Сложно поверить, что даже самые крошечные трещины в металле однажды могут приводить к разрушению целых конструкций. Однако далеко за примерами ходить не нужно – падающие мосты, прорывающиеся трубопроводы и многие другие катастрофические последствия нередко являются действием коррозии, образовавшейся в крошечных трещинах, царапинах и вмятинах, которые очень сложно обнаружить. Наиболее распространенным методом борьбы с коррозией является нанесение защитных покрытий, изолирующих поверхность металла от разрушающего воздействия окружающей среды. Проблема в том, что с нарушением этого покрытия теряется его эффективность.
Группа ученых из Северо-Западного университета под руководством Цзясина Хуанга разработала покрытие для металла, способное при повреждении самовосстанавливаться за считанные секунды, предотвращая превращение этих едва заметных дефектов в локальную коррозию, которая в свою очередь может привести к обрушению всей конструкции. Новый материал устойчив к экстремальным условиям окружающей среды и его можно наносить даже под водой.
«Локальная коррозия очень опасна. Ее сложно предсказать, предотвратить и обнаружить, но она способна привести к катастрофическим последствиям», — говорит Цзясин Хуанг.
По словам разработчиков, их запатентованное покрытие обладает наиболее оптимальными свойствами текучести и возможностями самовосстановления. В ходе экспериментов исследователи продемонстрировали, что покрытый этим веществом металл 200 раз восстанавливал свою структуру после повторяющихся повреждений и не подвергся коррозии в растворе соляной кислоты.
О новой разработке сообщается в статье журнала Research. Краткая информация об исследовании опубликована в пресс-релизе на сайте Северо-Западного университета.
На рынке уже существует несколько вариантов самовосстанавливающихся покрытий, но все они, отмечают исследовали, как правило годятся для восстановления повреждений размером не больше нескольких нанометров. Для решения вопроса более крупных повреждений размером в несколько миллиметров ученые обратились к свойствам жидкости.
«После того как лодка «разрезает» водную гладь, жидкость восстанавливает свое изначальное состояние. «Разрез» быстро «заживает» благодаря свойству текучести воды. Мы решили, что наиболее эффективной основной для самовосстанавливающегоя покрытия будет именно жидкость, поэтому решили использовать силиконовое масло (полимеризованный силоксан)», — комментирует Хуанг.
Ученый добавляет, что низкая вязкость позволяет материалу быстро восстанавливаться, однако такие жидкости плохо удерживаются на поверхности металла. Слишком вязкие покрытия либо совсем не способны восстанавливаться, либо делают это очень медленно. Возможность совместить эти два противоречивых свойства в новом покрытии позволила комбинация из силиконового масла (отвечает за текучесть) покрытия и микрокапсул из восстановленного оксида графена, которые отвечают за вязкость вещества. Графеновые микрокпсулы, впитывая масло, образуют связанную структуру. При ее нарушении, масло выходит из капсул и восстанавливает связи между повреждением. По словам Хуанга, они решили использовать графен, но в качестве связующего вещества подойдут любые легкие частицы.
Авторы изобретения отмечают, что даже небольшая концентрация связующих частиц способна значительно повысить вязкость масла — пять массовых процентов микрокапсул увеличили ее в тысячу раз. Частицы не утяжеляют жидкость, поэтому она не стекает даже с вертикальной поверхности. Ее можно наносить на поверхность с любой геометрией и даже в воде, не захватывая при этом пузырьки воздуха или самой жидкости. Кроме того, устойчивость масла с графеновыми микрокапсулами к механическим повреждениям проверили также в кислоте. Его эффективность оказалась на таком же высоком уровне.