Материал новый – Подборка строительных и отделочных материалов 2019-2020 года, сделавших прорыв в технологиях ремонта

Содержание

Новые материалы и их пять невероятных свойств

xrikx

Новые материалы и их пять невероятных свойств

Автор:

20 декабря 2019 19:03

Новые материалы постоянно появляются и становятся всё более и более совершенными. Практический интерес представляют не сами новые материалы, а их, порой фантастические, свойства. В этой статье я хочу рассказать про невероятные свойства новых материалов, которые, на первый взгляд нарушают законы физики.

Новые материалы и их пять невероятных свойств

Современная наука в части материаловедения достигла невероятных высот. Но, к сожалению, информации об этих работах не так уж и много. Тем не менее, мы периодически получаем новые материалы, которые будоражат ум и кажутся фантастическими. Одни не тонут, другие не горят. Я решил собрать свойства новых материалов и снять про наиболее удивительные из них образовательное видео, а заодно поделиться с Фишками.

Способность затвердевать при ударе

Все стандартные материалы ведут себя при приложении нагрузки примерно одинаково. Они деформируются, пока не наступит разрушение. Больше нагрузка — больше деформация. Однако, новая группа материалов, используемая для активной защиты (например, ди-три-о) способны просто поразить вас.
Рассмотрим Ди-три-о. Материал легко деформируется и сохраняет пластичность до тех пор, пока скорость приложения нагрузки и её сила не возрастают.
В случае быстрого приложения нагрузки материал резко затвердевает, а энергия от удара рассеивается внутри материала и не повреждает защищаемый объект. Например, если ударить по пальцу с такой защитой молотком, то энергия удара моментально рассеется и израсходуется на затвердевание защиты, а палец не пострадает.

Сам по себе материал — это полимер или, правильнее сказать, коллоидная полимерная система, в составе которой есть секретный ингредиент.
Сущность эффекта основана на специфике поведения дилатантной неньютоновской жидкости. Это материалы, у которых вязкость возрастает при увеличении скорости деформации сдвига. Почему неньютоновская? Потому что всё должно быть наоборот.

Дилатантный эффект наблюдается в материалах, у которых плотно расположенные частички перемешаны с жидкостью, заполняющей пространство между ними. При низких скоростях сдвига слоёв материала друг относительно друга жидкость действует как смазка и материал мягкий. При высоких скоростях жидкость не успевает заполнить свободное пространство между частицами, и поэтому трение между частицами сильно возрастает, а структуру расклинивает.

Ди-Три-О — это не единственный пример использования, есть и другие виды активной защиты. Сам ди-три-о прменяется для изготовления мотозащиты и других видов спортивной защиты.

Новые материалы и их пять невероятных свойств

Защита для мотоциклиста из Ди-три-о имеет низкий вес, пластичная и при этом легко поглощает удар, рассеивая энергию.

Способность быть невидимым

Метаматериалы — это очень интересный и новый подход к построению композита. Если традиционно принято считать, что свойства материала определяют структура и химический состав, то тут основную роль играет структура. Не столь важно из чего состоит материал, а важна его структура и упорядочивание. Важно отметить, что это целая группа материалов с программируемыми свойствами.

Метаматериалы получаются искусственной модификацией внедряемых в них элементов. Изменение структуры осуществляется на наноуровне, что дает возможность менять размеры, формы и периоды решетки атома, а также иные параметры материала.

Благодаря этому возможно получить совершенно невероятные свойства. В природе такие свойства кажутся невозможными. Например, отрицательный показатель преломления. А значит защищаемый ими объект может стать практически невидимым, волны будут просто огибать метаматериал. Получился плаще-невидимка.

Почти как человек невидимка

Почти как человек невидимка

Способность иметь красивейшие кристаллы

Тут никаких супер-свойств, в целом-то, и нет. Но зато есть красивейшая форма кристаллов, которые после образования оксидной пленки переливаются всеми цветами радуги. Висмут очень широко используется в промышленности и хозяйстве, но всегда в сплаве с другим металлом или после специальных технических процессов. Это весьма редкий и рассеянный в природе элемент. Форма кристалла обусловлена его природными особенностями.

