Новые антикоррозийные покрытия

С тех самых пор, как человечество научилось использовать металлы и сплавы в качестве конструкционных материалов, оно неустанно борется с коррозией – без особых, впрочем, успехов. То есть методов защиты от коррозии и способов повышения коррозионной стойкости предложено великое множество – тут и введение легирующих добавок, и нанесение защитных покрытий на основе других металлов, и окраска, и эмалирование, и многое другое. Однако проблема и сегодня остаётся весьма актуальной: по оценке экспертов Массачусетского технологического института в Бостоне, из года в год коррозия наносит мировому народному хозяйству ущерб, исчисляемый миллиардами долларов. Причём ржавеет не только железо, – корродируют и многие другие металлы, а также бетон, строительный камень и прочие материалы, включая даже некоторые виды пластмасс.

Немецкие исследователи решили подойти к решению извечной задачи с новой стороны и сделали ставку на нанотехнологии. Имеется в виду использование наночастиц – мельчайших частиц вещества, линейные размеры которых измеряются в нанометрах, то есть в миллионных долях миллиметра. Иными словами, наночастицы примерно в тысячу раз мельче эритроцитов – красных клеток крови. Столь малые частицы вещества обладают и совершенно особыми свойствами, не имеющими ничего общего со свойствами макропорций того же вещества. Благодаря особым покрытиям на основе наночастиц, разработанным в Институте новых материалов в Саарбрюккене, никакая, даже самая глубокая царапина, не сможет привести к коррозии металлической основы, – утверждает научный руководитель Института, профессор химии Хельмут Шмидт (Helmut Schmidt):

Функционирует всё это довольно просто. Мы хотим, чтобы происходило как бы автоматическое самоисцеление, заживление повреждений, возникающих, скажем, в лакокрасочном слое на поверхности кузова автомобиля. Для этого мы подмешиваем к стандартному покрытию наночастицы, выполняющие функцию ингибиторов коррозии, причём придаём им такие свойства, чтобы они в случае необходимости обеспечивали быструю диффузию соответствующих компонентов покрытия в зону повреждения и как бы затягивали рану.

Всё это больше похоже на сказку – тем более, что профессор предпочитает не вдаваться в конкретные детали. Однако лабораторные эксперименты показали, что метод успешно функционирует. Ингибиторы в технике – это вещества, снижающие скорость тех или иных химических реакций и применяемые для замедления или предотвращения нежелательных процессов, в данном случае, коррозии. То, что такие замедлители коррозии способны свободно перемещаться внутри твёрдого лакокрасочного покрытия, профессор Шмидт доказал уже лет 10 назад. Он обнаружил тогда, что наночастицы на металлической, стеклянной или керамической поверхностях ведут себя как ионы в свободном растворе. Иными словами, они стремятся обеспечить и поддерживать во всём объёме равновесное состояние, а любой возникший перепад концентрации тотчас выровнять за счёт диффузии. Хельмут Шмидт поясняет:

Это можно представить себе так: компоненты, образующие эти самые ингибиторы коррозии, свободно диффундируют внутри покрытия, бодро разгуливают, так сказать, туда-сюда, пока не наткнутся на какое-то место с пониженной концентрацией. Тогда они дружно устремляются в это место – как вода, заполняющая углубление. А царапина – это повреждение покрытия, то есть там содран слой лака, значит, там отсутствуют и ингибиторы, вот туда-то и стекаются наши наночастицы из лака вокруг царапины.

Но что это будут за наночастицы, призванные выполнять функцию ингибиторов коррозии, сами разработчики пока не знают, хотя принцип понятен: эти частицы должны образовывать с металлом соединения, которые предотвращают реакцию окисления. То, что метод функционирует в лабораторных условиях, учёные Института новых материалов в Саарбрюккене уже доказали. Теперь же в рамках рассчитанного на 4 года международного проекта, в котором участвуют научные учреждения 13-ти стран ЕС, предстоит довести разработку до стадии внедрения в производство. Эта инновация будет иметь и большое значение для экологии – ведь антикоррозийные покрытия, широко применяемые сегодня, прежде всего, в автомобилестроении и авиационной промышленности, содержат ядовитые и, как считается, канцерогенные соединения на основе 6-валентного хрома. Профессор Шмидт уверен, что от этой технологии, причиняющей ущерб не только природе, но и здоровью человека, можно будет отказаться:

Это многоступенчатый технологический процесс, в ходе которого ежегодно в окружающую среду выбрасывается несколько десятков тонн высокотоксичных отходов. Наша – совершенно новая – концепция защиты от коррозии позволит обойтись без этих выбросов.

