Современные вещества и материалы будущего
Все предметы, окружающие нас, сделаны из того или иного материала. Зачастую именно материал обеспечивает вещи особыми свойствами. Существует даже специальный раздел науки, изучающий их — материаловедение.
1
ГаджетыИзвестный производитель элитных часов швейцарская компания H. Moser & Cie представила концепт-часы Endeavour Vantablack с турбийоном – особым устройством, позволяющим нивелировать действие земной гравитации для повышения их точности.
0
ТехнологииПодразделение Военно-морского центра надводных боевых действий ВМС США Панама-Сити (NSWC Panama City) разрабатывает необычное средство противодействия малым судам на основе рыбьей слизи и биомассы, из которой пауки ткут паутину. Это вещество можно использовать для блокировки винтов небольших лодок противника, что…
0
НаукаХитоны (лат. Polyplacophora) – широко распространенный класс морских моллюсков размером от 1 до 35 см. Среди своих собратьев они выделяются панцирем, полностью покрывающим их овальное тело. Он состоит из восьми плотно прилегающих друг к другу подвижных пластин, которые надежно защищают этих морских животных от врагов.
1
ТехнологииКомпании Ford и McDonald’s объединили усилия по переработке сырья, именуемого кофейной шелухой. Это разновидность жмыха, часть оболочки кофейного зерна, которая отделяется от него при обжарке и является отходами пищевой промышленности. Или основой для перспективного биогибридного материала.
0
ТехнологииКомпания Karst Stone Paper презентовала свою новую разработку – бумагу, изготовленную не из целлюлозы, а на основе каменной пыли и пластика. Она в разы прочнее традиционной, устойчива к разрывам и вдобавок водонепроницаема. Из-за этого на ней сложно писать чернилами, но маркеры и карандаши с задачей справляются…
0
ТехнологииИсследователи научного факультета Университета Малаги (UMA, Испания) разработали недорогую футболку, которая вырабатывает электричество за счет разницы между температурой человеческого тела и окружающей среды. Это стало возможным благодаря особой ткани, разработанной совместно с Итальянским технологическим институтом…
36
Наука 
0
НаукаУченые Университета Райса (Rice University) разработали полимерный материал с решетчатой структурой, обладающий уникальной, соизмеримой с алмазом, твердостью, что позволяет использовать его в качестве защиты от пуль.
0
НаукаИсследователи из Университета Рочестера (США) разработали технологию создания «многогранных гидрофобных поверхностей», которые не только не смачиваются водой, а буквально отталкивают ее. Экспериментальный образец, обработанный металлический фрагмент, оставался на поверхности воды даже при попытках затопить его силой.…
1
ТехнологииУченые Центра военных исследований Дальневосточного федерального университета (Россия) разработали уникальный бетон, представляющий собой смесь из цемента и связующего компонента (до 40 % всей массы), состоящего из золы рисовой шелухи, отходов дробления известняка и кварцевого песка.
3
ТехнологииКраткая характеристика нового материала: он в пять раз легче и в пять раз прочнее стали. Изготовление автомобиля из такого растительного нановолокна (CNF) выбрасывает в атмосферу примерно на 2000 кг СО2 меньше, чем производство традиционных моделей.
0
ТехнологииДля снижения веса машин автопроизводители массово используют композиты из легкого, но прочного углеродного волокна. Не стал исключением и итальянский Lamborghini. Разработанные ее специалистами образцы углеволокна вскоре будут доставлены на борт МКС для тестирования в условиях открытого космоса.
2
ТехнологииКанадская компания Hyperstealth Biotechnology известна во всем мире, как производитель камуфляжной формы. В октябре прошлого года она подала заявку на получение патента на тонкий недорогой маскировочный материал «Quantum Stealth», не требующий источника питания, что делает его привлекательным для использования в…
1
НаукаПро лесные пожары зачастую вспоминают, когда уже полыхают тысячи гектаров леса. Предотвратить это страшное стихийное бедствие поможет экологически чистый гель, разработанный учеными Стэнфордского университета.
0
ТехнологииНа первый взгляд, сочетание в одном материале прочности и ударной вязкости выглядит маловероятным, однако новое вещество, полученное в результате смешивания древесных волокон и паутины, делает это вполне возможным.
0
НаукаВ научной статье, опубликованной в журнале ACS Applied Materials & Interfaces, инженер-механик Кэхан Цуй из Шанхайского университета и химик Брайан Уордл из MIT сообщили о создании материала, который превзошел по «степени черноты» недавнего рекордсмена — Vantablack. Их показатели выглядят следующим образом:…
0
КосмосКоманда ученых на борту МКС успешно создала первый в истории цемент в условиях невесомости. Цель эксперимента – оценить возможности производства строительного материала для возведения жилья на других планетах в ходе будущих космических миссий.
0
ТехнологииПохоже, что уже в ближайшем будущем автовладельцам не придется для смены цвета своей машины обращаться в автосервис. Достаточно будет нажать специальную кнопку на панели управления и машина за несколько секунд обретет новую окраску подобно хамелеону.
3
ТехнологииЕжедневно молокозаводам приходится решать задачу утилизации остатков молочной продукции, которая уже не пригодна в пищу. Стартап Mi Terro из Лос-Анджелеса предлагает производить из нее ткань для повседневной одежды. Такой материал по многим параметрам превосходит натуральный хлопок.
2
ТехнологииЕвропейское Космическое Агентство заказало серию исследований в рамках разработки технологии изготовления стройматериалов из лунного реголита. Сегодня ясно, что просто смешать пыль и грунт с цементом мало – «лунные кирпичи» должны выполнять много нетипичных функций. Новое исследование посвящено вопросу: можно ли с их…
2
ТехнологииИсследователи Университета Рочестера (Нью-Йорк) нашли простой, относительно дешевый и весьма экологичный способ получения графена с помощью бактерий Shewanella oneidensis. При смешивании с окисленным графитом они удаляют из вещества большинство кислородных групп, оставляя проводящий графен.
