Наука | Научпоп

Композитные материалы, такие как стеклопластики, активно применяются в строительной, транспортной и нефтегазовой отраслях, например, при изготовлении мостов, элементов кузовов, деталей судов, лопастей и корпусов летательных аппаратов. Это инновационный ресурс, способный заменить на промышленном рынке традиционный металл. Сфера его применения в России с каждым годом растет на 10-15%. Это конструкция на основе полимера и стеклянных волокон, которые усиливают ее, делают долговечнее и при этом гораздо легче по сравнению с алюминием и сталью. Однако композиты эксплуатируются в экстремальных условиях, где от прочности материала зависит все. Эксперты Пермского Политеха и Сколтеха провели комплексные испытания стеклопластиков и выяснили, как на них влияют сложные режимы нагрузки и разные температуры. Ученые объяснили, почему заморозка материала до –40 градусов увеличивает его стойкость на 10-15%, а повышенные температуры, наоборот, снижают на 20-25%. Результаты исследования способствуют созданию более надежных композитных конструкций для российской промышленности.

Статья опубликована в журнале «Заводская лаборатория. Диагностика материалов», 2025. Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-79-0136.

Композитом называют материал, созданный из двух и более компонентов, которые вместе работают лучше, чем по отдельности. В состав входит связующее (полимер, эпоксидная смола или металл), которое скрепляет составляющие и задает форму изделию, и армирующий элемент – наполнитель, отвечающий за жесткость и прочность конструкции. Обычно применяют стеклянные, углеродные или базальтовые волокна. В итоге получается легкий и высокопрочный материал. 

Главная особенность стеклопластиков в том, что с их помощью можно значительно снизить вес высоконагруженных ответственных деталей, при этом не теряя прочность. Кроме того, они коррозионностойкие и долговечные. Их уже применяют в мостах, ветрогенераторах, элементах автомобилей и самолетов. Однако их термостойкость ограничена, и до сих пор плохо изучено, как стеклопластики ведут себя в условиях больших перепадов температур и сложных нагрузок.

На протяжении всего срока службы конструкции из стеклопластиков находятся в неоднородном напряженном (нагруженном) состоянии, которое приводит к образованию дефектов, а со временем и к разрушению материала. Поэтому перед процессом внедрения любых композитов в уже существующие изделия проводят комплексные исследования их поведения в условиях, приближенных к реальным. То есть моделируют разные виды нагрузок на деталь: подвергают нагреву, заморозке, сжатию, скручиванию. Это позволяет заранее выявить пределы материала, слабые места, где образуются трещины, и предсказать, как он себя поведет при эксплуатации.

Ученые Пермского Политеха и Сколковского института науки и технологий экспериментально выяснили, как стеклопластик разрушается при сложных комбинированных нагрузках и как на это влияет широкий диапазон температур.

Для исследования эксперты изготовили трубчатые образцы из стеклопластика с трехслойной структурой: внешние слои составляли хаотично расположенные стеклянные волокна, а центральный – однонаправленные.

Образцы подвергали различным нагрузкам на растяжение, сжатие, кручение и комбинированным воздействиям (например, одновременное сжатие и кручение). Сначала тестировали изделия при нормальной температуре (20 градусов), потом повторяли эксперимент при нагреве до 60 градусов и заморозке до –40. В процессе фиксировали образующиеся дефекты с помощью трехмерной цифровой оптической системы и сравнивали результаты.

Испытания при нормальных температурах показали, что материал выдерживает высокие нагрузки, но прочность зависит от режима нагружения. Например, при кручении и комбинированных воздействиях на поверхности образцов появляются множественные трещины. Растяжение же вызывает образование магистральной (приводящей к полному разрушению) трещины.

Интересно, что добавление небольшой доли кручения к растяжению или сжатию даже немного повышает прочность стеклопластика из-за выпрямления волокон.

– Повышенные температуры привели к образованию трещин по всей поверхности образцов и снижению прочности на 20-25%. Тогда как заморозка материала до –40 градусов, наоборот, увеличила его стойкость на 10-15%. Образцы не разрушились даже при максимальной нагрузке в 10 тонн. Это связано с тем, что от нагрева полимерная основа материала размягчается, а от холода становится более жесткой, – поделился Олег Староверов, доцент кафедры «Экспериментальная механика и конструкционное материаловедение» ПНИПУ, старший научный сотрудник Центра экспериментальной механики, кандидат технических наук.

