Самовосстанавливающиеся материалы на основе полимеров – одно из «чудес» современной химии. Исследования самовосстанавливающихся материалов проводятся материаловедами и энергетиками ЮУрГУ в составе консорциума с коллегами из Института химии СПбГУ в рамках реализации в вузе программы «Приоритет-2030».
«Самовосстанавливающийся материал способен восстанавливать свою структуру после механической нагрузки или разрушений другого рода, – рассказывает к.х.н., старший научный сотрудник НИЛ Многомасштабного моделирования многокомпонентных функциональных материалов ЮУрГУ Геннадий Макаров. – Особенно интересно, если он делает это сам, без внешних воздействий – автономно. Так бывает не всегда, иногда требуется, например, ультрафиолетовое излучение, нагрев, воздействие химическими реагентами».
Коллегами из научной группы «Функциональные полисилоксаны и материалы на их основе» под руководством д.х.н., профессора кафедры химии высокомолекулярных соединений Регины Исламовой (Институт химии СПбГУ) был синтезирован ряд самовосстанавливающихся или самозалечивающихся силиконовых материалов для защиты от электрического пробоя. В частности, к.х.н., старший научный сотрудник кафедры химии высокомолекулярных соединений СПбГУ Константин Дерябин занимался получением металлополимерных комплексов на основе пиридин-содержащих сополисилоксанов.
Сам по себе новый полимер – «желеобразная субстанция». Но если в него добавить отдельные атомы переходных металлов (никеля, кобальта, железа), можно получать разные материалы – от геля до «резины». Остается высушить их и получить пленку.
Сам по себе материал не обладает особой механической прочностью. Но если разрезать его, то примерно через 1 – 2 суток при комнатной температуре разрез затянется. При этом эффективность самовосстановления для ряда образцов достигает более 90 %.
«Дело в том, что этот новый материал сложный: в нём объединена полимерная матрица и комплексы ионов металлов. При этом он может быть как упругий, так и гелеобразный, так что проследить и понять, что происходит при самовосстановлении с макромолекулами, экспериментальными средствами едва ли возможно. Единственный путь – смоделировать структурные изменения на атомно-молекулярном уровне. Мы построили модель сплошной структуры полимера в трёх вариантах, различающихся содержанием никеля, – рассказывает Геннадий Макаров. – От доли никеля зависит и прочность материала, и другие его физико-химические характеристики. Самая, пожалуй, интересная находка здесь в том, что входящая в состав материала вода способна образовывать кластеры, которые тяготеют к ионам никеля, причём эти кластеры не изолированы, а связаны чем-то вроде тончайших цепочек, толщиной в 1-2 молекулы воды».
Получается, что внутри гидрофобного материала, каким и должна быть оболочка электрического кабеля, есть «тайная» гидрофильная сеть, вдоль которой могут перемещаться ионы никеля и хлора.
Какие свойства обеспечивает такая структура? Как она влияет на механизм самовосстановления? Как это скажется на электрической проводимости, что для изоляционного материала весьма существенно? Всё это ученым предстоит выяснить.
Пока же то, что уже удалось открыть, учёные опубликовали в высокорейтинговом международном издании Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and Materials. В своей модели они учли не только физико-химические характеристики, но и подробно описали особенности структуры полимерных цепей, объяснили процесс их скручивания.
На начальном этапе контактов между научными коллективами Института Химии СПбГУ и ЮУрГУ выяснилось, что новый материал обладает электрической прочностью, достаточной для его использования в качестве изоляции.
«В рамках консорциума с научной группой «Функциональные полисилоксаны и материалы на их основе», возглавляемой д.х.н., профессором кафедры химии высокомолекулярных соединений Региной Исламовой (Институт химии СПбГУ), междисциплинарная команда материаловедов и энергетиков ЮУрГУ приступила к исследованиям возможностей применения инновационного материала для электротехнических изделий», – рассказывает первый проректор – проректор по научной работе ЮУрГУ, д.т.н. Антон Коржов.
Синтезируют образцы новых полимеров с разными составами в Санкт-Петербурге, а опыты над полученными вариациями образцов проводятся в лабораториях ЮУрГУ.
«Команда ученых кафедры «Электрические станции, сети и системы электроснабжения» разрабатывает методики электрических испытаний и проводит исследование изменения диэлектрических свойств в результате электрического пробоя данного материала», – поясняет к.т.н., доцент кафедры «Электрические станции, сети и системы электроснабжения» Михаил Дзюба.