Новые материалы и их пять невероятных свойств

Источник:

Автор: Alchemist-hp (talk) (www.pse-mendelejew.de) — собственная работа, FAL, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12387324

Способность к регенерации

До сих пор подобные материалы казались больше фантастикой и те, кто помнят жидкого терминатора из фильма терминатор 2, наверняка отметили для себя его нереальную возможность к самовосстановлению. Но теперь возможность к восстановлению кажется куда более реальной.

Появился целый класс материалов, способных к регенерации. Подходов к реализации этой идеи тоже много. Одна из них предполагает создание композита, внутри которого расположены поры с “залечивающим” повреждения веществом. Такой подход имеет недостаток в том, что количество капсул с веществом имеет ограниченное число применений. Они попросту кончатся.

Удобно использовать в качестве такого залечивающего агента окружающую среду. Существует материал, способный регенерировать, извлекая строительный материал из воздуха, а точнее, из углекислого газа.

Есть и более перспективные подходы. Исходя из них, материал заживляет повреждения вследствие активного взаимодействия его внутренних слоев и их притяжения. Получается эффект заживления. Т.е. материал чинит себя сам.

Новые материалы и их пять невероятных свойств

Конечно же, ящерица пока гораздо более совершенное существо в плане восстановления хвоста. Но первые шаги уже сделаны.

Способность утолщаться при растяжении

Аукстетики — это материалы, которые имеют отрицательный коэффициент пуансона. Это значит, что при удлинении они не утоняются, а становятся толще в направлении перпендикулярном приложенной силе, что не соответствует обычному положению дел. Кстати говоря, это тоже метаматериалы.

Это происходит из-за шарнирно-подобной структуры ауксетиков, которая деформируется при растяжении. Такое свойство может обусловливаться свойствами отдельных молекул или определяться структурными особенностями материала на макроскопическом уровне.

Считается, что первым необычные материалы описал физик Вольдемар Фойгт сто лет назад. Правда, тогда к нему никто не прислушался, а находить ауксетики начали лишь в 80-х годах прошлого века.

От материалов этого типа ожидаются хорошие механические свойства, такие как значительное поглощение механической энергии и высокое сопротивление разрушению.

Область применения практически безгранична. Например, если сделать из такого материала самую обычную заклепку, то при растяжении она будет не становиться толще, а толстеть. Значит соединение не будет расшатываться. Даже пробку для обычной бутылки можно сделать из этого материала, что сделает её почти не извлекаемой.

Авторский пост

Ссылки по теме:

Новые материалы и их пять невероятных свойств

Понравился пост? Поддержи Фишки, нажми:

Новости партнёров

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.Метаматериалы, графен, бионика. Новые материалы и технологии стремятся в бой

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».

Метаматериалы, графен, бионика. Новые материалы и технологии стремятся в бой
Метаматериалы, графен, бионика. Новые материалы и технологии стремятся в бой
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.

Метаматериалы, графен, бионика. Новые материалы и технологии стремятся в бой
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.

Метаматериалы, графен, бионика. Новые материалы и технологии стремятся в бой
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».

Метаматериалы, графен, бионика. Новые материалы и технологии стремятся в бой
Метаматериалы, графен, бионика. Новые материалы и технологии стремятся в бой
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

Удивительные материалы будущего — список, особенности и интересные факты

Венгерский физик Денеш Габор говорил, что будущее нельзя предвидеть, но его можно изобрести. И эти слова в полной мере отображают действительность.

Будущее в разработке

Наверняка многие из вас видели фильм 1998 года «Секретные материалы: Борьба за будущее». Это фэнтезийная лента с элементами триллера и детектива. Сегодня мы также поговорим о материалах, за которыми будущее. Они не засекречены, но известно о них немногим. Потому что область их применения пока невелика. Но со временем эти материалы наверняка прочно закрепятся на рынке и будут широко использоваться.

Список материалов, которые мы сегодня рассмотрим:

  1. Аэрогель.
  2. Прозрачный алюминий.
  3. Металлическая пена.
  4. Самовосстанавливающийся бетон.
  5. Графен.
  6. Willow Glass.
  7. Стеклянная черепица.
  8. Стройматериалы из грибов.

А теперь остановимся на каждом из них подробнее.

Аэрогель

Аэрогель — это материал будущего, который можно будет использовать очень скоро. Информацию о нем опубликовали еще в 2013 году. Разработка является детищем китайских ученых. Этот наноматериал неоднократно упоминается в Книге рекордов Гиннеса. Все благодаря его уникальным свойствам.

