Пористые мембраны для «программированного выхода лекарств»

Рис. Структура покрытия из нанослоев на стали.

Основой является нержавеющая хирургическая сталь. Поверхность изолирует и сглаживает алмазоподобное (Diamond-Like Coating - DLC) покрытие. Два слоя лекарств, подавляющих отторжение, последовательно выращиваются на DLC. Лекарственные слои разделяются нано- мембранами, контролирующими скорость выхода лекарств. Толщина и пористость мембран подобраны таким образом, чтобы лекарства постепенно выходили из покрытия: 1-ое лекарство выходит 1 – 2 часа, 2-ое – в течение 100 дней. Это называется «программированным выходом лекарств». Оба лекарственных слоя и мембраны, регулирующие скорость выхода лекарств полностью биодеградируют (растворяются в условиях организма), не оставляя каких-либо остатков на стенте.

Реакторный объем. Выгоднее всего в качестве топлива использовать самый распространённый химический элемент во Вселенной – водород. При окислении (сгорании) водорода образуется вода, и эта реакция идёт с выделением очень большого количества тепла (120 КДж/кг). Для сравнения, удельная теплота сгорания бензина и природного газа в три раза меньше, чем у водорода. При сгорании водорода не образуется вредных для экологии оксидов азота, углерода и серы.

К аноду подводят водород, который, проникая в электролит через очень мелкие поры в материале электрода и участвуя в реакции хемосорбции, превращается в положительно заряженные ионы. К катоду подводят кислород. Для ускорения реакции применяют катализаторы. Электроды топливного элемента соединяют с нагрузкой. Чистый водород может быть заменен водородосодержащими газами типа этанола или метанола СН₃ОН. Пористая стеклянная мембрана на порядок увеличивает фронт взаимодействия метанола и кислорода, облегчает отвод результата реакции – воду.

Рис. Схема и изображение нанопористой стеклянной мембраны для метанолового источника питания.

Аэрогель - эластомер. Он обладает самостоятельной формой и упругостью. (ГЕЛИ (от лат. gelo- застываю). Вещества группы аэрогелей называют "твёрдый газ", "голубой дым" или «замороженный дым». Полупрозрачный аэрогель имеет сверхнизкую плотность. В результате изготовления образуется разветвленная структура с непрерывной поверхностью

толщиной 2-5 нм. Поры имеют размер менее 100 нм. Газом заполнено от 50% до 99% объёма вещества. Одного кубического сантиметра аэрогеля было бы достаточно, чтобы, будучи "развёрнутыми", эти самые "перегородки" покрыли площадь футбольного поля.

Уникальные свойства "замороженного дыма": прозрачность, очень низкая плотность,

высокая твёрдость, жаропрочностью, акустическая изоляция ( скорость звука при прохождении через аэрогель составляет 100 м/сек).

Рис. Аэрогель. Образец выдерживает большие распределенные нагрузки.

При точечном воздействии – податлив, и его можно сжать в «точку».

Рис. Прочность: 2,5 кг кирпич поддерживается 2-граммовой пластиной аэрогеля.

Металлическая пластина, покрытая 6 мм слоем аэрогеля, не была повреждена при взрыве килограмма динамита в непосредственной близости от этой пластины, не претерпела каких-либо изменений при нагревании слоя аэрогеля паяльной лампой с температурой пламени более 1300°C. Компания Dunlop разработала несколько новых типов ракеток для тенниса и сквоша, где аэрогель применяется для усиления конструкции. Аэрогелем NASA - Aspen Aerogel, были заполнены ловушки, которыми брали пробу кометного вещества на комете Вайлд-2 (Wild-2) во время полета американского межпланетного зонда Stardust, запущенного NASA в феврале 1999 года.

Рис. Ловушка для кометного вещества зонда Stardust (NASA) и частицы кометного вещества в ловушке зонда.

Аэрогель с разрывами «перегородок» способен очищать воду от свинца и ртути, морскую воду от разливов нефти, благодаря большой поглощающей способности за счет 99% пустот. Аэрогель Al₂O₃∙H₂O из-за своей чрезвычайно высокой удельной поверхности и наличия на ней активных центров (отрицательно заряженные алюминольные группы) перспективен для разработки новых сорбентов, катализаторов и носителей катализаторов

Газовые гидраты или клатраты – это форма льда, в полостях структуры которого умещаются целые молекулы, в частности, молекулы метана и углекислого газа. Возможно, это является идеальным веществом для захоронения углекислого газа. Такое вещество устойчиво при умеренных давлениях и низких температурах, и мы можем вводить углекислоту в такой лед и захоранивать его на морском дне, это совершенно безопасно. С другой стороны, в гидратах метана высоко содержание природного газа, и такого рода запасы газа на Земле практически безграничны. Мы сейчас находимся в такую эпоху, когда энергетический кризис является одной из самых главных проблем человечества, и эту проблему можно было бы решить целиком, если бы мы научились извлекать метан из залежей гидрата метана. На этой картинке вы видите, что гидрат метана очень похож на лед, да это лед и есть, но он горит, и в этом процессе сгорает метан и стекает жидкая вода.

