Как сообщает портал Сегодня, сталь и пластик скоро уступят место новым революционным материалам - водотталкивающим, теплонепроницаемым и фантастически прочным.

Материальная революция. С помощью химии и нанотехнологий ученые скоро отправят "на пенсию" металл, пластик и дерево

Одежда, которая не пачкается и потому не нуждается в регулярной стирке, сковородка, поверхность, которой действительно никогда не пригорает, баки для ракетного топлива, к которым не пристают его агрессивные компоненты, - все это скоро станет возможным благодаря открытию американских ученых, которое стало одной из самых громких научных сенсаций уходящего года.

Группа химиков под руководством Гаррета МакКинли из Массачусетского технологического института разработала сверхтонкую сеть из полимерных волокон, переплетенных особым образом. Эту сеть можно нанести на любую поверхность и сделать ее несмачиваемой для любых жидкостей.

На пресс-конференции, посвященной открытию, ученые покрыли химическим составом составом гусиное перо и продемонстрировали, как после этого оно стало отталкивать пентан - легчайший жидкий углеводород. Выбор столь экзотической жидкости был не случайным - отталкивать воду могут многие из известных материалов. Например, сами по себе гусиные перья, породившие пословицу «как с гуся вода». В то же время простые органические вещества, входящие в состав, например, бензина или керосина, способны эффективно смачивать практически любые поверхности, даже легендарный тефлон.

В ходе экспериментов было установлено, что в способности поверхности контактировать с водой определенную роль играет и ее геометрия, связанная с действием капиллярных сил, поясняет МакКинли. Поэтому суть новой технологии заключается в том, что с помощью микроскопической полимерной сетки поверхности придается определенная текстура - узор из вымок и бугорков. Правильно подобрав углы, под которыми вода перемещается между этими «шероховатостями» поверхности, ученые добились того, что в текстуре всегда сохраняются небольшие островки воздуха под слоем жидкости. Иными словами, создаются условия, при которых капиллярные силы не позволяют жидкости полностью смочить поверхность.

Методика была отработана на кремниевых пластинах, применяемых в микроэлектронике. Затем ученые приступили к созданию покрытия, которое можно было бы нанести на любую поверхность. В качестве ее основного элемента выступают нити полиметилметакрилата и многогранные молекулы фторированных органических соединений, желаемая структуру которых создается методом электростатического скручивания.

По словам руководителя исследования Гаррета МакКинли, изобретение может использоваться для того, чтобы уберечь стенки топливных баков реактивных двигателей от вредного воздействия агрессивных компонентов топлива. Это существенно продлит срок службы топливных баков и сократит расходы на эксплуатацию самолетов. Однако более заметное применение разработка получит в другой области - намного ближе к простому потребителю. По словам разработчиков, одежду, покрытую полимерной сетью, будет очень тяжело испачкать и совсем легко отстирать.

По мнению экспертов, изобретение американских ученых занимает достойное место в перечне уникальных материалов, которые в скором времени прочно войдут в обиход, наравне с другими революционными разработками последних лет - углеродными нанотрубками, аэрогелями, металлической пеной и «умными» тканями.

АЭРОГЕЛЬ: ПРОЗРАЧНАЯ ТВЕРДОСТЬ

Сверхпрочность. 2,5 г аэрогеля выдерживают кирпич весом 2,5 кг

Еще один материал будущего, который можно пощупать уже сегодня - аэрогель. Это вещество на основе геля, в котором жидкие компоненты полностью замещаются газом. В результате при рекордно низкой плотности, аэрогели обладают уникальным сочетанием свойств - высокой прочностью, жароустойчивостью и прозрачностью. Ученые часто называют этот уникальный материал «застывшим сигаретным дымом» - примерно такое впечатление он производит, когда сквозь него проходит свет.

Честь изобретения материала, который изменит будущее человечества, принадлежит американскому химику Стивену Кистлеру и колледжа в Стоктоне, Калифорния. В далеком 1931 году он впервые попробовал заменить жидкость в геле на газ метанол, а затем разогреть гель до критической температуры газа - 240 градусов Цельсия. В результате метанол выходил из геля, не уменьшаясь в объеме, а сам гель «высыхал», не практически сжимаясь.