Аэрогель (в переводе на русский «замороженный воздух» или «замороженный дым») отличается невероятной легкостью, ведь его основная составляющая — воздух. Полупрозрачный, с легким голубоватым оттенком, он напоминает застывшую пену для бритья. В его составе — 99,8 % воздуха, который заполняет крошечные ячейки, видимые только при помощи микроскопа.

материалы будущего

Аэрогель изготовлен из обычного геля. Но вместо жидкого компонента он содержит газ. При минимальной плотности (в 1000 раз меньше плотности стекла), он очень прочный. Образцы аэрогеля могут выдерживать нагрузку, в несколько тысяч раз превышающую его вес. Он также является хорошим теплоизолятором и может быть использован в космонавтике.

Легкость эксплуатации делает его практически универсальным. Но наибольшее применение аэрогель найдет в строительстве, как теплоизоляционный, влагозащитный надежный материал.

Прозрачный алюминий

секретные материалы борьба за будущее

Технологии движутся вперед — и вот уже регулярно в СМИ появляется информация о том, что учеными был создан прозрачный алюминий. Этот новейший материал, который был разработан совсем недавно и выпускается под маркой ILON, состоит из алюминия, азота и кислорода.

Основная задача кварц-оксинитрид алюминия — это замена пуленепробиваемого стекла. Однако применять его можно не только для этой цели. Материал будущего обладает устойчивостью к ударам. Его практически невозможно поцарапать. При этом прозрачный алюминий вдвое легче стекла.

Сегодня ALON начали использовать. Компания Microsoft уже применяет металл. Он содержится в составе корпуса «умных часов». Возможно, когда-нибудь из кварц-оксинитрид алюминия будут изготавливать конструкции. Но лишь тогда, когда упадет цена на этот материал. Расходы будущих периодов насчитывают миллиарды, если стоимость его не станет более демократичной.

Металлическая пена

расходы будущих периодов материалы

Этот легкий материал имеет уникальную способность остановить пулю в воздухе и превратить ее в пыль. При этом состав пены может разниться. Единого «рецепта» нет. Например, пропустить газ через расплавленный металл. Или добавить порошкообразный гидрид титана в расплавленный алюминий.

Металлическая пена представляет собой пример эволюции материалов. Сейчас они кажутся диковинкой, но вскоре станут чем-то обыденным и привычным.

Благодаря наличию воздушных карманов пена обладает теплоизолирующими свойствами. Она не тонет в воде, легко режется. Это позволяют применять ее для декоративных работ. Тем более, она обладает естественным, красивым рисунком.

Материал имеет акустические свойства, устойчив к коррозии и не плавится даже при воздействии очень высоких температур. Исследования его устойчивости уже проводились. Даже при температуре 1482°С он окислился, но его прочность и структура сохранились. Более низкие температуры вообще никак не сказываются на внешнем виде и свойствах материала.

Самовосстанавливающийся бетон

материалы настоящее и будущее

Долговечность возводимой конструкции при постройке здания всегда находится под сомнением. Недобросовестность строителей и некачественные материалы способны очень быстро уничтожить новое здание. А восстановление его всегда требует огромных финансовых расходов.

Голландские ученые решили эту проблему. Они создали самовосстанавливающийся бетон, в составе которого содержатся живые бактерии и лактат кальция. Представьте себе, бетон «латает» сам себя! Как же они работают?

Бактерии, поглощая лактат кальция, производят известняк. Он заполняет трещины и практически полностью восстанавливает целостность бетона, что позволит существенно сэкономить на ремонте в будущем и значительно увеличить длительность эксплуатации.

Этот биобетон был создан Хенком Джонкерсом из нидерландского технического университета. Ученый со своей командой потратил 3 года для изготовления этого чуда. Хенк рассказывает, что выбрал палочки бактерий, которые способны долгие десятилетия жить без воды и кислорода. Бактерии помещены в специальные капсулы. Они открываются и «выпускают» бактерии при попадании воды, просачивающейся через трещины. Продукт уже был успешно протестирован на здании спасательной станции, расположенной близ озера.

Этот материал пока не используется в настоящем. И будущее, несомненно, за ним.

Графен

список невероятных материалов будущего

Ученые уверены, за этим материалом настоящего будущее. Он представляет собой слой углерода толщиною в 1 атом. Его называют самым тонким материалом в мире.

