Природные композиты являются ярким примером легких и прочных материалов. Использование свойств этих материалов в будущем позволит добиться прорыва во многих сферах человеческой деятельности, от строительства до тонких биомедицинских технологий.
Для некоторых природных материалов уже разгадана структура, что позволяет воспроизводить их с неплохой точностью. Как правило, эти композиты состоят из жесткого (неорганического) армирующего скелета и мягких органических прослоек, рассеивающих деформационное напряжение. Подобным образом устроены кости, древесина, кутикулы, панцири или, например, перламутр моллюсков. Именно перламутр заинтересовал ученых в качестве модельной структуры. Он состоит из нескольких слоев арагонита погруженных в белковую матрицу.
Было предпринято много попыток получить структуру, подобную перламутру, и их нельзя назвать безуспешными. В ряде случаев были получены образцы, превосходящие природный перламутр по ряду свойств. Но все методики имели общий недостаток - многократное напыление и закрепление слоев, что в итоге представляло собой длительный и энергоемкий процесс. Чтобы нанести несколько сотен слоев требовалось последовательное охлаждение до - 80оС, нанесение слоя и его обжиг при 1500оС. И такой цикл должен был повторяться нескольких тысяч раз.
Требовался новый революционный подход. И он был найден. В целлюлозно-бумажной промышленности давно научились выращивать слои из коллоидных растворов. Этот способ и был взят на вооружение. Слои могут самоорганизовываться, что сокращает время процесса и число операций. При этом становится возможным использование экологически чистых биоразлагаемых растворителей на водной основе.
В качестве неорганических пластинок был взят монтмориллонит (MTM), который используется в виде коллоидного раствора в воде (0,5% по массе). Толщина пластинок составляет около 1 нм при диаметре порядка 50-1000 нм. В качестве органической компоненты используется поливиниловый спирт (PVA) - 1%раствор в воде. При смешении растворов происходит адсорбция PVA на поверхности MTM, чему способствуют как высокая адсорбционная способность полимера, так и развитая поверхность пластинок.
Дальнейшую обработку можно проводить тремя путями. Первый - это вакуумная фильтрация. Она почти полностью аналогична производству бумаги. И продукт носит название перламутровой бумаги. Второй способ - нанесение суспензии MTM/PVA на поверхность подобно намазыванию масла на бутерброд с помощью специального лезвия. Это позволяет создавать слои строго заданной толщины. Третий способ подобен второму, но отличается отсутствием значительной точности - это простая покраска поверхности. Независимо от способа нанесения слой высушивается при температуре 80оС.
Таким образом, пленку, которую раньше получали несколько дней, теперь можно получить за считанные минуты. По внешнему виду она не отличается от слоя краски (при прозрачности 40-70% в видимой области). Отличительной особенностью таких пленок являются большая прочность (предел прочности до 165 МПа, что выше, чем у натурального перламутра). Добавление боратов и глутарового альдегида увеличивает прочность еще в 1,5-2 раза. К тому же подобные материалы газо- и водонепроницаемы, а также термоустойчивы, даже при сильном и длительном нагреве.
В заключение можно отметить, что подобные пленки представляют собой технологический прорыв с неограниченными возможностями для применения. Легкость изготовления и нанесения сделают их доступными, а прочность, легкость, устойчивость и экологичность – широко востребованными.