1
НаукаЖелезобетонные конструкции при всей их внешней нерушимой прочности нуждаются в регулярном техническом обслуживании. Дело, в основном, в стальных стержнях арматуры, до которых со временем добирается ржавчина. А дальше – ржавая сталь отталкивается от бетона, что приводит к его растрескиванию и постепенному разрушению…
2
ТехнологииУченые Университета долины Атемаяк (Мексика) разработали альтернативу традиционным пластмассам, отходы которых уже стали огромной проблемой для экологии планеты.
55
ТехнологииБольшая часть стеклянных отходов никогда не попадает во вторичную переработку, поскольку представляют собой небольшие фрагменты, которые сложно сортировать. Группа австралийских ученых Университета Дикина во главе с доктором Эр-Риядом Аль-Амери предложила простой и эффективный способ их переработки и дальнейшего…
0
ТехнологииВ течение многих лет ученые пытались создать материал, который по своим свойствам напоминал бы мех белого медведя, обладающий уникальными теплоизоляционными свойствами. И вот наконец успех: команда исследователей Университета науки и технологии Китая разработала материал, который не только повторяет, но и превосходит…
5
Технологии
5
ТехнологииКоманда американских исследователей подвела итоги годового тестирования системы пассивного охлаждения зданий на основе нового материла, условно названого «охлаждающая древесина». Технология ее получения запатентована и защищена коммерческой тайной, но принцип действия известен. Это материал, который отражает солнечный…
2
НаукаИзначально при создании пластмасс ученые практически не задумывались о проблеме утилизации новых материалов. На первое место ставилось разнообразие их свойств, чтобы максимально расширить область применения. Так появилась структура современного пластика – это мономер, цепочка из повторяющихся соединений, к которой…
15
НаукаЧиновники Евросоюза признали, что несколько поторопились с выделением 1 млрд. евро на запуск производства графена в промышленных масштабах. Ажиотаж вокруг него привел к открытию иных двумерных одноатомных материалов, самым перспективным среди которых сегодня называют борофен. Впервые его удалось синтезировать только в…
0
НаукаГруппе ученых из Вашингтонского университета в Сент-Луисе под руководством Фучжун Чжана удалось получить сверхпрочный паучий шелк с помощью генетически измененных бактерий.
11
НаукаИсследователи из университетов Иллинойса, Пенсильвании и Кембриджа разработали уникальный материал – «металлическую древесину», которая прочна, как титан, и одновременно не тонет в воде, как дерево.
1
ТехнологииАбсолютное большинство автовладельцев очень болезненно относится к появлению царапин (включая мелкие) на кузове. Новый лак на основе кукурузного сырья поможет им в решении этой проблемы.
Метаматериалы, графен, бионика. Новые материалы и технологии стремятся в бой
Ускоренные темпы технологического развития меняют природу ведения военных действий, при этом всё больше сил и средств направляется на научные исследования и разработки, целью которых является создание новых продвинутых материалов и их применение в оборонной сфере.
Возможность создания материала с отрицательным углом преломления предсказал еще в 1967 году советский физик Виктор Веселаго, но только сейчас появляются первые образцы реальных структур с такими свойствами. Благодаря отрицательному углу преломления, лучи света огибают объект, делая его невидимым. Таким образом, наблюдатель замечает лишь то, что происходит за спиной надевшего «чудесный» плащ.
Чтобы получить преимущество на поле боя, современные вооруженные силы обращаются к таким потенциально прорывным возможностям, как например, продвинутая нательная защита и броня для транспортных средств, нанотехнологии. инновационный камуфляж, новые электрические устройства, супераккумуляторы и «интеллектуальная» или реактивная защита платформ и личного состава. Военные системы становятся всё более сложными, разрабатываются и изготавливаются новые продвинутые многофункциональные материалы и материалы двойного назначения, семимильными шагами идет миниатюризация сверхпрочной и гибкой электроники.
В качестве примеров можно привести перспективные самовосстанавливающиеся материалы, продвинутые композиционные материалы, функциональную керамику, электрохромные материалы, «киберзащитные» материалы, реагирующие на электромагнитные помехи. Они, как ожидается, станут основой прорывных технологий, которые бесповоротно изменять поле боя и природу будущих военных действий.
Продвинутые материалы следующего поколения, например, метаматериалы, графен и углеродные нанотрубки, вызывают огромный интерес и привлекают солидные инвестиции, поскольку они имеют свойства и функциональности, которые не встречаются в природе, и подходят для оборонных сфер и задач, выполняемых в экстремальном или враждебном пространстве. В нанотехнологиях используются материалы нанометрового масштаба (10-9) с тем, чтобы можно было видоизменять структуры на атомном и молекулярном уровнях и создавать различные ткани, устройства или системы. Эти материалы являются очень перспективным направлением и в будущем смогут оказать серьезное влияние на боевую эффективность.
Метаматериалы
Прежде чем продолжить, дадим определение метаматериалам. Метаматериал — композиционный материал, свойства которого обусловлены не столько свойствами составляющих его элементов, сколько искусственно созданной периодической структурой. Они представляют собой искусственно сформированные и особым образом структурированные среды, обладающие электромагнитными или акустическими свойствами, сложнодостижимыми технологически, либо не встречающимися в природе.
Kymeta Corporation, дочерняя фирма патентной компании Intellectual Ventures, в 2016 году вышла на оборонный рынок с антенной из метаматериала mTenna. По словам директора компании Натана Кундца, переносная антенна в виде приемопередающей антенны весит около 18 кг и потребляет 10 Вт. Оборудование для метаматериальных антенн по размерам примерно равно книге или нетбуку, не имеет движущихся частей, и изготавливается таким же способом как ЖК-мониторы или экраны смартфонов с использованием технологии тонкопленочных транзисторов.
Метаматериалы состоят из субволновых микроструктур, то есть структур, чьи размеры меньше длины волны излучения, которым они должны управлять. Эти структуры могут быть изготовлены из немагнитных материалов, например, меди, и вытравлены на фибергласовой подложке печатной платы.
Могут быть созданы метаматериалы для взаимодействия с основными компонентами электромагнитных волн — диэлектрической проницаемостью и магнитной проницаемостью. По словам Паблоса Хольмана, изобретателя из Intellectual Ventures, антенны, созданные по технологии метаматериалов, могут со временем вытеснить вышки сотовой связи, наземные телефонные линии и коаксиальные и оптоволоконные кабели.
Традиционные антенны настраиваются на перехват управляемой энергии конкретной длины волны, которая возбуждает электроны в антенне, генерируя электрические токи. В свою очередь, эти кодированные сигналы могут быть интерпретированы как информация.
Современные антенные системы громоздки, поскольку для разных частот необходим свой тип антенны. В случае же с антеннами из метаматериалов поверхностный слой позволяет изменять направление изгиба электромагнитных волн. Метаматериалы показывают как отрицательную диэлектрическую, так и отрицательную магнитную проницаемости и, следовательно, имеют отрицательный коэффициент преломления. Этот отрицательный коэффициент преломления, не обнаруженный ни в одном природном материале, определяет изменение электромагнитных волн при пересечении границы двух разных сред. Таким образом, приемник метаматериальной антенны может настраиваться электронным образом для приема различных частот, в связи с чем у разработчиков появляется возможность достичь широкополосности и уменьшить размеры антенных элементов.
Метаматериалы внутри таких антенн компонуются в плоскую матрицу плотно упакованных отдельных ячеек (очень похоже на размещение пикселей экрана телевизора) с еще одной плоской матрицей параллельных прямоугольных волноводов, а также модулем, контролирующим излучение волны посредством программного обеспечения и позволяющим антенне определить направление излучения.
Хольман пояснил, что самый простой способ понять достоинства метаматериальных антенн — взглянуть поближе на физические апертуры антенны и надежность интернет-соединений на кораблях, самолетах, беспилотниках и других движущихся систем.
«Каждый новый спутник связи, выводимый на орбиту в наши дни, — продолжил Хольман, — имеет пропускную способность больше, чем имела группировка спутников еще несколько лет назад. У нас имеется огромный потенциал беспроводной связи в этих спутниковых сетях, но единственный способ связаться с ними — взять спутниковую тарелку, которая имеет большие размеры, большой вес и затратна в установке и обслуживании. Имея антенну на основе метаматериалов, мы сможем сделать плоскую панель, которая сможет управлять лучом и нацеливаться прямо на спутник.
«Пятьдесят процентов времени физически управляемая антенна не ориентирована на спутник и вы фактически находитесь в офлайне, — сказал Хольман. — Поэтому метаматериальная антенна может быть особенно полезной в морском контексте, ведь для направления на спутник тарелка управляется физически, поскольку судно часто меняет курс и постоянно раскачивается на волнах».
В настоящее время идет бурное развитие технологии беспилотных платформ с бионическими свойствами. Например, АПА Razor (масштабная модель на фото внизу) и АПА Velox (вверху) подражают естественным движениям животных или растений, что великолепно подходит для разведывательных и скрытных задач
Бионика
Разработка новых материалов идет также в направлении создания гибких многофункциональных систем со сложными формами. Здесь важную роль играет прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы. Бионика (в западной литературе биомиметика) помогает человеку создавать оригинальные технические системы и технологические процессы на основе идей, найденных и заимствованных у природы.
Научно-исследовательский центр проблем подводной войны ВМС США испытывает минно-поисковый автономный подводный аппарат (АПА), в котором используются бионические принципы. имитирующие движения морских обитателей. Аппарат Razor длиной 3 метра могут переносить двое человек. Его электроника координирует работу четырех машущих крыльев и двух гребных винтов в кормовой части. Маховые движения имитируют движения некоторых животных, например, птиц и черепах. Это позволяет АПА зависать, выполнять точное маневрирование на небольших скоростях и развивать высокие скорости. Подобная маневренность позволяет также аппарату Razor легко менять положение в пространстве и плавать вокруг объектов для получения их трехмерного изображения.
Научно-исследовательское управление ВМС США финансирует разработку компанией Pliant Energy Systems прототипа опционально автономного подводного аппарата Velox, в котором вместо гребных винтов использована система мультистабильных, нелинейных, похожих на лист изгибаемой бумаги плавников, которые генерируют повторяющиеся волнообразные движения похожие на движения ската. Аппарат преобразует движения электроактивных, волнообразных, гибких полимерных плавников с планарной гиперболической геометрией в поступательное движение, свободно перемещаясь под водой, в волнах прибоя, в песке, над морской и наземной растительностью, по скользким камням или льду.
По мнению представителя компании Pliant Energy Systems, волнообразное движение вперед не позволяет запутаться в густой растительности, поскольку нет вращающихся частей, при этом растениям и осадочным породам наносится минимальный ущерб. Малошумный аппарат, питающийся от литий-ионного аккумулятора, может улучшать свою плавучесть, чтобы удерживать свое положение подо льдом, при этом он может управляться дистанционно. К его основным задачам относятся: коммуникационные, включая GPS, WiFi, радио- или спутниковые каналы; разведывательные и сбора информации; поисково-спасательные; и сканирование и идентификация мин.
Развитие нанотехнологий и микроструктур также весьма важно в бионических технологиях, вдохновение для которых берется из живой природы с целью имитации физических процессов или оптимизации производства новых материалов.
Прозрачная броня применяется не только для баллистической защиты людей и транспортных средств. Она также идеально подходит для защиты электроники, стекол высокоэнергетических лазеров, упрочненных систем формирования изображения, лицевых защитных масок, БЛА, а также других платформ чувствительных к массе
Научно-исследовательская лаборатория ВМС США разрабатывает прозрачную полимерную защиту, которая имеет слоистую микроструктуру подобную хитиновому панцирю ракообразных, но изготавливается из пластических материалов. Это позволяет материалу оставаться конформным в широком диапазоне температур и нагрузок, что позволяет применять его для защиты личного состава, стационарных платформ, транспортных средств и летательных аппаратов.
По мнению Яса Сангхеры, руководителя направления оптических материалов и устройств в этой лаборатории, имеющаяся на рынке защита, как правило, изготавливается из пластика трех видов и не может на все сто процентов противостоять 9-мм пуле, отстреливаемой с 1-2 метров и летящей со скоростью 335 м/с.
Прозрачная броня разработки этой лаборатории позволяет уменьшить массу на 40% при сохранении баллистической целостности и поглощает на 68% процентов больше энергии пули. Сангхера пояснил, что броня могла бы прекрасно подойти для нескольких военных применений, например, машин с противоминной защитой, плавающих бронемашин, машин снабжения и окон кабин летательных аппаратов.
По словам Сангхеры, его лаборатория намерена на основе уже имеющихся разработок создать легкую конформную прозрачную броню с многоударными характеристиками и достичь снижения массы более чем на 20%, что обеспечит защиту от винтовочных пуль калибра 7,62×39 мм.
Управление перспективных оборонных исследований DARPA также разрабатывает прозрачную броню «Шпинель» (Spinel), имеющую уникальные свойства. Этот материал отличается превосходными многоударными характеристиками, высокой твердостью и эрозионной стойкостью, повышенным сопротивлением к внешним факторам; он пропускает средневолновое инфракрасное излучение более широкого диапазона, что повышает возможности устройств ночного видения (возможность видеть объекты за стеклянными поверхностями), а кроме того весит в два раза меньше традиционного пуленепробиваемого стекла.
Эта деятельность входит в программу DARPA под названием Atoms to Product (А2Р) в рамках которой «разрабатываются технологии и процессы, необходимые для сборки нанометровых частиц (размерами близкими размерам атомов) в системы, компоненты или материалы, по меньшей мере, миллиметрового масштаба».
По словам руководителя программы А2Р в DARPA Джона Мэйна, за последние восемь лет Управление добилось уменьшения толщины базовой прозрачной брони примерно с 18 см до 6 см при сохранении ее прочностных характеристик. Она состоит из множества различных слоев, «не все из них керамические и не все из них пластик или стекло», которые приклеиваются к материалу-подложке для предотвращения трещинообразования. «Вы должны думать о ней как о защитной системе, а не как о монолитном куске материала».
Стекла из «Шпинели» были изготовлены для установки на опытные образцы грузовиков FMTV (Family of Medium Tactical Vehicles — семейство войсковых транспортных средств средней грузоподъёмности) американской армии для оценки Научно-исследовательским бронетанковым центром.
В рамках программы А2Р Управление DARPA выдало компании Voxtel, работающей совместно с Институтом наноматериалов и микроэлектроники штатат Орегон, контракт стоимостью 5,9 миллиона долларов на исследование процессов производства, масштабируемых от нано- до макроуровня. Этот бионический проект включает разработку синтетического клеящего вещества, который копирует возможности ящерицы геккон.
«На подошвах геккона имеется что-то подобное маленьким волоскам… длиной примерно 100 микрон, которые буйно ветвятся. На конце каждой небольшой ветви имеется крошечная нанопластина размером примерно 10 нанометров. При контакте со стеной или потолком эти пластины позволяют геккону приклеиваться к стене или потолку».
Мэйн сказал, что производители никогда не могли повторить эти возможности, поскольку не могли создать разветвляющиеся наноструктуры.
«Компания Voxtel разрабатывает технологии производства, которые позволяют копировать подобную биологическую структуру и поймать эти биологические качества. Она использует углеродные нанотрубки действительно по-новому, это позволяет создавать сложные 3Д-структуры и использовать их очень оригинальными способами, не обязательно как структуры, а другими, более изобретательными способами».
Voxtel хочет разработать продвинутые аддитивные методики производства, которые позволят получать «материалы, которые сами собираются в функционально законченные блоки, затем собирающиеся в сложные гетерогенные системы». Эти методики будут базироваться на имитации найденных в природе простых генетических кодов и общих химических реакций, которые позволяют молекулам самособираться с атомного уровня в крупные структуры способные сами снабжать себя энергией.
«Мы хотим разработать продвинутый клеящий материал повторного действия. Мы хотели бы получить материал со свойствами эпоксидного клея, но без его одноразовости и загрязнения поверхности, — заметил Мэйн. — Прелесть материала а-ля геккон в том, что он не оставляет следов и действует мгновенно».
К другим быстро развивающимся продвинутым материалам относятся ультратонкие материалы, например, графен и углеродные нанотрубки, имеющие такие структурные, тепловые, электрические и оптические свойства, которые в корне изменят современное боевое пространство.
Прозрачные окна из «Шпинели» были изготовлены для опытных образцов грузовых автомобилей FMTV американской армии
Графен
Хотя углеродные нанотрубки имеют хороший потенциал применения в электронных и камуфляжных системах, а также в биолого-медицинской сфере, графен «более интересен, так как предлагает, по крайней мере на бумаге, больше возможностей», — заметил Джузеппе Даквино, представитель Европейского оборонного агентства (ЕОА).
Графен — это сверхтонкий наноматериал, образованный слоем атомов углерода толщиной в один атом. Легкий и прочный графен обладает рекордно большими теплопроводностью и электропроводимостью. Оборонная промышленность внимательно изучает возможность применения графена в тех приложениях, в которых необходима его прочность, гибкость и сопротивление высоким температурам, например, в боевых задачах, выполняемых в экстремальных условиях.
Даквино сказал, что графен «по меньшей мере, в теории, является материалом будущего. Причина, почему сейчас ведется столь много интересных дебатов, заключается в том, что после стольких лет исследований в гражданском секторе стало очевидным, что он реально изменит боевые сценарии».
«Перечислю только некоторые возможности: гибкая электроника, энергосистемы, баллистическая защита, камуфляж, фильтры/мембраны, материалы с высоким теплорассеянием, биомедицинские приложения и сенсоры. Это, по сути, основные технологические направления».
В декабре 2017 года ЕОА начало годичное исследование возможных перспективных направлений применения графена в военной сфере и его влияния на европейскую оборонную промышленность. Эти работы возглавил испанский Фонд технических исследований и инноваций, с которым сотрудничают Университет Картахены и британская компания Cambridge Nanomaterial Technology Ltd. В мае 2018 года состоялся семинар исследователей и экспертов по графену, где были определена дорожная карта по его применению в оборонной сфере.
По данным ЕОА, «среди материалов, которые способны коренным образом изменить оборонные возможности в следующем десятилетии, графен находится в приоритетном списке. Легкий, гибкий, прочнее стали в 200 раз, а его электропроводность просто невероятна (лучше чем у кремния), так же как и его теплопроводность».
