Самые современные материалы. Будущее где-то рядом.
Добавлено: 18 июл 2014, 07:24
Нашел подборку последних изобретений ученых, надеюсь другие меня поддержат и дополнят ее. И думаю, что найдутся писатели которым это пригодится.
Аэрогель
Возможно, самый необычный материал. В книге рекордов Гиннеса ему заслуженно принадлежит 15 рекордов. Его иногда называют "застывший дым". Получают этот метериал путем экстрасильного высушивания жидкого геля, содержащего алюминий, хром или углерод. Свойства его фантастичны - плотность отдельных видов такого вещества равна или в полтора-два раза больше плотности воздуха. Кубометр его весит всего 2 кг. Теплопроводность аэрогеля настолько мала, что он часто используется для теплоизоляции в космонавтике. Температура плавления составляет более 1200 градусов - немаленькая величина. Такое вещество практически не пропускает звук, тепло и ударное воздействие. Бронежилет с использованием односантиметрового слоя такого "геля" дает возможность выжить при прямом воздействии от взрыва килограмма динамита.
Несмотря на название (АэроГЕЛЬ), данное вещество представляет собой твердый материал, по структуре напоминающий пену для бритья. Кроме всего этого, он прозрачен, иногда с голубоватым оттенком. Получается, в одном материале собраны несколько самых необычных свойств, комбинация которых делает его уникальным. Ниже привожу фото - камень весом 2.5 кг стоит на пластинке из аэрогеля весом 2 г.
Прозрачный алюминий
Прозрачный алюминий (перевод мой) - это разновидность оксида алюминия. Как он изготавливается? Путем спекания при определенной, очень высокой температуре, мельчайших частицалюминия. При определенных размерах частиц получается прозрачный, очень прочный и твердый материал. Кроме этого , в процессе спекания в массу могут добавляться различные редкоземельные добавки, улучшающие оптические свойства материала.
Прочность полученного материала в три раза больше, чем у самой прочной стали. В будущем его планируется применять для строительства небоскребов, летательных аппаратов и других требовательных к прочности механизмов, для которых при этом желательно пропускать свет. Несмотря на то, что термин "прозрачный алюминий" впервые появился в сериале StarTrek, такое вещество реально существует
Метаматериалы
Метаматериалы - это такие вещества, свойства которых определяются не составом, а формой или структурой. Что это значит? Например, есть металл железо, свойства которого мы более-менее знаем. А если взять это же железо, и сформировать на его поверхности определенные структуры - кольца, бугорки определенного размера, он начинает проявлять неожиданные способности. Размеры этих колец и бугорков должны быть сравнима с величиной атома, или, если свойства проявляются в оптическом диапазоне - с длиной волны.
Сейчас развитие таких свойств происходит в основном в направлении обработки света. Особым образом сформированные структуры на поверхности металла могут усиливать, ослаблять или фокусировать электромагнитные волны, в частности, световые. Еще одно перспективное направление - создание своеобразной "шапки-невидимки", способной искажать или полностью скрывать находящиеся за ней объекты. В 2006 году в некоторых лабораториях мира были проведены опыты по маскировке слитков металла различной формы, покрытых разнообразными структурами. Пока что это немного получается в электромагнитном диапазоне,а со световым есть проблема недостаточно точных иснтрументов. Так что будем ждать
Металическое стекло
Специалистами калифорнийского института технологий получен уникальный по своим свойствам материал - это самый прочный сплав на сегодняшний день - «металлическое стекло». Уникальность нового сплава в том, что металлическое стекло сделано из металла, но имеет внутреннюю структуру стекла. Сегодня ученые выясняют, что именно придает сплаву такие необычные свойства и каким образом их можно будет внедрить в сплавы из менее дорогостоящих материалов.
Аморфная структура стекла, в отличие от кристаллической структуры металла, не защищена от распространения трещин, чем и объясняется хрупкость стекла. Этим же недостатком обладают и металлические стекла, которые также достаточно легко разрушаются, образуя сдвиговые полосы, перерастающие в трещины.
Специалистами калифорнийского института было замечено, что появление большого числа сдвиговых полос дает высокое противодействие развитию трещин, благодаря чему достигается обратный эффект: материал изгибается, не разрушаясь. Именно такой материал, энергия выработки сдвиговых полос которого намного меньше энергии, требующейся для превращения их в трещины, они и создали. «Смешивая пять элементов, мы добивались того, что при охлаждении материал «не знает», какую структуру принять, и выбирает аморфную», — пояснил участник исследования Р. Ритчи.
Самый прочный сплав - металлическое стекло - состоит из благородного палладия, кремния, фосфора, германия с небольшим добавлением серебра (формула: Pd79Ag3,5P6Si9,5Ge2).
Новый сплав показал себя в тестах как сочетание взаимоисключающих свойств - силы и выносливости на уровне, ранее не замеченной в каком-либо другом материале. В результате, новое металлическое стекло сочетает твёрдость, свойственную стёклам, с сопротивлением развитию трещин, характерным для металлов. Причем, уровень жесткости и прочности находится в пределах досягаемости.
Для конструкционного металла проведенное исследование значительно отодвинуло грани переносимости нагрузок. Но, по прогнозам ученых, широкое применение самый прочный сплав, ввиду редкости и дороговизны основного его компонента – палладия, может и не найти. Тем не менее, разработчики сообщили о возможном использовании данного материала в медицинских имплантатах (например, для внутричелюстных протезов), а также в качестве деталей в автомобильной или аэрокосмической отрасли.
