научный язык, а затем и в бытовой, наноматериалы, нанокомпозиты, нанотехнологии получили очередной виток, даже скачок в развитии.

В настоящее время к нанотехнологиям принято относить технологии получения нанодисперсий и нанопористых тел, создание на их основе нанокомпозитов и наноустройств, манипулирование молекулами и атомами, целый ряд бионанотехнологий.

Не секрет, что почти всегда наиболее передовые и практически значимые разработки можно найти в военных областях деятельности человека. И в большинстве случаев такие разработки и являются действительно новыми или новейшими — им нет отроду и 5–8 лет. О некоторых разработках в военных областях речь пойдет далее.

Кроме того, нанотехнологии, и созданные на их базе нанокомпозиты, нашли свое применение в медицине, косметологии, авиастроении, судостроении.

Вероятно, первыми изобретателями нанооружия стали американцы. По данным Национальной нанотехнологической инициативы (ННИ) США в 2006 году в Афганистане были испытаны системы слежения за передвижением войск союзников НАТО, чтобы координировать их действия. А эксперты Института глобального климата и экологии Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды и Российской академии наук (ФГБУ «ИГКЭ Росгидромета и РАН») утверждают, что нанооружие как разновидность климатического оружия могло быть испытано США еще во Вьетнаме в начале 70-х годов прошлого века. Тогда там искусственно вызывались муссонные дожди. В настоящее время в 43 странах мира проводятся эксперименты по искусственному манипулированию осадками. Только в Китае этой проблемой заняты 84 тысячи ученых, используя 34 специальных самолета.

Представители наноцентров Московского энергетического института и Российского научного центра «Курчатовский институт» не скрывают: «Вектор развития нанотехнологий — оборона». Среди других приоритетов: охрана государственных границ, защита от техногенных катастроф, медицина.

И все же импортные разработки, по крайней мере, теоретические идут на несколько шагов впереди отечественных. Например, сухопутные войска США в 2001 году выдали Массачусетскому технологическому институту контракт стоимостью 50 млн долларов на создание научно-исследовательского центра по применению нанотехнологий для совершенствования индивидуальной экипировки военнослужащих. Институт занимается разработкой экипировки и вооружения в рамках повышения возможностей «солдата будущего». Это будет, собственно, уже не солдат в привычном понимании, а отдельный, самостоятельный и автономный боевой объект, снабженный многофункциональной системой защиты и жизнеобеспечения. Новая форма солдата благодаря композиционным материалам будет толщиной всего несколько миллиметров. Ее планируют создать на основе нановолокна из нанополиуретана, который по структуре напоминает паутину, и внедрить сложные наномолекулярные соединения. В результате этого новая форма будет одновременно совмещать в себе функции бронежилета, а также экзоскелета и универсального медицинского оборудования. Такая «мягкая» броня будет способна защитить солдата от неограниченного количества пуль — в противоположность бронежилетам, где количество принятых пуль ограничено. На рисунке 1 представлен разработанный костюм, так называемый костюм «Скорпион».

Рисунок 1. Костюм универсального солдата «Скорпион»

Кроме того, для повышения жесткости костюма к нановолокнам добавляются наночастицы, которые при определенных воздействиях (вспышка света, повышение интенсивности электромагнитного излучения, подключение источника тока) соединяются между собой и упрочняют общую структуру, а также позволяют изменить электропроводность. Таким образом, создаются отдельные токопроводящие участки костюма, обеспечивающие связь расположенных внутри него сенсоров с управляющей системой и передачу энергии к наноактиваторам экзоскелета.

Рисунок 2. Структурная формула полиэтиленгликоля

В жидкости, которую разработчики выбрали в качестве носителя наночасти — полиэтиленгликоль (формула представлена на рисунке 2), расположена взвесь наноразмерных частиц. Этот реагент хорошо известен, и выпускается в промышленных масштабах. Взвесь частиц образует с полиэтиленгликолем суспензию, обладающую рядом уникальных физических свойств. В частности, она затвердевает при сильном механическом воздействии. Это довольно редкое, но давно известное явление, называется реопиксия. Введение таких коллоидных суспензий в структуру ткани, возможно, позволит защищать боевые единицы, в том числе и солдат от воздействия пуль и снарядов. По данным интернет источников разработки в данной области активно ведутся во всех странах.

Жизненные показатели солдата считывают микроскопические датчики в костюме, данные передаются в медицинский центр, который находится в сотнях километров от места боевых действий. Специалисты дают «костюму» команду сделать необходимые инъекции. «Костюм» же предупредит солдата о химической или биологической атаке.

Униформа будет включать медицинские жгуты, которые при необходимости могут дистанционно затягиваться или ослабляться.

