Полiт.ua Государственная сеть Государственные люди Войти
10 декабря 2016, суббота, 21:28
Facebook Twitter LiveJournal VK.com RSS

НОВОСТИ

СТАТЬИ

АВТОРЫ

ЛЕКЦИИ

PRO SCIENCE

ТЕАТР

РЕГИОНЫ

Полимеры и нанотехнологии

Структуры сополимеров
Структуры сополимеров
Wikimedia Commons
 
Партнер проекта

10 октября в рамках проекта «Публичные лекции "Полит.ру"» доктор физ.-мат. наук, академик РАН, профессор МГУ, проректор, начальник Управления инновационной политики и международных научных связей МГУ, председатель Совета по науке при Министерстве образования и науки РФ Алексей Ремович Хохлов прочитал лекцию на тему: «Полимеры в контексте "нано"».

 

До рубежа XIX – XX веков наука изучала лишь объекты, который человек может увидеть (невооруженным глазом или с помощью оптических приборов), то есть такие объекты, размер которых больше, чем длина световой волны (400 – 700 нм). Затем в сферу внимание науки попали и объекты микромира: сначала атомы, потом элементарные частицы, размер которых менее одного нанометра. Диапазон от 1 до приблизительно 500 нанометров долго оставался обойден вниманием.

Между тем этот диапазон очень важен. На этом уровне осуществляются все молекулярные механизмы, которые лежат в основе жизни. Структура веществ на наноуровне определяет их свойства. Хотим ли мы узнать, как работает катализатор химической реакции или как происходит перенос нервного импульса в синапсе, без обращения к наномасштабу нам не обойтись.

С развитием миниатюризации в производстве микросхем появилось и понятие нанотехнологий, которое сейчас распространилось далеко за пределы этой конкретной области. Особое место нанотехнологий объясняется тем, что многие обычные технологии уже трудноприменимы к нанообъектам. Однако на этом уровне устройства веществ становится возможным использовать принципиально новые методы, например, способность молекул к самоорганизации, когда они за счет взаимодействия между различными частями молекул (например, в результате действия ван-дер-ваальсовых сил) или просто за счет теплового движения образуют упорядоченные структуры. Именно такая самоорганизация материи позволяет возникать структурам в клетках живых организмов. В клетках синтезируются молекулы ДНК и РНК, различные белки и так далее. А. Р. Хохлов привел впечатляющий пример: если представить себе совокупную длину молекул ДНК, которые синтезируются в человеческом организме за время жизни человека, и выстроить в одну линию, то их общая длина составит два световых года. Пока еще никакие созданные человеком системы синтеза не могут сравниться с “простой” живой клеткой.

В связи с этим возник биомиметический метод, в котором молекулярное устройство живых систем становится образцом для тех систем, которые создают люди. И эти биологические молекулы, функционирование которых мы хотели бы использовать, представляют собой полимеры. Напомним, что полимеры – это вещества, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся звеньев (мономеров). Вот примеры двух широко известных полимерных соединений:

Полиэтилен

…—CH2—CH2—CH2—CH2—…

Поливинилхлорид

…— CH2—CHCl—CH2—CHCl—CH2—CHCl—CH2—CHCl—…

Мы видим, что у полиэтилена мономером является группа CH2, а у поливинилхлорида – CH2—CHCl. Молекулы полимеров называют макромолекулами. У синтетических полимеров число звеньев в полимерной цепи обычно от 10 до 10000. У природных веществ оно может быть значительно больше. Молекула ДНК, например, может состоять из 109 – 1010 нуклеотидов. Использование природой полимеров обусловлено рядом их свойств, которые, в свою очередь, вызваны их строением.

Важнейшие черты полимеров: длинные цепи из звеньев-мономеров, большое количество этих звеньев и гибкость цепей. Поскольку макромолекулы представляют собой длинные цепи, у отдельных мономеров нет свободы независимого движения, а значит в полимерных системах ниже энтропия. Это и обуславливает способность полимерных систем к самоорганизации. Даже небольшое энергетическое взаимодействие между группами атомов приводит к упорядочению в их расположении.

Такая самоорганизация возникает, например, в материалах, которые состоят из молекул блок-сополимеров. Блок-сополимер – это разные полимерные цепочки, соединенные между собой в одну при помощи ковалентной химической связи. В простейшем случае блок-сополимер объединяет две разные цепочки, но их может быть и больше, форма их соединения может быть самой разнообразной. Если мы возьмем блок-сополимер, две компоненты которого стремятся отклониться друг от друга (опять-таки за счет ван-дер-ваальсового взаимодействия), то полностью расслоиться они не смогут, ведь компоненты молекулы соединены ковалентной связью. Однако это отталкивание приведет к тому, что цепочки макромолекул сориентируются в пространстве, в результате в материале возникнет структура. В зависимости от относительной длины двух компонентов блок-сополимера это могут быть сферы из одного компонента, окруженные другим, или цилиндры, или слои и так далее. Поэтому, просто синтезируя блок-сополимерные макромолекулы с разным соотношением длин, можно проводить дизайн полимерных наноструктур.