Примечательно, что получили графен случайно – ученые Андрей Гейм и Константин Новоселов просто развлекались. Они ради забавы исследовали куски клейкого скотча, который применяют в виде подложки для графита. С помощью клейкой ленты они слой за слоем начали отлеплять углерод. И в итоге получили идеально ровный слой углерода толщиною в атом. В 2010 году ученые были удостоены Нобелевской премии за это открытие.

Свойства графена позволяют считать его основой будущих технических разработок. Он значительно прочнее стали, что сделает гаджеты будущего более устойчивыми к подтверждениям. И даже в десятки раз ускорит скорость выхода в интернет. Подобное свойство наверняка оценит каждый пользователь социальных сетей.

Графен — это материал будущего. Интересный факт о нем совсем недавно поведали ученые. В ходе исследований было выявлено, что двухслойный одноатомный графен способен стать прекрасным материалом для бронежилетов – твердым как алмаз, но гибким.

Тем не менее, есть у этого материала и недостатки. Он может вредить окружающей среде и здоровью людей. Графеновое загрязнение поверхностных вод способно сделать их токсичными.

Продолжаем рассматривать список невероятных материалов будущего.

Willow Glass

список удивительных материалов будущего

Данное стекло предоставила компания Corning, которая уже является производителем защитного покрытия для смартфонов и планшетов, называемого Gorilla Glass. Это стекло известно устойчивостью к ударам и царапинам. Однако производители решили пойти дальше и разработать новое покрытие – Willow Glass.

Это стекло, толщина которого сравнима с толщиной бумаги формата А4. То есть всего 100 микротон. По своим функциональным возможностям напоминает обычное стекло, а внешне очень похоже на пластик. С одним существенным дополнением – оно обладает гибкостью. Willow Glass можно сгибать в разные стороны, не опасаясь потери его свойств.

Возможно, в скором времени это уникальное стекло будет служить экраном для смартфонов. Помимо удивительной гибкости, Willow Glass также невероятно устойчиво к высоким температурам – до 500°С.

Увы, стекло не обладает прочностью Gorilla Glass и не защищает столь эффективно от механических повреждений.

Черепица из стекла

эволюция материалов

Стеклянная черепица была создана швейцарской компанией SolTech Energy. Эта компания была создана в 2006 году. Ее деятельность направлена на разработку инноваций в области альтернативной энергетики и их доступность для широкого круга людей. Несомненно, это материал будущего.

Стеклянная черепица не является абсолютной новинкой, но сотрудники компании утверждают, что усовершенствовали ее.

Из основных преимуществ такого покрытия выделяют:

  1. Прочность. Материал не уступает своим металлическим аналогам.
  2. Размер и форма ее подобраны таким образом, чтобы ее можно было использовать напополам с обычной металлочерепицей.
  3. Красота. Стеклянное покрытие для крыши смотрится эффектно и гармонично сочетается с любым дизайном здания.

Принцип ее работы достаточно прост. Солнечные лучи с легкостью проходят сквозь стекло. А затем остаются на специальных поверхностях, которые поглощают солнечную энергию. Распорядиться этой энергией можно на усмотрение жильцов – использовать для отопления или для электросети. Наибольший эффект достигается, если крыша повернута на юг.

«Грибные» дома

материалы будущего интересные факты

Оказывается, грибы – превосходный строительный материал. Впервые эта идея появилась у американцев.

Компания Ecovative была основана выпускниками политехнического института. По мнению ее основателей, Гэвина Макинтайра и Эбена Байера, из грибницы можно получать самый разный материал. Не только для строительства, но и для производства обуви или мебели. Грибница представляет собой скопление тонких нитей, питающих гриб необходимыми ему микроэлементами. Она разлагает в земле органику (увядшую траву и т. д.). Во время этого процесса она выделяет вещества, склеивая субстрат, на котором она растет.

Создают материал из грибов следующим способом: соединяют грибницу и субстрат, расфасовывают получившуюся в результате субстанцию по формам и кладут в темное место. Через несколько дней грибница распускает нити, как бы цементируя субстрат. В ходе сушки и тепловой обработки грибницы убивают. Субстрат же становится готовым к применению. Технология проста и в то же время гениальна, поэтому грибы вошли в список удивительных материалов будущего.