Для того чтобы сделать костюм толщиной в несколько миллиметров достаточно прочным и легким, исследователи планируют создать его на основе структуры паутины и за счет использования пористых композиционных материалов, поры которых могут закрываться, блокируя доступ химическим веществам. А также разработать волокна, которые могут «застывать» в определенном положении, превращаясь в шину для сломанной конечности.

«Изучив структуру паутины, мы создали нановолокна из полиуретана диаметром около 100 нм, которые структурно похожи на обычную паутину, только более гибкие, легкие и жесткие, чем природный аналог», — заявил руководитель команды по биологической и химической защите Института Военных нанотехнологий Паола Хэммонд.

Следует заметить, что все вышеперечисленные функции «Костюма Скорпиона», абсолютно невозможны без использования нанокомпозитов, материалов и разработок на их основе.

Наиболее сложной высокотехнологичной составляющей экипировки является шлем. Через него универсальному солдату будут приходить приказы, отображаясь на защитном стекле. Шлем заменит ему и бинокль, и прибор ночного видения. Солдаты смогут получать изображение с помощью неохлаждаемых инфракрасных камер. Также шлемы оснащены сенсорами, распознающими вибрации костей черепа и челюстей. Подобный механизм работы голосовой системы отодвинет использование привычных микрофонов на задний план. Весь обмен визуальной информацией будет производиться через проектор, который передает информацию прямо на сетчатку. У солдата появится ряд «операционных окон», которые будут информировать бойца о приказах и о противнике, а также будут отображать состояние организма. Солдаты смогут оперативно обмениваться информацией в режиме реального времени с транспортными средствами, роботами поддержки и другой техникой. В этой связи следует упомянуть разработку «умных контактных линз» и микрочипов, вживляемых прямо в глаз и передающих изображения непосредственно в зрительные центры мозга человека.

В рюкзаке за спиной такой боевой живой единицы разместится аппаратура глобальной системы позиционирования, которая не позволит ему заблудиться даже в самой сложной местности, а также система получения питьевой воды, отдел для хранения боеприпасов, источников энергопитания и всего того, что обеспечит подключение к сети. Униформа подключит солдата к разрабатываемой в настоящее время «боевой системе будущего» (Future Combat System), на разработку которой Пентагон уже выделил 15 млрд долларов. Элементами этой системы станут легкие танки, мощные компьютерные сети, а также мощный мобильный флот, состоящий из дистанционно управляемых летательных аппаратов и роботов.

При этом новая униформа будет весить не более 22,5 кг, что намного удобнее сегодняшнего комплекта оборудования, весящего в совокупности 54 кг. Экипировку «солдата будущего» планируется создать к 2020 году. Параллельно с ней разрабатываются боевые нанороботы, которые должны заменить солдат на поле боя. Микроскопические роботы могут стать отличной альтернативой привычному для нас оружию. Например, беспилотные летательные аппараты разбросают тысячи мельчайших наносенсоров на территории противника, которые будут прослушивать местность, звуки вражеской техники и будут передавать информацию в штаб. На рисунке 3 показан один из вариантов наноробота.

Рисунок 3. Наноробот-насекомое — переносчик взрывчатки или биологического оружия

Джон Баркер, профессор Центра исследований в области наноэлектроники в Глазго, заявил, что вместе с коллегами ему удалось создать математическую модель собирания кибернетических микроустройств в стаи. «Большинство частиц могут «разговаривать» только с ближайшими соседями, но когда их много, они могут «общаться» на куда больших расстояниях, — поясняет ученый. — В ходе моделирования мы добились объединения 50 устройств в единый рой и сумели это сделать, несмотря на сильный ветер». По его словам, с помощью микроустройств радиусом в миллиметр можно будет в случае необходимости формировать рой и заставлять их двигаться в нужном направлении. Пентагон моментально нашел способ применения роя таких устройств: облако нанороботов, несущих заряд, окутывает бронированную машину противника и взрывается.

Такое «облако» используется в целях разведки. Распыленное в окрестностях важного объекта «облако» незаметно перемещается в его сторону. В Афганистане американцы уже применяли нечто подобное, получившее название «Smart Dust» («умная пыль»). Микроскопические датчики разбрасывались с самолетов в определенном районе. Их сигналы поступали в командный пункт, где анализировались специалистами. Таким образом собирались данные о расположении отрядов «Талибана», передвижении техники и даже возможных засадах противника.

Рисунок 4. Схема получения пыли из кремниевого чипа (иллюстрация UCSD) [5]

Умная пыль может быть полезной и в защите от ядовитых соединений. Группа исследователей под руководством профессора химии и биохимии Майкла Сэйлора ( Michael Sailor) из калифорнийского университета в Сан-Диего ( University of California, San Diego — UCSD) разработала микроскопические частички, которые были названы «Умная пыль»( Smart Dust). Разработчики получили наноструктуры из углерода и кремния и создали на их основе микросенсоры для обнаружения летучих органических соединений. Создание «умной пыли» — это результат электрохимического процесса механической обработки и химических модификаций. Вначале был взят кремниевый чип, из которого гравировкой получили пористую структуру — типичный щеточный композит.

