Материалы, способные динамически менять свои свойства под внешним воздействием, получили название чувствительных, или «умных». Если задачей традиционных лакокрасочных покрытий было сохранение пассивных свойств — цвета, водонепроницаемости — и обеспечение базовой защиты, то «умные» покрытия способны предложить дополнительную функциональность за счет взаимодействия с окружающей средой и контролируемой реакции на внешние воздействия: свет, давление, кислотность, коррозию, температуру, радиацию и биологическое воздействие. Прообразом такой динамической системы может служить кожа живых организмов, реагирующая на температуру и механическое воздействие и обладающая способностями к саморегенерации.
Добиться схожего эффекта в работе с неживой материей можно, выстраивая молекулярную структуру композитных материалов на наноуровне, то есть добавляя «умные» нанофильтры, антимикробные и биоактивные компоненты к полимерной матрице. Таким образом можно получить самоочищающиеся, самовосстанавливающиеся материалы, способные менять физические свойства (например, цвет, прозрачность и плотность), а также служить чувствительными сенсорами внешних процессов. По окончании воздействия они должны быть способны вернуться к прежнему состоянию и повторять этот цикл многократно, служа на протяжении длительного времени.
«Умные» покрытия, нанесенные поверх металла, стекла или полимеров, обеспечивают уникальные барьерные свойства — устойчивость к царапинам, кислотам, пыли и микробному воздействию, супергидро— и суперолеофобность, термическую стабильность, многократно продлевая срок службы изделий. Они сигнализируют о малейших повреждениях самолетных двигателей или фюзеляжа из композитных материалов, конструкций мостов, атомных станций и нефтяных платформ. Применение «умных» покрытий в различных секторах способно улучшить технические характеристики изделий, существенно продлить срок их службы, сократить издержки на обслуживание и проведение инспекций, повысить безопасность критических объектов инфраструктуры.
Покроют всё
По прогнозу NanoMarkets, к 2020 году объем рынка «умных» покрытий достигнет $5,8 млрд (в 2015-м — $600 млн), то есть среднегодовой рост составит 57%. Аналитики Grand View Research прогнозируют, что к 2024 году рынок вырастет до $11,7 млрд.
Одним из наиболее быстрорастущих сегментов будет потребительская электроника. Речь идет не только о защитных и самовосстанавливающихся покрытиях, уберегающих от механических повреждений, но и о повышении чувствительности тачскринов и защите их от отпечатков пальцев, антибликовых покрытиях для экранов и т.д. Еще один крайне востребованный сегмент — самозатемняющиеся стекла и пленки для «умных» окон, которые могут использоваться в аэрокосмической сфере, автопроме и строительстве. Всего же на долю строительной индустрии к 2020 году придется 40% всего рынка «умных» покрытий, полагают в NanoMarkets, причем наибольший спрос обеспечат самоочищающиеся покрытия. Различные антикоррозийные покрытия и самовосстанавливающиеся краски будут востребованы в автопроме, судостроительстве и производстве военной техники (такие исследования активно спонсирует Пентагон), защитные антиобледенительные покрытия и покрытия, защищающие от воздействия солнечных лучей, будут применяться авиапроизводителями. Сенсорные покрытия могут найти применение в секторе интернета вещей, поскольку их использование может оказаться дешевле и проще, чем применение цифровых датчиков, а на фоне растущего спроса на каршеринг и беспилотные автомобили актуальность приобретут антимикробные покрытия для салонов и самоочищающиеся — для сенсоров и камер. Антибактериальные покрытия для инструментов, имплантов и катетеров получат распространение в медицине. В судостроении и строительстве морских сооружений будут востребованы покрытия, препятствующие обрастанию поверхностей ракушками и моллюсками (увеличивая вес судна, они способствуют дополнительному расходу топлива).
Сдерживающими факторами для рынка будут выступать высокая стоимость материалов и необходимость использования специального оборудования для нанесения «умных» покрытий.
«Умные» краски под микроскопом
Как же работают «умные» материалы? Самовосстанавливающиеся покрытия обогащены микрокапсулами с жидкой краской. Когда в окрашенной поверхности появляются трещины, капсулы разрушаются и заполняют образовавшуюся полость. Более сложная технология предполагает использование капсул с мономером и твердого катализатора, обеспечивающего полимеризацию высвобождающегося вещества. Антикоррозийный эффект обеспечивается наночастицами, способными под действием окисления высвобождать ионы, подавляющие коррозию. Самоочищающиеся покрытия содержат фотокатализатор (чаще всего для этого применяется диоксид титана), способный разлагать органические загрязнения — белки, жиры, крахмал, целлюлозу, которые затем легко смываются дождем.
Гидрофобные покрытия обогащены фторполимерами и силиконовыми полимерами, имеющими высокий краевой угол смачивания: в результате вода не растекается по поверхности, а собирается в виде капель. Наночастицы серебра и меди обеспечивают антибактериальные свойства покрытий, а добавление цетил пиридиум хлорида, цетримида или алексидина — антимикробные. Различных оптических эффектов покрытий можно добиться за счет чередования слоев с контрастными показателями преломления. Термоустойчивые покрытия под действием пламени мгновенно образуют керамизированный эластомер — слой углеродной пены, тем самым препятствуя проникновению жара в нижний слой и защищая его от возгорания. Покрытия для медицинских имплантов могут содержать микрокапсулы с веществами, препятствующими воспалению и отторжению инородного тела организмом пациента. Биореактивные полимерные покрытия, содержащие энзимы и антитела, способны разлагать и нейтрализовать яды и токсины вплоть до спор сибирской язвы. При изготовлении сенсорных красок применяют карбоновые нанотрубки и электроды. В ответ на появление микротрещин трубки меняют проводимость и изгибаются, а электроды передают сигнал на специальные датчики.
В будущем одним из направлений развития индустрии «умных» покрытий может стать создание многослойных материалов, где каждый слой будет обладать собственной функциональностью. К примеру, речь может идти о фоточувствительном покрытии для солнечных батарей, способном к самовосстановлению и самоочищению, или экране смартфона, сочетающем жесткий защитный слой и мягкий самовосстанавливающийся, — прототип такого стекла недавно разработали китайские ученые. Правда, стоимость таких «суперумных» покрытий может оказаться слишком высокой для коммерческого применения.
