Химики превратили биоразлагаемые вилки в пену
Химики из Новой Зеландии превратили столовые приборы из биопластика в пену, которую можно использовать в качестве материала для теплоизоляции стен. В работе, опубликованной в журнале Physics of Fluids, ученые вспенили вилки из полимолочной кислоты (полилактида) при помощи сверхкритического углекислого газа.
На сегодня основным материалом для изготовления упаковки и одноразовой посуды служит пластик. Как и многие другие пластиковые изделия, упаковка и посуда производятся из невозобновляемого сырья и являются одними из наиболее опасных загрязнителей окружающей среды. Биоразлагаемые пластмассы представляют собой возможное решение этой проблемы.
Однако биоразлагаемые пластмассы не перерабатываются в большинстве стран, поскольку они не предназначены для этого. Перерабатывать биоразлагаемые столовые приборы, чтобы из этого материала снова изготовить столовые приборы — не практично, так как прочность материала при переработке снижается. Поэтому предметы из биопластика в конечном итоге попадают на свалку. Но было бы более конструктивно разработать методы рециркуляции биоразлагаемых пластиков. Причем разумно рассматривать переработку биопластика с целью создания материалов для применения в тех областях, где прочность материала менее значительна. Пенопласты — хорошее применение для переработанного биопластика.
Новозеландским исследователям под руководством Лилянь Линь (Lilian Lin) из Университета Кентербери удалось превратить столовые приборы из полилактида в пену при помощи углекислого газа под высоким давлением. Полилактид — это полимер, представляющий собой термопластичный алифатический полиэфир, который можно получить из кукурузного крахмал или сахарного тростника. Этот биопластик применяют в основном в 3D-печати, изготовлении тканей, упаковок, пленок, а также в автомобилестроении и электронике.
Сначала вилки из полимолочной кислоты оставили в вакуумной печи при комнатной температуре на две недели для испарения влаги и летучих химикатов, включая непрореагировавшие мономеры, присутствующие в материалах. Затем вилки поместили в камеру, заполненную углекислым газом. Внутри нагретой камеры повышали давление, в результате чего углекислый газ переходил в состояние сверхкритического флюида и растворялся в пластике. Затем, когда давление резко понижали, газ расширялся внутри пластика и превращал его в пену. Химики вспенили полилактид с помощью сверхкритического CO2 без иcпользования дополнительных добавок. Для получения изображений вспененных структур химики использовали сканирующий электронный микроскоп.
Для изучения влияния условий вспенивания (температуры, давления, концентрации CO2) на структуру пен, процедуру проводили при температурах 140, 160 и 180 градусах по Цельсию и давлении 10, 12, 20 и 28 мегапаскалей. Меняя температуру и давление можно было регулировать плотность и размер ячеек в пене. Например, при повышении давления диаметр ячеек уменьшался (при температуре 140 градусов по Цельсию). А удельный объем воздушной фазы увеличивался по мере уменьшения концентрации углекислого газа (при любом значении температуры и давления).
Пены, как теплоизоляционные материалы, играют важную роль в строительстве зданий, транспортировке и упаковке. Такие материалы обычно получают из нефти. Экологичной альтернативой является нанокристаллическая целлюлоза. Однако пены из нее достаточно хрупкие, при горении полностью превращаются в пепел, а при высокой влажности теряют механические свойства. В 2019 году американским ученым удалось «зеленым» методом синтезировать экологически чистую теплоизоляционную пену на основе нанокристаллической целлюлозы с низким значением теплопроводности, высокой упругостью и прочностью.
При каждом нажатии он меняет структуру, не забывая о предыдущих изменениях
Физики создали механический метаматериал с эффектом памяти, который можно использовать как примитивный счетчик до десяти. Этот материал представляет собой массив из десяти деформируемых ячеек, каждая из которых может находиться в одном из двух состояний, меняющихся при нажатии. При этом предыдущих изменений материал не забывает. В будущем счетчики с подобной конструкцией могут оказаться полезными для мягкой робототехники и умных сенсоров, пишут ученые в Physical Review Letters. Свойства метаматериалов определяются в первую очередь не химическим строением, а геометрической микроструктурой (например, расположением слоев различных веществ или периодичностью атомной решетки) и для них характерны аномальные значения различных физических параметров. Например, если растягивать в продольном направлении ауксетики, обладающие отрицательным значения коэффициента Пуассона, то в перпендикулярном направлении они расширяются (в то время как обычные материалы сжимаются). Ученые работают и над метаматериалами, обладающими памятью: они запоминают воздействие и реагируют на него сменой физических свойств. Например, если нагреть полимер с памятью формы, он вернет исходную (до деформации) форму. Однако такие материалы запоминают лишь начальное состояние, запомнить несколько последовательно меняющихся состояний им не под силу. Физики Мартин ван Хеке (Martin van Hecke) и Леннард Квакернак (Lennard Kwakernaak) из Лейденского университета разработали метаматериал, у которого память о предыдущих деформациях не сбрасывается. Храня информацию о предыдущих воздействиях, такой материал фактически способен считать: он запоминает каждое нажатие, последовательно меняя свою структуру. Ученые сделали материал на 3D-принтере из стоматологической силиконовой смеси для слепков. Он состоит из отдельных ячеек, каждая из которых включает в себя две балки: одну тонкую и одну толстую. Тонкая балка может изгибаться либо влево, либо вправо. Толстая балка служит перегородкой, отделяя ячейки материала друг от друга. Значение критической деформации для толстой и тонкой балок различны, поэтому одного нажатия достаточно для сгибания тонкой балки и частичной деформации толстой. Наличие толстой балки также не дает деформироваться тонкой балке в соседней ячейке. Материал считает следующим образом. В начальном состоянии {000...0} все тонкие балки изогнуты влево. При каждом изменении направления изгиба тонкой балки 0 меняется на 1. Превышая первым нажатием критическую деформацию тонкой балки, систему выводят в состояние {100...0}. После каждого следующего нажатия крайняя слева балка изгибается в правую сторону. Толстая балка при этом не деформируется, но за счет конструкции сгибает следующую тонкую. То есть система копирует состояние изогнутой вправо тонкой балки (1) с каждым нажатием на одну ячейку правее. В терминах нулей и единиц, подсчет можно записать как {000...0} → {100...0} → {110...0}→··· → {111...1}. До скольки может досчитать материал, зависит от числа ячеек и начального состояния системы, память метаматериала сохраняется до конца подсчета. По словам авторов работы, такой метаматериал с эффектом памяти фактически представляет собой простейший компьютер, который можно запрограммировать на счет с любого начального числа. Его работу ученые проверили, фиксируя значения критических деформаций и начиная счет с различных начальных чисел. Материаловеды отмечают, что такой счетчик из метаматериала можно изготовить и из других веществ, например каучука или полиуретана. В будущем из аналогичных ячеек ученые планируют собирать и двумерные массивы, на которых можно будет проводить более сложные вычислительные операции Метаматериалы хороши не только в счете: они помогают решать уравнения со скоростью света, а еще их можно превратить в непрерывные кристаллы времени.