Руководитель исследования отмечает, что разработанные в его группе сенсоры могут служить для более точного определения степени насыщения активированного углерода в фильтре противогаза, так как сорбционная способность этих материалов и активного угля по отношению к органическим соединениям практически одинаковы. Новые сенсоры отличаются крайне небольшими размерами и высокой чувствительностью, что позволит использовать их для интеграции в противогазы и респираторы.

Рисунок 5. Солнечная батарея на основе аморфного кремния

Отечественным разработчикам тоже есть чем гордиться. Вице-президент Союза машиностроителей России Владимир Гутенев во время своего выступления перед слушателями Военной академии РВСН имени Петра Великого рассказал о российских разработках оружия на основе использования нанокомпозитов и наноматериалов. Владимир Гутенев подчеркнул, что ряд инновационных научно-технических заделов уже создан. Речь идет о перспективном нановооружении, которое основано на новых физических принципах. Ведутся разработки и геофизического оружия, которое в данный момент не имеет аналогов в мире. Среди разрабатываемого вооружения есть и нанороботы, которые впервые были представлены в закрытой экспозиции форума «Армия — 2016». Более подробная информация об этих разработках, к сожалению, строго засекречена. Также российские ученые трудятся над созданием высокопрочных материалов, таких как «жидкая броня», мощных энергоисточников («аморфный кремний», над которым работает НПП «Квант»), невидимых и меняющих цвет нанообъектов, наноматериалов для униформы военнослужащих, новой защиты от оружия массового поражения и других.

Рисунок 6. «Умные линзы»

Рисунок 7. Схема работы «Умных линз»

Сразу над двумя крупными проектами работают в лаборатории Национального исследовательского института Бионанотехнологии КФУ. В основе обоих проектов — микроскопические нанотрубки, из них пробуют создать искусственные органы и эффективное средство против рака. Ученые исследуют возможность нанотрубок, полученных из галлуизата, чтобы доставлять лекарства непосредственно в зараженные клетки. Галлуизат — дешевое глинистое вещество, в промышленности и медицине используется уже десять лет. Научный руководитель лаборатории бионанотехнологии КФУ Равиль Фахруллин утверждает: « Такие контейнеры будут осуществлять выброс лекарств только в тех клетках, в которых нужно — в больных клетках. Трубки должны поступать в раковые клетки и высвобождать лекарство внутрь раковых клеток, что приведет к их гибели».

Возможности таких нанотрубок огромны, с их использованием можно помочь адаптироваться живым клеткам к местам, не пригодным для жизни. Эти клетки напоминают по форме конфеты «Рафаэолло». Клетки, которые покрыты нанотрубками, наполнены питательными веществами. И сами по себе такие клетки обеспечивают питательными веществами организм и механическую защиту.

Еще одно из ведущих направлений российских исследований в области наномедицины — возможность создавать искусственные органы, которые придут на замену донорским. По замыслу из нанотрубок создается своеобразный каркас, который затем обрастает искусственными тканями. До сенсаций пока далеко, но первые результаты обнадеживают. Исследования в этой сфере ведутся совместно с другими университетами мира, в том числе Китая и США.

Государственная корпорация «Российская корпорация нанотехнологий» (РОСНАНО), выступая соинвестором в нанотехнологических проектах со значительным экономическим или социальным потенциалом, уже утвердила и реализует несколько проектов, продукция которых может использоваться в медицине и здравоохранении.

Это разработка и вывод на мировой рынок серии вакцин на основе наноплатформы нового поколения. Целью проекта является создание линейки инновационных продуктов, представляющих широкий спектр терапевтических применений, распространяющийся на онкологические заболевания, аутоиммунные и инфекционные заболевания, а также разные типы зависимостей. Основным продуктом, который планирует разрабатывать в России компания «Селекта (РУС)», будет эффективная вакцина для лечения никотиновой зависимости. Кроме того, компания будет принимать участие в программах разработки других инновационных продуктов, в том числе универсальной вакцины против вируса папилломы человека и универсальной вакцины против гриппа.

Анализируя все вышесказанное, можно с уверенностью сказать, что научные прорывы, произошедшие в последние годы, демонстрируют высокий потенциал нанотехнологий. Они оказывают влияние на боевые возможности систем военной отрасли, а также, позволяют создать нано композиционные материалы с высокими технологическими и эксплуатационными показателями для обеспечения максимальной физической и химической защиты, как военных, так и гражданского населения.

Статья была опубликована в журнале "Композитный мир", номер 1 (76) 2018