Аэрогель сегодняшнего образца - это пористый материал, в котором полости занимают около 90-99%. Структура аэрогеля представляет собой древовидную сеть из наночастиц размером не более 5 нм. Наиболее распространенными сегодня являются разработки на основе аморфного диоксида кремния, а также оксидов хрома и олова. В 1990-х ученым удалось получить первые образцы на основе углерода.

Наиболее совершенными являются кварцевые аэрогели, которые в 500 раз уступают по плотности воде и в 1,5 раза - воздуху. Аэрогель способен выдержать нагрузку в 2000 раз больше собственного веса. В ходе некоторых экспериментов кусок аэрогеля массой всего 2,5 грамма выдерживал вес кирпича массой 2,5 кг.

Кварцевые аэрогели пропускают солнечный свет, но задерживают тепло. В США их уже начали применять в строительстве в качестве теплоизолирующих материалов.

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ: ПРОЧНЕЕ НЕКУДА

Углеродные нанотрубки - самый прочный в мире материал

В 1996 году американские ученые Роберт Керл, Харолд Кротто и Ричард Смелли получили Нобелевскую премию по химии за открытие фуллеренов - молекулярных соединений, представляющих собой многогранники из атомов углерода, которые могут служить основой для создания самого прочного в мире материала. Речь идет о легендарных углеродных нанотрубках - давней мечте фантастов и футурологов.

Углеродные нанотрубки - цилиндрические структуры из свернутых графеновых плоскостей, которые обладают уникальными характеристиками. Это самый жесткий и прочный материала мире с высокими электронными характеристиками.

Своей прочностью он обязан ковалентным связям между отдельными атомами углерода. В 2000 году в ходе экспериментов было установлено, что прочность углеродной нанотрубки на растяжение составила 63 гигапаскаля. Это в десятки тысяч раз больше, чем у лучших сортов высокоуглеродистой стали.

Углеродные нанотрубки могут применяться практически везде, где сегодня вообще применяются металлы. Это может быть и одежда, и спортивная экипировка, бронежилеты, космическое оборудование, компоненты электронных схем. По оценкам экспертов уже к 2015 году объем рынка в этой отрасли составит $2,5 млрд.

Некоторые ученые предупреждают, что нанотрубки могут представлять угрозу для здоровья, в частности, опыты с лабораторными мышами показали, что углеродные нанотрубки могут производить на организм эффект, аналогичный тому, какой производит асбест. Последствием этого воздействия могут стать раковые заболевания.

ЭЛЕКТРОННАЯ ТКАНЬ: ПОКРОЙ СЕБЯ КОМПЬЮТЕРАМИ

Одежда. Изображение на футболке зависит от настроения человека

Зачем носить с собой электронные гаджеты, которые можно потерять или разбить, если можно попросту носить компьютеры на себе? Разработки в области создания электронной ткани уже сегодня выглядят столь многообещающе, что по мнение многих аналитиков, уже к 2020 году такая одежда станет повседневной.

Ее отличительной чертой станет возможность беспрерывного воспроизведения статического изображения или видео. Одна и та же футболка сможет в зависимости от настроения человека показывать изображение звездного неба или тропический пейзаж. Правда, можно предположить, что абсолютная свобода выбора изображений на одежде может привести к общественному возмущению, поэтому ассортимент изображений придется регулировать законодательно. Примерно, как содержание телеэфира в наши дни.

Первые образцы такой ткани были созданы еще несколько лет назад. В 2006 году продажи «умных» спортивных костюмов начала компания Spyder. Поумнели они благодаря со вставкам из электронной ткани ElekTex от британской компании Eleksen. Ткань сделана из нескольких слоев, включая электропроводящий и защитный, и может реагировать на прикосновения к своей поверхности. При этом, она не только регистрирует точку прикосновения, но и силу давления и направление нажатия. Благодаря этому, можно управлять работой плеера iPod, не вынимая его из кармана, с помощью нанесенных на рукаве костюма обозначений кнопок. Обладая этими уникальными характеристиками, ткань все же остается тканью - ее можно сворачивать, мять и даже стирать.

Когда электронная ткань получит достаточное развитие, большинство сегодняшних гаджетов - например, телефон и плеер - могут быть встроены в одежду. В таком случае достаточно будет взмахнуть рукой, чтобы активировать мобильную связь, а затем разговаривать с помощью микрофона, встроенного, например, в лацкан пиджака. Следующим шагом может стать использование совместно с электронной тканью революционного интерфейса thought-to-speech.

