Ржавчина и гниение
Не все материалы разрушаются под действием физических законов. С некоторыми это происходит в результате химических или биологических процессов. Когда ваша машина начинает ржаветь, а со временем и разваливается на куски, то это происходит под влиянием химических явлений. Там, где содрана краска, происходит контакт стального корпуса с атмосферным кислородом и водой. В результате появляется окись железа, более известная как ржавчина. В отличие от крепкого и прочного железа, его диоксид – порошкообразное вещество. Так что ржавчина ослабляет металлические изделия, изготовленные из железа и стали. Как мы видели в , добавление хрома в железо создает на нем защитную «пленку» из оксида хрома, которая защищает атомы железа от атак кислорода и воды, оберегая их (хотя и не полностью) от ржавления. Краска выполняет ту же функцию. В детстве я думал, что люди красят машины для того, чтобы они красивее выглядели. Но это достоинство автокрасок случайно. Главное их предназначение – предохранять корпус и другие металлические детали от коррозии. Алюминиевые корпуса машин и судов не нуждаются в покраске. Вокруг этого металла сам собой образуется защитный слой оксида алюминия, придавая ему блеск.
Гниение сродни ржавлению. Но его вызывают микроорганизмы, которые поражают прежде всего дерево, а не металл. Решение здесь такое же, как и для металлических поверхностей: создать барьер между деревом и наполненным этими микроорганизмами воздухом. Но здесь нас подстерегает другая проблема. Покрасьте оконные рамы, и вскоре вам придется беспокоиться не о целостности дерева, а о целостности красочного покрытия. Оно «дышит», расширяется и сужается в зависимости от температуры воздуха. В результате в нем возникают трещины, оно отслаивается и отсоединяется от дерева, снова делая его беззащитным. Для защиты деревянных сооружений применяется креозот – угольная смола, включающая в себя около 100 различных элементов и работающая по иному принципу. Он защищает дерево изнутри, а не снаружи. Креозот крайне токсичен для любых микроорганизмов (бактерий, грибков) и насекомых, живущих в дереве. Именно поэтому им покрывают деревянные заборы и телеграфные столбы. Проблема креозота в том, что он опасен для окружающей среды. Он не только токсичен, но и канцерогенен. Так что, решая с его помощью одну проблему, вы можете заполучить другую.
Деревья могут раскачиваться на ветру сотни лет, а оконные рамы служат несколько десятилетий. Почему живое дерево не гниет гораздо дольше, чем изделия из «мертвого» дерева, вроде дверей и оконных рам? Дело в том, что живое дерево защищает кора, которая богата смолами и воздействует на жучков и насекомых подобно креозоту. Поэтому, например, в Лапландии кора березы традиционно используется при изготовлении водоотталкивающей одежды и обуви. Целлюлоза в дереве (базовый материал, из которого оно состоит) и лигнин (сложный полимер в стенках клеток растений) вместе создают очень плотную субстанцию, которая предотвращает проникновение в дерево воды и живущих в ней микроорганизмов. Незащищенная древесина в деревянных сооружениях обычно более влажная и теплая – это-то и нужно различным грибкам для буйного пиршества.
Как пластик лечит себя
Как неприятно, если кто-то поцарапает вашу машину на улице! Как было бы замечательно, если бы машина сама понимала, что с ней случилось, немедленно отправлялась в автосервис и автоматически перекрашивалась еще до того, как вы к ней вернетесь. Пока это только мечты. Но что-то подобное уже существует: самовосстанавливающаяся краска. Большинство современных красок – по сути, пластмассы (полимеры акрила, к которым добавлены разные пигменты), которые распыляются тонким слоем по защищаемым поверхностям вроде дерева или металла. Исследователи и специалисты уже разработали краски со встроенным механизмом самовосстановления, который срабатывает при малейшем ущербе для красочного слоя. Такие вещества называются самовосстанавливающимися материалами.
Как они работают? В составе синтетической краски обычно присутствуют микрокапсулы клея и катализатор (вещество, ускоряющее химическую реакцию). Когда красочное покрытие нарушается (возникает царапина или отслаивание), микрокапсулы раскрываются, из них вытекает клей, а с помощью катализатора происходит химическая реакция, в результате которой повреждение краски быстро устраняется. Другие подобные краски включают микроскопические трубочки (похожие на капилляры), которые подсоединены к некоему микрорезервуару, заполненному клеем. Когда покрытие трескается, резервуар раскрывается и по микротрубкам подводит защитное химическое вещество в место «аварии».
Легко себе представить, как самовосстанавливающиеся краски «ремонтируют» небольшие царапины и повреждения на покрытии. А как быть с более солидным ущербом? Американское агентство NASA разрабатывает материалы, которые могут самостоятельно восстанавливать ущерб, наносимый фюзеляжу боевого самолета пулями или космическому кораблю – мелкими метеоритами. Когда пуля попадает в пластическое покрытие фюзеляжа самолета, выделяется столь значительная энергия, что она разогревает материал до жидкообразного состояния. Эта масса пропускает пулю, а затем закрывает и «запечатывает» отверстие. В лабораториях NASA испытаны материалы, которые могут «запечатывать» отверстия, оставляемые на корпусах космических кораблей микрометеоритами, летящими со скоростью 18 000 км/ч, в 20 раз быстрее Boeing-747.
