Сотрудники ИТМО, Тяньцзиньского и Ливерпульского университетов создали полимерные микрокапсулы, предназначенные для эффективной и адресной защиты металлов от коррозии. Эти микрокапсулы чувствительны к изменениям в окружающей среде, что позволяет осуществлять регулируемое высвобождение активного компонента в течение двух недель: при снижении кислотности они разрушаются и высвобождают ингибитор коррозии – бензотриазол. Несмотря на свои малые размеры (диаметр составляет всего 700 нанометров), капсулы содержат значительный объем действующего вещества, обеспечивая эффективность капсулирования на уровне 86%. Данная разработка открывает возможности для создания «умных» материалов с предсказуемыми характеристиками и запрограммированной реакцией на воздействие внешних факторов. Результаты исследования были опубликованы в журнале Materials Horizons.
Неблагоприятные условия среды вызывают разрушение металлов, что приводит к уменьшению их прочности, а также снижению тепло- и электропроводности. Для увеличения долговечности металлических конструкций их покрывают защитными слоями и жидким пластиком, вводят в состав сплавов хром и титан, применяют ингибиторы – химические вещества, замедляющие коррозию, и используют другие антикоррозийные решения. Однако все эти подходы имеют свои недостатки: высокую стоимость, сложность в применении, ограниченную эффективность, неэкологичность и запоздалое воздействие, когда коррозия уже достигла активной фазы.
Специалисты из ИТМО, Тяньцзиньского и Ливерпульского университетов создали «умные» полимерные микрокапсулы, предназначенные для надежной защиты металлов от коррозии. Эти микрокапсулы способны подстраиваться под условия внешней среды, провоцирующие коррозию металла, и при обнаружении признаков ее развития высвобождают активное соединение для пресечения деструктивного процесса.
Микрокапсулы – это полые структуры, состоящие из кристаллов оксида кремния, служащие ядром, на которое последовательно наносят два вида полиэлектролитов: низкомолекулярный bPEI и высокомолекулярный PAA. Полиэлектролиты – это соединения, состоящие из молекул, соединенные повторяющимися структурными звеньями, содержащими группы, способные к ионизации в водном растворе. В ядро помещают ингибитор, а сформированная из полиэлектролитов переплетенная структура выступает в качестве защитной оболочки. Снижение pH среды приводит к ослаблению молекулярных связей полиэлектролитной структуры, оболочка «открывается» и высвобождает активное вещество. Данный принцип действия микрокапсул позволяет регулировать процесс доставки бензотриазола на поверхность металла в течение 14 дней.
«Мы не ограничивались наблюдением за системой и фиксацией момента «открытия и закрытия» капсулы, мы провели расчет энергетических характеристик изменений системы в ответ на внешнее воздействие и детально описали принцип действия капсул на молекулярном уровне. Созданная нами модельная система позволяет, используя методы квантовой химии, определить, как изменение состава и архитектуры капсульной оболочки (молекулярные массы полимеров, количество слоев, диапазон pH, на который чувствительны капсулы) дает возможность точно контролировать проницаемость оболочки и условия высвобождения действующих веществ. Это создает возможности для разработки «умных» капсул с более сложной структурой и способностью реагировать на другие факторы окружающей среды, а также, в целом, новых настраиваемых «интеллектуальных» материалов с предсказуемыми свойствами и обратимой реакцией на внешние воздействия », — подчеркивает один из разработчиков исследования, научный сотрудник Научно-исследовательского отдела информатики ИТМО Данила Ермолин.
Одним из ключевых достоинств созданных микрокапсул является их высокая степень эффективности инкапсуляции, определяемая как отношение количества активного вещества, заключенного в носитель, к общему объему этого вещества, использованного в процессе производства. Внутри ядра микрокапсулы оказывается 86% молекул ингибитора. Также эти структуры отличаются стабильностью, долговечностью и экологичностью, что делает их подходящими для применения в промышленных масштабах.
Информация предоставлена пресс-службой Университета ИТМО