10 материалов, которые помен€ют мир. ѕуть в будущее устлан нанотрубками и аэрогелем

10 материалов, которые помен€ют мир. ѕуть в будущее устлан нанотрубками и аэрогелем

„тобы совершить революцию, мало знать ответ на вопрос «как?», есть еще и вопрос «из чего?».   технологическим революци€м это относитс€ в первую очередь. Ѕез по€влени€ принципиально новых материалов не было бы ни компьютеров, ни мобильной св€зи, ни солнечных батарей. ћы выбрали дес€ть материалов, которые должны обеспечить радикальные перемены в ближайшие дес€тилети€.

1. ”глеродные нанотрубки: разорвать невозможно

„то это? “рубка, собранна€ из атомов углерода. ћожет быть полой (тогда ее стенки имеют толщину в один атом), может — многослойной. ƒлина трубки теоретически ничем не ограничена, хот€ на практике вырастить их длиннее 20 сантиметров пока никому не удалось. Ќо и это очень много по сравнению с масштабом атома (10–10 м).

„то из них можно делать? ≈сли верить футурологам, нанотрубки — это наше все.   примеру, они очень-очень-очень прочные. ¬с€ трубка, по сути, €вл€етс€ одной молекулой, и разорвать ее крайне сложно. –асчеты показывают, что нить из многослойных нанотрубок толщиной в миллиметр могла бы удержать груз до 15 тонн. ќбещают, что когда-нибудь они позвол€т построить лифт в космос (этот образ уже увековечен в «—мешариках»), а уж про банальные тросы дл€ земных нужд и говорить нечего.

ѕрочность — это еще не все. Ќапример, теплопроводность нанотрубок вдоль оси почти в дес€ть раз выше, чем у меди. Ќо при этом в поперечном направлении они задерживают тепло примерно так же, как кирпич или бетон. ≈ще из этих трубок можно делать отличные аккумул€торы, фильтры дл€ воды, иглы дл€ внутриклеточных инъекций, емкости дл€ хранени€ водорода и так далее. ≈сли бы будущее имело герб, его стоило бы украсить венками из нанотрубок.

ј что сейчас? ѕока нанотрубки проще найти в лаборатори€х, чем в коммерческих продуктах. ќднако уже по€вились композитные материалы с их использованием, и, по за€влени€м производителей, они прочнее обычных на несколько дес€тков процентов. »з таких материалов производ€т детали дл€ спортивных велосипедов и корпуса €хт.

2. √рафен: нобелевский углерод

„то это? —амое главное, что мы знаем о графене: за его открытие дали Ќобелевскую премию, дали ее русским ученым √ейму и Ќовоселову, эти русские ученые живут в ¬еликобритании и не хот€т переезжать в наше —колково.

ѕо сути, графен — это плоский лист из атомов углерода, первый из открытых двумерных кристаллов, возможность существовани€ которых долгое врем€ вызывала сомнени€. “акие кристаллы не могут вырасти из расплава: их скрутит и разорвет тепловыми колебани€ми. Ќо зато плоский лист графена вполне реально оторвать от графита. ѕричем обыкновенным скотчем, как это сделали нобелевские лауреаты, развлекавшиес€ в лаборатории п€тничным вечером.

„то можно делать? — графеном св€зывают еще большие надежды, чем с нанотрубками. ¬еликолепные электрические свойства делают его альтернативой кремниевым полупроводникам. ќн исключительно прочен на разрыв: теоретически графенова€ лента в двести раз прочней стали, так что конструкторам космического лифта будет из чего выбирать.  роме того, графен обладает прекрасной теплопроводностью и практически прозрачен. ¬се это открывает путь к созданию гаджетов будущего — например, контактных линз, на которые можно передавать изображение.

≈сть и совсем неожиданные разработки. ¬ авторитетнейшем журнале Science был описан такой эксперимент: по одну сторону от графеновой мембраны помещали водку, а далее мембрана пропускала через себ€ только воду, оставл€€ с другой стороны крепчающий с каждым часом спирт.

ј что сейчас? ќбещают, что вот-вот на рынке по€в€тс€ издели€ на основе графена. Ќо пока этот материал используетс€ главным образом в лаборатори€х.

