Сотрудники лаборатории полимерных материалов Курчатовского института создали принципиально новый наполнитель для электрореологических жидкостей. Суспензия на основе полидиметилсилоксана и пористых наночастиц хитозана оказалась способна переходить из жидкого состояния в твердое под действием электрического поля. У подобных «умных жидкостей» множество применений: амортизаторы, «мышцы» роботов, клапаны, различные устройства для виброзащиты. Работа опубликована в журнале Carbohydrate Polymers.
Возможность создания таких жидкостей была открыта еще в 1947 году американцем Уиллисом Уинслоу. Он обнаружил, что если смешать диэлектрическую жидкость (например, масло) с измельченным наполнителем, то данная смесь становится гелем при пропускании электрического тока и ведет себя как жидкость при его отсутствии. Под действием электрического поля частицы наполнителя поляризуются и образуют структуры, влияющие на характеристики смеси. Меняя наполнитель — в этой роли может выступать множество веществ, от фуллеренов до муки и крахмала, — варьируя размер его частиц и, что немаловажно, структуру, можно влиять на поведение электрореологических жидкостей.
Авторы нынешнего исследования предложили использовать высокопористые частицы хитозана в качестве наполнителя. Для получения частиц полимер растворяли в уксусной кислоте и распыляли над жидким азотом, замороженные капельки переносили в емкость, охлажденную до –24 °С, после чего капли подвергали сублимационной сушке. В результате образовались высокопористые округлые частицы, структура которых внешне несколько напоминает шарики из сухих завтраков.
«Формирование пористой структуры происходит за счет кристаллизации растворителя в процессе заморозки. После сушки остается исключительно полимерный каркас, прочность которого также можно изменять за счет концентрации полимера в исходном растворе», — рассказал один из авторов работы, научный сотрудник отдела нанобиоматериалов и структур НИЦ «Курчатовский институт» Юрий Загоскин.
В качестве основы для электрореологической жидкости использовали низкомолекулярный полимер полидиметилсилоксан. Благодаря высокой пористости, смесь проявляла электрореологические свойства при крайне низких концентрациях наполнителя. Помимо экономической выгоды, низкое содержание частиц приводит к более контрастному изменению свойств: без электрического поля жидкость имеет низкую вязкость, а при воздействии переходит в «твердое» состояние.
«Высокая пористость позволяет молекулам среды проникать внутрь частиц. Таким образом, наполнитель работает как фрагмент заранее сформированной сетки по сравнению с традиционными наполнителями, состоящими из индивидуальных частиц», — пояснил один из авторов работы, научный сотрудник отдела нанобиоматериалов и структур НИЦ «Курчатовский институт» Никита Кузнецов.
Также структура наполнителя оказалась эффективна и в борьбе с «ахиллесовой пятой» электрореологических жидкостей — осаждением. Смесь оставалась стабильной на протяжении не менее месяца. Кроме того, высокопористая структура частиц хитозана открывает возможности для их дальнейшей модификации: например, в порах могут быть размещены ионы металлов или полярные молекулы, влияющие на диэлектрические характеристики наполнителя, что приведет к еще более высокой электрореологической активности.