Впрочем, специалисты из Саарбрюккена уверены, что их разработка сможет найти применение не только в области антикоррозийной защиты, но и в других областях. Ведь предложенные ими нанотехнологии позволят придавать самым различным материалам, покрытиям и поверхностям новые, порой неожиданные свойства и функции:

Если взять, например, поверхности лёгких металлов, то по ним достаточно провести заскорузлой тряпкой, чтобы оставить царапины. Так вот, наша методика позволяет не только защитить эти металлы от коррозии, но и улучшить их механические свойства и тем самым существенно расширить сферу их возможного применения. Другой пример: с помощью нашей технологии можно получить самодезинфицирующиеся поверхности. Очевидно, что лёгкие металлы с антисептическими свойствами очень пригодились бы в медицине и в пищевой промышленности. Пока же здесь вынуждены применять гораздо более дорогие высоколегированные стали. Я могу уже сегодня с полной уверенностью утверждать, что в недалёком будущем мы сможем на базе нашей технологии придавать поверхностям любые заданные свойства – и всё это в сочетании с высокой экологичностью.

Забота об экологии требует срочного решения и другой задачи, также связанной с разработкой новых покрытий для металлических поверхностей. Специалистам хорошо известна проблема обрастания корпуса судна водорослями, моллюсками и прочими морскими организмами. Для этих безбилетных пассажиров любое судно является удобным транспортным средством, которое, во-первых, обеспечивает их доставку в более богатые пищей регионы мирового океана, а во-вторых, способствует их широкому распространению как биологического вида. Однако нашествие таких переселенцев, часто не имеющих в новом ареале обитания естественных врагов, а потому стремительно размножающихся, нередко приводит к нарушению экологического равновесия, что, в свою очередь, чревато непредсказуемыми и часто весьма тяжёлыми последствиями для всей экосистемы в целом. Что же касается транспортных предприятий и пароходств, то им такое обрастание судов ракушками и рачками обходится весьма дорого в самом прямом смысле этого слова: вследствие снижения ходовых характеристик судна расход дизельного топлива увеличивается в среднем на 15 процентов. При нынешних ценах на нефть это весьма чувствительные финансовые потери, да и для окружающей среды это лишняя нагрузка. До недавнего времени основным средством защиты от обрастания было так называемое противообрастающее покрытие корпуса судна, то есть его покраска специальными составами. Однако эти составы на основе трибутила олова и его производных являлись самыми токсичными веществами из всех, когда-либо сознательно запущенными в оборот человеком. Ядовитая краска, проникая в воду, нарушала обмен веществ и вызывала генетические мутации у представителей морской фауны. Поэтому сегодня применение этих составов – вот уже три года – запрещено. Так что теперь учёные спешно ищут альтернативные решения проблемы обрастания.

Биолог Ральф Лидерт (Ralph Liedert) и его коллеги с факультета судостроения, морской техники и прикладных естественных наук Высшей школы Бремена поставили перед собой задачу придать подводной части корпуса судна такую поверхностную структуру, чтобы она сама по себе, безо всякого ядовитого покрытия, отпугивала потенциальных безбилетников-прилипал.

Не секрет, что, приступая к поиску решения той или иной технической проблемы, учёные и инженеры редко действуют совершенно самостоятельно и, уж конечно, не начинают работу, как говорится, с чистого листа. Иными словами, заимствования – дело вполне обычное. Эти заимствования могут принимать самые разные формы – вплоть до плагиата или промышленного шпионажа. Но это – в экстремальных случаях. Гораздо чаще современные конструкторы предпочитают легальный путь: они опираются на достижения и открытия предшественников и привлекают к сотрудничеству коллег. Но есть ещё одна форма заимствования – вполне законная, хотя, выражаясь языком патентного права, она и не предполагает согласия со стороны владельца интеллектуальной собственности. Речь идёт о древнейшей форме заимствования – заимствовании у природы. Причём далеко не всегда тут можно говорить о банальной имитации: порой природа подсказывает учёным новые направления исследования, принципиально новые идеи. Так что в истории развития науки изучение особенностей строения и функционирования живых организмов играет исключительно важную роль не только само по себе, но ещё и потому, что позволило успешно решить множество технических задач, стоявших перед человечеством. Например, обтекаемую форму кузова спортивного автомобиля конструкторы подсмотрели у пингвина, а при разработке грязеотталкивающего и самоочищающегося покрытия образцом послужил лист лотоса. Впрочем, говорить об этом процессе в прошедшем времени совершенно неуместно, поскольку интерес исследователей к заимствованию новаторских подходов у живой природы в наши дни не только не убывает, но и охватывает всё новые и новые отрасли науки и техники. В данном же случае объектом пристального внимания бременских учёных стала акулья кожа. То, что её шероховатая микроструктура позволяет акуле минимизировать поверхностное трение и благодаря этому с минимальными энергозатратами стремительно перемещаться в воде, известно давно. Однако одними лишь гидродинамическими параметрами достоинства акульей кожи отнюдь не исчерпываются. Исследователи обратили внимание на то, что на акуле – в отличие от большинства других рыб и морских млекопитающих – почти никогда не селятся представители мелкой морской фауны. Теперь Ральф Лидерт и его коллеги пытаются искусственно воссоздать это свойство акульей кожи, а для этого проводят натурные испытания в условиях, максимально приближённых к реальным условиям эксплуатации морских судов. На побережье Северного моря в округе Дитмаршен федеральной земли Шлезвиг-Гольштейн исследователи выполняют обширную программу экспериментов: погружают в воду пластины-образцы с различными поверхностными микроструктурами и наблюдают за тем, как эти различия сказываются на процессе обрастания. Разглядывая извлечённые из морских глубин образцы, Ральф Лидерт поясняет:

Что меня несколько удивляет, так это обилие оболочников в этом году и, напротив, очень малое количество морских желудей. Но это не так уж и важно. Самое главное: мы отчётливо видим, что одни пластины обросли значительно сильнее других.

Всего бременские учёные изготовили 75 таких пластин и затопили их ранней весной в акватории яхт-клуба городка Мельдорфа. Одни обладают зеркально-гладкой поверхностью, другие той или иной микроструктурой. Исследователей интересовало, какие из этих образцов окажутся наиболее, а какие – наименее привлекательными для мелких морских обитателей. Ральф Лидерт говорит:

Мы имеем так называемые нулевые образцы, то есть пластины без какой-либо видимой поверхностной структуры, а затем идут по нарастающей образцы со всё более и более отчётливо выраженной микроструктурой – с бороздками от 72-х до 152-х микрометров с определёнными интервалами. Ещё один параметр, который мы варьируем, – это степень эластичности поверхности. Здесь мы имеем образцы 3-х видов – твёрдые, средние и мягкие. На ощупь эти пластины напоминают поверхность более или менее туго надутого воздушного шарика.

Что, в общем-то, понятно – ведь образцы имеют силиконовое покрытие. А их поверхностная микроструктура позаимствована, как уже было сказано, у акулы. Антониа Кезель (Antonia Kesel), профессор биомеханики и бионики Высшей школы Бремена, поясняет:

Тело акулы сплошь покрыто мельчайшими зубчиками – не той чешуёй, которую мы видим у костистых рыб, а именно мелкими зубчиками, столь мелкими, что они невооружённым глазом практически неразличимы. Эти зубчики сидят на более мягкой и эластичной подкожной ткани, но не непосредственно, а на своего рода коротких стебельках. Это делает их подвижными, то есть под воздействием механического давления они могут смещаться друг относительно друга.

Конечная цель бременских исследователей состоит в том, чтобы искусственно воспроизвести такую микроструктуру в форме тонкой, но прочной полимерной плёнки, которую можно было бы наносить на корпуса судов ниже ватерлинии вместо ядовитой краски. Учёные очень надеются, что такое покрытие позволит предотвратить подводное обрастание судов, – говорит профессор Кезель:

Теперь задача заключается в том, чтобы увязать форму и микротопографию этих зубчиков с возможностью их взаимного смещения за счёт особенностей крепления. Ведь зубчики образуют тончайшие бороздки вдоль продольной оси тела акулы.

А на таких продольных бороздках большинство моллюсков и рачков, судя по всему, предпочитают не селиться. Например, морские жёлуди, или баланиды, – наиболее распространённые среди организмов, которыми обрастают морские суда. Взрослые представители этого семейства усоногих ракообразных заключены в известковую раковину и ведут неподвижный образ жизни, прикрепившись к подводным предметам или животным. Но отнюдь не к первым попавшимся, – утверждает Ральф Лидерт:

Личинки морских желудей – животные очень разборчивые. У них имеется два маленьких щупика, и ими они обследуют ту поверхность, на которой намерены обосноваться. При этом они анализируют как химические, так и механические свойства поверхности, а затем, спустя некоторое время – обычно часа два – принимают решение. Это чрезвычайно важное решение, потому что взрослой особи суждено провести на выбранном месте всю жизнь.

Кроме того, определённую роль тут, видимо, играет и геометрия поверхности. На следующем этапе бременского проекта корпус специального испытательного катамарана предполагается обклеить плёнкой с той микроструктурой, которая оказалась наиболее эффективной в противодействии обрастанию. Однако немалые трудности предстоит учёным преодолеть и в производстве плёнки. Ральф Лидерт говорит:

В принципе мы получаем плёнку методом литья. То есть мы изготовляем форму-негатив и заливаем её жидким силиконом, который потом полимеризуется и застывает. Технологию крупномасштабного производства, которая позволила бы покрывать плёнкой целые корпуса океанских судов, ещё только предстоит разработать.

Лабораторные испытания показали, что бременские учёные на верном пути: их плёнка снижает степень обрастания ни много ни мало на 95 процентов. Но о массовом внедрении разработки можно будет думать только после того, как удастся существенно снизить толщину плёнки, составляющую на сегодняшний день 3 миллиметра. Это слишком накладно: искусственная акулья кожа пока обходится в 10 раз дороже ядовитой краски.