Это находит практическое применение. Одно из таких применений – создание термопластичных эластомеров. Например, берется блок-сополимер, компоненты которого – это полиизопрен и полистерол. Полиизорен – это каучук, полистирол – полимер, который при комнатной температуре твердеет. Соединив их в нужной пропорции, мы можем получить материал, в котором на наноуровне в резиновой массе будут сферические включения полистирола. Если поднять температуру, полистирол расплавится, и этой резине можно будет придать новую форму.

Алексей Хохлов рассказал и о применение расслоения блок-сополимеров при создании ультратонких наноструктурированных пленок. Если цепочки одной из макромолекул, входящих в блок-сополимер, образуют в нем слои или цилиндры, то у них может быть разное пространственное расположение. Цилиндры могут быть ориентированы перпендикулярно поверхности пленки, а могут – параллельно. В зависимость от этого пленка может иметь разные свойства, например, “позволять” или “не позволять” другим молекулам диффундировать сквозь себя. А. Р. Хохлов описал, предложенный им и его коллегами метод, позволяющий обеспечить нужную наноструктуру в пленке. Выяснилось, что для этого нужно, чтобы подложка, на которой образуется пленка, сама была наноструктурированной. На ней должны быть участки, которые по-разному притягивают компоненты блок-сополимера.

Другой пример использование наноструктур в полимерах – топливные элементы. Это электрохимические устройства, которые преобразуют химическую энергию в электрическую. Топливом для такого элемента служит, например, водород. Молекулы водорода подаются на анод, там они расщепляются при помощи платинового катализатора. Протоны через полимерную мембрану отправляются к катоду, а электроны мембрана не пропускает, поэтому они идут во внешнюю цепь и в ней возникает ток. На катоде в результате соединения электронов, протонов, прошедших сквозь мембрану и кислорода воздуха получается вода. Пока такие топливные элементы используются в космических и военных технологиях, но со временем, когда этот способ производства энергии станет окупаться, они могут заменить привычные нам бензиновые двигатели. Важный плюс топливных элементов – экологическая чистота. Полимерные наноструктуры используются в ключевой детали топливного элемента – мембране, которая проводит протоны.

О других примерах использования полимеров в нанотехнологии можно узнать из видеозаписи лекции.

Обсудите в соцсетях

Система Orphus
Loading...
Подпишитесь
чтобы вовремя узнавать о новых спектаклях и других мероприятиях ProScience театра!
3D Apple Big data Dragon Facebook Google GPS IBM iPhone MERS PRO SCIENCE видео ProScience Театр SpaceX Tesla Motors Wi-Fi Адыгея Александр Лавров альтернативная энергетика Анастасия Волочкова «Ангара» антибиотики античность археология архитектура астероиды астрофизика аутизм Байконур бактерии библиотека онлайн библиотеки биология биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера бозон Хиггса британское кино Византия визуальная антропология викинги вирусы Вольное историческое общество Вселенная вулканология Выбор редакции гаджеты генетика география геология геофизика глобальное потепление грибы грипп дельфины демография дети динозавры ДНК Древний Египет естественные и точные науки животные жизнь вне Земли Западная Африка защита диссертаций землетрясение зоопарк зрение Иерусалим изобретения иммунология инновации интернет инфекции информационные технологии искусственный интеллект ислам историческая политика история история искусства история России история цивилизаций История человека. История институтов исчезающие языки карикатура католицизм квантовая физика квантовые технологии КГИ киты климатология комета кометы компаративистика компьютерная безопасность компьютерные технологии космос криминалистика культура культурная антропология лазер Латинская Америка лексика лженаука лингвистика Луна мамонты Марс математика материаловедение МГУ медицина междисциплинарные исследования местное самоуправление метеориты микробиология Минобрнауки мифология млекопитающие мобильные приложения мозг моллюски Монголия музеи НАСА насекомые неандертальцы нейробиология неолит Нобелевская премия НПО им.Лавочкина обезьяны обучение общество О.Г.И. одаренные дети онкология открытия палеолит палеонтология память папирусы паразиты педагогика планетология погода подготовка космонавтов популяризация науки право преподавание истории продолжительность жизни происхождение человека Протон-М психология психофизиология птицы РадиоАстрон ракета растения РБК РВК РГГУ регионоведение религиоведение рептилии РКК «Энергия» робототехника Роскосмос Роспатент русский язык рыбы сердце сериалы Сингапур сланцевая революция смертность СМИ Солнце сон социология спутники старообрядцы стартапы статистика такси технологии тигры торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология Фестиваль публичных лекций физика физиология физическая антропология фольклор химия христианство Центр им.Хруничева школа школьные олимпиады эволюция эволюция человека экология эмбриональное развитие эпидемии этика этнические конфликты этология Юпитер ядерная физика язык

Редакция

Электронная почта: politru.edit1@gmail.com
Адрес: 129343, Москва, проезд Серебрякова, д.2, корп.1, 9 этаж.
Телефоны: +7 495 980 1893, +7 495 980 1894.
Стоимость услуг Полит.ру
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003г. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2014.