Секрет чёрной дыры, доисторический пластик, опасные арбузы и неуловимый хищник | Новости науки
https://oper.ru/news/read.php?t=1051626656

00:00 Начало
00:35 Как увидеть чёрную дыру
03:15 Австралийский Рэмбо в бегах
05:55 Опасная мякоть арбузов
08:00 Перспективы научного прогресса
09:30 На чем собирают могучие системы
12:55 Тревожная находка археологов
14:25 Новый поворот в борьбе за экологию?
15:40 Ответ ВОЗ на скрытую пластиковую угрозу

Аудиоверсия:
https://oper.ru/video/getaudio/nauka_rambo.mp3

Угольная зола — перспективное сырье для геополимеров. Их получают при взаимодействии золы с щелочью. Один из факторов, препятствующих внедрению геополимерных технологий, — неоднородность состава и свойств золы даже в пределах одного золоотвала, что снижает качество полученных геополимеров.

Ученые добавили к золе 5–10% (по объему) кальцита. Этот минерал широко распространен в природе: его содержат известняк, мел, раковины беспозвоночных. Полученную смесь смололи в промышленной мельнице. Это позволило раздробить и активировать сырье — разорвать присутствующие в нем химические связи и высвободить активные вещества, чтобы повысить его способность реагировать с щелочью.

После механообработки в мельнице содержащиеся в смеси алюмосиликаты — по сути, основной компонент будущего геополимера — активнее растворяются в щелочи, образуя геополимерный гель. При этом присутствующий в композиции кальцит выступает в качестве катализатора: он ускоряет растворение, способствует более быстрому и эффективному переходу кремния и алюминия из золы в жидкую фазу с последующим формированием прочного геополимерного каркаса.

— Александр Калинкин. Руководитель отдела технологии силикатных материалов Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья Кольского научного центра РАН.

Разработка находится на этапе лабораторных исследований. В будущем, отмечают авторы, геополимеры на основе золы с ТЭЦ можно будет использовать как альтернативу цементу и бетону, а также создавать на их основе материалы для огне- и теплозащиты, очистки сточных вод и захоронения радиоактивных отходов.

Больше новостей об энергетике читайте на сайте журнала Энергия+: https://e-plus.media/news/

Кто такие полиэстеры и как их получают

Вещества с составом, аналогичным полиэстерам, встречаются в природе. Например, пчелы-коллеты покрывают полиэфирными соединениями, похожими на целлофан, свои подземные гнезда — за это их прозвали «полиэфирными пчелами». Однако ни один другой вид не создает полиэстеры в таком количестве, как человек: одного только полиэтилентерефталата (ПЭТ) в 2019 году в мире произвели около 30 миллионов тонн.

ПЭТ ((C10H8O4)n) — на сегодня один из самых популярных полиэстеров. Это продукт поликонденсации двух сложных органических веществ — этиленгликоля (двухатомного спирта с формулой C2H6O2) и терефталевой кислоты (C8H6O4). Этиленгликоль в промышленности получают из этилена, который производят из природного газа или жидких углеводородов. Этилен окисляется до оксида, к которому затем добавляют кипящую воду в присутствии сильных неорганических кислот (например, серной) — и получается этиленгликоль.

Терефталевую кислоту в промышленности производят из пара-ксилола — продукта каталитического риформинга нефти или коксования угля. Для получения терефталевой кислоты пара-ксилол достаточно окислить в присутствии катализатора, содержащего кобальт, марганец и бром. Реакция идет при высоких температуре и давлении и сопровождается выделением большого количества тепла.

Как только оба мономера-«кирпичика» будут получены, останется соединить их. Вплоть до середины 1960-х этот процесс проводили в две стадии: поскольку промышленные процессы того времени не позволяли обеспечить необходимую степень очистки терефталевой кислоты, промышленникам приходилось сначала превращать ее в сложный эфир диметилтерефталат. Однако в 1965 году в США смогли упростить технологию и стали синтезировать ПЭТ за одну стадию.

Терилен, дакрон, лавсан, ПЭТ

История получения и коммерческого признания полиэстеров тесно переплетена с историей другого полимерного материала — нейлона, впервые полученного командой химиков, возглавляемой Уоллесом Карозерсом, в 1935 году в США. Полиэстеры были синтезированы раньше нейлона, но как только удивительные свойства последнего — исключительная прочность и высокая температура плавления, сделавшая его «материалом номер один» для производства текстильных волокон нового поколения, — стали очевидны, работу над менее прочными и термостойкими полиэстерами отложили на дальнюю полку.