Полученные результаты говорят о том, что стеклопластик выдерживает перепады температур, но наиболее эффективно использование материала, с точки зрения прочности, в холодных регионах, где его устойчивость к нагрузкам только растет. Так, например, перспективно применение композита в арктических проектах, на морских платформах и трубопроводах, а также в космической и авиационной технике, где экстремальные атмосферные условия – норма.

Ученые ПНИПУ и Сколтеха определили, как температуры влияют на разрушение стеклопластиков, что позволяет предсказать, как они себя поведут в реальных обстоятельствах – от самых холодных регионов России до самых жарких. Новые знания дают возможность повысить качество производства композитов, чтобы они становились еще прочнее, а также эффективно подбирать материал для конкретных задач, климатических зон и нагрузок, не допуская аварий.

Причем не на каком-нибудь горшке, а на более специфической вещи – так называемом «доме души».

Таким термином обозначают маленькие глиняные модели жилищ, которые встречаются в древнеегипетских гробницах. Во дворе такого домика порой лежали всякие подношения покойнику – например, хлеб, а то и бычья голова. Так что изделие служило как бы «подносом» для посмертных даров и одновременно, возможно, местом, где обитал дух умершего.

Один такой домик, датируемый примерно 2055–1650 гг. до нашей эры, недавно тщательно обследовали специалисты Музея Фицуильяма при Кембриджском университете. Экспонат готовили к предстоящей выставке «Сделано в Древнем Египте» (Эту выставку, судя по её описанию, я бы с большим удовольствием посетил).

Чтобы изготовить модель дома, гончар сначала собрал из деревяшек каркас, а затем обмазал его глиной, так что получилось двухэтажное сооружение с колоннами. Затем мастер добавил лесенки, вылепив их из влажной глины. В процессе обжига деревянный каркас выгорел, от него остались пустоты.

Перевернув артефакт, ученые увидели, что на нижней его стороне сохранился почти полный отпечаток руки. Вероятно, гончар вынес «дом» из мастерской, чтобы просушить перед обжигом в печи.

«Мы замечали следы отпечатков пальцев, оставленные на невысохшем лаке или на окрашенном гробе, но найти отпечаток руки на дне этого «дома души» – большая редкость и захватывающее зрелище. Я никогда раньше не видел такого полного отпечатка руки на египетском предмете», – говорит египтолог Хелен Страдвик.

Таким образом, сквозь тысячи лет проступает индивидуальность, личность древнего мастера. Этой теме и посвящена выставка «Сделано в Древнем Египте». Жизни египетских правителей всегда уделялось много внимания, но создатели древних шедевров часто остаются в тени. Авторы выставки хотят показать, кем были эти люди и как к ним относились другие египтяне.

О работе египетских гончаров сохранилось относительно мало информации – тем ценнее этот отпечаток на глине.

Данные изотопного анализа древних семян говорят, что уважал и заботливо растил.

Свежее исследование ученых из Кильского университета выявило, что выращиванию ржи в средневековой Европе придавалось гораздо более важное значение, чем считалось ранее. Например, было установлено, что крестьяне активно применяли удобрения и старательно повышали урожайность. Но что же в этом удивительного?

Дело в том, что рожь в Европе традиционно считалась если не прям-таки сорняком, то уж чем-то вроде “последней надежды крестьянина” для самой бедной почвы: вырастет где угодно и не требует особого ухода. Но теперь оказалось, что культивация ржи (во всяком случае на севере Европы) была осознанной, и ею занимались с известным усердием в период с IV по XV века. Выходит, что не такой бесполезной была рожь для средневековых крестьян.

Однако как учёные во главе с палеоэкологом Франком Шлютцем пришли к таким выводам? На помощь пришёл анализ изотопов азота δ15N), углерода (δ13C) и серы (δ34S), содержащихся в обуглившихся семенах ржи из нескольких археологических памятников Северной Европы. Анализ однозначно показал, что средневековые земледельцы активно использовали удобрения (преимущественно навоз) для обогащения полей ржи и повышения урожайности. А в некоторых случаях в качестве удобрения использовался ещё и торф.

Всё это меняет устоявшиеся представления о ржи как о выносливой неприхотливой культуре, требовавшей минимального участия со стороны человека. Напротив, исследования констатируют применение достаточно трудоёмких методов ведения сельского хозяйства. А если применялись трудозатратные методы культивации, то разумно предположить, что рожь имела существенно более высокое значение, чем предполагалось до этого.