Графен
Графе́н (англ. graphene) — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомовуглерода толщиной в один атом, находящихся в sp²-гибридизации и соединённых посредством σ- и π-связей вгексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла. По оценкам, графен обладает большой механической жёсткостью и рекордно большой теплопроводностью (~1 ТПа[4] и ~5•103 Вт•м−1•К−1[5] соответственно). Высокая подвижностьносителей заряда (максимальная подвижность электронов среди всех известных материалов) делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники[6] и возможную замену кремния в интегральных микросхемах.
Основной из существующих в настоящее время способов получения графена в условиях научных лабораторий[7][8] основан на механическом отщеплении или отшелушивании слоёв графита от высокоориентированного пиролитического графита (HOPG). Он позволяет получать наиболее качественные образцы с высокой подвижностью носителей. Этот метод не предполагает использования масштабного производства, поскольку это ручная процедура. Другой известный способ — метод термического разложения подложки карбида кремния[9][10] — гораздо ближе к промышленному производству. Поскольку графен впервые[7] был получен только в 2004 году, он ещё недостаточно хорошо изучен и привлекает к себе повышенный интерес.
Из-за особенностей энергетического спектра носителей графен проявляет специфические[11], в отличие от других двумерных систем, электрофизические свойства.
За «передовые опыты с двумерным материалом — графеном» А. К. Гейму и К. С. Новосёлову была присужденаНобелевская премия по физике за 2010 год[12][13].
В 2013 году Михаил Кацнельсон награждён премией Спинозы[en] за разработку базовой концепции и понятий, которыми оперирует наука в области графена[14].
Было получено аналогичное соединение для кремния (силицен).
Благодаря графеновым контактным линзам мы вскоре сможем видеть в темноте, подобно героям современных сказок. По словам Чжаохуэя Чжуна, профессора из департамента электроники и компьютерных технологий университета Мичиган, контактные линзы в ближайшем будущем смогут регистрировать широкий спектр световых волн, от инфракрасного к видимому и вплоть до ультрафиолетового диапазона излучения.
Ранее предпринимались попытки использовать графен в контактных линзах в подобном качестве, но все они потерпели неудачу. Графен способен улавливать очень широкий диапазон световых волн, но поскольку толщина слоя составляет всего один атом, поглощается лишь 2 процента от потока излучения. Чувствительность подобного графенового сенсора получается в тысячи раз хуже имеющихся на рынке.
Чжун и его команда сумели решить эту задачу путем создания сэндвича из слоев: на подложке размещаются два сверхтонких слоя графена с изолирующим слоем между ними, на нижний слой подается напряжение. Когда свет попадает на верхний слой графена, происходит высвобождение электронов и они посредством квантового туннельного эффекта проходят через изолирующий слой.
Использование квантового туннельного эффекта применительно к новому типу транзисторов былоописано еще в 2011 году, подобный тип транзисторов вскоре будет востребован по мере дальнейшей миниатюризации электроники и росту требований по снижению энергопотребления.
«Дырки», появившиеся в результате высвобождения электронов, генерируют электрическое поле, которое воздействует на величину тока в нижнем слое, к которому подведено напряжение. Измеряя колебания тока в нижнем слое, можно узнать, сколько света было направлено на сенcор. В результате, сенсор имеет чувствительность сходную с дорогими охлаждаемыми инфракрасными сенсорами, но при комнатной температуре. Исследователи уже сумели создать прототип сенсора размером с ноготь, т.е. размера обычной контактной линзы. По словам исследователей, такая конструкция может использоваться как в составе контактных линз, так и в качестве элемента камеры смартфона.
• В статье, опубликованной 10 ноября 2005 года в журнале Nature[11], Константин Новосёлов и Андрей Геймутверждают, что электрические заряды в графене ведут себя как релятивистские частицы с нулевой эффективной массой. Эти частицы, известные как безмассовые фермионы Дирака, описываются уравнением Дирака, хотя в эффекте Шубникова-де Гааза (осцилляции магнетосопротивления) наблюдаемые осцилляции соответствуют конечной циклотронной массе.
• Так как закон дисперсии для носителей идентичен закону для безмассовых частиц, графен может выступать в качестве экспериментальной лаборатории для квантовой электродинамики[74].
• Квантовый эффект Холла в графене может наблюдаться даже при комнатной температуре[71] благодаря большой циклотронной энергии, при которой температурное размытие функции распределения Ферми-Дирака меньше этой энергии (это расстояние между первым и нулевым уровнями Ландау равно 1200 K при магнитном поле 9 Т)[75].
• При сворачивании графена в цилиндр (см. рис. 7) получается одностенная нанотрубка. В зависимости от конкретной схемы сворачивания графитовой плоскости, нанотрубки могут обладать или металлическими, или полупроводниковыми свойствами[76].
• В графене отсутствует вигнеровская кристаллизация[77].
• В графене нарушается приближение Борна-Оппенгеймера (адиабатическое приближение), гласящее, что в силу медленного движения ионных остовов решётки их можно включить в рассмотрение как возмущение, известное как фононы решётки, — основное приближение, на котором строится зонная теория твёрдых тел[78].
• За новаторские эксперименты с графеном Нобелевская премия 2010 года по физике присуждена Андрею Гейму и Константину Новосёлову[12].