Композиционные материалы

Если материал не удовлетворяет таким требованиям как высокая прочность или жаростойкость, то в него (как в матрицу) добавляют составляющие с подходящими параметрами. При этом формируется композитный материал (КМ). Добавки представляют собой микро- и нано- частицы, «усы», волокна, микроконтейнеры. Между матрицей и добавкой должна устанавливаться прочная связь, преимущественно в виде твердого раствора или химического соединения.

Матрица с добавками обладает более высокой энергией связи U_св, т.к.

- химические соединения добавок могут быть сильнее (ковалентная связь сильнее других видов),

- справочные данные параметров приводятся для реальных материалов, а не для идеальных вставок («усов» - «вискеров»),

- происходит сочетание свойств: часть нагрузки передается от матрицы к добавке с другими параметрами прочности и пластичности.

В зависимости от поставленной задачи и структуры добавок КМ формируются как

- сплавы (твердые растворы, механические смеси),

- армированные конструкции (форму и прочность обеспечивает добавка),

- «сотовые» композиции (обеспечивает требуемые характеристики добавка в сотах или порах).

Рис. Виды нанокомпозитов.

Прочность КМ σ_КМ: σ_КМ = σ_мат v_мат + σ_вст v_вст,

где σ_мат и σ_вст - пределы прочности матрицы и вставки, а v_мат и v_вст - объемные доли матрицы и вставки.

Для увеличения прочности в КМ

Ag c 24% «усов» - нитей сапфира Al₂O₃. Предел текучести возрастает в 30 раз по сравнению с чистым серебром. Алюминиевый сплав с добавкой Al₂O₃ увеличивает прочность при температуре свыше 300 ˚С. Это позволяет использовать КМ для изготовление поршней, валов. Добавка сапфировых нитей в вольфрам и молибден позволила вдвое увеличить прочность сопла ракеты при 1650˚С.

При нормальной температуре сверхпроводники, например, интерметаллид Nb₃Sn, хрупки и непластичны. Из них нельзя получить длинные и тонкие проводники. Для получения пластичных проводов, работающих в широком температурном диапазоне, сверхпроводники запрессовывают в Сu. При низкой температуре сверхпроводник шунтирует медь, а при нормальной - медь шунтирует высокоомный материал.

Полимерные матрицы используются для изготовления подложек (стеклотекстолит), подшипников из композиции фторопласта с бронзой (обеспечивается скольжение).

КМ используются для выполнения резисторов определенного номинала не из-за геометрических размеров, а за счет внутренней структуры.

Материалы разрывных контактов должны быть тепло- и электропроводными, эрозионностойкими при воздействии электрической дуги, не свариваться в процессе работы. Контактное сопротивление должно быть возможно меньшим, а критические сила тока и напряжение при образовании дуги – возможно большими. Чистых металлов, удовлетворяющих всем этим требованиям, нет. Изготавливают контактные материалы прессованием с последующим спеканием или пропиткой пористого тугоплавкого каркаса более легкоплавким металлом (например, вольфрам пропитывают медью или серебром). Тяжелонагруженные разрывные контакты для высоковольтных аппаратов делают из смесей вольфрам – серебро – никель или железо – медь. В низковольтной и слаботочной аппаратуре широко используют материалы на основе серебра с никелем, оксидом кадмия и другими добавками, а также медно – графитовые материалы.

Скользящие контакты широко используют в приборах, коллекторных электрических машинах и электрическом транспорте (токосъемники). Они представляют собой пары трения, должны обладать высокими антифрикционными свойствами, причем контакт должен быть мягче, чем контртело и не изнашивать его, так как заменить скользящий контакт проще, чем коллектор или привод. Для обеспечения антифрикционности, в состав смесей для скользящих контактов вводят твердые смазки – графит, дисульфид молибдена, гексагональный нитрид бора. Большинство контактов электрических машин изготавливают из меди с графитом. Контакты приборов изготавливают из серебра с графитом, серебра с палладием, никелем, дисульфидом молибдена, вольфрама с палладием.

Пластиковая сталь включает наночешуйки Al₂O₃ (сапфира) размером порядка 110 нанометров в составе материала «Na⁺-Montmorillonite» (MTM) Основой служит полимерный клей поливиниловый спирт (PVA) плюс глутаральдегид (glutaraldehyde). После нанесения каждый слой подсыхал, а затем наносился новый слой. Таким образом, формировался материал лёгких, но при этом прочных бронежилетов, корпусов летательных аппаратов и автомобилей, медицинских трансплантатов или деталей иной техники.

