Молекулярные гаджеты (этимологически от "скобка", "хомутик", "пристёгивать") или по старому: командные вещества

                                                           

Концепция производства на молекулярных гаджетах:

коротко:

1.Синтез командных веществ, работающих в производстве с инвариантностью по Гиббсу и увеличенной возможностью выбора действий.  Сосредоточение эффекторов всех участников техпроцесса в одной молекуле позволяет уменьшить число компонентов и вариантность процесса производства. Вместе с тем у такой молекулы вырастает свобода выбора действий  2 в степени n. n - число эффекторов. Получается "умная молекула", которой разработчики придали функции n молекул, вынужденная "решать" какие эффекторы и в какой последовательности использовать. 

2. Инверсия структуры (полимеров, поверхности минеральных порошков и металлов) этими командными веществами по алгоритму  графт- прививки.

3. Использование в качестве командных веществ пикомодуляторов - молекулярных образований, включающих в себя высокомодульные кристаллиты + фрагменты, придающие молекулам зарядность и функциональные группы, обеспечивающие присоединение пикомодулятора к модифицируемой молекуле полимера или поверхности минерала.

Более подробно:

1.Разработан алгоритм получения неких структурных фрагментов, главная особенность которых - быстро присоединяться к молекулам, подлежащих модификации и поверхностям различных минеральных материалов и металлов. Это дало возможность «конструировать» из подходящих молекул нужные. И надёжно соединять поверхности разнородных материалов. Отсюда название – гаджеты (хомутики, связки). Сам алгоритм модификации (инверсии) полимеров и поверхностей минералов и металлов - Гринвестер (Графт инверсионный преобразователь структур). Графт-сополимер (привитой спл) – это разветвленный сополимер, у которого основная цепь состоит из звеньев одного мономера, а к ней присоединяются боковые цепи из звеньев другого мономера. В своей же практике мы, однако, используем понятие "прививки" (графта) несколько шире: распространяя его и на явления, происходящие на границе раздела фаз (минералов, металлов и например, связующих полимеров). Графтом может быть модуль - структурный фрагмент, имеющий заряд. Тогда с помощью Гринвестора получаем катионный или анионный латексы.

Если графт имеет высокое значение модуля упругости - получается полимер с апериодически модулированной кристаллитами (с высоким модулем Юнга) структурой, превосходящий по свойствам ТЭП, ПУ и полимочевины.

 Рассмотрев типовые техпроцессы с «другого угла» (функции молекул, правило Гиббса) – решили, что синтез «умных» молекул практичнее во всех смыслах, чем использование всё разрастающейся армии аддитивов, добавок, стабилизаторов, модификаторов и оборудования.

Подробное объяснение:

 во-первых, сырьевые и вспомогательные компоненты рассматриваются, как носители функций – эффекторов. Каждый эффектор ответственен за (условно) 1 технологическую операцию. Что, если эффекторы нескольких компонентов «пришить» одной молекуле? Сосредоточение эффекторов в одной молекуле позволит уменьшить количество компонентов, что приведёт (по правилу Гиббса) к уменьшению вариантности термодинамической системы (меньше компонентов – меньше степеней свободы: V= k – f +1 при P=const T = const). В то же время у такой молекулы появляется возможность выбора действий (какой эффектор начнёт работать в первую очередь, какой во вторую). И она растёт в соответствии с теоремой о числе комбинаций в 2ⁿ (n – количество эффекторов в молекуле). Получилось так, что сначала мы разделили процесс производства на два участка. На одном синтезировали вещества, состоящие из командных молекул. А в собственно самом цехе производились работы по изготовлению материалов (эмалей, красок, грунтовок, мастик, асфальтобетонной смеси). А потом появилась концепция. Нам, разработчикам, хотелось, что бы наша мысль, «заложенная» при синтезе командного вещества в его молекулы,  не искажалась (как раньше) при передаче техинструкцией технологами и рабочими. Мы рассчитывали исключить или, хотя бы снизить влияние волюнтаризма технологов, ошибок рабочих, словом человеческого фактора. Оказалось, что снижение влияния человеческого фактора распространяется и на факт вариации качества сырьевых материалов (их же тоже изготавливают люди в меняющихся условиях производства). Такое совмещение термодинамической инвариантности с появлением возможности выбора действий молекулами компонентов привело к появлению некой «разумности» самого производства, которую антропоморфно все приписали командным молекулам. Рабочие в цехе новую технологию назвали: «Вали кулём – там разберём». Если раньше нарушение последовательности технологических операций приводило к браку (разбитию системы на отдельные термодинамически несовместимые «системки»), то теперь за соблюдение последовательности операций «отвечали» молекулы. Мы, воодушевлённые успехом «пошли» дальше.