Топ-10 материалов, которые изменят будущее

Чтобы совершить революцию, мало знать ответ на вопрос «как?», есть еще и вопрос «из чего?». К технологическим революциям это относится в первую очередь. Без появления принципиально новых материалов не было бы ни компьютеров, ни мобильной связи, ни солнечных батарей. Мы выбрали десять материалов, которые должны обеспечить радикальные перемены в ближайшие десятилетия. источник

1 Углеродные нанотрубки: разорвать невозможно

Углеродные нанотрубкиУглеродные нанотрубки

Что это Трубка, собранная из атомов углерода. Длина трубки теоретически ничем не ограничена, хотя на практике вырастить их длиннее 20 сантиметров пока никому не удалось. Но и это очень много по сравнению с масштабом атома (10-10 м).

Что из них можно делать Если верить футурологам, нанотрубки — это наше все. К примеру, они очень-очень-очень прочные. Вся трубка, по сути, является одной молекулой, и разорвать ее крайне сложно. Расчеты показывают, что нить из многослойных нанотрубок толщиной в миллиметр могла бы удержать груз до 15 тонн. Обещают, что когда-нибудь они позволят построить лифт в космос (этот образ уже увековечен в «Смешариках»), а уж про банальные тросы для земных нужд и говорить нечего.

Прочность — это еще не все. Например, теплопроводность нанотрубок вдоль оси почти в десять раз выше, чем у меди. Но при этом в поперечном направлении они задерживают тепло примерно так же, как кирпич или бетон. Еще из этих трубок можно делать аккумуляторы, фильтры для воды, иглы для внутриклеточных инъекций, емкости для хранения водорода и так далее. Если бы будущее имело герб, его стоило бы украсить венками из нанотрубок.

А что сейчас Пока нанотрубки проще найти в лабораториях, чем в коммерческих продуктах. Однако уже появились композитные материалы с их использованием, и, по заявлениям производителей, они прочнее обычных на несколько десятков процентов. Из таких материалов производят детали для спортивных велосипедов и корпуса яхт.

2 Графен: нобелевский углерод

ГрафенГрафен

Что это Самое главное, что мы знаем о графене: за его открытие дали Нобелевскую премию, дали ее русским ученым Гейму и Новоселову, эти русские ученые живут в Великобритании и не хотят переезжать в наше Сколково.

По сути, графен — это плоский лист из атомов углерода, первый из открытых двумерных кристаллов, возможность существования которых долгое время вызывала сомнения. Такие кристаллы не могут вырасти из расплава: их скрутит и разорвет тепловыми колебаниями. Но зато плоский лист графена вполне реально оторвать от графита. Причем обыкновенным скотчем, как это сделали нобелевские лауреаты, развлекавшиеся в лаборатории пятничным вечером.

Что можно делать С графеном связывают еще большие надежды, чем с нанотрубками. Великолепные электрические свойства делают его альтернативой кремниевым полупроводникам. Он исключительно прочен на разрыв: теоретически графеновая лента в двести раз прочней стали, так что конструкторам космического лифта будет из чего выбирать. Кроме того, графен обладает прекрасной теплопроводностью и практически прозрачен. Все это открывает путь к созданию гаджетов будущего — например, контактных линз, на которые можно передавать изображение.

Есть и совсем неожиданные разработки. В авторитетнейшем журнале Science был описан такой эксперимент: по одну сторону от графеновой мембраны помещали водку, а далее мембрана пропускала через себя только воду, оставляя с другой стороны крепчающий с каждым часом спирт.

А что сейчас Обещают, что вот-вот на рынке появятся изделия на основе графена. Но пока этот материал используется главным образом в лабораториях.

3 Аэрогель: облегченная материя

АэрогельАэрогель

Что это Молекулярная губка из диоксида кремния, углерода или иного вещества, очень-очень пористая — микроскопические пустоты могут составлять до 99% ее объема. Плотность аэрогеля — всего несколько килограммов на кубометр, то есть он лишь в 1,5–2 раза тяжелее воздуха и в 300–500 раз легче воды. Несмотря на свою воздушность, аэрогель весьма прочен: небольшой, со спичечный коробок, кусочек выдерживает на себе кирпич.

Что можно делать Это едва ли не лучший материал для теплоизоляции в мире: легкий, достаточно прочный, не поддающийся коррозии и гниению, не горящий в огне и, само собой, не тонущий в воде.