Повторный интерес к полиэстерам проявили в Великобритании. Там химики решили улучшить свойства полиэстеров путем изменения входящих в их состав мономеров — в частности, заменить органические кислоты на те, что содержат бензольное кольцо. Будучи плоским и жестким, кольцо улучшает термические и механические свойства полимера. В 1941 году запатентовали первое полиэфирное волокно — терилен, который сегодня известен как ПЭТ.

В разных странах соединения, аналогичные терилену, получали свои названия. В 1946 году США выкупили права на производство ПЭТ у Великобритании и назвали волокно дакроном. Аналогичное волокно создали в 1949-м и назвали лавсаном.

Сначала полиэстеры завоевали текстильный рынок благодаря дешевизне и удобству в использовании. Однако по мере смены модных тенденций они приобрели негативный имидж «устаревших» и «неудобных», и к началу 1970-х их продажи резко упали. Это заставило производителей обратить внимание на другие свойства и возможные сферы применения полиэфиров, и в 1973 году в США запатентовали технологию выдувного формования бутылок из ПЭТ, которые сегодня можно увидеть в любом магазине по всему миру — ведь ежегодно их производят более полутриллиона штук!

Изучали и другие полиэфиры — например, полибутилентерефталат (ПБТ). Впервые он появился на рынке в 1969-1970 годах. Этот термопластичный материал, в отличие от ПЭТ, лучше подходит для литья под давлением. Сегодня он в основном используется для изготовления элементов, в том числе композитных, в автомобилестроении, электротехнике, электронике и бытовой технике.

В автомобиле и промышленном цеху

Сейчас из полиэфирного волокна создают одежду и предметы домашнего обихода, от шапок и рубашек до простыней, одеял и ковриков для компьютерных мышек. Из полиэфира делают нежную микрофибру и мягкий флис, в который можно переработать использованные ПЭТ-бутылки. Из полиэфирного искусственного меха шьют мягкие игрушки.

Полиэфирные волокна легко отыскать в автомобиле. Их добавляют в ткань ремней безопасности, ими армируют шины и пластиковые детали. Из ПЭТ делают детали и элементы кузова. Туристу без полиэстеров тоже никуда: они и в ткани брезентовой палатки, и в парусах для яхт.

В промышленности полиэстеры применяют для ткани конвейерных лент. Часто используется ПЭТ для производства медицинских приборов и упаковочных материалов, для отделки деревянных изделий и, конечно, производства всевозможной пластиковой тары.

Как полиэстерам удается быть такими разными? Благодаря стекловолокну и другим добавкам их свойства можно менять в нужную сторону, а необычные способы переработки пластика — например, с помощью бактерий, которые выделяют ферменты, разрушающие ПЭТ, — помогут сделать полиэфирные материалы максимально экологичными.

Оригинал статьи и другие материалы читайте на сайте журнала Энергия+:
https://e-plus.media/vse-publikatsii/

Чтобы получить новый полимер, ученые смешали пропионовую кислоту (C3H6O2) с карбонатом церия (Ce2(CO3)3). Обычно после этого полученный раствор полностью высушивают, а образовавшиеся кристаллы используют в качестве реагентов для производства других соединений. Однако авторы разработки дали раствору кристаллизоваться естественным путем. Процесс занял несколько месяцев.

В итоге получился полимер со слоистой структурой. Исследования показали, что материал обладает очень высоким коэффициентом теплового расширения. При низкой температуре (минус 173 градуса) слои плотно прижаты друг к другу, а при нагревании вещества до комнатной температуры его атомы начинают сильно колебаться и слои «отталкиваются» друг от друга.

Анализ полученных образцов показал, что их коэффициент теплового расширения составляет около 900 МК-1 — это значит, что линейный размер образца увеличивается на 900 миллионных долей (0,09%) при повышении температуры на один градус. Для большинства соединений этот показатель колеблется в районе нескольких десятков МК-1.

— Дмитрий Цымбаренко. Старший научный сотрудник лаборатории химического факультета МГУ.

При этом расширяется полимер только в одном направлении, а в перпендикулярном — сжимается, тоже с большим коэффициентом (до минус 430 МК-1). При охлаждении материала до минус 173 градусов он возвращается к первоначальному состоянию.