Вторым компонентом концепции (во-вторых) молекулярных гаджетов стало использование веществ, к молекулам которых оперативно (по необходимости, при возникновении  новой задачи) «подвешивались» фрагменты, приводящие (это рассматривалось на компьютерных моделях) к изменению структуры молекул – субстратов в результате присоединения гаджета. С помощью алгоритма Гринвестера почти мгновенно образовывались блоксополимеры с пригодной для нашего производства структурой. Например, из сырьевых компонентов, не подходящих напрямую к использованию в нашем производстве. То есть, эти гаджеты позволили нам приспосабливать сырьевые компоненты, расширив тем самым ассортимент пригодного сырья. А молекулярные гаджеты нашли применение и для модификации поверхностей бетона, битумных материалов, полимеров, красок и эмалей.  И для инверсионного перевода полимеров из одной фазы в другую. Мы даже научились процесс присоединения делать избирательным. Кодовым «замком» служил хелат металла в гидрокси форме. Кодом служил рКа гидроксил – металл. Так, например, гидроксихелат алюминия имеет рКа = 5. И в такой замок могут попасть только кислоты слабее уксусной. С ОН группами металлополухелат соединялся координационными связями. С поверхностями бетона, стекла и песка гаджеты соединялись по гидрокси группам кремния, кальция, алюминия. 

Пикомодуляторы- это молекулярные образования (разновидность молекулярных гаджетов), включающие в себя высокомодульные кристаллиты, фрагменты придающие молекулам зарядность и функциональные группы, обеспечивающие присоединение к модифицируемой молекуле полимера или поверхности минерала. Данная разработка проходила под впечатлением представлений Эрвина Шрёденгира о  жизнеспособности именно  апериодических  кристаллических структур. Практическое применение этих представлений к химии технических полимеров позволило повысить эксплуатационные и технологические ценности эластомеров и экологическую безопасность

Предлагаемый подход отличается от традиционного сокращением количества необходимых технологических операций. В отличии от наномодификаторов предлагаемые пикомодуляторы не имеют склонности к агрегации и сольватации. И за счёт «умной» работы реагируют с модифицируемым субстратом именно там, где имеется дефект, подлежащий исправлению. Предлагаемый метод и материалы будут востребованы в химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой, лакокрасочной промышленностях в целях сокращения производственных издержек, повышения качества продукции, снижения углеродного следа и т.д.

Концепция производства с молекулярными гаджетами воплощена нами в реальности.  Лабораторно – промышленный комплекс успешно работает с 2004 года. Такая концепция производства  возникла отчасти благодаря знакомству авторов с концепцией нанотехнологического механосинтеза Р.Ф.Фейнмана и Э.К.Дрекслера. Которой автор восхищался и сожалел о нереальности её воплощения.

 

Разработанные молекулярные гаджеты  могут быть использованы для работ ( изготовление,модификация свойств,обработка) со следующими материалами:

1.Природными (естественными) каменными материалами 

2.Неорганическими и органическими вяжущими материалами 

3.Бетоном, железобетоном и конструкций из него, строительными растворами

4. Искусственными каменными материалами (обжиговыми и безобжиговыми)

5.Лесными материалами

6.Материалами и изделиями на основе пластических масс 

7.Теплоизоляционными и звукоизоляционными материалами

9.Кровельными и гидроизоляционными материалами 

10.Лакокрасочными материалами.

