Материальная революция еще не вышла из лабораторий

Не такие привлекательные для глаз, как мир мобильных гаджетов или дронов, материальные технологии в настоящее время являются одной из самых быстрорастущих областей. Присмотревшись к ним поближе, мы вновь и вновь испытываем своего рода дежавю, связанное с литературой и научно-фантастическими картинками.

Ведь что еще, как не воспоминания о просмотренных фильмах или прочитанных книгах, проекты записи данных в кристалл или даже в стекло? Специалисты Гарвардского университета работали над стеклом как носителем памяти еще в 1996 году.

1. Кристаллы памяти, сконструированные в Саутгемптонском университете.

Он должен был заключаться в создании в нем дефектов с помощью сильного лазерного луча, что благоприятствовало изменению показателя преломления по отношению к окружающей среде. Показания отмечены измерения световых эффектов. Рыночное решение такого типа на основе силикатного стекла обещает в 2015 году японская компания Hitachi.

Основным преимуществом этого метода записи перед памятью и запоминающими устройствами является его долговечность. Как сообщалось в одном из октябрьских номеров журнала «New Scientist», ученые из британского университета Саутгемптона работают над чем-то гораздо более масштабным — рекордом в «пяти измерениях» (1).

Звучит сенсационно, но в действительности он будет основан на использовании, помимо трех пространственных измерений, еще и переменной интенсивности и поляризации лазерного луча. Основная задача состоит в том, чтобы ускорить процесс записи с кбит/с на Мбит/с.

Емкость такой памяти была бы в восемь раз больше, чем у вышеупомянутого решения, предложенного Hitachi, и означала бы возможность уплотнения терабайт данных в модуле размером с большой палец. Такой технологический рекорд мог выдержать температуру до 1000°С, пережить ядерную войну и сохранить данные до 10 миллиардов лет!

Насекомые и материал в теории

Мы живем в век пластика. Это также означает, что мы не можем избавиться от него, потому что он обычно не разлагается быстро. Целые «континенты» пластика, спрессованных отходов плавают в Тихом океане. Подсчитано, что разлагающийся пластик, в основном полученный из натуральной целлюлозы, по-прежнему составляет не более 1% рынка пластиковых материалов.

Однако, возможно, есть шанс на большую популяризацию биологически нестойких искусственных материалов. Ученые посмотрели на хитин — прочный компонент панцирей насекомых. Институт Висса при Гарвардском университете изобрел материал, представляющий собой комбинацию хитина из панцирей креветок и фиброина, нерастворимого белка, содержащегося в нити паука.

В результате получился «шрилк» (2), материал более прочный, чем два основных компонента по отдельности, и к тому же негорючий и гибкий. Израсходованный, его можно бросить в компостер, где микробы за несколько недель превратят его в ценное удобрение. Однако пока производство «шрилки» и связанного с ней хитинового материала — хитозана настолько дорого, что не стоит ожидать их быстрого внедрения в массовом масштабе.

Станен (3) — это материал, который заставляет инженеров обещать многое. В первую очередь предполагается обеспечить передачу электрического тока без потерь и без нагрева. Это ни в коем случае не сверхпроводник, работающий при температурах, близких к абсолютному нулю, потому что мы давно знаем о таких материалах и эффектах, а также знаем, что их использование — затратное и хлопотное удовольствие.

Название происходит от латинского слова stannum (олово), к которому добавлено окончание, похожее на слово «графен». Открытие станена началось в течение нескольких лет исследований на так называемом топологические изоляторы, то есть чрезвычайно тонкие слои различных веществ, проводящих электричество на своих внешних поверхностях, а не внутри.

При толщине слоев топологических изоляторов в один атом проводимость электричества достигает 100%, т. е. практически не имеет сопротивления. Путем экспериментов ученые из Стэнфордского университета пришли к выводу, что лучшими свойствами этого типа пока обладают структуры, состоящие из атомов олова и фтора.

Он показывает 100% проводимость при температуре немного выше комнатной до примерно XNUMX°С. Эти типы сверхпроводящих слоев могут значительно повысить эффективность электронных схем, а также значительно снизить энергопотребление.

Проблема станена, однако, в том, что в материальном смысле… его не существует. Это то, что до сих пор было описано только в научных статьях и возможно сделать, но пока только теоретически. В мире до сих пор нет ни одного куска станена.

губчатая перспектива

Для разнообразия аэрогели существуют, и, несмотря на их тонкую структуру, они вполне осязаемы. Когда в 30-х годах американский химик Сэмюэл Кистлер впервые извлек «замороженный дым» из жидкого кремнезема, это было в основном визуально поразительное любопытство.

Так оставалось годами, потому что трудно было найти какое-либо практическое применение чему-то столь тонкому. Однако в последнее время аэрогели снова стали звучать громче по мере появления новых разновидностей. Химики укрепили их стеклянными волокнами и сделали гибкими, добавив полимерные цепи.

В Исследовательском центре НАСА. Джон Х. Гленн в Кливленде даже создал полностью полимерный аэрогель с эластичностью, аналогичной каучуку. В то же время эти материалы находят области практического применения. Трудно найти лучшие решения, когда дело доходит до изоляции. 1 см аэрогеля работает как 5 см пенопласта.

Они хорошо работают в конструкции окон и в профессиональной спортивной экипировке. Также они могут служить корпусом планшета, что мы и видим в Google Nexus 7 — он вдвое легче обычного пластикового. Однако последней тенденцией в мире этих летучих материалов являются металлические «нанопены».

Способ их получения был открыт случайно в 2005 году в Национальной лаборатории в Лос-Аламосе, США. Что заманчиво в металлогелях, так это не теплоизоляционные свойства, а большая площадь поверхности этих материалов – до трех тысяч м2/грамм.

При одновременно высокой химической активности такие аэрогели обладают невообразимым потенциалом в качестве, например, катализаторов. Губки из бериллия оказались отличным способом хранения водорода, что, конечно же, сразу же наталкивает на мысль об их использовании в транспортных средствах, работающих на водороде.

Исследователи из Упсальского университета в Швеции создали новый необычный материал — карбонат магния со структурой настолько пористой, что один грамм этого вещества имеет общую площадь поверхности около 800 м2. Это происходит из-за огромного скопления микроскопических пор размером около 6 нанометров.

Новый материал Обладает невероятной водопоглощающей способностью. Его адсорбционная способность вдвое меньше, чем у большинства известных адсорбционных материалов. Он также способен удерживать 75 процентов адсорбированной воды при значительных изменениях влажности окружающей среды.

Материал, который уже имеет свое «торговое» название – ипсалит (4), может использоваться в фармацевтической и электронной промышленности, в технологических процессах, требующих контроля уровня влажности. Может использоваться в качестве тепло- и звукоизоляции, а также для хранения токсичных отходов, химикатов, масел. Также подходит для фильтров.

Пожиратель тепла от двигателей

Задача скоттерудитов (из группы редких минералов) — питаться тепловой энергией, выделяемой термодинамическими машинами, например двигателями внутреннего сгорания. Тепло здесь нежелательно и рассматривается как потеря, снижающая общий КПД машины.

Его ловушки представляют собой небольшие конструкции из атомов редких металлов, в случае двигателей — иттербия и церия, заключенных в «клетки» из кобальта и сурьмы. Счета позволяют свободно течь электричеству, но сохраняют тепловую энергию. Их эффективность увеличивается с повышением температуры.

Команда General Motors под руководством Грегори Мейснера работает над созданием генератора с использованием этого материала. Исследователи хотят построить термоэлектрический генератор, способный преобразовывать тепловую энергию выхлопной системы в электричество для питания автомобильных фар, радио и т. д.

Проблема в том, что для изготовления скаутудитов нужны редкие металлы, а они, как следует из названия, редкие, т.е. дорогие, и добываются в основном в Китае. Поэтому японцы из Университета Осаки работают над заменой дорогих металлов более дешевыми — железом и никелем.

Однако их конструкция требует добавления токсичного таллия. Команда Мейснера, в свою очередь, изучает возможность создания аналогичной структуры на основе железа с кальцием вместо редких металлов. Понятно, что термоэлектрические генераторы получат широкое распространение только в том случае, если они будут значительно дешевле и экологически безопасны.

5. Кусочек черного фосфора

Графен и его братья

Конечно, графен остается королем материальных обещаний, которые предстоит выполнить в будущем. Есть еще потенциально новые способы его использования необычный материал. Ученые из Аргоннской лаборатории Министерства энергетики США нанесли один слой графена между стальным шариком и стальной поверхностью обода, как и в известных подшипниках.

Оказалось, что графен справляется с трением намного лучше известных смазок. Физики Мюнхенского технического университета создают искусственную сетчатку глаза из графена. Польские ученые из Университета науки и технологий AGH работают над технологией использования графена в сетях передачи энергии.

Целью проекта является существенное снижение потерь в сетях электротранспорта. В то же время усиливается химическая конкуренция за графен. Идет технологическая битва за другие материалы, которые будут обладать «чудесными» свойствами, подобными графену, но без его недостатков, т.е. высокой себестоимости производства и отсутствия запрещенной зоны, что является ключевым свойством в электронике.

6. Silicen — атомная сетка

Ширина запрещенной зоны позволяет включать и выключать ток в интегральных схемах. Без него чистый немодифицированный графен не годится в качестве строительного материала в электронике. По мнению исследователей из Массачусетского технологического института (MIT), отличная альтернатива «материал будущего«Однако существует вещество с химическим символом Ni3 (HITP) 2.

Он сохраняет замечательные характеристики, аналогичные графену, но при этом имеет желаемую ширину запрещенной зоны. Другой материал с запрещенной зоной, разрабатываемый группами, работающими параллельно в США и Китае, — это фосфор, или переработанный фосфор, аналогичный углероду в графене, в виде слоев толщиной в один атом.

Как и в графене, сетка в фосфате имеет гексагональное расположение, но немного более морщинистая, чем в графене. Ученые уверяют, что свойства фосфора идентичны структуре углерода. Для получения слоев новый материал использовали метод отделения слоев от поверхности черного фосфора (5) с помощью клейкой ленты, идентичный тому, который привел к производству графена в 2004 году.

Однако им еще предстоит создать одноатомный слой. Французские ученые разработали кремний (6) — материал толщиной в один атомна основе кремния. Он считается конкурентоспособным материалом по сравнению с графеном с точки зрения свойств и приложений.

Ожидается, что он найдет применение в создании нанокомпьютеров. Сходство с графеном очевидно, поскольку кремний — это просто чрезвычайно тонкий слой кремния толщиной всего в один атом.

Его преимущество перед графеном, в свою очередь, связано с тем, что при схожих электронных свойствах он будет лучше подходить для электроники на основе кремния, микропроцессоров, интегральных схем, производственных линий и т. д. Кремний, однако, имеет аналогичный графену недостаток — высокие производственные затраты. К тому же он не стабилен.

Программируемые материалы

Новые материалы используются для создания прототипов новой электроники в лабораториях. Например, был разработан микропроцессор, сделанный из графена вместо кремния. У него около 10 тыс. лучшую производительность, чем предыдущие прототипы этого типа. Автор решения — лаборатория IBM в Йорктаун-Хайтс, США.

Процессор IBM — многокаскадный приемник радиоволн, самое сложное устройство такого типа из когда-либо созданных. Новые материалы однако дело не только в электронике. Также структуры в макромасштабе, хотя решения проблем здесь ищутся в наименьшем масштабе.

В Массачусетском технологическом институте они были разработаны на основе наноструктур. метаматериалыкоторые отличаются большой износостойкостью. По информации машиностроительного факультета этого вуза, они выдерживают нагрузку до 160 XNUMX. раз их вес. Их конструкция напоминает ферменную конструкцию, известную при строительстве мостов и башен.

Разница лишь в том, что на этот раз это микроскопическая конструкция, изготовленная с помощью технологии 3D-печати. Структура из метаматериалов нового поколения покрыта металлическим слоем толщиной от 200 до 500 нанометров. Возможны ли строительные материалы без вибрации?

По мнению исследователей из Технологического университета ETH в Цюрихе, во что бы то ни стало, и при практическом применении они навсегда изменят мир механики и строительства. Техника так называемого программируемые материалы, заключается в том, чтобы положить конец проблеме вибрации в технике.

Это было описано в журнале Advanced Materials. Швейцарские исследователи построили модель — кусок алюминиевого листа длиной 1 м, шириной 1 см и толщиной 1 мм. Цилиндры, также изготовленные из алюминия, прикреплены к плоскому стержню для подавления вибраций; между ними расположены пьезоэлектрические датчики, контролирующие направление и мощность волн, распространяющихся в материале.

В зависимости от конфигурации пьезоконтроллеры обеспечивают равномерное распространение колебаний или их поглощение. В свою очередь, международная исследовательская группа при участии ученых из Японии, Германии и Финляндии разработала новый тип технология материаловкоторый, захватывая электроны, превращает жидкий цемент в жидкий металл.

В результате получается материал, более устойчивый, например, к коррозии, чем металлы, и, в отличие от цемента, проводящий электричество. Ученые, работающие над этим раствором, смешали оксиды алюминия и кальция (цемент) при температуре около 2000°С.

Смешивание и нагрев происходили в специально сконструированном «левитационном» устройстве, исключающем касание стенок и образование кристаллов цемента. Таким образом, масса охлаждается в виде аморфного металлического стекла. Электроны захватываются материалом, что придает ему проводящие свойства, типичные для металла.

Специалисты из Американского университета Северной Каролины решили использовать растворы, наблюдаемые в природе, во внутреннем строении костей и побегов бамбука, для конструирования металлов. Их новый подход может произвести революцию в металлургии.

Металлы имеют зернистую структуру. Как поясняет профессор университета Юньтянь Чжу, «относительно небольшие зерна на поверхности означают большую твердость, но меньшее удлинение, то есть подверженность растрескиванию под нагрузками вдоль структуры металла».

Как отметили Чжу и его коллеги, решение, сочетающее твердость с прочностью на растяжение, заключалось бы в постепенном изменении зернистости металла. Они называют это «градиентной структурой».

Например, кости имеют схожую структуру. Исследователи из Северной Каролины проверили это правило на многих металлах, включая медь, никель и нержавеющую сталь. Они использовали собственный метод получения такого металла. По их мнению, таким путем получают металлы со свойствами, недоступными до сих пор для металлургии. Кроме того, они должны быть более устойчивыми к коррозии и усталости.

Материал как дерево, дерево как…

Нове технологии материалов поступают в медицину даже в виде запоминающих форму полимеров, пригодных, например, для реконструкции костей. Группа ученых из Университета A&M в Техасе под руководством доктора Мелиссы Грюнлан разработала губчатое вещество на основе уже известного биоразлагаемого поликапролактона (7).

Материал меняет форму под воздействием тепла, что позволяет идеально адаптироваться к полости. В наполнитель добавляется вещество, способствующее регенерации костей. По мере того, как организм восстанавливает естественную костную ткань, пломба исчезает.

Создатели Массачусетского технологического института назвали еще один корректирующий форму материал «smorph» (8). Считается, что он может оказаться полезным в элементах, формирующих аэродинамику автомобилей. Полимер изменит структуру, например, станет более гладким, на более высоких скоростях, облегчит маневры и т. д.

В свою очередь, близлежащий Гарвардский университет разработал структуру материала, которая позволит создавать «искусственную пробковую древесину» — материал, известный своей рекордной жесткостью и рекордной легкостью. Он был создан благодаря тщательно разработанной композиции волокон и эпоксидной смолы в микроструктурах с одинаковым расположением, от сетки до сот (9).

Современная техника способна превратить само дерево в материал со свойствами, подобными другим материалам, металлам или тканям. На самом деле не столько древесина, сколько волокна целлюлозы. Немецкие специалисты из Wallenberg Wood Science Center (WWSC) создали нити толщиной 20 микрон. По мнению ученых, они могут с успехом заменить хлопковые нити, используемые в одежде.

9. Микроструктура искусственного пробкового дерева.

Красиво, но все же не для нас

Все это звучит очень эффектно. Как видите, нас постоянно бомбардируют информацией о «прорыве» и «революции» в технологии материалов. Жаль, что все это до сих пор происходит за стенами лабораторий, исследовательских центров и университетов, а чудесные материалы будущего обычно оказываются слишком дорогими, непроверенными и нестабильными для использования на практике.