Российские учёные создали магнитные полимерные нанокомпозиты
Сегодня в материаловедении стремительно развивается новая область, изучающая «умные» материалы (от англ. smart materials) — объекты со свойствами одной природы, которые меняются в зависимости от внешних воздействий совершенно другой природы. Одним из способов создания таких «умных» материалов является изготовление композитных структур, каждая компонента из которых сочетает в себе одно или несколько «умных» свойств. Один из таких новых материалов разработали учёные Балтийского федерального университета им. И. Канта (Калининград, Россия), они создали новые полимерные нанокомпозиты с улучшенными свойствами.
Полимерные композиты содержат усиливающие элементы (волокна, пластины) с различным отношением длины к сечению (что и создаёт усиливающий эффект), погружённые в полимерную матрицу. Нанокомпозиты благодаря своей структуре обладают превосходными физическими и химическими свойствами и могут применяться в самых разных областях, включая производство электроники и новых материалов, в медицине и в экологии, в аэрокосмической и автомобильной отраслях. Их механические характеристики заметно лучше, чем у исходных компонентов, что делает композитные материалы крайне выгодными в производстве.
Полимерные нанокомпозиты, над которыми работают в БФУ им. Канта, сочетают в себе магнитные и электрические свойства, они способны преобразовывать электрическую поляризацию в магнитное поле и наоборот. И хотя некоторые другие материалы демонстрируют лучший магнитоэлектрический эффект, композиты на основе полимеров легче производить и модифицировать.
Такие композиты могут использоваться в самых разных областях. Например, используя их как основу, учёные могут разработать поверхности, которые помогают культивировать различные клетки. В этом случае полимерные композиты служат субстратом, через который можно воздействовать на культуру, используя бесконтактный и контролируемый электрический заряд и морфологические свойства поверхности. Это позволяет моделировать естественные условия в организме. Учитывая потенциал таких материалов, учёные постоянно работают над повышением их эффективности.
Балтийский федеральный университет им. И. Канта создал два новых типа композитов на основе полимеров поливинилиденфторида (ПВДФ) и сополимера на основе ПВДФ с использованием трифторэтилена ПВДФ-ТрФЭ.
Идея, предложенная физиками БФУ им. И. Канта, основана на создании гибких полимерных структур, которые сочетают в себе два «умных» свойства – магнитоэлектрический и магнитокалорический эффекты. Каждое из свойств имеет ясные практические перспективы, поскольку магнитокалорический эффект, может быть использован для изменения температуры материала за счет включения (выключения) магнитного поля, а магнитоэлектрический — для преобразования магнитной энергии в электрическую и наоборот.
Поливинилиденфторид — материал с широкой сферой применения. В определённой кристаллической фазе он обладает пьезоэлектрическими свойствами, которые выражаются в возникновении электрической поляризации под механическим воздействием. Разработанные исследователями композиты демонстрируют изменение поляризации как при механическом воздействии, так и под воздействием магнитного поля за счёт включения магнитных наночастиц в структуру полимера.
Команда использовала различные подходы к модификации нанокомпозитов для усиления и контроля магнитоэлектрического отклика. Так, они использовали сополимер на основе пьезоэлектрика поливинилденфторида (PVDF) с особо выраженными пьезоэлектрическими свойствами, затем добавили пьезоэлектрические и магнитные частицы. Учёные обнаружили, что добавление частиц титаната бария (BaTiO3) с концентрацией 5–10% может значительно усилить магнитоэлектрический эффект.
«Мы также показали, что наши композиты биосовместимы, то есть они не наносят вреда живым системам. Это было подтверждено в нашем эксперименте с эмбриональными стволовыми клетками мышей. Этот тип клеток очень чувствителен к условиям культивирования, включая свойства подложки. Дальнейшие исследования будут направлены на усиление магнитоэлектрического эффекта. Это возможно за счёт изменения размера, формы и концентрации частиц в таких композитах», – Катерина Левада, руководитель лаборатории биомедицинских приложений НОЦ «Умные материалы и биомедицинские приложения».
Примечательно, что работа была продолжена и выполнена научным коллективом совместно с новыми приглашенными специалистами в рамках программы повышения конкурентоспособности «5-100» и в коллаборации с научной группой профессора А. Жукова из Universidad del Pais Vasco (Испания) – ведущими специалистами по исследованию магнитных микропроводов.
Карим Амиров, исследователь Лаборатории новых магнитных материалов БФУ им. И. Канта так прокомментировал работу: «Представленные результаты являются продолжением цикла работ по получению и исследованию новых «смарт»-материалов на основе магнитных микропроводов. Магнитные микропровода являются одними из основных объектов исследования нашей группы, по которым накоплен и опубликован большой объем экспериментальных результатов, а также разработаны новые методики их исследования. Первая наша работа по созданию магнитоэлектрических композитов на основе магнитных микропроводов нашла большой интерес у коллег по цеху и нами были продолжены исследования в этом направлении. Полученные композиты представляют собой микропровода на основе сплавов Гейслера, которые упорядоченно встроены в полимерную матрицу пьезоэлектрика поливинилденфторида (PVDF), а его гибкость, биосовместимость и простая технология изготовления являются дополнительным преимуществом на пути их возможных приложений».
Результаты исследования представлены в статье, опубликованной в научном журнале Journal of Magnetism and Magnetic Materials.
