В современном мире поиск инновационных строительных материалов становится ключевым направлением развития науки и практики. Особое внимание специалистов привлекают геополимеры — минеральные полимеры сетчатого типа, обладающие уникальными характеристиками прочности и экологичности. Недавние исследования, выполненные коллективом Института химии силикатов имени И.В. Гребенщикова при поддержке Российского научного фонда (РНФ), подарили науке и строительству новый взгляд на перспективы этих материалов и их совершенствование.
Что такое геополимеры и почему они важны?
Геополимеры создаются на основе природных минералов, содержащих алюминий и кремний. Такие материалы сочетают в себе высокую механическую прочность, термостойкость, способность поглощать и удерживать вредные соединения. Их потенциал давно заинтересовал инженеров, ведь геополимеры идеальны не только для возведения архитектурных сооружений, но и для задач, связанных с экологической безопасностью и переработкой промышленных отходов.
Однако до недавнего времени широкое внедрение геополимеров сдерживалось ограниченным пониманием влияния микроструктурных особенностей на их физико-химические свойства. Особенно значимым оставался вопрос о том, как менять и усиливать прочность и долговечность таких материалов, используя различные формы составляющих частиц.
Роль нанотрубок: открытие российских ученых
Коллектив ученых под руководством доктора химических наук Ольги Голубевой сфокусировался на сравнении влияния разных морфологических форм алюмосиликатных частиц на итоговые свойства геополимеров. В рамках эксперимента были созданы образцы на основе трех разных вариантов исходных частиц: сферических, пластинчатых и нанотрубок. Дополнительная обработка этих компонентов при температуре 750°С и последующая активация с помощью щелочей запускала процесс геополимеризации — преобразования существующих минералов в прочную полимерную сетку.
Результаты впечатлили: материалы, созданные при использовании нанотрубок, демонстрировали максимальные показатели как прочности на сжатие, так и гибкости. Анализ показал, что способность нанотрубок обеспечивать высокий уровень растворимости и взаимодействия со щелочью делает структуру будущего строительного материала более равномерной, плотной и устойчивой. Фактически, включение нанотрубок помогло повысить прочность конструкции в 1,5–2,6 раза по сравнению с альтернативными формами частиц.
Механизм уникальных свойств
Как удалось установить ученым, нанотрубки выгодно отличаются от пластиночных и сферических форм благодаря увеличенной площади поверхности и наличию внутренней полости. Это существенно усиливает процесс геополимеризации и способствует созданию плотной трехмерной сетки на наноуровне. Интересно, что даже после завершения химических реакций некоторое количество нанотрубок сохраняет исходную структуру. Они выполняют роль микроскопических армирующих элементов, подобно тому, как стальная арматура укрепляет бетон, повышая устойчивость всего материала к механическим нагрузкам и продлевая срок его службы.
Такое сочетание характеристик открывает широчайшие перспективы перед геополимерами с нанотрубками — и в традиционном строительстве, и в специфических областях, куда входят технологии обезвреживания различных видов отходов.
Экологические и строительные перспективы развития
Высокопрочные геополимеры на основе нанотрубок становятся отличным инструментом для создания не только долговечных, но и экологически безопасных строительных конструкций. Они способны эффективно фиксировать и удерживать в своей структуре токсичные и радиоактивные соединения, помогая минимизировать вред окружающей среде при работе с промышленными и атомными отходами. Особенно такой подход приобретается актуальное значение для России, обладающей развитой ядерной отраслью и обширными арктическими территориями.
Еще одно значимое преимущество инновационных материалов — способность выдерживать экстремальные низкие температуры, что делает возможным строительство в сложных климатических условиях Крайнего Севера и других труднодоступных регионах. Именно функционирование геополимеров при отрицательных температурах будет одной из следующих задач исследовательского коллектива под руководством Ольги Голубевой.
Вклад Российского научного фонда и Института химии силикатов
Реализация данного исследовательского проекта стала возможной благодаря поддержке Российского научного фонда (РНФ) и усилиям специалистов Института химии силикатов имени И.В. Гребенщикова. Ольга Голубева — руководитель лаборатории химии силикатных сорбентов и ведущий отечественный эксперт по материалам нового поколения — отмечает, что геополимеры с нанотрубками не только помогут переломить ситуацию с утилизацией отходов, но и существенно повысят скорость и эффективность строительства в России.
Сегодня ученые уже планируют дальнейшие эксперименты, в том числе по изучению морозостойкости новых материалов и расширению их функциональных возможностей. Позитивные перспективы внедрения этих разработок позволяют рассчитывать на стремительный скачок в качестве и безопасности строительных объектов, как в городах, так и в самых отдалённых уголках страны.
Будущее за инновациями
Отечественная наука подошла к переломному моменту в развитии российских строительных технологий. Геополимеры, обогащённые нанотрубками, обладают огромным потенциалом как долговечных, экологичных и доступных материалов. Институт химии силикатов и Российский научный фонд демонстрируют, как фундаментальные исследования могут быть направлены на решение важных практических задач, открывая перед страной новые горизонты в промышленности, строительстве и охране окружающей среды.
Остальные этапы исследования и внедрения новых материалов обещают быть не менее значимыми, а их успех будет способствовать формированию современной системы экологически безопасного строительства и эффективной утилизации отходов. Все это наполняет отрасль инженерного творчества оптимизмом и уверенностью в завтрашнем дне.
Источник: indicator.ru