В марте 2008 года такая технология была представлена компанией Texas Instruments. Суть ее работы заключается в преобразовании в нервных импульсов, которые, собственно, и приводят в работу голосовые связки, в цифровую информацию, например, в синтезированную речь. Сегодня эта технология в первую очередь используется для того, чтобы дать возможность говорить по телефону немым людям, однако ее будущее ничем не лимитировано.

МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ ПЕНА: МАТЕРИАЛ С ЖЕЛЕЗНОЙ ПАМЯТЬЮ

Прочнее стали и в воде не тонет

С развитием новых технологий ученые находят все больше возможностей модификации традиционных материалов, например металла. Одна из наиболее перспективных модификаций - металлическая пена - структура, состоящая из твердого металла, чаще всего алюминия, и содержащая большое количество наполненных газом пор. Как правило, примерно 75-95% объема металлической пены составляют пустоты. Материал обладает уникально низким сопротивлением - некоторые виды металлической пены настолько легки, что плавают на поверхности воды. При этом прочность такой пены в несколько раз превышает прочность традиционного металла.

В будущем металлическая пена может стать неотъемлемой частью машиностроения, а также использоваться в производстве металлокерамики. Материал идеально подходит для создания крупногабаритных чрезвычайно прочных конструкций - другого материала, который способен обеспечить такое соотношения прочности и веса, человечество еще не придумало. Безусловно, она будет активно применяться в космических технологиях, где минимизация массы имеет огромное значение.

Недавнее открытие американских ученых может еще больше расширить сферу применения этого материала. В ходе исследований Национального фонда науки США, удалось разработать новый вид сплава металлической пены, который, реагируя на магнитное излучение, может растягиваться в длину на 10% под воздействием магнитного поля. Для достижения такого эффекта была разработана новая технология. На кусок нагретого пористого алюмината натрия выливается специальный жидкий сплав. После того, как металл охладится, соль алюмината натрия вытравливают кислотой, и металл приобретает пористую структуру.

Ученые назвали новый сплав «металлической пеной с эффектом памяти». По их мнению, он найдет широкое применение в производстве автомобилей и самолетов, а также везде, где требуются материалы, сохраняющие высокую прочность при большом напряжении.

АМОРФНЫЕ МЕТАЛЛЫ: ВСЕ ДЕЛО В СТРУКТУРЕ

Прогресс. Ученые продолжают изобретать материалы будущего

Еще одной модификацией традиционного железа являются аморфные металлы, или так называемые «металлические стекла», которые состоят из металла с хаотичной атомной структурой. Они могут быть вдвое прочнее стали. Разобщенная структура атомов позволяет им рассеивать энергию удара более эффективно, чем жесткая структура традиционных металлов, у которой есть точки уязвимости. Аморфные металлы производят по специальной технологии - расплавленный металл быстро охлаждается, чтобы его атомная структура не успевала приобрести четкую кристаллическую форму.

Металлические стекла вдвое прочнее стали

Военные давно положили глаз на новый вид металла. По их расчетам, сделанная из него броня будет в несколько раз прочнее, та, которую производят по сегодняшним технологиям. Кроме того, аморфные металлы получают широкое распространение в индустрии электроники. Помимо прочности они обладают уникальными магнитными свойствами, которые широко востребованы для производства мобильных телефонов, магнитных лент, высоковольтных трансформаторов. Эффективность энергосбережения при использовании аморфных металлов вырастает в среднем на 40%. Их повсеместное использование может означать экономию сотен тысяч тонн ископаемого топлива в мировом масштабе.

ПРОЗРАЧНЫЙ АЛЮМИНИЙ: ПРОЩАЙ, СТЕКЛО!

Без стекла. В будущем стекла станут алюминиевыми

Металл может быть прозрачным. Это не мечты фантастов. Металл в три раза прочнее, чем сталь, и при этом прозрачный, - уже реальность. Первые образцы этого чуда были получены немецкими учеными из Лаборатории физики Фраунгофера.

Технология его изготовления заключается в спекании мельчайших частиц алюминия при очень высоких температурах. Правильно подобрав размеры частиц, можно добиться высокой прозрачности материала. Для улучшения оптических свойств, в процессе спекания могут быть добавлены редкоземельные добавки.

Ученые предрекают прозрачному алюминию большое будущее. Высокая прочность и прозрачность могут очень пригодиться при строительстве небоскребов и летательных аппаратов. Космические агентства также проявляют большой интерес к новому материалу, в перспективе он может широко применяться при постройке космических станций, сняв ограничение на площадь иллюминаторов, которое сегодня накладывается прочностными характеристиками стекла.