В общем-то, использование удобрений и постепенный переход к интенсивным методам ведения хозяйства крестьянами в течение Средневековья не были особым секретом. Однако то, что всё это применялось и в случае выращивания ржи, существенно дополняет наши знания о средневековой экономике и хозяйственном укладе европейцев.

Имя Александра Флеминга знают во всем мире. Его называют человеком, подарившим миру пенициллин – первый настоящий антибиотик. Это открытие перевернуло медицину и спасло миллионы жизней. Его звездный момент наступил в 1928 году. Тогда Флеминг заметил необычную вещь: вокруг пятна плесени в забытой чашке Петри бактерии погибли. Это была плесень Penicillium notatum. За это открытие он получил Нобелевскую премию в 1945 году, разделив ее с Говардом Флори и Эрнстом Чейном. Но за славой "отца пенициллина" для большинства людей исчез образ настоящего ученого. Его вклад в науку был гораздо шире. Путь к великому открытию начался задолго до той знаменитой чашки.

Из Шотландии в лабораторию: Начало пути

Александр Флеминг родился 6 августа 1881 года в Шотландии. Его семья была простой, фермерской. Путь в большую науку оказался не прямым. Сначала он переехал в Лондон и работал клерком. Судьба изменилась, когда он получил наследство от дяди. Эти деньги позволили ему исполнить мечту – стать врачом. В 1906 году он блестяще закончил медицинскую школу при больнице Святой Марии. С этого момента его жизнь была связана с этой больницей. Большое влияние на него оказал известный бактериолог сэр Алмрот Райт.

Флеминг быстро показал себя талантливым исследователем. Его главными интересами стали инфекции, иммунитет и поиск веществ, способных убивать вредные бактерии, не вредя при этом человеку. Он был мастером лабораторной работы, очень внимательным к деталям. Но у него была и другая черта – его рабочий стол часто был в беспорядке. Как выяснилось позже, иногда это приводило к счастливым случайностям.

Лизоцим: Важное открытие до пенициллина (1921)

За семь лет до истории с плесенью Флеминг сделал другое важное открытие. Оно само по себе могло бы прославить его имя. В 1921 году у ученого был сильный насморк. Он капнул немного слизи из своего носа в чашку Петри, где росли бактерии. Каково же было его удивление, когда бактерии вокруг капли погибли!

Флеминг стал исследовать этот феномен. Он обнаружил, что причиной гибели бактерий был особый фермент. Этот фермент содержался не только в носовой слизи, но и в слезах, слюне, яичном белке, многих тканях человека и животных. Ученый назвал его лизоцимом (от греческих слов "растворение" и "закваска").

Лизоцим стал первым известным природным антибактериальным ферментом. Он – часть нашей естественной защиты, врожденного иммунитета. Его действие простое: он разрушает стенки определенных бактерий (в основном безвредных), буквально растворяя их. Флеминг детально изучил лизоцим, опубликовал результаты. Он даже надеялся, что лизоцим станет мощным лекарством. Прямая медицинская польза лизоцима оказалась ограниченной – он плохо действует на опасные болезнетворные бактерии. Но его открытие было очень важным по другим причинам:

1. Лизоцим показал, что в самом организме есть вещества, борющиеся с бактериями. Это открыло новое направление в иммунологии.

2. Флеминг разработал способы выделять и изучать такие вещества. Позже эти же методы пригодились для работы с пенициллином.

3. Открытие лизоцима подсказало мысль искать другие природные "убийцы бактерий". Именно этот путь привел Флеминга к пенициллину. Сам ученый признавал: без опыта с лизоцимом он, возможно, просто выбросил бы ту заплесневевшую чашку как испорченный эксперимент.

Пенициллин: Случайность и гениальная догадка (1928)

История открытия пенициллина в сентябре 1928 года теперь известна всем. Вернувшись из отпуска, Флеминг обнаружил в стопке немытых чашек одну необычную. Вокруг пятна плесени колонии стафилококков растворились. Важно не то, что он заметил это. Важно, что он сделал после. Менее внимательный человек просто выбросил бы чашку. Флеминг задал правильные вопросы: Что убило бактерии? Может ли это вещество помочь людям?

Ученый определил плесень как Penicillium. Он выделил из нее жидкость (фильтрат) и назвал ее "пенициллином". Начались интенсивные исследования. Флеминг установил ключевые вещи:

• Пенициллин подавляет рост многих опасных бактерий (стафилококки, стрептококки, пневмококки и другие).

• Он не ядовит для белых кровяных клеток (лейкоцитов) и подопытных животных даже в больших дозах.