3. јэрогель: облегченна€ матери€

„то это? ћолекул€рна€ губка из диоксида кремни€, углерода или иного вещества, очень-очень пориста€ — микроскопические пустоты могут составл€ть до 99% ее объема. ѕлотность аэрогел€ — всего несколько килограммов на кубометр, то есть он лишь в 1,5–2 раза т€желее воздуха и в 300–500 раз легче воды. Ќесмотр€ на свою воздушность, аэрогель весьма прочен: небольшой, со спичечный коробок, кусочек выдерживает на себе кирпич.

„то можно делать? Ёто едва ли не лучший материал дл€ теплоизол€ции в мире: легкий, достаточно прочный, не поддающийс€ коррозии и гниению, не гор€щий в огне и, само собой, не тонущий в воде.

јэрогель может радикально сократить потери тепла здани€ми или, напротив, снизить расходы на кондиционирование воздуха и работу морозильных установок. Ћегка€ и тепла€ одежда, прозрачные плитки дл€ утеплени€ окон — лишь самые очевидные способы применени€ подобных материалов.

Ќа основе углеродного аэрогел€ можно создавать суперконденсаторы, сочетающие высокую емкость с возможностью выдавать сильный ток при разр€дке. ј еще аэрогель собираютс€ использовать дл€ адресной доставки лекарств к клеткам и как материал дл€ фильтров.

ј что сейчас? јэрогель стоит безумно дорого и потому пока примен€етс€ в основном дл€ космических нужд. –ечь идет не только о теплоизол€ции марсоходов или скафандров — этот материал использовалс€ как ловушка дл€ рассе€нных в космическом пространстве пылинок: панели из аэрогел€ были установлены на американском аппарате Stardust.

¬прочем, если плитки из аэрогел€ не должны быть аккуратными, его стоимость резко падает. —егодн€ уже делают куртки с его использованием, причем по вполне доступным ценам (пор€дка 300 долларов).

4. —плавы с эффектом пам€ти: вернуть былую форму

„то это? Ќекоторые металлы демонстрируют странное свойство: их можно изогнуть, и они сохран€т эту форму, как и полагаетс€ пластичному веществу, но только если их не нагревать. —тоит это сделать, как деталь сама восстанавливает первоначальную конфигурацию. Ёффект пам€ти был обнаружен еще до ¬торой мировой войны, с тех пор его научились много где примен€ть.

„то можно делать? ѕрактически любые предметы, которые должны мен€ть свою форму без вмешательства человека: от втулок до бюстгалтеров, от протезов до автомобилей.

ј что сейчас? Ёти материалы используютс€ во множестве разных изделий, включа€ самые оригинальные: еще в 1990-х годах был построен первый робот, ноги которого передвигаютс€ именно благодар€ эффекту пам€ти. —егодн€ речь идет о том, чтобы сделать эту технологию еще лучше и дешевле.

5. ¬ысокотемпературные сверхпроводники: не тер€ть электричество

„то это? ѕри температурах близких к абсолютному нулю некоторые металлы станов€тс€ сверхпроводниками, то есть электричество проходит через них безо вс€кого сопротивлени€. ¬ последние дес€тилети€ ученым удалось создать материалы, которые станов€тс€ сверхпроводниками при высоких температурах. «¬ысокие» — пон€тие относительное и означает в данном случае «выше температуры жидкого азота –186º—». Ќо и это уже прогресс.

„то можно делать? «…–азработки с применением эффекта сверхпроводимости, особо актуального дл€ наших прот€женных территорий. ћы продолжаем тер€ть гигантские объемы энергии при передаче ее по территории страны, гигантские объемы» — так сказал ƒмитрий ћедведев, обраща€сь к ‘едеральному —обранию в 2009 году. Ѕолее прагматичные ученые тут же начали писать за€вки на дополнительное финансирование, менее прагматичные — просто ерничать, представл€€, как линии электропередачи заливаютс€ жидким азотом дл€ достижени€ эффекта сверхпроводимости.

Ќо чисто теоретически такое вполне осуществимо (только должно пройти немало президентских сроков). ћожно представить себе сверхпровод€щие ЋЁѕ, которые доставл€ют потребителю электроэнергию без потерь на обогрев атмосферы. ѕри этом вместо нагромождени€ проводов можно использовать тонюсенькую сверхпровод€щую проволоку, погруженную в охлаждающее вещество. ƒл€ этого хватит небольшой трубы и не нужна будет полоса отчуждени€ в сотню метров шириной.

Ёто далеко не единственна€ и, возможно, даже не главна€ область применени€ сверхпроводников. ќни позвол€ют строить мощные электромагниты, которые нужны в томографах и дл€ манипул€ций с плазмой в термо€дерных реакторах. ≈сли сверхпроводники окажутс€ еще и не слишком дорогими, их можно будет использовать в экспрессах на магнитной подвеске.

ј что сейчас? –екорд пока составл€ет –163º—, исследовани€ продвигаютс€ медленно, полноценной теории нет до сих пор. Ёто одна из особенностей физики: наука знает, что происходило через секунду после Ѕольшого взрыва, но при этом не способна предсказать все свойства обычного материала. Ѕолее того, никто не знает и того, возможны ли в принципе сверхпроводники, работающие при комнатной температуре.

6. —текло с добавками: лазер дл€ всех

„то это? ƒобавление редкоземельных элементов (например, европи€) позвол€ет превратить обычное стекло в активную среду лазера — материал, в котором свет не затухает, а, напротив, усиливаетс€.

„то можно делать? ћощные и доступные лазеры, которые можно будет использовать где угодно: хоть при передаче информации, хоть при сварке металла, хоть дл€ термо€дерной реакции. —ейчас ученые подбирают все новые добавки, усиливающие нужный эффект.

ј что сейчас? —текла с добавками используют при передаче сигналов по оптоволокну.  аждый бит текста с новостного сайта, каждое перемещение геро€ в онлайн-игре и кажда€ нота в музыкальном клипе на ютубе — все это преодолело сотни и тыс€чи километров стекл€нных волокон благодар€ атомам редкоземельных элементов.

 стати, в 2010 году одним из лауреатов √осударственной премии –‘ стал ¬алентин √апонцев — физик и самый богатый завкафедрой в –оссии. ¬ начале 1990-х годов √апонцев разработал и довел до производства лазеры, главный элемент которых представл€ет оптоволокно с особыми добавками.

7. ƒЌ -листы: коробочка с белковым замком

„то это? ƒЌ  известна прежде всего как носитель наследственной информации. Ќо нити ƒЌ  можно слепл€ть друг с другом в плоский лист. » тогда получитс€ новый материал с уникальными свойствами.

„то можно делать? Ќапример, из ƒЌ  можно собрать микроскопическую коробочку дл€ доставки лекарств в нужный орган или дл€ охоты за вирусами и раковыми клетками. ” этой коробочки будет крышка с замком из молекулы белка, который отпираетс€, получив нужный химический сигнал.

ј что сейчас? ”же сформировалось целое направление на стыке материаловедени€, нанотехнологий и биологии — ƒЌ -оригами. —амый свежий пример — разработка ћассачусетского технологического института, сотрудники которого собрали «коробку», в которую положили другую знаменитую молекулу, –Ќ . ¬ такой упаковке она может быть перенесена кровотоком в нужное место без риска быть разрушенной по дороге.

8. ћетаматериалы: скроить шапку-невидимку

„то это? ≈сть материалы, дл€ которых не очень важно, из чего они сделаны. »х свойства определ€ет не химический состав, а структура. ћетаматериалы — это двух- или трехмерные решетки сложной формы. ќни могут обладать отрицательным коэффициентом преломлени€, этот эффект предсказал еще в 60-х годах советский физик ¬иктор ¬еселаго.

„то можно делать? »менно из метаматериалов уже не первый год предлагают делать шапки-невидимки, скрывающие от глаз любой объект: световые волны, подчин€€сь внутренней структуре метаматериала, будут огибать его со всех сторон. Ѕританский физик сэр ƒжон ѕендри обещал, что вот-вот по€витс€ материал, способный сделать невидимым целый танк.

ј что сейчас? ѕрогнозы сбываютс€ чуть медленнее, чем хотелось бы. ѕолноценна€ шапка-невидимка пока не сшита, достигнута лишь невидимость в микроволновом диапазоне излучени€. Ќо борьба за невидимость дает свои результаты, иногда самые неожиданные. Ќапример, по аналогии с системой отрицательного преломлени€ света создаетс€ комплекс защиты от сейсмических волн. “олько вместо отдельных атомов — вкопанные в землю резиновые блоки.

9. √идрофобные поверхности: украсть идею у лотоса

„то это? «аседание президиума –оссийской академии наук. —ерьезные академики, официальна€ обстановка… » тут трогательное название доклада: «Ёффект лотоса». –ечь шла о материалах, способных отталкивать воду. «Ётот эффект про€вл€етс€ в том, что при контакте с таким материалом капл€ воды принимает форму, близкую к шарообразной, и при небольшом наклоне материала по отношению к горизонту капл€ с поверхности скатываетс€, захватыва€ при движении все загр€знени€ поверхности… Ћист лотоса €вл€етс€ лишь наиболее изученным и широко упоминаемым объектом. ’от€ эффект лотоса в природе наблюдалс€ давно, систематическое исследование этого €влени€ учеными началось не более дес€ти лет назад, а получать самые разные материалы, обладающие супергидрофобностью, стало возможным лишь в св€зи с получением наноматериалов и развитием нано- и микротехнологий», — говорилось в докладе члена-корреспондента –јЌ Ћюдмилы Ѕойнович.

„то можно делать? ќчки, бинокли, ветровые стекла, лабораторную посуду, корпуса мобильных телефонов или даже одежду — хорошо иметь ткань, котора€ и не мокнет, и не пачкаетс€. Ѕолее того, на гидрофобных ступеньках не накапливаетс€ влага и, следовательно, не образуетс€ наледь. ƒворникам и врачам-травматологам зимой работы может поубавитьс€.

 стати, российские ученые в деле спасени€ линий электропередачи больше надеютс€ именно на эффект лотоса, а не на сверхпроводимость: «ќчень важное направление применени€ супергидрофобности в электроэнергетике — борьба с налипанием снега и льда на электрические провода. ’орошо известно из средств массовой информации, что каждые три-четыре года на значительной территории –оссии обледенение проводов вызывает их обрыв, и света и тепла иногда на многие часы лишаютс€ дес€тки тыс€ч человек».

ј что сейчас? ¬ марте 2012 года компани€ General Electric объ€вила о том, что создала прототип покрыти€, текстура которого на микроуровне повтор€ет фактуру лепестков лотоса. “акие материалы предназначены дл€ авиации, где борьба с наледью более чем актуальна. ќ сроках выхода на рынок, впрочем, не сообщаетс€: сначала надо решить р€д проблем, св€занных с долговечностью материала.

10. —аморазлагающиес€ материалы: как сделать жизнь короткой

„то это? ћатериалы, которые под действием солнечного света или микроорганизмов быстро разлагаютс€ на безвредные компоненты.

„то можно делать? ¬се, что не требует долговечности: пакеты, упаковочную пленку, рекламные плакаты, мешки дл€ мусора, бутылки, то есть все, что годами лежит на наших газонах и плавает в водоемах.

≈сть все основани€ полагать, что лет через дес€ть обычные пакеты в супермаркетах продавать перестанут, на кассе покупателю предложат только пакет, который через несколько недель расползетс€ на мелкие клочь€.

ј что сейчас? Ѕиодеградируемый пластик уже вышел на рынок. ¬опрос только в том, как добитьс€ сочетани€ низкой стоимости, чистоты производства и удобства дл€ потребител€.

јвтор: јлексей “имошенко

nanonewsnet.ru

  • ƒата публикации: 16.07.2012
  • 1126
ќќќ Ђƒ≈Ћќ¬џ≈ —»—“≈ћџ —¬я«»ї
ќтраслевой информационно-аналитический портал, посв€щЄнный энергетике Ѕеларуси. јктуальные новости и событи€. ѕодробна€ информаци€ о компани€х, товары и услуги.
220013
–еспублика Ѕеларусь
ћинск
ул. ул. Ѕ. ’мельницкого, 7, офис 310
+375 (17) 336 15 55 , +375 (25) 694 54 56 , +375 (29) 302 40 02 , +375 (33) 387 08 05
+375 (17) 336 15 56
info@energobelarus.by
ЁнергоЅеларусь

ЁнергоЅеларусь

ЁнергоЅеларусь

ЁнергоЅеларусь

191611654
5
5
1
150
150