Магнетизм полимерных композитов

Участие студентов в научной работе с самых ранних курсов, на мой взгляд, является очень важным как для расширения интереса к физике в целом, так и для более успешного освоения образовательной программы, когда полученные знания можно применить в научной работе. Кроме того, самостоятельные исследования в увлекательной и быстро развивающейся области науки стимулируют желание к постоянному самообразованию. С этой точки зрения, очень интересными и перспективными являются полимерные материалы, обладающие высокой чувствительностью к внешним воздействиям, способные значительно изменять свои свойства под действием различных внешних факторов (таких как, например, электрические и магнитные поля, температура, ионная сила раствора, концентрация соли и т.д.), которые являются объектами исследований в нашей лаборатории. Одним из таких материалов, о которых мне хотелось бы рассказать, является так называемый магнитоактивный эластомер (МАЭ). Он основан на полимерной матрице — трехмерной сетке, образованной длинными макромолекулами, сшитыми ковалентными связями, — в которую внедряются магнитные нано- или микрочастицы (схематически его структура показана на рис.1). Надо заметить, что идея «поженить» полимеры с магнитными материалами, довольна старая. Традиционные жесткие магнитоэласты давно повсеместно используются в качестве сердечников постоянных магнитов, в различных уплотнительных и фиксирующих элементах, например, в холодильниках для обеспечения герметичности двери. Наличие полимера в композите, в частности, облегчает материал, при этом оставляя достаточные магнитные свойства. Однако, кроме намагничивания, традиционные жесткие магнитоэласты не изменяют своих свойств в ответ на внешнее магнитное поле. Для того, чтобы такой композитный материал являлся «умным», в частности, демонстрировал значительный магнитный отклик, необходимо, чтобы полимерная матрица была достаточно мягкой (с модулем упругости порядка десятков кПа).

В мягкой матрице силы упругости оказываются порядка сил взаимодействия между магнитными частицами в магнитном поле, что позволяет магнитному наполнителю структурироваться вдоль линий магнитного поля (рис. 1б) подобно тому, как это происходит в магнитных жидкостях (МЖ), в которых диспергирующей средой для магнитных частиц является жидкость. Однако, в отличие от МЖ, где частицы могут свободно перемещаться, в магнитных эластомерах смещение частиц из начального положения равновесия приводит к возникновению локальных деформаций матрицы. С помощью внешнего магнитного поля возможно менять величину взаимодействия магнитных частиц в материале, что приводит к зависимости величины деформации от внешнего магнитного поля.

Рисунок 1. Схематическое представление структуры изотропного магнитоактивного эластомера — магнитных нано- или микрочастиц, диспергированных в полимерной матрице (а) и изменение структуры наполнителя во внешнем магнитном поле (б).

Активизация магнитных взаимодействий и изменение внутренней структуры мягкого магнито-полимерного композита под действием магнитного поля приводит к возникновению новых уникальных свойств МАЭ. В первую очередь, МАЭ демонстрируют значительное изменение вязкоупругих свойств (магнитореологический эффект) в магнитных полях. В частности, модуль упругости этого композита может возрастать на три-пять порядков величины в относительно небольших магнитных полях до 300 мТл, что открывает возможности для создания на их основе регулируемых демпфирующих устройств, уплотнителей, затворов и т.д.

Исследования физических свойств этого интересного материала были начаты в МГУ около 20 лет назад Л.В. Никитиным, доцентом кафедры магнетизма, по инициативе которого в ГНИИХТЭОС были получены первые образцы высокоэластичного магнито-полимерного композита. Сочетание магнитных свойств частиц наполнителя с вязкоупругими свойствами полимерной матрицы, а также наличие сложных взаимодействий на границе частица-матрица требовали особых подходов для изучения поведения МАЭ во внешних магнитных полях и получения материала с контролируемыми свойствами, включающих экспертизу как в области магнетизма, так и в области полимеров. Междисциплинарный характер проблемы потребовал подключения к работе специалистов в области химии и физики полимерных соединений, эти исследования были сразу поддержаны заведующим нашей кафедры академиком РАН А.Р. Хохловым, сформулировавшем научно-обоснованную программу развития данного направления, в результате чего сформировалось тесное сотрудничество между кафедрой магнетизма и кафедрой физики полимеров и кристаллов в этом направлении, которое развивается и по сей день между нашей лабораторией и лабораторией проф. Н.С. Перова в рамках совместных проектов РФФИ и РНФ.

