В Институте химии силикатов РАН испытывают «магическую» технологию
По-простому эту магию можно проиллюстрировать так: 5-летний ребенок одной рукой поднимает маломерное судно. Или так: вас не разбудит соседская вечеринка, даже если хозяева приставят динамики к стене. Идея Института химии силикатов и академика Владимира Шевченко выиграла один из самых «труднодоступных» грантов, от РНФ - Российского научного фонда. Это значит, государство весьма заинтересовано.
ФОТО АВТОРА
«Сердечки» и «макароны»
На столе лежат образцы - небольшие кубики, ажурные, будто в них проели извилистые ходы невидимые жуки. Но проели аккуратно - в виде сердечек, восьмерок, да хоть макарон-рожков. Из-за этих каналов пластмассовый кубик получился легчайшим: граммов восемь. Но даже если на это «кружево» наступит мужчина весом 80 кг - выдержит. Это так называемые сотовые структуры.
Вообще-то сотовые структуры используют уже лет 70 в оборонных и гражданских технологиях. Например, в домостроении: «сотовые» панели зданий лучше сохраняют тепло из-за воздуха в «дырочках». Пористость позволяет облегчить детали в кораблях, самолетах, машинах.
- Сотовые конструкции дают возможность оптимизировать соотношение между прочностью материала и весом, - поясняет академик Владимир Шевченко. - А это соотношение - важнейший принцип. Сделаем материал сплошным - будет прочным, но слишком тяжелым. Сделаем пористым - будет легче, но надо искать баланс, чтобы не потерять в прочности.
Но рукотворным сотовым структурам, из которых сделаны нынешние материалы, очень далеко до той эффективности, которую придумала природа. Она не вырезает в материале нужные ей ячейки - она выращивает материал сразу с ячейками. Вы не выдолбите в стволе дерева ту совершенную систему сосудов, которую запросто создает природа, причем оптимально распределив все нагрузки - сделав канал где-то уже, где-то шире, где-то со стенками потолще, где-то потоньше. И все это в микроскопических размерах.
Такие «природные» сотовые конструкции (их называют трижды периодические поверхности минимальной энергии) человечество создавать тоже научилось, но только в уме, математически. Получить такой материал было практически невозможно из-за очень сложных форм.
- Все изменилось после 3D-революции, когда появились технологии 3D-печати, - говорит академик.
Эти технологии как раз позволяют выращивать структуру - подобно тому, как это делает природа. Вы, условно говоря, не вырезаете микеланджеловского Давида из куска мрамора, отсекая все лишнее, а «послойно» и «безотходно» этого Давида печатаете в объеме. Вы не высверливаете в материале микроскопические извилистые каналы-соты, а сразу создаете деталь, попутно оставляя в ней эти каналы.
Кружевные кубики, которые сейчас «выращивают» в институте, - это, в общем, то, что до недавних пор удавалось только природе. И это прототипы будущих материалов.
Ферма лабиринтов
В институте эти кубики печатают на особой «ферме», как ее неформально называют, - в комнате с 3D-принтерами.
- Представим себе автомобильный бампер, - говорит доктор технических наук Максим Сычев, ведущий научный сотрудник лаборатории исследования наноструктур. - При аварии задача бампера - разрушиться, но поглотив энергию от столкновения. В бампере и сейчас применяется так называемый сотовый заполнитель, просто не такой сложной формы.
Его аспирант Лев Лебедев добавляет: а можно вырастить бампер с такой структурой, что энергия от удара будет поглощаться еще эффективнее:
- Внутри такой конструкции будет «лабиринт» - одни части работают как ребра жесткости, другие, наоборот, сминаются.
А, например, звукопоглощению послужит «лабиринт» какой-нибудь другой конфигурации: звук входит в него и «запутывается».
Одни ажурные фигурки выращивают за час, другие за полдня. Зависит от сложности. Здешние принтеры, говорят, по цене смартфона. У дешевого оборудования свои плюсы: его можно модифицировать. Правда, тем квалифицированнее должен быть специалист. «Это как со сломанной дешевой машиной: чтобы на ней ездить, надо починить, а чтобы починить - надо в этом разбираться», - поясняет Лев Лебедев.
Он занимается одним из самых современных методов программирования - графическим: создает на компьютере эти всевозможные формы - «играет» с количеством и формой ячеек, их размерами. Осваивал по самоучителю.
Максим Арсентьев, научный сотрудник лаборатории исследования наноструктур, - тоже за компьютером. Это виртуальный испытательный полигон:
- Структуры очень сложные, надо проследить, как в них распределяется напряжение. Если неравномерно, в каком-то месте деталь может сломаться.
Это все химия!
- Вообще считается, что ученый должен каждые 10 - 12 лет браться за что-то абсолютно новое. Но я уже не думал, что у меня это новое появится, - говорит Владимир Шевченко. - Оно бы и не появилось, если бы не аддитивные технологии, технологии «выращивания».
Этой новой темы, уверен ученый, точно хватит не на 10 - 12 лет, а на все сто.
Институт химии силикатов - один из немногих в стране, если не первый, кто занимается созданием подобных материалов. За рубежом работы ведутся, но открытых публикаций негусто - технологии разрабатываются в первую очередь «для оборонки».
- Владимир Ярославович, вот институт называется «химии силикатов», а где тут, в этих кубиках, химия?
Академик почти возмущен:
- Это все - великая препаративная химия! Существует глубокая связь, возникающая в процессе твердофазной химической реакции, между реакционно-диффузионным механизмом Тьюринга и формированием трижды периодической поверхности минимальной энергии.
По правде говоря, в объяснении мы распознаем только фамилию великого Тьюринга, «расколовшего» немецкую шифровальную машинку «Энигма».
...Грант РНФ на три года, сейчас ученые в середине пути.
- Владимир Ярославович, наверное, уйма лет пройдет, пока обычный человек эти технологии увидит в быту.
- В следующем году уже будем испытывать на реальных конструкциях - теплозащита, звукопоглощение, защита от экстремальных механических нагрузок. Панели в домах будут гораздо эффективнее по теплоизоляции, по звукоизоляции. В самолетах двигатели будут легкими, экономичными и опять же со звукоизоляцией. Маломерные суда - очень прочными и легкими, ребенок сможет поднять. Дело ближайшего будущего. Но, что существенно, грант дает возможность сформировать молодежную лабораторию. Эти «дети» скажут новое слово в материаловедении. Они опережают нас в информатике, я их уже никогда не догоню, но я могу предложить идею. В общем, так: идеи наши - «бензин» их.
P. S. В начале мая президент страны подписал указ о награждении академика В. Я. Шевченко орденом Александра Невского - «за большой вклад в развитие науки и многолетнюю добросовестную работу».
Материал был опубликован в газете под № 117 (6226) от 03.07.2018 под заголовком «Вырастить лабиринт».
Комментарии