• Термоэлектрический эффект для графена превосходит резистивный омический нагрев, что в перспективе позволит создание на его базе схем, не требующих охлаждения[79][80].
• В двойном слое графена электроны ведут себя как жидкий кристалл[81].
1. Одностороннее пуленепробиваемое стекло
У самых богатых людей есть проблемы: судя по растущим продажам этого материала, им необходимо пуленепробиваемое стекло, которое спасло бы жизнь, но не мешало им отстреливаться.
Это стекло останавливает пули с одной стороны, но в то же время пропускает с другой — этот необычный эффект заключается в «сэндвиче» из хрупкого акрилового слоя и более мягкого эластичного поликарбоната: под давлением акрил проявляет себя как очень твёрдое вещество, и при попадании пули он гасит её энергию, трескаясь при этом. Это даёт возможность амортизирующему слою выдержать удар пули и осколков акрила, не разрушаясь при этом.
При выстреле с другой стороны упругий поликарбонат пропускает через себя пулю растягиваясь и разрушая ломкий акриловый слой, что не оставляет никакого дальнейшего барьера для пули, но не стоит отстреливаться слишком часто, поскольку из-за этого в защите образуются дыры.
2. Жидкое стекло
Было время, когда средства для мытья посуды не существовало — люди обходились содой, уксусом, серебряным песком, трением или проволочной щёткой, но новое средство поможет сэкономить немало времени и сил и вообще оставить мытьё посуды в прошлом. «Жидкое стекло» содержит диоксид кремния, образующий при взаимодействии с водой или этанолом материал, который затем высыхает, превращаясь в тонкий (более чем в 500 раз тоньше человеческого волоса) слой эластичного, сверхстойкого, не токсичного и влагоотталкивающего стекла.
С таким материалом отпадает необходимость в чистящих и дезинфицирующих средствах, так как он способен отлично предохранять поверхность от микробов: бактерии на поверхности посуды или раковины просто изолируются. Также изобретение найдёт применение в медицине, ведь стерилизовать инструменты теперь можно с помощью лишь горячей воды, без использования химических дезинфицирующих средств.
Это покрытие может использоваться для борьбы с грибковыми инфекциями на растениях и герметизации бутылок, его свойства действительно уникальны — оно отталкивает влагу, дезинфицирует, при этом оставаясь эластичным, прочным, пропускающим воздух, и совершенно незаметным, а также дешёвым.
3. Бесформенный металл
Это вещество позволяет игрокам в гольф сильнее бить по мячу, увеличивает поражающую способность пули и продлевает срок службы скальпелей и деталей двигателя.
Вопреки своему названию, материал сочетает прочность металла и твёрдость поверхности стекла: на видео видно, как отличается деформация стали и бесформенного металла при падении металлического шарика. Шарик оставляет на поверхности стали множество маленьких «ям» — это означает, что металл поглощает и рассеивает энергию удара. Бесформенный металл остался гладок, значит, он лучше возвращает энергию удара, о чём также говорит более продолжительный отскок.
Большинство металлов имеет упорядоченное кристаллическое молекулярное строение, и от удара или другого воздействия, кристаллическая решётка искажается, из-за чего на металле и остаются вмятины. В бесформенном металле атомы расположены хаотично, поэтому после воздействия атомы возвращаются на первоначальную позицию.
4. Старлит
Это пластик, выдерживающий невероятно высокую температуру: его тепловой порог настолько высок, что сначала изобретателю просто не поверили. Лишь после демонстрации возможностей материала в прямом эфире на телевидении, с создателем старлита связались сотрудники Британского Центра Атомного Вооружения.
Учёные облучили пластик вспышками высокой температуры, эквивалентными мощности 75-ти бомб, сброшенных на Хиросиму — образец лишь немного обуглился. Один из испытателей заметил: «Обычно между вспышками приходится ждать несколько часов, чтобы материал остыл. Сейчас мы облучали его каждые 10 минут, а он остался невредим, будто в насмешку».
Моррис Уард
В отличие от других термостойких материалов, старлит не становится токсичным при высокой температуре, также он невероятно лёгок. Его можно применять при строительстве космических аппаратов, самолётов, огнезащитных костюмов или в военной промышленности, но, к сожалению, старлит так и не покинул пределы лаборатории: его создатель Моррис Уард умер в 2011-м году, не запатентовав своё изобретение и не оставив никаких описаний. Всё, что известно о строении старлита — что в его состав входит 21 органический полимер, несколько сополимеров и небольшое количество керамики.
5. Аэрогель
Представьте себе пористое вещество такой низкой плотности, что 2,5 см³ его заключает в себе поверхности, сравнимые с размером футбольного поля. Но это не определённый материал, а, скорее, класс веществ: аэрогель — это форма, которую могут принимать некоторые материалы, а сверхмалая плотность делает его отличным теплоизолятором. Если сделать из него окно толщиной 2,5 см, оно будет иметь те же теплоизоляционные свойства, что и стеклянное окно толщиной 25 см.
Все самые лёгкие в мире материалы — аэрогели: например, кварцевый аэрогель (по сути, высушенный силикон) всего в три раза тяжелее воздуха и достаточно хрупок, зато может выдержать вес, в 1000 раз превышающий его собственный. Графеновый аэрогель (на иллюстрации выше) состоит из углерода, а его твёрдый компонент в семь раз легче воздуха: имея пористую структуру, это вещество отталкивает воду, но поглощает нефть — его предполагается использовать для борьбы с нефтяными пятнами на поверхности воды.