Алексей Бондарев

С развитием технологий обнаруживается все больше возможностей модификации традиционных материалов, например металла. Структура, состоящая, как правило, из алюминия, и содержащая большое количество наполненных газом пор - называется металлическая пена. Как правило, примерно 75-95 процента ее объема составляют пустоты. Материал обладает уникально малым весом - некоторые виды металлической пены настолько легки, что плавают на поверхности воды. При этом прочность такой пены в несколько раз превышает прочность традиционного металла.

О пористых металлах заговорили еще в 1990-х годах. Считалось, что отличительной чертой такого материала является низкая плотность: 0,4 - 1 грамм на кубический сантиметр. В силу особенностей своей структуры металлическая пена способна поглощать большое количество энергии при относительно низком уровне напряжения. Технология обеспечила возможность сочетания различных металлов и получения изделий разнообразной формы. Исследования осуществлялись с алюминием, но возможно получение пены из олова, цинка, бронзы, свинца, латуни и других металлов.
http://www.equipnet.ru/articles/other/other_556.html

Металлические пены отличаются неожиданным и удивительным свойством - они не плавятся даже при температуре, соответствующей точке плавления исходного сплава. Так, технические сплавы алюминия плавятся при 560 - 640 С. Пеноалюминий нагревали в электропечи при температуре 1400 С, однако он не расплавился; его выдерживали 100 ч при температуре 1482 С, он сильно окислился, но его прочность и размеры деталей остались прежними. Пенометаллы можно многократно нагревать до высоких температур и быстро охлаждать, при этом свойства их изменяются незначительно; другие пеноси-стемы не выдерживают подобных испытаний.

Освоено производство гибких листов больших размеров из металлической пены с регулируемыми значениями пористости. Для этого в пенометалле содержание воздуха по объему доводят до 93 - 98 %, затем полученный материал прокатывают в листы.

Дальнейшее совершенствование технологии и снижение стоимости пенометаллов значительно расширит области применения металлической пены.

Разработана технология получения металлов сетчатого строения, их структура отличается высокой открытой (сообщающейся) пористостью. Такие пенометаллы называются губчатой металлической пеной. В этом случае жидкий металл осаждается на подложку из полиуретано-вой пены.

Металлографические исследования показали, что после электроэрозионного воздействия структура металла в зоне действия импульса сильно измельчается. На краю и периферических частях лунки наблюдаются заметные остаточные деформации сдвига, наличие которых подтверждается рентгенострук-турным анализом. В центральных частях лунки обнаружены остатки металлической пены.

При р-афинировании сера вводится в воронку под мешалку. Процесс рафинирования продолжается от 20 до 60 мин в зависимости от содержания меди и железа в припое. Как только образуются сульфиды меди и железа (C112S и Fe2S3), которые всплывают на поверхность припоя в виде металлической пены, под мешалку вводится порошкообразная смесь канифоли к древесного угля з соотношении 1: 3 в количестве 70 % к весу введенной серы. После этого весь сплав нагревают до температуры 300 - 340 С и перемешивают до образования на поверхности сухого порошка черного цвета, который затем снимается. Очищенную поверхность ванны покрывают древесными опилками слоем 3 - 4 мм и включают мешалку. Опилки способствуют выгоранию серы и предотвращают образование сернистого олова.

Пенометаллы обладают целым комплексом превосходных свойств: объемная масса у них ниже, чем у древесины, а прочность значительно выше; они отлично поглощают энергию удара, легко обрабатываются резанием, в них можно вбивать крепежные детали, склеивать их с другими материалами, например со стеклом, пластиками, фанерой. Металлические пены красивые, со своеобразным трехмерным декоративным рисунком, проявляют хорошие акустические свойства. Пенометаллы хорошо свариваются, имеют высокие демпфирующие свойства (от немецкого Dampfer - гасите ль, способность материалов гасить механические колебания, например вибрацию, или снижать резонансные колебания), повышенную коррозионную стойкость. Прочность изделия из металлической пены значительно повышается при поверхностной обработке-прокатке, ковке, штамповке.

Конструкторы давно мечтали о «легком металле», пла­вающем в воде. В настоящее в рюмя разработана и освое­на промышленностью технология пенометалла или, как его еще называют, «металлической пены».