11. Клеями и герметиками.

А также работ по созданию новых материалов (например, стрессорно - укрепляющегося характера).

Что, например, могут или дают молекулярные гаджеты?

-новые решения в технологиях производства различных материалов,в том числе, позволяющие снизить себестоимость продукции (снижение энергозатрат, возможность использования сырья непрямого назначения, корректировка свойств сырьевого материала, ускорение технологического процесса),

-возможность получения новых материалов с неизвестными ранее свойствами, в том числе с супераддитивными свойствами,

- связывать разнородные материалы в композициях (в качестве компатибилизаторов),

- обеспечивать адгезию разнородных материалов друг к другу, например, песка к битуму (модификаторы адгезии),

- возможность нанесения красок и мастик на влажные поверхности без ухудшения свойств получаемых покрытий,

- модифицировать полимеры, с приобретением ими, например, отчасти свойств полиуретанов, кремнийорганики,

- создавать материалы, с улучшающимися под воздействием стрессоров свойствами (адаптирующиеся материалы),

- быстрое (2-х минутное) получение лаков (растворов полимеров) инверсией,

- получать термостойкие (выше 700 град С) покрытий.

Примеры конкретных гаджетов:

АПЕКСЫ. Вещества, молекулы, которых похожи действием на вирусы. При синтезе в молекулы апексов закладывается программа перестройки молекул, подлежащих модификации вплоть до изменения структуры. Это молекулярные машины с обусловленным поведением (работают как совокупность молекулярных компонентов). Молекула, по результату действия может быть сравнима с вирусом. Присоединяется к молекуле полимера – субстрата, внося информацию о том, каким должен стать полученный продукт. Это позволяет из скудного ассортимента полимерного сырья, попадающего на наш рынок, изготавливать «вирусным» модифицированием не то, что поставляют, а то, что требуется.

ПЕКСАМИД - апекс со свойствами Крестолина и промотора адгезии между кремнезёмами и органикой. То есть, более универсальная молекулярная машина: и инверсию фаз производит, и изменяет (как вирус) свойства модифицируемого полимера, и производит "отбивку" воды с влажных пигментов и наполнителей. Позволяет наносить ЛКМ на влажную поверхность, и обеспечивает обычно трудно достижимую адгезию между минеральными наполнителями, имеющими кислую поверхность, и органическим связующим (например, в асфальтобетоне).

Пирамидка. Сторож коррозии. По виду молекула похожа на спираль Бруно (тип колюче проволочных заграждений первой мировой войны). Барражируя в объёме защищаемого материала, захватывает гидроокиси железа, конверсируя их в неактивные композиты. Подробнее.

Семацит. Оператор структурной перестройки полимеров в стержневидные молекулы. Предназначен для повышения

- малярной укрывистости водно-дисперсионных и органоразбавляемых акриловых ЛКМ;

- предотвращения «пятнистости», «разнотона», матирования и получения эффекта оптического сглаживания неровностей, шероховатостей и «микровыбоин».

- для уничтожения "отлипи", обусловленной ОН или СООН группами полимера, не вступившими в реакцию. То есть, для "дубления" поверхности, например, мастик и других покрытий.

Не снижают стойкость к УФ и другим атмосферным воздействиям. На коалесценцию не влияет. Подробнее.

ДНЦ -2

Молекулярная конструкция, в которую интегрированы эффекторы, обеспечивающие коалесценцию дисперсий, пластифицирование полимеров, диспергирование минеральных веществ (наполнителей и пигментов, например), обработку минеральных частиц координационными полимерами и увеличивающие эффективный сольватный радиус. Молекулы ДНЦ-2 могут объединяться в "рои" с увеличением ГЛБ и изменением характера эмульгирующей способности (переход в ПАВ - эмульгатор 2 рода). Способен одним из эффекторов прерывать полимерную цепочку гидроксидов щёлочноземельных металлов - что важно для снижения вязкости паст минералов, содержащих, например, кальциевые соединения (цементно-песчаные смеси, используемые для приготовления бетонов, пигментных паст в ЛКП и паст в производстве керамики).За счёт снижения количества вводимых компонентов, которые заменяются ДНЦ-2, по правилу Гиббса уменьшается вариантность системы, что ведёт к повышению качества продукции вследствие снижения влияния как человеческого , так и других факторов на процесс производства.

