Биоинженеры Института регенеративной медицины Сеченовского Университета и Байкальского института природопользования СО РАН создали «умный» полимер, который станет основной для 4D-печати

Группа российских ученых создала новый тип полимера, который имеет высокую термическую и радиационную стойкость, а также эффект памяти. Прочный материал значительно превосходит все известные аналоги и подходит для космических аппаратов нового поколения.

Глаз в небе

24 апреля 1990 года с мыса Канаверал во Флориде стартовал челнок «Дискавери», который вывел в космос первый в истории человечества орбитальный телескоп. Дольше 30 лет «Хаббл» находится на расстоянии около 550 км от поверхности планеты и вращается вокруг нее со скоростью 28 000 км/ч. Всё это время автоматическая станция собирает и передает на Землю около 480 Гб данных каждый месяц.

Уникальный орбитальный телескоп позволил ученым сделать сотни открытий об устройстве Вселенной. Только за первые 15 лет работы «Хаббл» отправил 1,022 млн детальных изображений 20 тысяч космических объектов – планет, звезд, туманностей и целых галактик. Астрономы, например, увидели ультрафиолетовые полярные сияния на Сатурне, Юпитере и Ганимеде. Еще «Хаббл» помог им уточнить природу сверхмассивных черных дыр и квазаров, что позволило рассчитать точный возраст нашей Вселенной – 13,7 млрд лет.

Эти и другие достижения стали возможными только благодаря орбитальному телескопу, который находится за пределами атмосферы Земли. До этого изучение небесных тел было не таким эффективным из-за различных помех и неполной прозрачности воздуха.

Космические первопроходцы

Более 20 лет понадобилось ученым, чтобы создать и запустить автоматическую станцию с настоящим телескопом внутри. NASA предложило смелую идею еще в 1968 году, но получить финансирование от Конгресса на футуристичный проект удалось лишь в 1978 году. Европейское космическое агентство тоже согласилось помочь в создании космического аппарата в обмен на 15% времени работы будущего телескопа, получившего имя в честь астронома Эдвина Хаббла.

В компании Perkin-Elmer изготовили особое сверхчувствительное зеркало диаметром в 2,4 метра, которое позволило вести наблюдения в диапазоне от ультрафиолетового до почти инфракрасного спектра. Для этого на стекло со сверхнизким коэффициентом теплового расширения нанесли отражающее алюминиевое покрытие толщиной 75 нанометров. Сверху его покрыли защитным слоем в 25 нанометров из фторида магния. В итоге удалось получить рефлектор с разрешающей способностью в десять раз выше, чем у наземных приборов.

На пути создания «Хаббла» ученые столкнулись со множеством проблем. Из-за этого запуск переносили раз за разом, а общий бюджет проекта вырос с 400 млн до

2,5 млрд долларов. Но, несмотря на все трудности, проект был успешно завершен, а первый орбитальный телескоп до сих пор продолжает изучать космическое пространство.

За последние десятки лет в мире появились принципиально новые технологии и материалы, которые позволяют создавать совершенно иные типы космических аппаратов, считавшихся до этого невозможными. Особенно сильно на развитие всех сфер деятельности человека повлияли полимеры. В том числе, они открыли путь в космос сотням различных спутников и автоматических станций нового поколения.

Так, 25 декабря 2021 года с космодрома Куру в Гвиане при помощи ракеты «Ариан-5» был успешно запущен еще один космический телескоп – «Джеймс Уэбб». В отличие от «Хаббла», он способен увидеть наиболее далекие объекты во Вселенной, а также заниматься задачами по астрофизике и поиску жизни вне пределов Земли.

С первых дней работы космический телескоп нового поколения начал снабжать ученых совершенно новыми данными, которые помогут понять многие загадки Вселенной.

Но и это не предел изучения космоса. Уже сейчас в разработке находятся следующие поколения приборов, которые выведут космические исследования на недостижимый пока что уровень.

Прогресс под микроскопом

Важную часть в процессе создания космических аппаратов занимает создание принципиально новых материалов, которые обладают улучшенными характеристиками и уникальными свойствами. Новые поколения полимеров уже повсеместно помогают людям, но именно вне земной поверхности они нужны больше всего.

Основную часть полимеров получают синтетическим путем. В их основе – простейшие соединения элементов природного происхождения, созданные с помощью реакций полимеризации, поликонденсации и других химических преобразований. Генерация новых веществ, или полимеризация, состоит в объединении множества этих небольших молекул в связанную цепь или сеть особым образом. При этом, в процессе полимеризации из каждого мономера могут потеряться некоторые химические группы, что также влияет на итоговые свойства материала.