В принципе процесс изготовления пенометалла прост. Жидкий металл пропускается через шнековое устройство, напоминающее мясорубку, при этом в него замешивается порошок гидрида титана. При определенной температу­ре, которая всегда выше температуры плавления метал­ла, гидрид разлагается, выделяется большое количество

Пузырьков водорода, вспенивающих жидкий металл. Вы­свободившийся при реакции титан «усваивается» алюми­нием или другим металлом, служащим основой. Вспенен­ная газированная масса быстро разливается в формы и застывает. Образуется ячеистый металл с объемной массой 0,16-0,6 г/см3. Поры в ячеистой массе в основном закрытые, поэтому вспененные металлы плавают в воде.

Разработана получения металлов сетчато­го строения, их структура отличается высокой открытой (сообщающейся) пористостью. Такие пенометаллы назы­ваются губчатой металлической пеной. В этом случае жидкий металл осаждается на подложку из полнуретано - вой пены.

В качестве основы пенометаллов применяются, главным образом, алюминий, магний и их сплавы и дру­гие металлы: цинк, свинец, железо, медь, никель, сталь и сплавы этих металлов с магнием, титаном.

Хотя пенометаллы в своей основе являются металли­ческими, по свойствам они значительно отличаются от исходных металлов; это новые материалы.

Пенометаллы обладают целым комплексом превос­ходных свойств: объемная масса у них ниже, чем у древе­сины, а прочность значительно выше; они отлично по­глощают энергию удара, легко обрабатываются реза­нием, в них можно вбивать крепежные детали, склеивать их с другими материалами, например со стеклом, пласти­ками, фанерой. Металлические «пены» красивые, со своеобразным трехмерным декоративным рисунком, про­являют хорошие акустические свойства. Пенометаллы хо­рошо свариваются, имеют высокие демпфирующие свой­ства (от немецкого Dampfer -гаситель", способность мате­риалов гасить механические колебания, например вибра­цию, или снижать резонансные колебания), повышенную коррозионную стойкость. Прочность изделия из металли­ческой пены значительно повышается при поверхностной обработке-прокатке, ковке, штамповке.

Металлические пены отличаются неожиданным и уди­вительным свойством-они не плавятся даже при темпе-: ратуре, соответствующей точке плавления исходного сплава. Так, технические сплавы алюминия плавятся при < 560-640°С. Пеноалюминий нагревали в электропечи при! температуре 1400°С, однако он не расплавился; его вы­держивали 100 ч при температуре 1482°С, он сильно " окислился, но его прочность и размеры деталей остались прежними. Пенометаллы можно многократно нагревать до высоких температур и быстро охлаждать, при этом свойства их изменяются незначительно; другие пеноси - стемы не выдерживают подобных испытаний.

Предполагается, что изделия из пенометаллов найдут широкое применение, и прежде всего в строительстве:" перегородки, двери, потолочные перекрытия, облицо­вочные материалы, материалы для полов, декоративные плиты и многое другое. Уже сейчас некоторые отрасли промышленности не могут обходиться без металлической пены, например ракетостроение и космическая техника, в которых пористые металлы применяются для изгото­вления защитных экранов от радиации, стеллажей и упа­ковки для электронных машин и приборов. Пенометаллы используют также для изготовления ударопрочных дета - j лей автомобилей (передние части радиаторов, опоры для - спинок задних сидений, рулевое управление, панели для 4 передних и задних спинок и др.), некоторых деталей ] самолетов, железнодорожных вагонов (прежде всего, pe-j фрижераторов), лифтов, контейнеров и т. д. Как правило,", из пеноматериалов производят заготовки круглого и пря­моугольного сечения, фасонные полуфабрикаты.

Освоено производство гибких листов больших размен ров из металлической пены с регулируемыми значениями пористости. Для этого в пенометалле содержание возду­ха по объему доводят до 93-98%, затем полученный ма­териал прокатывают в листы.

Дальнейшее совершенствование технологии и сниже­ние стоимости пенометаллов значительно расширит области применения металлической пены.

Мы рассказали о многих областях техники, науки, здравоохранения, где хрупкий воздушный пузырек уско­ряет технологические процессы, спасает от аварий, гасит пожары, устраняет пыль, грязь и шум, защищает окру­жающую среду и лечит людей.

Можно было бы привести еще десятки подобных при­меров. Мы ограничимся тем, что в заключение просто перечислим еще несколько областей, где пена «трудится».