Крестолин.

Маслянистая жидкость от жёлтого до коричневого цвета. Не содержит растворителей. Паров не выделяет. Взрыво-пожаробезопасна, однако, горение может поддерживать. Не токсична.

Введение Крестолина практически в любой ЛКМ в количестве менее 1 % (0,4-0,6%) придаёт ЛКМ способность наносится на влажные, и даже мокрые поверхности, красить изделия под моросящим дождём или в условиях повышенной влажности, по «отпотевающим» поверхностям. Немаловажно и то, что введение Крестолина делает производство ЛКМ не чувствительным к поставке влажных пигментов, наполнителей или другого сырья с повышенным содержанием влаги. В обычных ЛКМ введение влажных пигментов (например, вследствие перемены погоды) приводит к флокуляции и, как следствие, снижению кроющей способности. А в худшем случае – появлению визуально наблюдаемых дефектов. 

Благодаря Крестолину в эмали, эмаль ложится на мокрую поверхность. Не "сворачивается", видно, что происходит хорошее прилегание при нанесении. В дальнейшем проверка адгезии методом решётчатых надрезов по ГОСТу 1 балл.

Иллюстрация работы "командной молекулы" Крестолина в производстве ЛКМ.  Перенос диоксида титана и мела из водной пасты в органический растворитель. Несколько капель Крестолина делают водную пасту способной смешиваться и с водой и с растворителями.

Предлагаю посмотреть видео нанесения ЛКМ с введённым Крестолином по влажным поверхностям

Компоновщик, будучи введённым в формирующуюся среду ( эмаль, краску, мастику, пластмассу) формирует её по своему образу и подобию. Он - каучуковый сополимер с сегментами, термодинамически несовместимыми. Потому эти сегменты сегрегируются в отдельные фазы. Но, будучи связанными в одну молекулу синтезом при получении Компоновщика, образуют структуру типа панцирной сетки. При ударе жёсткие элементы, не пропуская тело, наносящее удар, через защищаемую поверхность, передают кинетическую энергию удара эластичным сегментам для перевода механической энергии в тепловую. Композиционный материал, который образуется при введении Компоновщика в среду подходящего полимера (полиэтилен или полипропилен - не подойдут: ведь, они не имеют функциональных групп, способных взаимодействовать с функциональными группами Компоновщика) является твёрдым телом, но на удары ( механические и термические) реагирует, как ПУ резина.

При медленном надавливании на такое покрытие оно работает, как резина: прогибаясь, накапливая энергию при деформации, с тем, что бы при исчезновении давления вернуть прежнюю форму покрытию, материалу. Механический удар - это всего лишь пример. Так же умно покрытие сработает и при термоударе (нагреве, затем резком охлаждении - возникающие при этом внутренние напряжения так же, как при механическом ударе погасятся). Такие композиты, конечно, давно известны. Компоновщик - молекулярный сборщик молекулярных композитов. Такова программа, заложенная в его структуру разработчиками при его синтезе.

В красках, эмалях, мастиках он очень быстро формирует упругое ( резинистое) покрытие. В шпаклёвках, видимо, будет обеспечивать отсутствие трещин при больших зазорах и небольшом количестве связующего (тощих составах). Пластикам будет придавать свои свойства - сочетание эластичности каучука и персистентную гибкость материалов типа ТЭП или ПУ. Можно ожидать дилатантого характера образования материала: без сиккативного сшивания эмалей за счёт элементов Компоновщика, образующих связи координационных полимеров (и это плюс к водородным и связям по СООН). Сшивания молекул Компоновщика между собой за счёт координационных связей может происходить вплоть до получения ажурных структур. Подробнее.

На картинке - "кубики" основных молекулярных гаджетов , из которых складываются технологии: