Металлическая пена и аэрогель вытесняют сталь и пластик

Как сообщает портал Сегодня, сталь и пластик скоро уступят место новым революционным материалам — водотталкивающим, теплонепроницаемым и фантастически прочным.

Материальная революция. С помощью химии и нанотехнологий ученые скоро отправят "на пенсию" металл, пластик и дерево

Одежда, которая не пачкается и потому не нуждается в регулярной стирке, сковородка, поверхность, которой действительно никогда не пригорает, баки для ракетного топлива, к которым не пристают его агрессивные компоненты, — все это скоро станет возможным благодаря открытию американских ученых, которое стало одной из самых громких научных сенсаций уходящего года.

Группа химиков под руководством Гаррета МакКинли из Массачусетского технологического института разработала сверхтонкую сеть из полимерных волокон, переплетенных особым образом. Эту сеть можно нанести на любую поверхность и сделать ее несмачиваемой для любых жидкостей.

На пресс-конференции, посвященной открытию, ученые покрыли химическим составом составом гусиное перо и продемонстрировали, как после этого оно стало отталкивать пентан — легчайший жидкий углеводород. Выбор столь экзотической жидкости был не случайным — отталкивать воду могут многие из известных материалов. Например, сами по себе гусиные перья, породившие пословицу «как с гуся вода». В то же время простые органические вещества, входящие в состав, например, бензина или керосина, способны эффективно смачивать практически любые поверхности, даже легендарный тефлон.

В ходе экспериментов было установлено, что в способности поверхности контактировать с водой определенную роль играет и ее геометрия, связанная с действием капиллярных сил, поясняет МакКинли. Поэтому суть новой технологии заключается в том, что с помощью микроскопической полимерной сетки поверхности придается определенная текстура — узор из вымок и бугорков. Правильно подобрав углы, под которыми вода перемещается между этими «шероховатостями» поверхности, ученые добились того, что в текстуре всегда сохраняются небольшие островки воздуха под слоем жидкости. Иными словами, создаются условия, при которых капиллярные силы не позволяют жидкости полностью смочить поверхность.

Методика была отработана на кремниевых пластинах, применяемых в микроэлектронике. Затем ученые приступили к созданию покрытия, которое можно было бы нанести на любую поверхность. В качестве ее основного элемента выступают нити полиметилметакрилата и многогранные молекулы фторированных органических соединений, желаемая структуру которых создается методом электростатического скручивания.

По словам руководителя исследования Гаррета МакКинли, изобретение может использоваться для того, чтобы уберечь стенки топливных баков реактивных двигателей от вредного воздействия агрессивных компонентов топлива. Это существенно продлит срок службы топливных баков и сократит расходы на эксплуатацию самолетов. Однако более заметное применение разработка получит в другой области — намного ближе к простому потребителю. По словам разработчиков, одежду, покрытую полимерной сетью, будет очень тяжело испачкать и совсем легко отстирать.

По мнению экспертов, изобретение американских ученых занимает достойное место в перечне уникальных материалов, которые в скором времени прочно войдут в обиход, наравне с другими революционными разработками последних лет — углеродными нанотрубками, аэрогелями, металлической пеной и «умными» тканями.

АЭРОГЕЛЬ: ПРОЗРАЧНАЯ ТВЕРДОСТЬ

Сверхпрочность. 2,5 г аэрогеля выдерживают кирпич весом 2,5 кг

Еще один материал будущего, который можно пощупать уже сегодня — аэрогель. Это вещество на основе геля, в котором жидкие компоненты полностью замещаются газом. В результате при рекордно низкой плотности, аэрогели обладают уникальным сочетанием свойств — высокой прочностью, жароустойчивостью и прозрачностью. Ученые часто называют этот уникальный материал «застывшим сигаретным дымом» - примерно такое впечатление он производит, когда сквозь него проходит свет.

Честь изобретения материала, который изменит будущее человечества, принадлежит американскому химику Стивену Кистлеру и колледжа в Стоктоне, Калифорния. В далеком 1931 году он впервые попробовал заменить жидкость в геле на газ метанол, а затем разогреть гель до критической температуры газа — 240 градусов Цельсия. В результате метанол выходил из геля, не уменьшаясь в объеме, а сам гель «высыхал», не практически сжимаясь.

Аэрогель сегодняшнего образца — это пористый материал, в котором полости занимают около 90-99%. Структура аэрогеля представляет собой древовидную сеть из наночастиц размером не более 5 нм. Наиболее распространенными сегодня являются разработки на основе аморфного диоксида кремния, а также оксидов хрома и олова. В 1990-х ученым удалось получить первые образцы на основе углерода.

Наиболее совершенными являются кварцевые аэрогели, которые в 500 раз уступают по плотности воде и в 1,5 раза — воздуху. Аэрогель способен выдержать нагрузку в 2000 раз больше собственного веса. В ходе некоторых экспериментов кусок аэрогеля массой всего 2,5 грамма выдерживал вес кирпича массой 2,5 кг.

Кварцевые аэрогели пропускают солнечный свет, но задерживают тепло. В США их уже начали применять в строительстве в качестве теплоизолирующих материалов.

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ: ПРОЧНЕЕ НЕКУДА

Углеродные нанотрубки - самый прочный в мире материал

В 1996 году американские ученые Роберт Керл, Харолд Кротто и Ричард Смелли получили Нобелевскую премию по химии за открытие фуллеренов — молекулярных соединений, представляющих собой многогранники из атомов углерода, которые могут служить основой для создания самого прочного в мире материала. Речь идет о легендарных углеродных нанотрубках — давней мечте фантастов и футурологов.

Углеродные нанотрубки — цилиндрические структуры из свернутых графеновых плоскостей, которые обладают уникальными характеристиками. Это самый жесткий и прочный материала мире с высокими электронными характеристиками.

Своей прочностью он обязан ковалентным связям между отдельными атомами углерода. В 2000 году в ходе экспериментов было установлено, что прочность углеродной нанотрубки на растяжение составила 63 гигапаскаля. Это в десятки тысяч раз больше, чем у лучших сортов высокоуглеродистой стали.

Углеродные нанотрубки могут применяться практически везде, где сегодня вообще применяются металлы. Это может быть и одежда, и спортивная экипировка, бронежилеты, космическое оборудование, компоненты электронных схем. По оценкам экспертов уже к 2015 году объем рынка в этой отрасли составит $2,5 млрд.

Некоторые ученые предупреждают, что нанотрубки могут представлять угрозу для здоровья, в частности, опыты с лабораторными мышами показали, что углеродные нанотрубки могут производить на организм эффект, аналогичный тому, какой производит асбест. Последствием этого воздействия могут стать раковые заболевания.

ЭЛЕКТРОННАЯ ТКАНЬ: ПОКРОЙ СЕБЯ КОМПЬЮТЕРАМИ

Одежда. Изображение на футболке зависит от настроения человека

Зачем носить с собой электронные гаджеты, которые можно потерять или разбить, если можно попросту носить компьютеры на себе? Разработки в области создания электронной ткани уже сегодня выглядят столь многообещающе, что по мнение многих аналитиков, уже к 2020 году такая одежда станет повседневной.

Ее отличительной чертой станет возможность беспрерывного воспроизведения статического изображения или видео. Одна и та же футболка сможет в зависимости от настроения человека показывать изображение звездного неба или тропический пейзаж. Правда, можно предположить, что абсолютная свобода выбора изображений на одежде может привести к общественному возмущению, поэтому ассортимент изображений придется регулировать законодательно. Примерно, как содержание телеэфира в наши дни.

Первые образцы такой ткани были созданы еще несколько лет назад. В 2006 году продажи «умных» спортивных костюмов начала компания Spyder. Поумнели они благодаря со вставкам из электронной ткани ElekTex от британской компании Eleksen. Ткань сделана из нескольких слоев, включая электропроводящий и защитный, и может реагировать на прикосновения к своей поверхности. При этом, она не только регистрирует точку прикосновения, но и силу давления и направление нажатия. Благодаря этому, можно управлять работой плеера iPod, не вынимая его из кармана, с помощью нанесенных на рукаве костюма обозначений кнопок. Обладая этими уникальными характеристиками, ткань все же остается тканью — ее можно сворачивать, мять и даже стирать.

Когда электронная ткань получит достаточное развитие, большинство сегодняшних гаджетов — например, телефон и плеер — могут быть встроены в одежду. В таком случае достаточно будет взмахнуть рукой, чтобы активировать мобильную связь, а затем разговаривать с помощью микрофона, встроенного, например, в лацкан пиджака. Следующим шагом может стать использование совместно с электронной тканью революционного интерфейса thought-to-speech.

В марте 2008 года такая технология была представлена компанией Texas Instruments. Суть ее работы заключается в преобразовании в нервных импульсов, которые, собственно, и приводят в работу голосовые связки, в цифровую информацию, например, в синтезированную речь. Сегодня эта технология в первую очередь используется для того, чтобы дать возможность говорить по телефону немым людям, однако ее будущее ничем не лимитировано.

МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ ПЕНА: МАТЕРИАЛ С ЖЕЛЕЗНОЙ ПАМЯТЬЮ

Прочнее стали и в воде не тонет

С развитием новых технологий ученые находят все больше возможностей модификации традиционных материалов, например металла. Одна из наиболее перспективных модификаций — металлическая пена — структура, состоящая из твердого металла, чаще всего алюминия, и содержащая большое количество наполненных газом пор. Как правило, примерно 75-95% объема металлической пены составляют пустоты. Материал обладает уникально низким сопротивлением — некоторые виды металлической пены настолько легки, что плавают на поверхности воды. При этом прочность такой пены в несколько раз превышает прочность традиционного металла.

В будущем металлическая пена может стать неотъемлемой частью машиностроения, а также использоваться в производстве металлокерамики. Материал идеально подходит для создания крупногабаритных чрезвычайно прочных конструкций — другого материала, который способен обеспечить такое соотношения прочности и веса, человечество еще не придумало. Безусловно, она будет активно применяться в космических технологиях, где минимизация массы имеет огромное значение.

Недавнее открытие американских ученых может еще больше расширить сферу применения этого материала. В ходе исследований Национального фонда науки США, удалось разработать новый вид сплава металлической пены, который, реагируя на магнитное излучение, может растягиваться в длину на 10% под воздействием магнитного поля. Для достижения такого эффекта была разработана новая технология. На кусок нагретого пористого алюмината натрия выливается специальный жидкий сплав. После того, как металл охладится, соль алюмината натрия вытравливают кислотой, и металл приобретает пористую структуру.

Ученые назвали новый сплав «металлической пеной с эффектом памяти». По их мнению, он найдет широкое применение в производстве автомобилей и самолетов, а также везде, где требуются материалы, сохраняющие высокую прочность при большом напряжении.

АМОРФНЫЕ МЕТАЛЛЫ: ВСЕ ДЕЛО В СТРУКТУРЕ

Прогресс. Ученые продолжают изобретать материалы будущего

Еще одной модификацией традиционного железа являются аморфные металлы, или так называемые «металлические стекла», которые состоят из металла с хаотичной атомной структурой. Они могут быть вдвое прочнее стали. Разобщенная структура атомов позволяет им рассеивать энергию удара более эффективно, чем жесткая структура традиционных металлов, у которой есть точки уязвимости. Аморфные металлы производят по специальной технологии — расплавленный металл быстро охлаждается, чтобы его атомная структура не успевала приобрести четкую кристаллическую форму.

Металлические стекла вдвое прочнее стали

Военные давно положили глаз на новый вид металла. По их расчетам, сделанная из него броня будет в несколько раз прочнее, та, которую производят по сегодняшним технологиям. Кроме того, аморфные металлы получают широкое распространение в индустрии электроники. Помимо прочности они обладают уникальными магнитными свойствами, которые широко востребованы для производства мобильных телефонов, магнитных лент, высоковольтных трансформаторов. Эффективность энергосбережения при использовании аморфных металлов вырастает в среднем на 40%. Их повсеместное использование может означать экономию сотен тысяч тонн ископаемого топлива в мировом масштабе.

ПРОЗРАЧНЫЙ АЛЮМИНИЙ: ПРОЩАЙ, СТЕКЛО!

Без стекла. В будущем стекла станут алюминиевыми

Металл может быть прозрачным. Это не мечты фантастов. Металл в три раза прочнее, чем сталь, и при этом прозрачный, - уже реальность. Первые образцы этого чуда были получены немецкими учеными из Лаборатории физики Фраунгофера.

Технология его изготовления заключается в спекании мельчайших частиц алюминия при очень высоких температурах. Правильно подобрав размеры частиц, можно добиться высокой прозрачности материала. Для улучшения оптических свойств, в процессе спекания могут быть добавлены редкоземельные добавки.

Ученые предрекают прозрачному алюминию большое будущее. Высокая прочность и прозрачность могут очень пригодиться при строительстве небоскребов и летательных аппаратов. Космические агентства также проявляют большой интерес к новому материалу, в перспективе он может широко применяться при постройке космических станций, сняв ограничение на площадь иллюминаторов, которое сегодня накладывается прочностными характеристиками стекла.

Алексей Бондарев

http://www.segodnya.ua/