Разработан специальный процесс крашения тканей и пряжи в пене. В результате удалось сократить расход воды почти в 40 раз, а расход красителей - на 15%, умень­шить металлоемкость и габариты оборудования.

Искусственное вспенивание массы при гидрировании значительно ускоряет и упрощает процесс получения пи­щевых жиров и специальных технических масел.

При розливе напитков, детского питания, культу - ральных сред (микробиологическая промышленность) и других продуктов длительного хранения поточные ли­нии оборудуются дозаторами пены. Она заполняет сво­бодное пространство над уровнем жидкости непосред­ственно перед герметизацией емкостей. Так создается простая и надежная преграда для микроорганизмов и окисляющего действия воздуха.

Освоено производство кормовых дрожжей на неболь­ших животноводческих фермах в малогабаритных аппа­ратах простой конструкции с использованием пены. Она позволила отказаться от интенсивного перемешивания, что упростило обслуживание оборудования и резко уменьшило его размеры. Культивирование дрожжей про­водят в условиях обильного вспенивания по системе жид­кость-пена-жидкость. Большая площадь поверхности раздела жидкость-воздух в пене обеспечивает активный биосинтез и хороший выход дрожжей.

В нефтяной промышленности с помощью пены извле­кают нефть из водонефтяных эмульсий. Такую эмульсию методом флотации разделяют на нефть и воду, а затем, изменяя кислотность среды, гасят пену и выделяют нефть.

Анастасия Богданова
Фото с сайтов fraunhofer.de, wikipedia.org

Всем известно, что кость, — один из наиболее прочных биологических материалов. Костная ткань стойка к сопротивлению и сжатию, чрезвычайно долго противостоит разрушению. Похожим на нее ученые решили сделать и металл будущего .

Металлическое чудо

С развитием технологий обнаруживается все больше возможностей модификации традиционных материалов, например металла . Структура, состоящая, как правило, из алюминия , и содержащая большое количество наполненных газом пор — называется металлическая пена. Как правило, примерно 75-95 процента ее объема составляют пустоты. Материал обладает уникально малым весом — некоторые виды металлической пены настолько легки, что плавают на поверхности воды. При этом прочность такой пены в несколько раз превышает прочность традиционного металла.

О пористых металлах заговорили еще в 1990-х годах. Считалось, что отличительной чертой такого материала является низкая плотность: 0,4 - 1 грамм на кубический сантиметр. В силу особенностей своей структуры металлическая пена способна поглощать большое количество энергии при относительно низком уровне напряжения . Технология обеспечила возможность сочетания различных металлов и получения изделий разнообразной формы. Исследования осуществлялись с алюминием, но возможно получение пены из олова , цинка , бронзы , свинца , латуни и других металлов.

Металлическая пена , так называемый пеноникель , разрабатывается, в частности, российской компанией «Новомет-Пермь». По данным этой фирмы, такой материал обладает экстремально высокой сообщающейся пористостью 96 процентов и экстраординарными свойствами. Это структурный аналог открытого ячеистого пенополиуретана , с высокой химической и термической стойкостью , металлической прочностью и жесткостью , низким гидравлическим сопротивлением и развитой удельной поверхностью . Пеноникель, разумеется, необычайно пластичен и технологичен, поддается различным видам механической обработки для придания изделиям требуемой геометрической конфигурации.

Уникальные свойства пеноникеля делают его пригодным для широкого диапазона применений. Среди них: теплообменники, пламепреградители, звукоизолирующие устройства, гомогенизаторы жидкостей и газов, электрофильтры, адсорберы, наполнители многослойных конструкций

Пена нового поколения

Как и все в науке, металлическая пена подверглась совершенствованию. Недавно доктор Афсанех Рабией из университета Северной Каролины открыла самую прочную металлическую пену в мире . Материал может сжиматься до 80 процентов своего размера под действием веса и сохранять первоначальную форму. Новая металлическая пена уникальна благодаря своей однородности ячеек и их стенок. Именно это придает ей прочность и эластичность, необходимую для сжатия без деформации.