В перспективе, по словам специалистов, полимер может пригодиться в составе тепломеханических преобразователей — устройств, в которых тепловая энергия преобразуется в механическую работу, — а также в составе конденсаторов, емкость которых можно будет изменять с помощью температуры.

Работа выполнена на средства гранта Российского научного фонда (22-73-10089).

Больше новостей об энергетике читайте на сайте журнала Энергия+: https://e-plus.media/news/

В мире остро стоит проблема профилактики и лечения онкологических заболеваний, 25% которых приходится на челюстно-лицевую область. При этом новообразования верхней челюсти встречаются в три раза чаще, чем нижней. Их хирургическое лечение вызывает серьезные эстетические и функциональные нарушения. Для реабилитации таких пациентов используют сложные объемные конструкции, которые из-за своей тяжести ухудшают фиксацию и перегружают оставшиеся зубы. В связи с этим актуален поиск новых, более легких, но прочных материалов. Ученые Медицинского университета им. академика Е.А. Вагнера и ПНИПУ предложили использовать наноструктурный диоксид титана в качестве оригинального способа упрочнения полимерных материалов для конструирования съемных зубных протезов. Они эффективно восполняют дефекты утраченных тканей после операций, восстанавливая полноценную жизнь пациента.

Статья с результатами исследования опубликована в «Пермском медицинском журнале» 2023 года. На разработку протеза-обтуратора верхней челюсти выдан патент.

На развитие опухоли челюстно-лицевой области может повлиять ряд факторов, в том числе употребление табачных и наркотических средств. А на патологические изменения слизистой оболочки рта влияет даже злоупотребление очень холодной, горячей или острой пищи. Такое заболевание обычно требует комплексного специализированного лечения у специалистов. При этом после хирургического удаления опухоли 55% пациентов нуждаются в последующем постоянном ортопедическом лечении из-за образовавшихся дефектов в челюстно-лицевой области.

Чаще новообразование развивается на верхней челюсти, из-за чего после его удаления в некоторых случаях возникает сообщение между ротовой и носовой полостью. Это вызывает у пациентов проблемы с дыханием, речью и приемом пищи. Для их реабилитации применяют сложные конструкции зубо-челюстных протезов, которые содержат обтуратор, изолирующий полость рта от полости носа. Однако традиционные конструкции очень тяжелые, недостаточно хорошо фиксируются на сохраненных участках челюсти и перегружают оставшиеся зубы.

В последнее время в современной стоматологии особое внимание уделяется легким керамическим материалам на основе диоксида циркония. Спектр его возможностей для зубного протезирования уже достаточно хорошо изучен, в том числе доказано отличное влияние материала на регенерацию костной ткани.

– Успешное и эффективное применение в протезах диоксида циркония открывает нам также возможность использования в ортопедической стоматологии керамику на основе диоксида титана. Несмотря на то что эти материалы очень близки по своим свойствам, потенциал диоксида титана до конца не раскрыт. Его введение в состав полимерного материала для укрепления позволит увеличить прочность протеза на 30%, что доказывают проведенные нами биомеханические расчеты. Мы разработали и запатентовали модель протеза-обтуратора на верхнюю челюсть, который выполнен из полиамида, укрепленного наноразмерным диоксидом титана, – поделился кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика» ПНИПУ Владислав Никитин.

Ученые использовали именно термоинжекционный полиамид, так как он отличается рядом преимуществ: минимальной усадкой, высокой плотностью, небольшим удельным весом, что позволяет изготовить облегченную конструкцию зубо-челюстного протеза без металлических элементов.

– Экспериментально для улучшения прочностных характеристик полиамида на этапе термопрессования мы вводили в его состав наноразмерный порошок диоксида титана в качестве укрепляющего (армирующего) компонента. Чтобы рассчитать прочность разработанной конструкции, мы создали ее трехмерную модель и исследовали зубную и небную части протеза-обтуратора под различными функциональными нагрузками, – рассказывает доктор медицинских наук, профессор кафедры ортопедической стоматологии ПГМУ имени академика Е.А. Вагнера Оксана Шулятникова.

На базе Центра экспериментальной механики ПНИПУ ученые изучили механические свойства образцов. Рассматривались прочность материала на трехточечный изгиб и модуль упругости. Эти параметры позволяют учитывать вертикальные и горизонтальные силы, аналогичные развиваемым зубочелюстной системой при жевании.