6. Диметилсульфоксид (DMSO)
Этот химический растворитель сначала появился, как побочный продукт выработки целлюлозы и никак не применялся до 60-х годов прошлого века, когда раскрыли его медицинский потенциал: доктор Джейкобс обнаружил, что DMSO может легко и безболезненно проникать в ткани тела — это позволяет быстро и без повреждения кожи вводить различные препараты.
Его собственные лечебные свойства снимают боль при растяжении связок или, например, воспалении суставов при артрите, также DMSO может использоваться для борьбы с грибковыми инфекциями.
К сожалению, когда его медицинские свойства были открыты, производство в промышленных масштабах уже давно было налажено, и его широкая доступность не позволяла фармацевтическим компаниям получать прибыль. Кроме того у DMSO есть неожиданный побочный эффект — запах изо рта использовавшего его человека, напоминающий чеснок, поэтому он используется в основном в ветеринарии.
7. Углеродные нано-трубки
Фактически это листы углерода толщиной в один атом, свёрнутые в цилиндры — их молекулярная структура напоминает рулон проволочной сетки, и это самый прочный материал, известный науке. В шесть раз легче, но в сотни раз крепче стали, нано-трубки обладают лучшей теплопроводностью, чем алмаз, и проводят электричество эффективнее меди.
Сами трубки не видны невооружённым взглядом, а в необработанном виде вещество напоминает сажу: чтобы проявились его необыкновенные свойства, надо заставить вращаться триллионы этих невидимых нитей, что стало возможным относительно недавно.
Материал может применяться в производстве кабеля для проекта «лифта в космос», достаточно давно разработанного, но до недавнего времени совершенно фантастичного из-за невозможности создать кабель длиной 100 тыс км, не согнувшийся бы под собственным весом.
Углеродные нано-трубки помогают и при лечении рака груди — их можно помещать в каждую клетку тысячами, а наличие фолиевой кислоты позволяет выявлять и «захватывать» раковые образования, затем нано-трубки облучают инфракрасным лазером, и клетки опухоли при этом погибают. Также материал может применяться в производстве лёгких и прочных бронежилетов…
8. Пайкерит
В 1942-м году перед англичанами стояла проблема недостатка стали для строительства авианосцев, необходимых для борьбы с немецкими подводными лодками. Джеффри Пайк предложил соорудить огромные плавучие аэродромы изо льда, однако она себя не оправдала: лёд хоть и недорог, но недолговечен. Всё изменилось с открытием нью-йоркскими учёными необыкновенных свойств смеси льда и древесных опилок, которая по прочности была подобна кирпичу, а также не трескается и не плавится. Зато материал можно было обрабатывать, как дерево или плавить, подобно металлу, в воде опилки разбухали, образуя оболочку и предотвращая таяние льда, за счёт чего любое судно можно было ремонтировать прямо во время плавания.
Джеффри Пайк
Но при всех положительных качествах, пайкерит был малопригоден для эффективного использования: для постройки и создания ледяного покрова судна весом до 1000 т достаточно было двигателя мощностью в одну лошадиную силу, но при температуре выше -26 °С (а для её поддержания необходима сложная система охлаждения) лёд имеет свойство проседать. Кроме того, целлюлоза, используемая также в производстве бумаги, была в дефиците, поэтому пайкерит так и остался неосуществимым проектом.
9. BacillaFilla — строительный микроб
У бетона есть свойство «уставать» со временем — он становится грязно-серым, и в нём образуются трещины. Если речь идёт о фундаменте здания, ремонт может быть достаточно трудоёмким и дорогим, при этом не факт, что он устранит «усталость»: многие здания сносят именно по причине невозможности восстановления фундамента.
Группа студентов Университета Ньюкасла разработала генно-модифицированные бактерии, способные проникать в глубокие трещины и вырабатывать смесь карбоната кальция и клея, укрепляя здание. Бактерии запрограммированы так, что они распространяются по поверхности бетона, пока не достигнут края очередной трещины, и тогда начинается производство цементирующего вещества, имеется даже механизм самоуничтожения бактерий, предотвращающий образование бесполезных «наростов».
Эта технология позволит уменьшить антропогенный выброс двуокиси углерода в атмосферу, ведь 5% его даёт именно производство бетона, а также с её помощью будет продлён срок службы зданий, восстановление которых традиционным способом обошлось бы в большую сумму.
10. Материал D3o
Устойчивость к механическому воздействию во все времена была одной из основных проблем материаловедения, пока не изобрели D3o — вещество, молекулы которого находятся в свободном движении при нормальных условиях и фиксируются при ударе. Строение D3o напоминает смесь кукурузного крахмала и воды, которой иногда наполняют бассейны. Специальные куртки из этого материала, удобные и обеспечивающие защиту при падении, ударе битой или кулаками, которые могут вам достаться, уже находятся в свободной продаже. Защитные элементы не заметны снаружи, что подходит для каскадёров и даже полиции.
Шрилк
Исследователи из Гарварда разработали новый материал, воспроизводящий исключительную прочность, жесткость и возможность разностороннего применения одного из наиболее интересных материалов природного происхождения – кутикулы насекомых.
Новый материал, получивший название «Шрилк» (Shrilk), как и его природный аналог, отличается невысокой стоимостью, биологической совместимостью и способностью к деградации в естественных природных условиях. Исследователи полагают, что в перспективе шрилк сможет заменить собой синтетические полимеры в товарах потребления, а также найдет использование в медицинских системах.
Аэрогель
Возможно, самый необычный материал. В книге рекордов Гиннеса ему заслуженно принадлежит 15 рекордов. Его иногда называют "застывший дым". Получают этот метериал путем экстрасильного высушивания жидкого геля, содержащего алюминий, хром или углерод. Свойства его фантастичны - плотность отдельных видов такого вещества равна или в полтора-два раза больше плотности воздуха. Кубометр его весит всего 2 кг. Теплопроводность аэрогеля настолько мала, что он часто используется для теплоизоляции в космонавтике. Температура плавления составляет более 1200 градусов - немаленькая величина. Такое вещество практически не пропускает звук, тепло и ударное воздействие. Бронежилет с использованием односантиметрового слоя такого "геля" дает возможность выжить при прямом воздействии от взрыва килограмма динамита.
Несмотря на название (АэроГЕЛЬ), данное вещество представляет собой твердый материал, по структуре напоминающий пену для бритья. Кроме всего этого, он прозрачен, иногда с голубоватым оттенком. Получается, в одном материале собраны несколько самых необычных свойств, комбинация которых делает его уникальным. Ниже привожу фото - камень весом 2.5 кг стоит на пластинке из аэрогеля весом 2 г.
Прозрачный алюминий
Прозрачный алюминий (перевод мой) - это разновидность оксида алюминия. Как он изготавливается? Путем спекания при определенной, очень высокой температуре, мельчайших частицалюминия. При определенных размерах частиц получается прозрачный, очень прочный и твердый материал. Кроме этого , в процессе спекания в массу могут добавляться различные редкоземельные добавки, улучшающие оптические свойства материала.
Прочность полученного материала в три раза больше, чем у самой прочной стали. В будущем его планируется применять для строительства небоскребов, летательных аппаратов и других требовательных к прочности механизмов, для которых при этом желательно пропускать свет. Несмотря на то, что термин "прозрачный алюминий" впервые появился в сериале StarTrek, такое вещество реально существует
Метаматериалы
Метаматериалы - это такие вещества, свойства которых определяются не составом, а формой или структурой. Что это значит? Например, есть металл железо, свойства которого мы более-менее знаем. А если взять это же железо, и сформировать на его поверхности определенные структуры - кольца, бугорки определенного размера, он начинает проявлять неожиданные способности. Размеры этих колец и бугорков должны быть сравнима с величиной атома, или, если свойства проявляются в оптическом диапазоне - с длиной волны.
Сейчас развитие таких свойств происходит в основном в направлении обработки света. Особым образом сформированные структуры на поверхности металла могут усиливать, ослаблять или фокусировать электромагнитные волны, в частности, световые. Еще одно перспективное направление - создание своеобразной "шапки-невидимки", способной искажать или полностью скрывать находящиеся за ней объекты. В 2006 году в некоторых лабораториях мира были проведены опыты по маскировке слитков металла различной формы, покрытых разнообразными структурами. Пока что это немного получается в электромагнитном диапазоне,а со световым есть проблема недостаточно точных иснтрументов. Так что будем ждать
Металическое стекло
Специалистами калифорнийского института технологий получен уникальный по своим свойствам материал - это самый прочный сплав на сегодняшний день - «металлическое стекло». Уникальность нового сплава в том, что металлическое стекло сделано из металла, но имеет внутреннюю структуру стекла. Сегодня ученые выясняют, что именно придает сплаву такие необычные свойства и каким образом их можно будет внедрить в сплавы из менее дорогостоящих материалов.
Аморфная структура стекла, в отличие от кристаллической структуры металла, не защищена от распространения трещин, чем и объясняется хрупкость стекла. Этим же недостатком обладают и металлические стекла, которые также достаточно легко разрушаются, образуя сдвиговые полосы, перерастающие в трещины.
Специалистами калифорнийского института было замечено, что появление большого числа сдвиговых полос дает высокое противодействие развитию трещин, благодаря чему достигается обратный эффект: материал изгибается, не разрушаясь. Именно такой материал, энергия выработки сдвиговых полос которого намного меньше энергии, требующейся для превращения их в трещины, они и создали. «Смешивая пять элементов, мы добивались того, что при охлаждении материал «не знает», какую структуру принять, и выбирает аморфную», — пояснил участник исследования Р. Ритчи.
Самый прочный сплав - металлическое стекло - состоит из благородного палладия, кремния, фосфора, германия с небольшим добавлением серебра (формула: Pd79Ag3,5P6Si9,5Ge2).
Новый сплав показал себя в тестах как сочетание взаимоисключающих свойств - силы и выносливости на уровне, ранее не замеченной в каком-либо другом материале. В результате, новое металлическое стекло сочетает твёрдость, свойственную стёклам, с сопротивлением развитию трещин, характерным для металлов. Причем, уровень жесткости и прочности находится в пределах досягаемости.
Для конструкционного металла проведенное исследование значительно отодвинуло грани переносимости нагрузок. Но, по прогнозам ученых, широкое применение самый прочный сплав, ввиду редкости и дороговизны основного его компонента – палладия, может и не найти. Тем не менее, разработчики сообщили о возможном использовании данного материала в медицинских имплантатах (например, для внутричелюстных протезов), а также в качестве деталей в автомобильной или аэрокосмической отрасли.
Графен
Графе́н (англ. graphene) — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомовуглерода толщиной в один атом, находящихся в sp²-гибридизации и соединённых посредством σ- и π-связей вгексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла. По оценкам, графен обладает большой механической жёсткостью и рекордно большой теплопроводностью (~1 ТПа[4] и ~5•103 Вт•м−1•К−1[5] соответственно). Высокая подвижностьносителей заряда (максимальная подвижность электронов среди всех известных материалов) делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники[6] и возможную замену кремния в интегральных микросхемах.
Основной из существующих в настоящее время способов получения графена в условиях научных лабораторий[7][8] основан на механическом отщеплении или отшелушивании слоёв графита от высокоориентированного пиролитического графита (HOPG). Он позволяет получать наиболее качественные образцы с высокой подвижностью носителей. Этот метод не предполагает использования масштабного производства, поскольку это ручная процедура. Другой известный способ — метод термического разложения подложки карбида кремния[9][10] — гораздо ближе к промышленному производству. Поскольку графен впервые[7] был получен только в 2004 году, он ещё недостаточно хорошо изучен и привлекает к себе повышенный интерес.
Из-за особенностей энергетического спектра носителей графен проявляет специфические[11], в отличие от других двумерных систем, электрофизические свойства.
За «передовые опыты с двумерным материалом — графеном» А. К. Гейму и К. С. Новосёлову была присужденаНобелевская премия по физике за 2010 год[12][13].
В 2013 году Михаил Кацнельсон награждён премией Спинозы[en] за разработку базовой концепции и понятий, которыми оперирует наука в области графена[14].
Было получено аналогичное соединение для кремния (силицен).
Благодаря графеновым контактным линзам мы вскоре сможем видеть в темноте, подобно героям современных сказок. По словам Чжаохуэя Чжуна, профессора из департамента электроники и компьютерных технологий университета Мичиган, контактные линзы в ближайшем будущем смогут регистрировать широкий спектр световых волн, от инфракрасного к видимому и вплоть до ультрафиолетового диапазона излучения.
Ранее предпринимались попытки использовать графен в контактных линзах в подобном качестве, но все они потерпели неудачу. Графен способен улавливать очень широкий диапазон световых волн, но поскольку толщина слоя составляет всего один атом, поглощается лишь 2 процента от потока излучения. Чувствительность подобного графенового сенсора получается в тысячи раз хуже имеющихся на рынке.
Чжун и его команда сумели решить эту задачу путем создания сэндвича из слоев: на подложке размещаются два сверхтонких слоя графена с изолирующим слоем между ними, на нижний слой подается напряжение. Когда свет попадает на верхний слой графена, происходит высвобождение электронов и они посредством квантового туннельного эффекта проходят через изолирующий слой.
Использование квантового туннельного эффекта применительно к новому типу транзисторов былоописано еще в 2011 году, подобный тип транзисторов вскоре будет востребован по мере дальнейшей миниатюризации электроники и росту требований по снижению энергопотребления.
«Дырки», появившиеся в результате высвобождения электронов, генерируют электрическое поле, которое воздействует на величину тока в нижнем слое, к которому подведено напряжение. Измеряя колебания тока в нижнем слое, можно узнать, сколько света было направлено на сенcор. В результате, сенсор имеет чувствительность сходную с дорогими охлаждаемыми инфракрасными сенсорами, но при комнатной температуре. Исследователи уже сумели создать прототип сенсора размером с ноготь, т.е. размера обычной контактной линзы. По словам исследователей, такая конструкция может использоваться как в составе контактных линз, так и в качестве элемента камеры смартфона.
• В статье, опубликованной 10 ноября 2005 года в журнале Nature[11], Константин Новосёлов и Андрей Геймутверждают, что электрические заряды в графене ведут себя как релятивистские частицы с нулевой эффективной массой. Эти частицы, известные как безмассовые фермионы Дирака, описываются уравнением Дирака, хотя в эффекте Шубникова-де Гааза (осцилляции магнетосопротивления) наблюдаемые осцилляции соответствуют конечной циклотронной массе.
• Так как закон дисперсии для носителей идентичен закону для безмассовых частиц, графен может выступать в качестве экспериментальной лаборатории для квантовой электродинамики[74].
• Квантовый эффект Холла в графене может наблюдаться даже при комнатной температуре[71] благодаря большой циклотронной энергии, при которой температурное размытие функции распределения Ферми-Дирака меньше этой энергии (это расстояние между первым и нулевым уровнями Ландау равно 1200 K при магнитном поле 9 Т)[75].
• При сворачивании графена в цилиндр (см. рис. 7) получается одностенная нанотрубка. В зависимости от конкретной схемы сворачивания графитовой плоскости, нанотрубки могут обладать или металлическими, или полупроводниковыми свойствами[76].
• В графене отсутствует вигнеровская кристаллизация[77].
• В графене нарушается приближение Борна-Оппенгеймера (адиабатическое приближение), гласящее, что в силу медленного движения ионных остовов решётки их можно включить в рассмотрение как возмущение, известное как фононы решётки, — основное приближение, на котором строится зонная теория твёрдых тел[78].
• За новаторские эксперименты с графеном Нобелевская премия 2010 года по физике присуждена Андрею Гейму и Константину Новосёлову[12].
• Термоэлектрический эффект для графена превосходит резистивный омический нагрев, что в перспективе позволит создание на его базе схем, не требующих охлаждения[79][80].
• В двойном слое графена электроны ведут себя как жидкий кристалл[81].
1. Одностороннее пуленепробиваемое стекло
У самых богатых людей есть проблемы: судя по растущим продажам этого материала, им необходимо пуленепробиваемое стекло, которое спасло бы жизнь, но не мешало им отстреливаться.
Это стекло останавливает пули с одной стороны, но в то же время пропускает с другой — этот необычный эффект заключается в «сэндвиче» из хрупкого акрилового слоя и более мягкого эластичного поликарбоната: под давлением акрил проявляет себя как очень твёрдое вещество, и при попадании пули он гасит её энергию, трескаясь при этом. Это даёт возможность амортизирующему слою выдержать удар пули и осколков акрила, не разрушаясь при этом.
При выстреле с другой стороны упругий поликарбонат пропускает через себя пулю растягиваясь и разрушая ломкий акриловый слой, что не оставляет никакого дальнейшего барьера для пули, но не стоит отстреливаться слишком часто, поскольку из-за этого в защите образуются дыры.
2. Жидкое стекло
Было время, когда средства для мытья посуды не существовало — люди обходились содой, уксусом, серебряным песком, трением или проволочной щёткой, но новое средство поможет сэкономить немало времени и сил и вообще оставить мытьё посуды в прошлом. «Жидкое стекло» содержит диоксид кремния, образующий при взаимодействии с водой или этанолом материал, который затем высыхает, превращаясь в тонкий (более чем в 500 раз тоньше человеческого волоса) слой эластичного, сверхстойкого, не токсичного и влагоотталкивающего стекла.
С таким материалом отпадает необходимость в чистящих и дезинфицирующих средствах, так как он способен отлично предохранять поверхность от микробов: бактерии на поверхности посуды или раковины просто изолируются. Также изобретение найдёт применение в медицине, ведь стерилизовать инструменты теперь можно с помощью лишь горячей воды, без использования химических дезинфицирующих средств.
Это покрытие может использоваться для борьбы с грибковыми инфекциями на растениях и герметизации бутылок, его свойства действительно уникальны — оно отталкивает влагу, дезинфицирует, при этом оставаясь эластичным, прочным, пропускающим воздух, и совершенно незаметным, а также дешёвым.
3. Бесформенный металл
Это вещество позволяет игрокам в гольф сильнее бить по мячу, увеличивает поражающую способность пули и продлевает срок службы скальпелей и деталей двигателя.
Вопреки своему названию, материал сочетает прочность металла и твёрдость поверхности стекла: на видео видно, как отличается деформация стали и бесформенного металла при падении металлического шарика. Шарик оставляет на поверхности стали множество маленьких «ям» — это означает, что металл поглощает и рассеивает энергию удара. Бесформенный металл остался гладок, значит, он лучше возвращает энергию удара, о чём также говорит более продолжительный отскок.
Большинство металлов имеет упорядоченное кристаллическое молекулярное строение, и от удара или другого воздействия, кристаллическая решётка искажается, из-за чего на металле и остаются вмятины. В бесформенном металле атомы расположены хаотично, поэтому после воздействия атомы возвращаются на первоначальную позицию.
4. Старлит
Это пластик, выдерживающий невероятно высокую температуру: его тепловой порог настолько высок, что сначала изобретателю просто не поверили. Лишь после демонстрации возможностей материала в прямом эфире на телевидении, с создателем старлита связались сотрудники Британского Центра Атомного Вооружения.
Учёные облучили пластик вспышками высокой температуры, эквивалентными мощности 75-ти бомб, сброшенных на Хиросиму — образец лишь немного обуглился. Один из испытателей заметил: «Обычно между вспышками приходится ждать несколько часов, чтобы материал остыл. Сейчас мы облучали его каждые 10 минут, а он остался невредим, будто в насмешку».
Моррис Уард
В отличие от других термостойких материалов, старлит не становится токсичным при высокой температуре, также он невероятно лёгок. Его можно применять при строительстве космических аппаратов, самолётов, огнезащитных костюмов или в военной промышленности, но, к сожалению, старлит так и не покинул пределы лаборатории: его создатель Моррис Уард умер в 2011-м году, не запатентовав своё изобретение и не оставив никаких описаний. Всё, что известно о строении старлита — что в его состав входит 21 органический полимер, несколько сополимеров и небольшое количество керамики.
5. Аэрогель
Представьте себе пористое вещество такой низкой плотности, что 2,5 см³ его заключает в себе поверхности, сравнимые с размером футбольного поля. Но это не определённый материал, а, скорее, класс веществ: аэрогель — это форма, которую могут принимать некоторые материалы, а сверхмалая плотность делает его отличным теплоизолятором. Если сделать из него окно толщиной 2,5 см, оно будет иметь те же теплоизоляционные свойства, что и стеклянное окно толщиной 25 см.
Все самые лёгкие в мире материалы — аэрогели: например, кварцевый аэрогель (по сути, высушенный силикон) всего в три раза тяжелее воздуха и достаточно хрупок, зато может выдержать вес, в 1000 раз превышающий его собственный. Графеновый аэрогель (на иллюстрации выше) состоит из углерода, а его твёрдый компонент в семь раз легче воздуха: имея пористую структуру, это вещество отталкивает воду, но поглощает нефть — его предполагается использовать для борьбы с нефтяными пятнами на поверхности воды.
6. Диметилсульфоксид (DMSO)
Этот химический растворитель сначала появился, как побочный продукт выработки целлюлозы и никак не применялся до 60-х годов прошлого века, когда раскрыли его медицинский потенциал: доктор Джейкобс обнаружил, что DMSO может легко и безболезненно проникать в ткани тела — это позволяет быстро и без повреждения кожи вводить различные препараты.
Его собственные лечебные свойства снимают боль при растяжении связок или, например, воспалении суставов при артрите, также DMSO может использоваться для борьбы с грибковыми инфекциями.
К сожалению, когда его медицинские свойства были открыты, производство в промышленных масштабах уже давно было налажено, и его широкая доступность не позволяла фармацевтическим компаниям получать прибыль. Кроме того у DMSO есть неожиданный побочный эффект — запах изо рта использовавшего его человека, напоминающий чеснок, поэтому он используется в основном в ветеринарии.
7. Углеродные нано-трубки
Фактически это листы углерода толщиной в один атом, свёрнутые в цилиндры — их молекулярная структура напоминает рулон проволочной сетки, и это самый прочный материал, известный науке. В шесть раз легче, но в сотни раз крепче стали, нано-трубки обладают лучшей теплопроводностью, чем алмаз, и проводят электричество эффективнее меди.
Сами трубки не видны невооружённым взглядом, а в необработанном виде вещество напоминает сажу: чтобы проявились его необыкновенные свойства, надо заставить вращаться триллионы этих невидимых нитей, что стало возможным относительно недавно.
Материал может применяться в производстве кабеля для проекта «лифта в космос», достаточно давно разработанного, но до недавнего времени совершенно фантастичного из-за невозможности создать кабель длиной 100 тыс км, не согнувшийся бы под собственным весом.
Углеродные нано-трубки помогают и при лечении рака груди — их можно помещать в каждую клетку тысячами, а наличие фолиевой кислоты позволяет выявлять и «захватывать» раковые образования, затем нано-трубки облучают инфракрасным лазером, и клетки опухоли при этом погибают. Также материал может применяться в производстве лёгких и прочных бронежилетов…
8. Пайкерит
В 1942-м году перед англичанами стояла проблема недостатка стали для строительства авианосцев, необходимых для борьбы с немецкими подводными лодками. Джеффри Пайк предложил соорудить огромные плавучие аэродромы изо льда, однако она себя не оправдала: лёд хоть и недорог, но недолговечен. Всё изменилось с открытием нью-йоркскими учёными необыкновенных свойств смеси льда и древесных опилок, которая по прочности была подобна кирпичу, а также не трескается и не плавится. Зато материал можно было обрабатывать, как дерево или плавить, подобно металлу, в воде опилки разбухали, образуя оболочку и предотвращая таяние льда, за счёт чего любое судно можно было ремонтировать прямо во время плавания.
Джеффри Пайк
Но при всех положительных качествах, пайкерит был малопригоден для эффективного использования: для постройки и создания ледяного покрова судна весом до 1000 т достаточно было двигателя мощностью в одну лошадиную силу, но при температуре выше -26 °С (а для её поддержания необходима сложная система охлаждения) лёд имеет свойство проседать. Кроме того, целлюлоза, используемая также в производстве бумаги, была в дефиците, поэтому пайкерит так и остался неосуществимым проектом.
9. BacillaFilla — строительный микроб
У бетона есть свойство «уставать» со временем — он становится грязно-серым, и в нём образуются трещины. Если речь идёт о фундаменте здания, ремонт может быть достаточно трудоёмким и дорогим, при этом не факт, что он устранит «усталость»: многие здания сносят именно по причине невозможности восстановления фундамента.
Группа студентов Университета Ньюкасла разработала генно-модифицированные бактерии, способные проникать в глубокие трещины и вырабатывать смесь карбоната кальция и клея, укрепляя здание. Бактерии запрограммированы так, что они распространяются по поверхности бетона, пока не достигнут края очередной трещины, и тогда начинается производство цементирующего вещества, имеется даже механизм самоуничтожения бактерий, предотвращающий образование бесполезных «наростов».
Эта технология позволит уменьшить антропогенный выброс двуокиси углерода в атмосферу, ведь 5% его даёт именно производство бетона, а также с её помощью будет продлён срок службы зданий, восстановление которых традиционным способом обошлось бы в большую сумму.
10. Материал D3o
Устойчивость к механическому воздействию во все времена была одной из основных проблем материаловедения, пока не изобрели D3o — вещество, молекулы которого находятся в свободном движении при нормальных условиях и фиксируются при ударе. Строение D3o напоминает смесь кукурузного крахмала и воды, которой иногда наполняют бассейны. Специальные куртки из этого материала, удобные и обеспечивающие защиту при падении, ударе битой или кулаками, которые могут вам достаться, уже находятся в свободной продаже. Защитные элементы не заметны снаружи, что подходит для каскадёров и даже полиции.
Шрилк
Исследователи из Гарварда разработали новый материал, воспроизводящий исключительную прочность, жесткость и возможность разностороннего применения одного из наиболее интересных материалов природного происхождения – кутикулы насекомых.
Новый материал, получивший название «Шрилк» (Shrilk), как и его природный аналог, отличается невысокой стоимостью, биологической совместимостью и способностью к деградации в естественных природных условиях. Исследователи полагают, что в перспективе шрилк сможет заменить собой синтетические полимеры в товарах потребления, а также найдет использование в медицинских системах.