В ЕОА также отметили, что графен имеет замечательные свойства в области «управления сигнатурами». То есть он может быть использован для производства «радиопоглощающих покрытий, что превратит военные машины, самолеты, подводные лодки и надводные суда в почти необнаруживаемые объекты. Все это делает графен чрезвычайно привлекательным материалом не только для гражданской промышленности, но также для военных приложений, наземных, воздушных и морских».
Процесс спекания методом горячего прессования (вверху) Научно исследовательская лаборатория ВМС США использует для создания прозрачной керамики «Шпинель». Порошок сжимается в вакууме для получения прозрачности. Полученный материал (внизу) может быть подобно драгоценным камням отшлифован и отполирован
С этой целью американская армия изучает применение графена для транспортных средств и защитных предметов одежды. По мнению инженера Эмиля Сандоз-Росадо из Лаборатории военных исследований армии США (ARL), этот материал имеет превосходные механические свойства, один атомный слой графена в 10 раз жестче и более чем в 30 раз прочнее такого же слоя коммерческого баллистического волокна. «Потолок для графена очень высок. Это одна из причин, почему несколько рабочих групп в ARL проявили интерес к нему, ведь его конструктивные характеристики с точки зрения бронирования весьма перспективны.
Впрочем, есть и довольно большие сложности. Одна из них — масштабирование материала; армии необходимы защитные материалы, которые могли бы закрыть танки, автомобили и солдат. «Нам необходимо много больше. В общем и целом, речь идет о порядка миллиона и более слоев, в которых на данный момент мы нуждаемся».
Сандоз-Росадо рассказал, что графен может быть получен одним или двумя способами, либо за счет процесса отшелушивания, когда высококачественный графит разделяется на отдельные атомные слои, или выращивания одиночного атомного слоя графена на медной фольге. Этот процесс хорошо освоен лабораториями, занимающимися производством высококачественного графена. «Он не вполне совершенен, но довольно близок к этому. Однако, сегодня пора говорить уже не об одном атомном слое, нам необходим полноценный продукт». Как следствие, недавно была запущена программа по разработке непрерывных процессов производства графена в промышленных масштабах.
«Идет ли речь об углеродных нанотрубках или о графене, вы должны учитывать специфические требования, которым необходимо соответствовать», — предостерег Даквино, отметив, что официальное описание характеристик новых продвинутых материалов, стандартизация точных процессов создания новых материалов, воспроизводимость этих процессов, технологичность всей цепочки (от фундаментальных исследований до производства демонстрационных и опытных образцов) нуждаются в тщательном изучении и обосновании, когда речь идет об использовании в военных платформах таких прорывных материалов, как графен и углеродные нанотрубки.
«Это не только исследования, потому что, в конце концов, вам необходимо быть уверенным, что определенный материал получил официальное описание и после этого вам надо быть уверенным, что он сможет производиться по определенному процессу. Это не так то просто, поскольку процесс изготовления может меняться, качество произведенного продукта может различаться в зависимости от процесса, поэтому процесс должен быть повторен несколько раз».
По словам Сандоз-Росадо, ARL работала с производителями графена на предмет оценки класса качества выпускаемого продукта и возможность его масштабирования. Хотя пока не ясно, имеют ли непрерывные процессы, находящиеся в начале своего становления, бизнес-модель, соответствующие мощности и могут ли они дать необходимое качество.
Даквино отметил, что прогресс в компьютерном моделировании и квантовых вычислениях мог бы ускорить исследования и разработку, а также развитие методов производства продвинутых материалов в ближайшем будущем. «С автоматизированным проектированием и моделированием материалов можно смоделировать многие вещи: можно будет смоделировать характеристики материалов и даже процессы производства. Вы даже можете создать виртуальную реальность, где по сути можно рассматривать различные этапы создания материала».
Даквино также сказал, что продвинутое компьютерное моделирование и методы виртуальной реальности обеспечивают преимущество за счет создания «интегрированной системы, в которой вы можете моделировать конкретный материал и видеть, может ли этот материал быть применен в определенных условиях». Радикально изменить здесь положение дел могли бы квантовые вычисления.
«В будущем я вижу еще больше интереса к новым способам производства, новым путям создания новых материалов и новым процессам производства за счет компьютерного моделирования, поскольку огромные вычислительные мощности потенциально можно получить только при задействовании квантовых компьютеров».
По словам Даквино, одни применения графена технологически более отработаны, а другие менее. Например, керамические композиционные материалы с матричным основанием могут быть улучшены за счет интеграции графеновых пластинок, которые усиливают материал и повышают его механическое сопротивление, одновременно снижая его массу. «Если мы говорим, например, о композитах, — продолжил Даквино, — или в самых общих чертах о материалах, усиленных за счет добавления графена, то мы получим реальные материалы и реальные процессы их массового производства если не завтра, но может быть в ближайшие пять лет».
«Вот почему графен так интерес для систем баллистической защиты. Не потому, что графен может быть использован в качестве брони. Но если вы в броне используете графен в качестве усиливающего материала, то она может стать прочнее даже кевлара».
Приоритетные направления, например, автономные системы и сенсоры, а также военные сферы с высоким риском, например, подводная, космическая и кибернетическая, больше всего зависят от новых продвинутых материалов и сопряжения нано- и микротехнологий с биотехнологиями, «стелс»-материалами, реакционноспособными материалами и системами генерации и аккумулирования энергии.
Метаматериалы и нанотехнологии, например, графен и углеродные нанотрубки, сегодня переживают бурное развитие. В этих новых технологиях военные ищут новые возможности, изучают пути их применения и потенциальные барьеры, поскольку вынуждены балансировать между потребностями современного поля боя и долгосрочными исследовательскими целями.
Будущее идет к нам. Аппарат Velox компании Pliant Energy Systems
По материалам сайтов:
www.nationaldefensemagazine.org
www.metamaterial.com
metamaterialscenter.com
science.howstuffworks.com
www.kymetacorp.com
www.pliantenergy.com
www.darpa.mil
voxtel-inc.com
www.eda.europa.eu
www.facebook.com
habr.com
www.wikipedia.org
ru.wikipedia.org
pinterest.com
eandt.theiet.org
Новые материалы
Конец XX и начало XXI века принесли массу открытий в материаловедении. Это и широкое распространение различных полимеров, и открытие таких наноматериалов, как углеродные нанотрубки, открытие свойств перовскита, превращающего его в одно из перспективных соединений для аккумуляции солнечной энергии.
Стремительное развитие промышленных технологий и углубление в материалы на атомарном уровне обеспечили новые возможности и поставили новые вызовы.
Сегодня материаловедение — это наука, которая охватывает все сферы нашей жизнедеятельности от бытового уровня до высокотехнологического производства биосовместимых материалов для протезов, полупроводников для электроники, покрытий, повышающих коррозионную и износостойкость материалов и механизмов.
В рамках проектов школьникам предлагается разработать новые направления использования материалов в различных отраслях промышленности, а также при создании элементов декора. При этом широкое применение могут найти отходы предприятий горно-металлургического, химического и других производств, что дополнительно позволит снизить ущерб, наносимый окружающей природной среде в промышленно развитых районах.
Одной из актуальных производственных задач является разработка новых методов и технологий для повторного использования промышленных отходов, создание технологий переработки вторичных материалов, в частности, с использование методов биотехнологии, применение которых позволяет получать материалы в нанодисперсном состоянии.
Ресурсные центры направления:
НИЦ «Курчатовский институт» (МГК-2020 на базе НИЦ «Курчатовский институт»)
Секция «Новые материалы»
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» (МГК-2020 на базе НИТУ «МИСиС)
Секция «Новые материалы»
НИТУ «МИСиС» предлагает всем заинтересованным ознакомиться с видеоматериалами — доступны по ссылке
ПРО НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
15 обалденных новых технологий, которые меняют наш мир
Эти изобретения достойны не просто нашего внимания, но и успеха на мировой арене. Ведь эти технологии могут круто изменить наш образ жизни. Хорошая новость – их не придется ждать долгие годы, потому что они уже здесь и готовы к использованию!15. Светящиеся растения
На протяжении долгого времени ученые искали более дешевые и эффективные методы искусственного освещения. Наконец, они добились успеха. Им удалось создать несколько видов растений, которые излучают свет в темноте. Такие растения можно использовать в городской среде, чтобы сократить расходы на электричество. Не говоря уже о том, что каменным джунглям немного растений не помешает.14. Вертикальные фермы
Чтобы убедиться, что человечество всегда будет обеспечено здоровой и свежей пищей, ученые и фермеры объединились и создали инновационный метод ведения сельского хозяйства. От традиционного он отличается тем, что растения выращиваются в закрытом помещении, при этом уклон делается на экономию пространства. Благодаря этому методу люди в городах смогут выращивать еду сами или покупать свежие продукты в магазинах в любое время года.13. Интернет с воздушного шара
Около четырех миллиардов людей в мире все еще не обладают доступом в интернет. Крупные интернет-компании регулярно придумывают новые способы, как сделать интернет доступным во всех уголках Земли. Так появилась идея запустить в атмосферу воздушные шары, которые будут «доставлять» интернет в труднодоступные районы. Такой проект поможет жителям развивающихся стран лучше ознакомиться с окружающим миром и найти более высокооплачиваемые рабочие места.12. Биотехнология
Биотехнология – это отрасль науки, которая ищет возможности объединения технологий и живых организмов для использования в полезных целях. Полезные продукты варьируются от пищи, включая сыр, йогурт и кефир, до лекарств и биологических сенсоров. Биотехнология продолжает совершенствоваться и предлагать новые решения. На данный момент в биотехнологии популярна идея зерновых культур, устойчивых к засухам и содержащих больше витаминов.11. Виртуальная реальность
В виду популярности видеоигр, игровые компании постоянно разрабатывают все более изощренные способы подарить игроку незабываемый опыт. Их главная цель – заставить нас почувствовать, что мы живем в игре, а не сидим дома перед монитором. Чтобы добиться этого эффекта, различные компании выпускают самые разные продукты для погружения в виртуальную реальность. Один из самых интересных вариантов – маска, которая во время игры позволяет даже почувствовать ароматы дикой местности.10. Мясо из пробирки
Многие люди прекращают есть мясо, потому что не хотят навредить животным. Им на радость ученые придумали метод, который позволяет создавать мясо в лаборатории. Мало того, что это урезает ресурсы и энергию, которые тратятся на выращивание животного, это мясо более полезное и на вкус ничем не отличается от настоящего. Не говоря уже о том, сколько на планете освободится места, когда исчезнут животноводческие фермы.9. Экзоскелеты
Конечно, нам еще далеко до костюма Железного Человека, но первые шаги уже сделаны – экзоскелеты больше не предмет фантазии, а самая настоящая реальность. Они возвращают людям с травмами позвоночника возможность ходить и наслаждаться жизнью в полной мере. Со временем эти примитивные экзоскелеты станут только лучше – проще в использовании, удобнее и дешевле.8. Устройства, управляемые силой мысли
Если вы постоянно забываете, куда положили смартфон – эта новость придется вам по душе. Ученые разработали метод, который позволяет управлять приборами силой мысли. Эта технология впервые была испробована на людях, которые утратили подвижность. Она оказалась настолько успешной, что уже в 2004 люди играли в пинг-понг силой мысли. Такая технология определенно упростит нам жизнь, не говоря уже о том, какие возможности она открывает для видеоигр будущего.7. Сверхскоростной транспорт
Мир не устает расширяться, и все чаще мы испытываем необходимость оказаться в двух местах одновременно. Поэтому человечество постоянно ищет способы более быстрого передвижения. Один из лучших примеров новых технологий в этой области – гиперпетля Илона Маска. Она обещает быть настолько быстрой, что шестичасовой путь от Лос-Анджелеса до Сан-Франциско будет преодолеваться за тридцать минут. И это не единственный подобный проект, находящийся в разработке.6. Изменение генома
Из-за того, что рождается все больше людей с генами, которые усложняют им жизнь и повышают риск смертности, генетики создали технологии, которые позволяют «вырезать» вредные гены, добавлять новые и «включать и выключать» уже имеющиеся. И это не просто способ сделать ллюдей здоровыми – эта технология может помочь людям, которые, например, всегда мечтали быть спортсменами, но лишены необходимых генов. Конечно, такая процедура не гарантирует результат на 100%, и людям все еще придется много работать, чтобы овладеть желаемыми навыками.5. Современное опреснение
Хотя люди уже давно научились добывать питьевую воду при помощи опреснения, старые методы слишком трудоемкие и недостаточно эффективные. Теперь у человечества сложилось более глубокое понимание физики и химии, и ученые создали более эффективные способы опреснения воды. Теперь это можно делать не только быстрее и дешевле, но и с дополнительными преимуществами. Среди них – бесплатные полезные ископаемые. Да, в воде их полно, и опресненная вода может стать дешевым источником полезных ископаемых, необходимых для производства. Плюс, миллиарды тонн опресненной воды могут напоить всю планету.4. Настоящий трикодер
Если вы фанат научной фантастики, то наверняка знакомы с этим устройством из «Стартрека». Именно его персонажи сериала использовали для измерения медицинских показателей. Реальная версия этого прибора умеет измерять кровяное давление, насыщение крови кислородом, пульс, температуру, дыхание, а также диагностировать 12 заболеваний, включая ветрянку и ВИЧ.3. Дроны в сельском хозяйстве
Все больше и больше фермеров просят помощи у современных технологий. Одним из таких помощников стали дроны. Хотя внешне они напоминают тех, которые используются в армии и кинопроизводстве, функционал у них сильно отличается. Их главная задача – делать инфракрасные снимки, которые позволяют фермерам определить, где семена прорастают успешно, а где начинаются проблемы. Некоторые компании создают сельскохозяйственных дронов, которые смогут уничтожать вредных насекомых, плесень и прочие неприятные для урожая вещи.2. Супер материалы
С более глубоким пониманием химии мы научились создавать новые, потрясающие материалы. В их число входит графен – материал, который состоит лишь из одного слоя атомов углерода. Благодаря такой толщине, он легко растягивается, обладает высокой теплопроводностью и при этом он в 200 раз крепче стали. Графен может использоваться в создании… да чего угодно. Графен сделает бронетехнику, одежду, компьютеры и многие другие вещи намного лучше и куда более долговечными.1. 4D принтеры
Вы наверняка слышали о 3D принтерах. Но вряд ли вы знаете о существовании 4D принтеров. Оба выполняют одну задачу – печатают материалы или специальные предметы – но 4D создает объекты, которые способны изменяться под внешним воздействием. Дело в том, что условия жизни постоянно меняются, и то, что нам было нужно вчера, может уже не понадобиться через год. Чтобы избежать создания вещей, которые прослужат лишь короткий срок, исследователи создали принтеры и материалы, которые удивительным образом адаптируются ко всем типам перемен в окружающей среде, повреждениям и другим потенциальным опасностям.Технологии материалов
Создавай новые материалы и технологии их изготовления. Разрабатывай «умные» композиты, полимеры, кристаллы для чипов, сплавы, стали, стекла, керамики и другие материалы с необычными и очень нужными сложными свойствами. Сделай новые материалы более функциональными, качественными, экологичными, простыми в производстве, дешевыми и доступными.
Разработка новых, «умных» материалов производит сейчас настоящую революцию в промышленности, позволяя создавать совершенно невероятные вещи – небоскребы, меняющие свой цвет в зависимости от времени года, температуры и солнечного света, совместимые с нашим организмом «распечатанные» на 3D-принтере протезы, летающие к другим планетам космические корабли. Даже в привычных нам смартфонах и чип, и микрокамеры, и легкий аккумулятор, и датчик отпечатков пальцев сделаны из новых функциональных материалов. XXI век будет веком химии и создания миллионов таких материалов, которые помогут решить даже самые смелые задачи.
В направлении «Технологии материалов» вам предстоит придумывать, моделировать и создавать новые материалы для самых разных конструкций и функциональных применений, вещества, из которых эти материалы будут состоять, а также современные методы изготовления материалов, их обработки, исследования их свойств и структуры, выявления дефектов в материалах, возникающих в ходе их эксплуатации. При этом вам нужно будет учитывать и моделировать структуру веществ и материалов, физические процессы, порождающие полезные свойства и характеристики материалов, принимать во внимание доступность и стоимость сырья, из которого материалы производятся, особенности технологических процессов их производства и многое другое.
Решение этих проблем и создание успешных проектных решений потребует от вас смелости инженерной и научной мысли, оригинальных идей, способности сопоставлять структуру материалов с их свойствами, детального понимания условий эксплуатации материалов, способности быстро понимать и осваивать новые знания по химии, физике, биологии, математике.
Хотите знать об отрасли больше? Смотрите выступление основателя компании HYDROP Марины Росс.
Кем можно стать в сфере «Технологии материалов»:
Профессионалы этого направления востребованы в микроэлектронике, химической промышленности, нефтепереработке, нефтехимии, строительной индустрии, энергетике, авиастроении, биотехнологической индустрии, медицине и фармацевтике.
Они работают в таких компаниях, как Роснано, Сибур, Росатом, Ренова и во множестве небольших высокотехнологичных фирм.
Современные и перспективные материалы
Керамические, тонкопленочные, композиционные материалы
На современном этапе развитие технологий не стоит на месте. Происходит обновление технической базы различных энергетических систем, промышленных предприятий. Это требует внедрения новых технологий и перспективных материалов, которые будут не только эффективными, но и будут способствовать сохранению окружающей среды.
Замечание 1
Перспективными материалами в настоящее время считаются керамические, тонкопленочные и композиционные материалы, для производства которых используются новейшие технологии.
Керамические материалы характеризуются тем, что они обладают высокой твердостью и теплостойкостью. Такие материалы применяются при изготовлении термостойких и высокотвердых деталей различного рода машин, двигателей, инструментов и т.д. В результате исследований, проведенных на молекулярном уровне, было установлено, что на прочность керамических изделий влияют даже небольшие структурные дефекты. Новые технологии основаны на управлении кинетической реакцией и формировании заданных молекулярных свойств. Разработанные технологии дают возможность получения керамического материала с заданной структурной. К примеру, степень однородности материала достигается при помощи управляемого гидролиза металлоорганических соединений.
В процессе выжигания в металлорганическом полимере, скрученном в нить, полимерного скелета, образуется материал с высокой термостойкостью, который подобен карбиду кремния. Однородное термостойкое покрытие формируется при помощи реакций летучих соединений, происходящих при высокой температуре, с последующим осаждением конечных продуктов на подложку заданной формы.
Эта технология используется в процессе изготовления деталей реактивного двигателя. Добавление даже небольшого количества примесей способно вызвать значительное изменение свойств материала. К примеру, если добавить оксид циркония прочность керамического материала с оксидом алюминия значительно возрастает.
В процессе синтеза сверхпрочных волокон на основе внедренного в органический полимер графита, появилась разработка нового вида материалов. Это композиционные материалы с улучшенными свойствами.
Технология изготовления такого материала основывается на внедрении тонкого волокна в обычный высокомолекулярный полимер, которым может служить эпоксидная смола. Тонкое волокно может состоять из графитовых углеродных цепей, углеродных или минеральных полимерных нитей.
Композиционный материал, полученный подобным образом, ни в чем не уступает по прочности самым лучшим маркам конструкционной стали. Отношение прочности к массе в таких материалах сравнительно большое, что позволяет им находить широкое применение в процессе изготовления различных узлов и деталей космической и авиационной техники, а также морских судов и автомобилей.
Разработка тонкопленочных материалов является одним из перспективных направлений в последние десятилетия. Примерами применения тонкопленочных материалов являются защитные, полупрозрачные, упрочняющие, магнитные, диэлектрические и другие покрытия.
Толщина осаждаемого материала зависит от выполняемой функции и может колебаться от нескольких ангстрем до нескольких десятков микрометров.
В настоящее время уже налажена технология формирования микроэлектронного элемента, имеющего минимальный размер в несколько десятых долей микрометра.
Для того, чтобы сформировать тонкопленочные слои и элементы, используются различные технологии, такие как:
- термическое и механическое напыление,
- вакуумное ионно-плазменное осаждение,
- гальванической осаждение и другие.
Микроэлектронные технологии
Большое влияние на индустриальный мир оказывают микроэлектронные технологии. Самым широко известным примером продукции, создаваемой на основе микроэлектронной технологии, является микропроцессор. Микропроцессор – это устройство, предназначенное для обработки информации. Это устройство выполнено в виде одной или нескольких интегральных схем. Эта цепь построена на пластине, имеющей небольшие размеры. Такая пластина называется чипом. Часть современных микропроцессоров содержит миллионы транзисторов и других электронных компонентов, которые располагаются на кремниевой пластине, имеющей площадь в несколько квадратных сантиметров.
Рисунок 1. Чип. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Чипы изготавливаются из высокочистого кремния. В чипы специально имплантируются разного вида добавки для формирования элементов отдельных устройств. Эти элементы предназначены для выполнения разных функций, таких как усиление, переключение, выпрямление сигналов, а также запоминание, воспроизведение информации.
В процессе изготовления таких чрезвычайно сложных систем важную, решающую роль играет тонкопленочная технология, которая включает ряд последовательно выполняемых операций.
При помощи чувствительных к излучению тонкопленочных слоев в кремний вводят легирующие примеси с образованием заданного рисунка электрической цепи.
Процесс легирования осуществляется при высокой температуре, поэтому для того, чтобы защитить поверхность, применяют тонкую пленку диоксида кремния.
Формирование рисунка происходит при помощи фоторезиста, органического материала. Химические изменения в фоторезисте инициируются световым потоком. Эти изменения приводят к образованию или разрыву ковалентных связей в химических группах с высокой чувствительностью. В результате этого происходит локальное увеличение или уменьшение фоторезиста.
При изготовлении элементов схемы, которые имеют размеры, близкие к долине волны света, сказываются дифракционные эффекты. Ослабление этих эффектов возможно при использовании коротковолнового излучения. Это говорит о том, что прогресс в микроэлектронике и трансформация ее в наноэлектронику возможно только в случае применения коротковолнового излучения, рентгеновского или ультрафиолетового. Соответственно, это повлечет за собой техническое переоснащение микроэлектронного технологического процесса.
КАК И ЗАЧЕМ РАССКАЗЫВАТЬ О СВОЕМ ИССЛЕДОВАНИИ ОБЩЕСТВУ?
30 октября, 14:00, зал «Ротонда» Президиума РАН
Сейчас в России бурно развиваются научные коммуникации – направление, включающее в себя процессы и механизмы продвижения научных идей внутри исследовательского сообщества и за его пределами. Это понятие объединяет в себе как горизонтальное взаимодействие между учеными, так и классический пиар, научную журналистику и популяризацию науки. На круглом столе «Как и зачем рассказывать о своем исследовании обществу?», организованном Советом молодых ученых РАН и Российским научным фондом в рамках междисциплинарного форума «Новые материалы и перспективные технологии», научные коммуникаторы, научные журналисты и ученые расскажут о том, чем исследователю может быть полезно продвижение научной работы на широкую аудиторию, как с его помощью наладить взаимодействие с коллегами, грантодателями и индустриальными партнерами, а также привлечь в лабораторию новых сотрудников.Программа:
Мотивация ученого: 10 причин, почему вам стоит рассказывать о своей работе обществу
Юлия Шуляк, главный специалист отдела по связям с общественностью Российского научного фонда, член правления Ассоциации коммуникаторов в сфере образования и науки
Научный «беспредел»: неклассические инфоповоды и международный PR
Сергей Ивашко, руководитель отдела по связям с общественностью Химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова
Особенности создания и распространения научных новостей
Ольга Добровидова, главный редактор нативной рекламы портала N+1, вице-президент по научной журналистике Ассоциации коммуникаторов в сфере образования и науки (АКСОН), вице-президент Европейской федерации научных журналистов (EFSJ)
Кирилл Харатьян, основатель «Коммерсант. Наука»
Успешные кейсы:
Михаил Сыроешкин, кандидат химических наук, старший научный сотрудник Института органической химии имени Н.Д. Зелинского Российской академии наук
Станислав Юрченко, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник МГТУ им. Н.Э. Баумана
Модераторы:
Татьяна Вомпе, научный сотрудник Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук, заместитель председателя СМУ ИМЕТ РАН по научной коммуникации;
Мария Михалева, начальник отдела по связям с общественностью Российского научного фонда.
С собой необходимо иметь документ, удостоверяющий личность.
Дополнительные вопросы Вы можете задать по почте [email protected]