Биомеханическое моделирование показало, что максимальные напряжения протеза располагаются на границе небной части и искусственных зубов. Укрепление материала диоксидом титана позволяет его снизить. Уровень максимальных напряжений находится в пределах показателей прочности и составляет 45,25 МПа.

Ученые отмечают, что в конструкцию можно установить опорно-удерживающие кламмера из того же полиамида – приспособления для крепления протезов на опорных зубах. Все это позволяет облегчить вес конструкции протеза и снижает возникающее напряжение. Тогда оно достигает 35 МПа, а деформации в области нагрузки равны 0,001. Это говорит о достаточной стабильности и хорошей фиксации протеза.

Исследование ученых ПНИПУ и Медицинского университета имени академика Е.А. Вагнера доказало, что протезы-обтураторы, укрепленные наноразмерным диоксидом титана, обладают необходимой прочностью и могут использоваться для эффективной реабилитации пациентов с дефектами челюстей. Это открывает новые возможности использования материала в практической деятельности ортопедов-стоматологов.

Существует несколько способов создания пластиковых изделий. Многие из них основаны на воздействии температур на материал. Например, нагревают полимерные гранулы и заливают в формы для изготовления посуды, приборных панелей и даже деталей LEGO. Иногда используют термопластичные трубки, которые раздувают горячим воздухом внутри формы заготовки. Этот способ популярен для создания бутылок, бочек и топливных баков. При 3D-печати нагревают термопластичную полимерную нить, из которой послойно выращивают промышленные детали для автомобильной и авиаотрасли.

Полимер, из которого создают пластмассовые объекты разных форм и масштабов, обладает эластичностью и способен возвращаться к нужным формам после деформаций и воздействия высоких температур. Такой эффект памяти позволяет контролировать изменение материала при производстве, моделировать нужный вид изделия. Для этого важно собрать полные данные о механическом поведении полимера с помощью различных программ.

Чтобы описать поведение материала важно найти золотую середину между простотой и возможностью определить максимальное количество свойств. Простые математические модели не достаточно точно и качественно решают эту задачу, а ввод в нее дополнительных конструкций для более полного описания полимера делает программу слишком сложной и громоздкой.

Политехники объединили две математических модели – вязкоупругую и гиперупругую, которые по отдельности уже есть в вычислительном программном пакете, и разработали свою.

– Наша цель – создать модель для описания поведения полимера в широком спектре температур, который включает его отвердевшее состояние, гиперупругое и переходное. Это расширит возможности определения поведения материала при различных тепловых нагрузках. Существующие модели для пластиков обычно охватывают какой-то узкий температурный диапазон, а мы хотим учесть весь в одной. Кроме того, модель должна описывать известные эффекты, наблюдаемые на практике. Например, эффект памяти формы, резиноподобное поведение при нагреве выше интервала отвердевания, различие при отклике на растяжение и сжатие, – объясняет научный сотрудник кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика» ПНИПУ Юлия Фасхутдинова.

Для полученной модели необходимо определить новые механические константы (характеристики) так как значения, применяемые ранее, для совмещенной модели не подходят. Ученые провели эксперимент, испытав полимерные образцы до 100% деформаций при различных температурах (120, 140 и 160 ℃). Определяли зависимости напряжения материала от растяжения и сжатия.

– В результате для каждого значения температуры мы получили осредненную кривую напряжений, по которой можно рассчитать корректирующий коэффициент для известного нам набора параметров гиперупругой модели, чтобы ее можно было совместить при расчетах с вязкоупругой моделью. Это позволит с высокой точностью моделировать поведение материала на всем протяжении жизненного цикла изделий: от производства до эксплуатации; а также придумывать новые сложные детали и прогнозировать их поведение в работе, – поделилась Юлия Фасхутдинова.  

Например, с помощью полученной модели можно рассчитывать давление прижатия полимерной изолирующей муфты. Или определять причину несовершенства геометрии какого-либо изделия при производстве, а численное моделирование поможет подобрать варианты технологических параметров. Сделав выбор в пользу наилучшего, повысится качество детали.

Модель, разработанная учеными Пермского Политеха, эффективно описывает поведение полимерного материала в зависимости от температуры. Благодаря ей упрощается процесс проектирования новых изделий и сертификации уже имеющихся, появляется возможность повысить качество выпускаемой продукции.