«Умные» микрокапсулы защитят металлы от коррозии

Группа ученых из ИТМО, Тяньцзиньского и Ливерпульского университетов разработала полимерные микрокапсулы для высокоэффективной и таргетной защиты металлов от коррозии. Микрокапсулы реагируют на изменения в окружающей среде, что обеспечивает контролируемое высвобождение активного вещества в течение 14 суток: при уменьшении рН они «раскрываются» и «выпускают» ингибитор коррозии — бензотриазол. Несмотря на микроскопический размер (всего в 700 нанометров в диаметре), капсулы «вмещают» в себя большой объем действующего вещества — эффективность их капсулирования 86%. Разработка ученых открывает перспективы создания «умных» материалов с прогнозируемыми свойствами и программируемой реакцией на внешние стимулы. Исследование опубликовано в журнале Materials Horizons.

Под воздействием агрессивных факторов окружающей среды металлы разрушаются, снижаются их прочность, тепло- и электропроводность. Чтобы продлить срок службы металлических систем, их покрывают защитными пленками и жидким пластиком, добавляют в сплав хром и титан, обрабатывают ингибиторами — химическими соединениями, которые замедляют коррозионные процессы, и используют другие методы борьбы с коррозией. Но у всех этих способов есть ограничения: дороговизна, сложность применения, низкая эффективность, неэкологичность и несвоевременное действие, когда коррозия переходит уже в активную стадию.

Группа ученых из ИТМО, Тяньцзиньского и Ливерпульского университетов разработали «умные» полимерные микрокапсулы для высокоэффективной защиты металлов от коррозии. Такие микрокапсулы адаптируются под факторы окружающей среды, вызывающие коррозию металла, и в момент их ухудшения «выпускают» активное вещество для купирования процесса разрушения.

Микрокапсулы представляют собой полое ядро из кристаллов оксида кремния, на которое послойно наносят два вида полиэлектролитов — низкомолекулярный bPEI и высокомолекулярный PAA. Это такие соединения молекул со связанными между собой повторяющимися структурными звеньями, в составе которых — группы, способные к ионизации в растворе. В ядро загружают ингибитор, а образованная из полиэлектролитов полупереплетенная сетчатая структура служит защитной оболочкой для него. При уменьшении pH среды молекулярные связи полиэлектролитной структуры ослабевают, оболочка «раскрывается» и высвобождает активное вещество. Этот механизм работы микрокапсул позволяет контролировать процесс попадания бензотриазола на поверхность металла в течение 14 суток.

«Мы не просто наблюдали за системой и фиксировали факт “открытия и закрытия” капсулы, мы рассчитали энергетические профили изменений системы в ответ на внешний отклик и описали механизм работы капсул на молекулярном уровне. Разработанная нами модельная система позволяет рассчитать с помощью методов квантовой химии, как, меняя состав и архитектуру капсульной оболочки (молекулярные массы полимеров, число слоев, уровень pH, на который реагируют капсулы), можно точно регулировать проницаемость оболочки и условия высвобождения активных веществ. Это открывает перспективы создания “умных” капсул с еще более сложной структурой и откликающихся на другие факторы окружающей среды, а также в целом новых настраиваемых “интеллектуальных” материалов с прогнозируемыми свойствами и обратимой реакцией на внешние стимулы», — отмечает один из авторов исследования, научный сотрудник НОЦ Инфохимии ИТМО Данила Ермолин.

Еще одно преимущество разработанных микрокапсул — высокая эффективность капсулирования, то есть соотношения количества захваченного в носитель активного вещества и общего объема этого вещества, используемого при изготовлении. 86% молекул ингибитора оказываются внутри ядра микрокапсулы. Кроме того, такие структуры стабильны, долговечны и экологичны. Все это делает их пригодными для разработки и использования в производственных масштабах. 

Информация предоставлена пресс-службой Университета ИТМО

Источник фото: ria.ru