Кухонная революция: украинские ученые нашли замену тефлоновым сковородкам

В нынешнем году Нобелевской премии по химии удостоился израильский ученый Дан Шехтман, хотя собственно квазикристаллы были им открыты еще в 1982 году. Это неизвестная ранее форма организации вещества, в котором расположение атомов противоречит канонам классической кристаллографии. Открытие было настолько неожиданным, что Шехтман на несколько лет стал «белой вороной» среди коллег и вынужден был покинуть лабораторию, в которой работал. Дальнейшие исследования показали, что квазикристаллы обладают не только необычной структурой, но и уникальными свойствами. Оставалось разработать соответствующие технологии для их использования.

Чем дальше эксперимент от теории, тем ближе он к Нобелевской премии.

Фредерик Жолио-Кюри

Технология парофазной конденсации была создана в Институте электросварки им. Е.О. Патона (ИЭС) еще в 1970-х годах. Она позволяет наносить на детали тонкие покрытия из различных веществ. Космонавтам и военным она очень пригодилась. Поэтому, на открытие Шехтмана в Институте им. Е.О. Патона обратили внимание раньше, чем в Нобелевском комитете. Еще в начале 2000-х с помощью парофазной технологии начали создавать покрытия из квазикристаллических веществ и изучать их свойства.

Квазикристаллическая сковородка

Одно из таких свойств – это низкая поверхностная энергия. На бытовом уровне это означает, что к поверхности ничего не прилипает. Такой особенностью, например, обладает тефлон, благодаря чему его используют, например, для покрытия сковородок. Но такая посуда имеет как минимум два недостатка. Во-первых, при определенных условиях тефлон может вредить организму, в том числе и провоцировать рак. Во-вторых, он еще и очень прихотлив – требует особого ухода. Патоновцы решили совершить «кухонную революцию» – сделать сковородку с антипригарным покрытием из квазикристалического материала.

«Я пошел в магазин, купил нержавеющую сковородку, и мы ее покрыли квазикристаллическим слоем», – рассказывает Анатолий Устинов, заведующий отделом парофазных технологий неорганических материалов ИЭС им. Е.О. Патона. По словам ученого ее «испытания» в домашних условиях показали хорошие результаты. Поверхность такой посуды в пять раз тверже, чем сталь – даже ножом поцарапать ее практически невозможно. Технология производства была понятна, так что оставалось лишь найти инвестора для коммерческого производства такой посуды. Но по сегодняшний день дело так и не продвинулось дальше. Проект не удалось реализовать даже на льготных условиях технопарка (в ИЭС в свое время работал один из немногих успешных в стране технопарков).

Сквозь огонь, воду и медные трубы

Впрочем, экспериментами со сковородками ученые не ограничились. Анатолий Устинов показывает металлический шестигранник размером с наперсток – это штамп для изготовления крепежных болтов под торцевой гаечный ключ, который используют на одном из предприятий Европы. Обычно его хватает приблизительно на сто применений, после чего он приходит в негодность. Но с помощью квазикристаллического покрытия можно увеличить его ресурс. Опытные образцы таких штампов, изготовленные в ИЭС, сегодня проходят испытание в Европе. До этого в институте уже изготовляли штампы с покрытием для производства пластмассовых изделий. Испытания показали, что их ресурс увеличивается на 30%.

Еще одна потенциальная область применения квазикристаллов – авиационные двигатели. В некоторых титановых деталях при быстром вращении могут возникать резонансные колебания, приводящие к их разрушению. «Когда мы довели размер зерна квазикристаллов до наноуровня, то установили, что такие покрытия обладают способностью подавлять резонансные колебания», – рассказывает Анатолий Устинов. Кроме того, покрытие защищает детали двигателя от коррозии и существенно повышает их надежность и долговечность. Испытания нового покрытия сегодня проводятся совместно со специалистами из Института проблем прочности им. Г.С.Писаренко и Запорожского машиностроительного конструкторского бюро «Прогресс» им. А.Г.Ивченко. Эта разработка рассчитана на длительную перспективу и, скорее всего, будет использована в двигателях последующих конструкций.

Квазикристаллические материалы также имеют перспективу применения в космосе. Дело в том, что в условиях вакуума любые механические части, трущиеся друг об друга, например, заслонки или подшипники могут прихватываться – как бы склеиваться друг с другом. Это, в свою очередь может вывести из строя если не весь космический аппарат, то какую-то из его частей. Избежать этого можно, покрыв детали квазикристаллическим слоем.

В ИЭС были разработаны и производятся уникальные аппараты, позволяющие с помощью методов электросварки разрезать и соединять живые ткани при проведении хирургических операций. Но, как показывает практика, иногда человеческие ткани привариваются к электроду «сварочного аппарата». Эту проблему сегодня также пытаются решить с помощью квазикристаллического покрытия.

Но квазикристаллы представляют практический интерес не только в качестве покрытий. Одна из популярных сегодня в мире задач – создание композитных материалов, состоящих из металла с вкраплениями зерен квазикристаллов. «По данным наших коллег из Института проблем материаловедения им. И.Н.Францевича уже сегодня можно получить алюминиевые композиты, которые достаточно хорошо будут работать при температуре до 400 °C и при этом они легкие, надежные, а их свойства не деградируют при повышенных температурах», – рассказывает Анатолий Устинов. Такие композиты как нельзя лучше подходят для создания автомобильных двигателей.

Фото Дмитрий Дятлов