Интересно, что, по сути, ученые не стали придумывать что-то новое, а лишь продолжают изучать технологии, которые созданы самой природой. Естественные полимеры широко распространены в мире и представляют собой особые макромолекулы. Например, к ним относятся полисахариды, такие как крахмал и целлюлоза, еще белки, состоящие из множества отдельных аминокислот, и даже нуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты (РНК), где содержится вся информация о человеке: от наследственных болезней до особых талантов.

Один из таких принципиально новых полимеров создала команда российских ученых Института регенеративной медицины Сеченовского Университета (МГМУ) и Байкальского института природопользования Сибирского отделения РАН (БИП СО РАН).

Новый отечественный интеллектуальный фотополимер имеет уникальные физико-химические свойства – высокую термическую и радиационную стойкость, а также способность выдерживать большие нагрузки. А по прочности на разрыв синтезированный материал превосходит все существующие аналоги более чем на 60%. Прочность современных полимерных интеллектуальных материалов, существующих сегодня на рынке и описанных в научных статьях, не превосходит 75 МПа, а новое вещество выдерживает давление до 115 МПа.

Печать в четырех измерениях

Важное отличие полимера в том, что он обладает эффектом памяти. То есть при достижении температуры 295 °С материал становился мягким, ему можно придать любую форму. Далее после охлаждения он возвращается в твердое состояние и сохраняет новую форму. При этом, после повторного нагрева первоначальная геометрия «умного» вещества самопроизвольно восстанавливается до начальных значений.

Такая особенность российского полимера открывает возможности 4D-печати. Ученые считают, что в скором времени станет возможным распечатывать плоскую полимерную структуру, а затем, под внешним воздействием, она будет принимать определенную запрограммированную форму. Сейчас уже проводятся эксперименты по распечатыванию плоских листов, которые разработчики заставляют самостоятельно сворачиваться в отдельный элемент мебели.

«Разработанный полимер станет одним из компонентов чернил для 3D-принтера, что позволит печатать трехмерные структуры с памятью формы. Известно, что если 3D-объект состоит из подобного интеллектуального материала, то для него добавляется еще четвертое измерение, подразумевающее преобразования с течением времени. То есть, регулируя какой-либо параметр окружающей среды (температуру, свет, кислотность или влажность), мы можем менять форму 3D-объекта, а это уже область программируемых и самосборных материалов», — рассказала научный сотрудник отдела современных биоматериалов Института регенеративной медицины МГМУ Ксения Бардакова.

Эти уникальные свойства делают «умный» полимер перспективным материалом для самых разных сфер. Из него можно печатать изделия с высоким разрешением от 20 микрон, что очень актуально для производства микроэлектроники, авиастроения и робототехники. Например, созданный учеными экспериментальный захват-манипулятор смог поднять массу в 5–7 раз больше своего веса.

Плюс, полимерная 4D-печать способна конкурировать с металлами и сплавами, так как она намного легче в производстве и создает меньше отходов. Ученые считают, что новые материалы совсем скоро станут заменой некоторым традиционным промышленным методам – литью под давлением, фрезерованию и штамповке.

Исследование глубин космоса

Также новый полимер поможет в проектировании и строительстве развертываемых космических конструкций нового поколения, таких как космические антенны, системы солнечных парусов, детали радиотелескопов и солнечных панелей. При этом высокая стойкость материала позволяет значительно увеличить расчетное время работы будущих космических аппаратов без потери свойств – минимум 10 лет непрерывной работы.

Важно, что полимерные вещества остаются термостабильными. Термогравиметрический анализ, при котором измеряется изменение массы образца с течением времени в зависимости от температуры, показал, что потери образца в диапазоне 462–541 °С составили лишь 5%. Остальная часть материала полностью сохранила свои свойства.

Совместная разработка ученых Института регенеративной медицины Сеченовского Университета и Байкальского института природопользования СО РАН выполнена при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда. За последние несколько лет команда под руководством директора Научно-технологического парка биомедицины, профессора Петра Тимашева создала уже несколько подобных материалов. И каждый последующий состав полимеров превосходит предыдущий по своим эксплуатационным свойствам.

Все результаты исследования были опубликованы в научном журнале «Полимер», которое входит в научную базу данных Scopus по физике и химии полимеров. В ближайшее время достижениями российских биоинженеров должны заинтересоваться ведущие компании по проектированию инновационной техники и проектированию летательных аппаратов. С большой вероятностью разработка поможет в создании принципиально новых типов космического оборудования, которые в ближайшем будущем будут продолжать изучать загадки Вселенной вместе с «Хабблом» и «Джеймсом Уэббом», а также помогут людям в освоении космического пространства.

Источник