Наверное, сейчас каждая домохозяйка знает о существовании такого вещества, как тефлон. Открытый в 1938 году (как водится, случайно), это вещество – политетрафторэтилен (C2F2)n– ныне находит очень широкое применение, от медицины до посуды. Одно из его уникальных свойств – низкая поверхностная энергия, что не позволяет ему прилипать к другим веществам – собственно, это свойство и позволяет ему служить антиприграным покрытием для сковород.
Но в такой низкой «прилипчивости» тефлон не одинок. С ним соревнуется еще один полимер, на этот раз из группы силиконов — полидиметилсилоксан (ПДМС) ((СН3)2SiO)n. Он, как и тефлон, имеет множество применений – в частности, он является действующим компонентом популярного в России лекарства «Энтеросгель».
Для многих практических задач – медицинские имплантанты, микроэлектроника и т.д. – нужны комбинации тефлона и ПДМС. Вопрос на засыпку: как склеить два самых скользких вещества?
Химия и физика предлагают нам четыре варианта «склейки» (адгезии) двух веществ – за счет сил ван дер Ваальса (по сути – за счет взаимного притяжения молекул), диффузии (взаимопроникновения молекул одного вещества в другое), химической связи и механического сцепления. Три первых механизма в данном случае бесполезны: как раз слабые силы ван дер Ваальса делают эти два полимера самыми скользкими из известных веществ, они практически не диффундируют друг в друга (так как вообще с трудом растворяются) и химически инертны (что является еще одним из их практически полезных свойств – иначе кто бы стал использовать их в качестве имплантантов?).
Еще один способ улучшить адгезию – облучение пучками ионов, обработка плазмой и прочие «жесткие» методы. Они иногда дают приемлемые по силе сцепления результаты, но – с существенными побочными эффектами, вызванными химической модификацией поверхности, часто приводящей к потере нужных свойств.
Традиционные методы улучшения механического сцепления – обработка абразивами, что делает соединяемые поверхности более «грубыми», со множеством «зацепок» – так же малоэффективна.
Столкнувшись с такой трудной задачей, группа исследователей из германского Университета Киля (среди которых – два наших бывших соотечественника — россиянин Александр Ковалев и украинец Станислав Горб) решила улучшить механическое сцепление более изощренным способом. Статью с описанием результатов работы назвали «Соединяя несоединяемое». По сути, два материала сшили скобами, представляющими собой тетраподы оксида цинка – кристаллы, выглядящие как четыре торчащих в разные стороны цилиндра микрометровой длины.
Методика довольно проста: на полоску одного из полимеров напыляются тетраподы оксида цинка, после чего сверху накладывается слой другого полимера. Потом оба вещества нагреваются до ста градусов на сорок минут (для устранения дефектов во втором слое), после чего постепенно остывают до комнатной температуры. При этом тетраподы оксида цинка своими выступами, как крюками, проникают в оба полимера и «сшивают» их.
Оторвать друг от друга скрепленные таким образом полимеры сложнее, чем скотч от стекла. При этом в нескольких экспериментах попытка оторвать закончилась тем, что слой силикона разорвался. Электронномикроскопическое исследование образцов показало, что отделение полимеров друг от друга происходит в основном за счет недостаточной прочности тетраподов – они просто ломаются.
Статья опубликована в журнале Advanced Materials
Материал подготовил Сергей Лысенков
