«Умные» адаптивные краски, реагирующие на внешние раздражители, открывают новые перспективы во множестве отраслей — от медицины до судостроения.
Материалы, способные динамически менять свои свойства под внешним воздействием, получили название чувствительных, или «умных». Если задачей традиционных лакокрасочных покрытий было сохранение пассивных свойств— цвета, водонепроницаемости— иобеспечение базовой защиты, то«умные» покрытия способны предложить дополнительную функциональность засчет взаимодействия сокружающей средой иконтролируемой реакции навнешние воздействия: свет, давление, кислотность, коррозию, температуру, радиацию ибиологическое воздействие. Прообразом такой динамической системы может служить кожа живых организмов, реагирующая натемпературу имеханическое воздействие иобладающая способностями ксаморегенерации.
Добиться схожего эффекта вработе снеживой материей можно, выстраивая молекулярную структуру композитных материалов нананоуровне, тоесть добавляя «умные» нанофильтры, антимикробные ибиоактивные компоненты кполимерной матрице. Таким образом можно получить самоочищающиеся, самовосстанавливающиеся материалы, способные менять физические свойства (например, цвет, прозрачность иплотность), атакже служить чувствительными сенсорами внешних процессов. Поокончании воздействия они должны быть способны вернуться кпрежнему состоянию иповторять этот цикл многократно, служа напротяжении длительного времени.
«Умные» покрытия, нанесенные поверх металла, стекла или полимеров, обеспечивают уникальные барьерные свойства— устойчивость кцарапинам, кислотам, пыли имикробному воздействию, супергидро— исуперолеофобность, термическую стабильность, многократно продлевая срок службы изделий. Они сигнализируют омалейших повреждениях самолетных двигателей или фюзеляжа изкомпозитных материалов, конструкций мостов, атомных станций инефтяных платформ. Применение «умных» покрытий вразличных секторах способно улучшить технические характеристики изделий, существенно продлить срок ихслужбы, сократить издержки наобслуживание ипроведение инспекций, повысить безопасность критических объектов инфраструктуры.
Покроют всё
Попрогнозу NanoMarkets, к2020 году объем рынка «умных» покрытий достигнет $5,8 млрд (в 2015-м— $600 млн), тоесть среднегодовой рост составит 57%. Аналитики Grand View Research прогнозируют, что к2024 году рынок вырастет до$11,7 млрд.
Одним изнаиболее быстрорастущих сегментов будет потребительская электроника. Речь идет нетолько озащитных исамовосстанавливающихся покрытиях, уберегающих отмеханических повреждений, нои оповышении чувствительности тачскринов изащите ихот отпечатков пальцев, антибликовых покрытиях для экранов ит.д. Еще один крайне востребованный сегмент— самозатемняющиеся стекла ипленки для «умных» окон, которые могут использоваться ваэрокосмической сфере, автопроме истроительстве. Всегоже надолю строительной индустрии к2020 году придется 40% всего рынка «умных» покрытий, полагают вNanoMarkets, причем наибольший спрос обеспечат самоочищающиеся покрытия. Различные антикоррозийные покрытия исамовосстанавливающиеся краски будут востребованы вавтопроме, судостроительстве ипроизводстве военной техники (такие исследования активно спонсирует Пентагон), защитные антиобледенительные покрытия ипокрытия, защищающие отвоздействия солнечных лучей, будут применяться авиапроизводителями. Сенсорные покрытия могут найти применение всекторе интернета вещей, поскольку ихиспользование может оказаться дешевле ипроще, чем применение цифровых датчиков, ана фоне растущего спроса накаршеринг ибеспилотные автомобили актуальность приобретут антимикробные покрытия для салонов исамоочищающиеся— для сенсоров икамер. Антибактериальные покрытия для инструментов, имплантов икатетеров получат распространение вмедицине. Всудостроении истроительстве морских сооружений будут востребованы покрытия, препятствующие обрастанию поверхностей ракушками имоллюсками (увеличивая вес судна, они способствуют дополнительному расходу топлива).
Сдерживающими факторами для рынка будут выступать высокая стоимость материалов инеобходимость использования специального оборудования для нанесения «умных» покрытий.
«Умные» краски под микроскопом
Какже работают «умные» материалы? Самовосстанавливающиеся покрытия обогащены микрокапсулами сжидкой краской. Когда вокрашенной поверхности появляются трещины, капсулы разрушаются изаполняют образовавшуюся полость. Более сложная технология предполагает использование капсул смономером итвердого катализатора, обеспечивающего полимеризацию высвобождающегося вещества. Антикоррозийный эффект обеспечивается наночастицами, способными под действием окисления высвобождать ионы, подавляющие коррозию. Самоочищающиеся покрытия содержат фотокатализатор (чаще всего для этого применяется диоксид титана), способный разлагать органические загрязнения— белки, жиры, крахмал, целлюлозу, которые затем легко смываются дождем.
Гидрофобные покрытия обогащены фторполимерами исиликоновыми полимерами, имеющими высокий краевой угол смачивания: врезультате вода нерастекается поповерхности, асобирается ввиде капель. Наночастицы серебра имеди обеспечивают антибактериальные свойства покрытий, адобавление цетил пиридиум хлорида, цетримида или алексидина— антимикробные. Различных оптических эффектов покрытий можно добиться засчет чередования слоев сконтрастными показателями преломления. Термоустойчивые покрытия под действием пламени мгновенно образуют керамизированный эластомер— слой углеродной пены, тем самым препятствуя проникновению жара внижний слой изащищая его отвозгорания. Покрытия для медицинских имплантов могут содержать микрокапсулы свеществами, препятствующими воспалению иотторжению инородного тела организмом пациента. Биореактивные полимерные покрытия, содержащие энзимы иантитела, способны разлагать инейтрализовать яды итоксины вплоть доспор сибирской язвы. При изготовлении сенсорных красок применяют карбоновые нанотрубки иэлектроды. Вответ напоявление микротрещин трубки меняют проводимость иизгибаются, аэлектроды передают сигнал наспециальные датчики.
Вбудущем одним изнаправлений развития индустрии «умных» покрытий может стать создание многослойных материалов, где каждый слой будет обладать собственной функциональностью. Кпримеру, речь может идти офоточувствительном покрытии для солнечных батарей, способном ксамовосстановлению исамоочищению, или экране смартфона, сочетающем жесткий защитный слой имягкий самовосстанавливающийся,— прототип такого стекла недавно разработали китайские ученые. Правда, стоимость таких «суперумных» покрытий может оказаться слишком высокой для коммерческого применения.