Рис. Общий принцип строения пластиковой стали. Коричневым показаны нанопластинки MTM, жёлтым — PVA, голубым — стеклянная подложка, чёрным и зелёным — молекулы глутаральдегида (иллюстрация University of Michigan)..

Полимеры и углеродные нанотрубки Плотность нанотрубок в пять раз меньше, чем стали, а прочность в десятки раз больше. Если между соседними волокнами полимерного материала поместить нанотрубку, связав её с ними углеводородными цепочками, то прочность данного участка материала приблизиться к прочности нанотрубки. Формируется трехмерный полимер из линейных молекул. Таким образом, добавка нанотрубок в 0,6% даёт 4-х кратное увеличение прочности полимера. Учёные считают, что, если нанотрубки будут занимать 10% объёма полимера, то смогут увеличить его прочность в 20 раз!

Рис. Схематическое изображение нанотрубки, встроенной между молекулами полимера, соединённой с ними с помощью бутильных групп (БГ).

Сплавы с памятью формы (интеллектуальные материалы)

Интеллектуальными материалами (smart materials) считают вещества, свойства которых меняются под воздействием внешних факторов и возвращаются к исходным после прекращения воздействия.

Сплавы с памятью формы (СПФ) обладают кристаллической структурой и являются твердыми растворами различных металлов: Ni-Ti, Cu-Al-Ni, Cu-Zn-Al, Fe-Mg-Si. Суть эффекта «памяти» заключается в упругом изменении формы, размеров при, например, повышении температуры и возвращении к прежней форме при охлаждении. Упругие изменения структуры и, следовательно, формы вызывают нагревание, механическое воздействие (давление), электрические и магнитные поля и т.п.

Рис. Элементарная моноклинная кристаллическая ячейка NiTi (нитинола).

Различают энергетическую и кинетическую упругость. Энергетическая упруго сть - это сопротивление внешним силам, направленным на преодоление сил связи между частицами. (Внешняя сила переходит в потенциальную энергию упруго деформированного тела.) Кинетическая упругость - это сопротивление внешним силам изменить внутреннюю структуру (угол связи, вид элементарной ячейки кристаллической решетки), адекватную существующим условиям (давлению, температуре,..).

Прямое и обратное изменения параметров СПФ происходят в два этапа. Вызванное внешними силами напряжение создает в первую очередь упругую деформацию длины связи (изменение постоянной (ребра) кристаллической решетки (КР) -). Затем происходит изменение углов КР, т.е. внутренней структуры и внешней формы материала. (Под давлением атом большего диаметра сжимается сильнее, что и приводит к перестройке структуры.) Деформация выражается не только в виде удлинения – укорочения, но в виде кручения, изгиба и т.п.

После снятия внешнего воздействия сначала происходит снятие упругой деформации связи, а затем углов КР. Из-за различия крутизны изменений каждого из этапов в зависимости σ = f (ε) для СПФ наблюдается гистерезис. Результирующая упругая деформация (и ребер, и углов) СПФ существенно выше, чем у обычных материалов: 5, 8 и даже 30 % у первых по сравнению с десятыми долями % у вторых.

Рис. Зависимость деформации от напряжения для СПФ.

Сплав Ni-Ti никелид титана (Nitinol, Flexinol) при комнатной температуре находится в адекватной к «нормальным условиям» мартенситной фазе со «сдвоенной (twinned)» моноклинной КР. Деформированием можно получить «несдвоенную» моноклинную КР. При этом внешняя форма образца станет моноклинной (призматической) – происходит раздвойникование.

При нагревании происходит фазовый переход к аустенитной кубической КР. В результате форма образца становится прямоугольной. Нагревание может производиться с помощью электрического тока. При охлаждении форма возвращается к моноклинной структуре. СПФ – это «двойникующий» кристалл. Петля гистерезиса показывает 2 фазовых перехода: мартенсит → аустенит и аустенит → мартенсит. Каждый из фазовых переходов включает 2 этапа одинаковой последовательности: сначала изменяются упругие длины связей, затем упругие углы связи. Если бы последовательность преобразований была бы иной: «длины» – «углы» при нагревании и «углы» - «длины» при охлаждении, - то траектория прямого и обратного фазовых переходов повторилась бы. Вместо петли была бы линия.

Рис. Структура мартенсита и аустенита.

Характеристические температуры (фазовых переходов аустенит – мартенсит и мартенсит – аустенит с учетом гистерезиса) для никелида титана 30 ^оС и 80 ^оС. Добавка 3% Fe снижает эти температуры до -170 ^оС и -70 ^оС, а добавка Au, Ag или Pd повышает рабочий интервал до 800 ^оС. Для нагревания может использоваться горячая вода, солнечная радиация, климатический и суточный перепад температур, тепло живого организма и т.п.

Дата добавления: 2015-04-24