Сферы применения такой металлической пены — самые разнообразные. Наиболее же перспективным является использование в автомобиле- и машиностроение. Полагают, что металлическая пена может применяться в качестве элементов боковой и лобовой обшивки кузовов автомобилей и железнодорожных вагонов в целях максимального поглощения энергии удара при столкновениях. Защита водителя и пассажиров станет максимально надежной и комфортной. Металл идеален при создании военной амуниции, в строительстве — эластичная и прочная пена в конструкции зданий способна выдержать любое землетрясение. В будущем металлическая пена может стать неотъемлемой частью машиностроения, а также использоваться в производстве металлокерамики. Материал идеально подходит для создания крупногабаритных чрезвычайно прочных конструкций — другого материала, который способен обеспечить такое соотношения прочности и веса, человечество еще не придумало. Безусловно, она будет активно применяться в космических технологиях, где минимизация массы имеет огромное значение.

Российской действительности еще предстоит знакомство с металлической пеной. Специалист испытательного центра «СПбГАСУ» Виктор Зверев отказался от комментариев, сказав лишь: «Такой материал нам не знаком и не проходил лицензирование».

Выяснилось, что и на заводах царит пенометаллический нигилизм. Мнение инженеров разделилось. Одни удивляются изобретению, например, Вячеслав Коньков из «Металлиста» : «Это что-то новое и очень интересное, вышлите мне по факсу информацию». Другие же скептически заявляют: «Вряд ли это самый прочный материал. Мы не используем никакую металлическую пену», - прокомментировал Юрий Филисов из компании «Петросталь» . Вероятно, в будущем ситуация изменится.

Рецептура

Каков же процесс производства такой пены? Технология проста. Сперва смешивают порошки металлов или сплавов со специальным связующим, которое проникает в металлическую матрицу . Происходит термообработка матрицы, помещаемой в полую форму, при температуре, близкой к точке плавления данного металла. В результате металл плавится, содержащийся в соединении газообразный водород освобождается и вспенивает жидкий металл. Последний поднимается, как дрожжевое тесто: объем образующегося материала, состоящего на 85 процента из воздуха и на 15 — из металла, впятеро превышает исходный. После охлаждения детали вынимаются из формы — они готовы к использованию.

Практический аспект

Металлические пены из алюминия, магния, стали, титана или цинка выдерживают высокое давление, приглушают звук, ослабляют вибрации, хорошо изолируют. Они легко поддаются сверлению , распиливанию и фрезерованию , а потому успешны для защиты от ударов в автомобилях, в качестве катализаторов в химии, в изготовлении топливных элементов, а также как биологически совместимый протез костной ткани в медицине.

В авиакосмической промышленности замена алюминиевыми пенными панелями дорогостоящих сотовых конструкций может сократить издержки производства. Алюминиевые пористые панели могут способствовать сокращению потребления энергии при эксплуатации лифтов, так как в условиях высоких скоростей их движения и частой смены ускорений и замедлений легкость конструкции приобретает особо значение. Широкое поле применения в строительстве открывается и для вспениваемых заготовок, которые могут, например, использоваться для закрепления штепсельных розеток в бетонной стене. Такая заготовка может быть помещена в отверстие в стене и подвергнута нагреву после монтажа розетки, в результате чего обеспечивается очень прочное соединение.

Возможно также создание конструктивных элементов с основой из алюминиевой пены, покрытой слоями алюминия, стали, пластмассы или углеродных волокон. «Сегодня эти технологии пригодны для производства крупных серий и полностью автоматизированы», — заявляет физик Иоахим Баумайстер из Института производственных технологий и прикладного материаловедения им. Фраунгофера в Бремене . Однако у алюминия есть и недостатки. Один из важнейших — алюминиевый лом трудно использовать повторно: в нем много различных легирующих добавок. При этом стальной лом целиком идет на вторичную переплавку. По этой причине на автозаводах используется лишь 35 процентов алюминия. Если еще учесть, что производство алюминия один из самых опасных загрязнителей природы, то широкая дорога в производство пене из этого металла кажется закрытой.

В медицине металлические пены используют для ускорения процессов заживления костной ткани. Как уже было отмечено, структура пористого материала подобна естественной структуре кости. Поэтому он идеально подходит для ее замещения.
Использование композитных имплантантов из титановой пены позволяет значительно ускорить выздоровление пациентов со сложными переломами костей. Ученые разработали биологически совместимый материал, структурой и физическими свойствами подобный естественной костной ткани. В итоге титановая пена выступает каркасом, а минеральное покрытие обеспечивает врастание в него костной ткани.

Как видно, мало знакомый российским экспертам, но интереснейший и многообещающий металл — важное открытые. Своевременное и нужное.