Рис. 2. Обсуждение текущих результатов: профессор Е.Ю. Крамаренко, заведующий кафедрой физики полимеров и кристаллов академик РАН А.Р. Хохлов, заведующий кафедрой магнетизма профессор Н.С. Перов

Проведенные нами за последние годы исследования показывают, что помимо магнитореологического эффекта МАЭ обладает целым рядом других новых уникальных свойств, к которым относятся необычные механические свойства:

- магнитодеформационный эффект — уникальная способность к быстрым и контролируемым крупномасштабным (до 100%) деформациям в градиентных магнитных полях и умеренным (до 20%) деформациям в однородных магнитных полях;

- эффект памяти формы или эффект пластичности, индуцированной магнитным полем.

Помимо механических, МАЭ обладает управляемыми электромагнитными параметрами и демонстрирует:

- магнитодиэлектрический эффект, а именно, управляемая магнитным полем магнитная восприимчивость и диэлектрическая проницаемость материала;

- магниторезистивный эффект — изменение электропроводности под действием внешнего магнитного поля;

- пьезорезистивный эффект — изменение электропроводности под действием внешнего давления.

Согласно данным Web of Science количество публикаций в области магнитоактивных эластомеров растет экспоненциально с каждым годом. Такой интерес связан с широким кругом новых фундаментальных явлений, демонстрируемых МАЭ, а также перспективами его использования в различных устройствах. Возможные применения перечисленных выше свойств перекликаются с применениями других широко известных материалов, к которым относятся пьезоэлектрики, пьезоэлектрические полимеры, магнитострикционные материалы, сплавы с эффектом памяти. Обладая сочетанием ряда уникальных свойств, магнитоактивные эластомеры могут выполнять функции нескольких материалов и элементов одновременно, тем самым упрощая конструкцию устройства и сокращая количество составных частей, подверженных износу или поломке. Несмотря на большое количество работ, на настоящий момент магнитоактивные эластомеры, полученные в нашей лаборатории, демонстрируют гораздо более ярко выраженные эффекты в магнитном поле, чем те, которые описаны в литературе.

Одно из новых применений МАЭ, которое недавно было предложено нами и разрабатывается в настоящее время в рамках проекта РНФ № 16-15-00208 «Двухкомпонентный магнитоактивный фиксатор сетчатки глаза для хирургического лечения неоперабельных отслоек сетчатки с грубыми рубцовыми изменениями» (руководитель — Е.Ю.Крамаренко), является использование его в качестве элемента медицинского изделия для лечения отслойки сетчатки. Отслойка сетчатки является очень серьезным заболеванием, приводящим к слепоте без хирургического вмешательства. Основанное на принципиально новом для офтальмологии принципе действия, медицинское изделие будет фиксировать сетчатку к подлежащим тканям за счет магнитных взаимодействий между «заплаткой» из нового магнито-полимерного композита, расположенной внутри глаза на поверхности сетчатки, и магнитной пломбой, помещенной снаружи глаза. Последняя состоит из одного или нескольких тонких постоянных магнитов, заключенных в биосовместимую силиконовую резину и подшитых к склере. За счет взаимного притяжения магнитной пломбы и «заплатки» фиксатор сможет удерживать сетчатку расправленной, создавая тем самым условия для восстановления зрения. Проведенные теоретические расчеты, экспериментальные измерения и первые эксперименты на модельных глазах показали перспективность использования МАЭ для данного применения.

Другим новым направлением в области разработки магнитоактивных полимерных материалов является создание управляемых гидрофобных и супергидрофобных покрытий на их основе, важность которых трудно переоценить. Свойства магнитоактивных эластомеров столь многообразны, что впереди много открытий. Мы будем рады видеть у себя увлеченных студентов, стремящихся попробовать свои силы как в экспериментальной работе, так и в теоретических расчетах и компьютерном моделировании. Наши студенты и аспиранты — победители конкурса УМНИК, стипендиаты фонда БАЗИС и руководители молодежных проектов РФФИ. Приходите!

Читайте и слушайте о нас в СМИ:

- Российская газета (https://rg.ru/2017/11/14/uchenye-iz-mgu-nashli-novyj-sposob-lecheniia-otsloeniia-setchatki.html)

- Газета.ru (https://www.gazeta.ru/science/news/2017/10/30/n_10754408.shtml).

- Канал ТВЦентр (http://www.tvc.ru/news/show/id/128716/).

Крамаренко Елена Юльевна,

Тел.:8(495)939-4013,

E-mail: kram@polly.phys.msu.ru