• Его можно использовать наружно, как антисептик для ран.

В 1929 году Флеминг опубликовал свои результаты. Казалось бы, мир должен был обрадоваться. Но потенциал пенициллина остался нереализованным больше десяти лет. Почему? Вещество было очень нестабильным. Его было невероятно сложно получить в достаточном количестве. Еще сложнее было очистить для введения в кровь (инъекций). Флеминг был блестящим наблюдателем и биологом, но у него не было ресурсов и, возможно, глубоких знаний в химии, чтобы решить эти проблемы. Он использовал неочищенный пенициллин для лечения поверхностных инфекций. Он пытался заинтересовать химиков, но безуспешно. Пенициллин оставался лабораторной диковинкой.

Незаслуженно забытые герои: Флори и Чейн

Здесь в историю пенициллина входят люди, которых часто забывают, говоря о Флеминге. В конце 1930-х годов в Оксфорде работала группа ученых. Ею руководили Говард Флори и Эрнст Чейн. Они систематически искали природные вещества, способные убивать бактерии. В ходе этой работы они наткнулись на статью Флеминга 1929 года. Они сразу поняли огромный потенциал пенициллина.

Флори, Чейн и их команда взялись за титанический труд. Им нужно было выделить чистое вещество, наладить его производство в больших масштабах, очистить и проверить на людях. Работа была невероятно сложной. Особенно трудно было во время Второй мировой войны. Но их усилия увенчались успехом. К 1943 году пенициллин начал спасать жизни раненых солдат и мирных жителей. Он стал настоящим "чудо-лекарством".

Нобелевский комитет в 1945 году поступил справедливо. Премию разделили между Флемингом (за первоначальное открытие), Флори и Чейном (за разработку производства и применение в медицине). Но в сознании обычных людей закрепился только Флеминг. Его имя стало синонимом пенициллина. Роль Флори и Чейна осталась в тени.

Что еще сделал Флеминг? Не только пенициллин и лизоцим

Хотя лизоцим и пенициллин – главные открытия Флеминга, его научный вклад этим не ограничивался. Он был авторитетным ученым в области бактериологии и иммунологии. Вот другие важные направления его работы:

1. Тест на чувствительность к антибиотикам: Флеминг разработал и широко внедрил простой, но очень важный метод. Он позволял быстро проверить, какой антибиотик подействует на бактерии, вызвавшие болезнь у конкретного пациента. Этот тест делали прямо в чашке Петри. Он стал основой для современных методов подбора антибиотиков и до сих пор часто называется его именем. Это был прорыв в выборе правильного лечения.

2. Борьба с сифилисом: Флеминг был одним из первых врачей в Британии, кто начал применять препараты мышьяка (сальварсан) для лечения сифилиса. Эта болезнь тогда была настоящим бичом. Он внес вклад в разработку более эффективных схем лечения.

3. Вакцинотерапия: Работая с сэром Райтом, Флеминг участвовал в исследованиях по лечению инфекций с помощью вакцин. Идея была в том, чтобы вводить убитых или ослабленных бактерий для стимуляции иммунитета больного. Хотя сам метод имел ограничения, эта работа помогла лучше понять, как работает иммунная защита.

4. Практические изобретения: У Флеминга были патенты на лабораторное оборудование и методы. Он придумал усовершенствованные инкубаторы для выращивания бактерий и приборы для точного дозирования жидкостей при лабораторных посевах. Эти изобретения не так громки, но они сделали работу микробиологов по всему миру проще и точнее.

Александр Флеминг умер в 1955 году. Он был национальным героем Великобритании и мировой знаменитостью. Его открытие пенициллина положило начало эре антибиотиков. Однако сводить всю его долгую и плодотворную научную карьеру только к этой единственной, пусть и грандиозной, удаче – большая несправедливость.

История Флеминга — это не только про плесень и Нобелевку. Меня всегда задевало, как легко мы превращаем реальных людей в мифы, забывая настоящую драму, ошибки и человеческие качества за громкими открытиями. В своем Telegram-канале я разобрал эту историю под другим углом: что она говорит нам о ценности "неудач", упрямстве перед лицом непонимания и о том, как часто настоящие герои остаются в тени. Это размышление вышло далеко за рамки статьи. Если вам близка тема "человеческого" за историческими фактами — заглядывайте.
P.S. В канале я делюсь мыслями о книгах, саморазвитии и личных инсайтах. Иногда такие вот исторические параллели.