В рамках совместных исследований по междисциплинарному проекту в ЮУрГУ создана экспериментальная установка для электрического пробоя с ограничением тока через образцы материалов. Ключевой конструктивной особенностью установки является минимизированный объем ячейки, что позволяет анализировать образцы новых материалов, синтезированных в ограниченных количествах.
Предложенный подход позволяет наблюдать процесс самовосстановления в малообъемных образцах полисилоксанов путем продольной визуализации эволюции дефектов в течение длительных временных масштабов.
Разработанная экспериментальная установка также позволяет исследовать явления, предшествующие электрическому пробою. Для анализа процесса развития каналов триинга (дефекта) в структуре образца были сделаны видеозаписи межэлектродного пространства, согласно которым происходило неоднократное образование и исчезновение электрических дефектов, во время воздействия электрического поля.
«Большая научная задача, в рамках которой этот проект может дать результат, это стыковка этапов моделирования и целенаправленного синтеза материалов с заданными свойствами. – В чем заключается основная научная проблема? Да, есть модели вещества, которые делают материаловеды, есть модели пробоя и восстановления, которые делаем мы, энергетики, – комментирует специфику работ канд. физ.-мат. наук, доцент Валерий Сафонов. – Когда мы сможем соединить результаты наших исследований, будет понятно, что именно нужно изменить в структуре вещества, чтобы процесс шел нужным образом и изоляция была эффективной».
Учеными кафедры «Электрические станции, сети и системы электроснабжения» ЮУрГУ в рамках совместных исследований предложен новый подход, позволяющий производить анализ эффективности самовосстановления прозрачных силиконовых материалов с дефектами в виде пузырьков, возникающих после электрического пробоя малой мощности.
«Это исследование уникально, прежде всего, тем, что носит комплексный характер, – поясняет руководитель исследования со стороны ЮУрГУ, д.х.н. Екатерина Барташевич, – в проекте выстраивается тонкая комбинация взаимосвязей между несколькими группами ученых, отвечающих за разные научные задачи и разные этапы разработки материала. Одна часть команды изучает свойства самовосстановления материалов на фундаментальном уровне. Это коллеги из СПбГУ – химики Регина Исламова, Константин Дерябин, Анна Мирошниченко и коллеги из ЮУрГУ – материаловеды Геннадий и Татьяна Макаровы (занимаются цифровым материаловедением). Вторая часть команды – энергетики Валерий Сафонов, Михаил Дзюба, Александр Прокудин. Они представляют практическую часть – проверку инновационных материалов на электрическую прочность».
Таким образом в рамках консорциума в проекте выстраивается технологическая цепочка. Уже сейчас она дает возможность фундаментальной науке раскрыть природу неочевидных явлений.
«За органический синтез полимеров в проекте отвечают коллеги из Санкт-Петербурга. У них великолепные наработки, оригинальные идеи, они опытные исследователи, у них мощная экспериментальная база, есть возможности фундаментальных измерений, синтеза, что очень важно для исследований.
В ЮУрГУ очень талантливая группа энергетиков, отвечающая за анализ эффективности изоляционных материалов. В нашем исследовании очень важно высокоточное оборудование, ювелирно настроенное на очень малые объемы вещества. За него отвечают энергетики.
К.т.н, доцент кафедры «Электрические станции, сети и системы электроснабжения» Александр Прокудин собирает ячейку, на которой проводятся испытания для сверхмалых объемов вещества.
Кроме того, в ЮУрГУ мы изучаем природу самовосстановления материала на атомно-молекулярном уровне. Молекулярно-динамические модели создают Геннадий и Татьяна Макаровы. К.х.н., младший научный сотрудник НИЛ Многомасштабного моделирования многокомпонентных функциональных материалов Татьяна Макарова занимается именно алгоритмами построения структуры полисилоксанов.
Главное в нашем проекте – ювелирно выстраиваемая технологическая цепочка взаимодействия между представителями фундаментальной и прикладной науки.
В рамках этого консорциума мы учимся транслировать фундаментальные знания. Моделирование свойств веществ позволяет вскрыть природу самовосстановления, сразу же приближая её к задачам технологического процесса и модернизации материала так, чтобы улучшить его свойства уже в изоляционных изделиях.
Если эта технологическая цепочка будет работать, мы сможем добиться взаимосвязей фундаментальных исследований с прикладными задачами и выйти на реальный результат. Это и есть наша цель на данный момент», – резюмирует Екатерина Барташевич.
Проект реализуется в ЮУрГУ в рамках реализации Стратегического технологического проекта № 2 «Фундаментальные основы синтеза и эксплуатации перспективных материалов» программы «Приоритет» (на 2025-2036 гг.) (нацпроект «Молодежь и дети»).