Аэрогель может радикально сократить потери тепла зданиями или, напротив, снизить расходы на кондиционирование воздуха и работу морозильных установок. Легкая и теплая одежда, прозрачные плитки для утепления окон — лишь самые очевидные способы применения подобных материалов.

На основе углеродного аэрогеля можно создавать суперконденсаторы, сочетающие высокую емкость с возможностью выдавать сильный ток при разрядке. А еще аэрогель собираются использовать для адресной доставки лекарств к клеткам и как материал для фильтров.

А что сейчас Аэрогель стоит безумно дорого и потому пока применяется в основном для космических нужд. Речь идет не только о теплоизоляции марсоходов или скафандров — этот материал использовался как ловушка для рассеянных в космическом пространстве пылинок: панели из аэрогеля были установлены на американском аппарате Stardust.

Впрочем, если плитки из аэрогеля не должны быть аккуратными, его стоимость резко падает. Сегодня уже делают куртки с его использованием, причем по вполне доступным ценам (порядка 300 долларов).

4 Сплавы с эффектом памяти: вернуть былую форму

Сплавы с эффектом памятиСплавы с эффектом памяти

Что это Некоторые металлы демонстрируют странное свойство: их можно изогнуть, и они сохранят эту форму, как и полагается пластичному веществу, но только если их не нагревать. Стоит это сделать, как деталь сама восстанавливает первоначальную конфигурацию. Эффект памяти был обнаружен еще до Второй мировой войны, с тех пор его научились много где применять.

Что можно делать Практически любые предметы, которые должны менять свою форму без вмешательства человека: от втулок до бюстгальтеров, от протезов до автомобилей.

А что сейчас Эти материалы используются во множестве разных изделий, включая самые оригинальные: еще в 1990-х годах был построен первый робот, ноги которого передвигаются именно благодаря эффекту памяти. Сегодня речь идет о том, чтобы сделать эту технологию еще лучше и дешевле.

5 Высокотемпературные сверхпроводники: не терять электричество

Высокотемпературные сверхпроводникиВысокотемпературные сверхпроводники

Что это При температурах близких к абсолютному нулю некоторые металлы становятся сверхпроводниками, то есть электричество проходит через них безо всякого сопротивления. В последние десятилетия ученым удалось создать материалы, которые становятся сверхпроводниками при высоких температурах. «Высокие» — понятие относительное и означает в данном случае «выше температуры жидкого азота –186 ºС». Но и это уже прогресс.

Что можно делать «…Разработки с применением эффекта сверхпроводимости, особо актуального для наших протяженных территорий. Мы продолжаем терять гигантские объемы энергии при передаче ее по территории страны, гигантские объемы» — так сказал Дмитрий Медведев, обращаясь к Федеральному Собранию в 2009 году. Более прагматичные ученые тут же начали писать заявки на дополнительное финансирование, менее прагматичные — просто ерничать, представляя, как линии электропередачи заливаются жидким азотом для достижения эффекта сверхпроводимости.

Но чисто теоретически такое вполне осуществимо (только должно пройти немало президентских сроков). Можно представить себе сверхпроводящие ЛЭП, которые доставляют потребителю электроэнергию без потерь на обогрев атмосферы. При этом вместо нагромождения проводов можно использовать тонюсенькую сверхпроводящую проволоку, погруженную в охлаждающее вещество. Для этого хватит небольшой трубы и не нужна будет полоса отчуждения в сотню метров шириной.

Это далеко не единственная и, возможно, даже не главная область применения сверхпроводников. Они позволяют строить мощные электромагниты, которые нужны в томографах и для манипуляций с плазмой в термоядерных реакторах. Если сверхпроводники окажутся еще и не слишком дорогими, их можно будет использовать в экспрессах на магнитной подвеске.

А что сейчас Рекорд пока составляет –163 ºС, исследования продвигаются медленно, полноценной теории нет до сих пор. Это одна из особенностей физики: наука знает, что происходило через секунду после Большого взрыва, но при этом не способна предсказать все свойства обычного материала. Более того, никто не знает и того, возможны ли в принципе сверхпроводники, работающие при комнатной температуре.

6 Стекло с добавками: лазер для всех

Стекло с добавкамиСтекло с добавками

Что это Добавление редкоземельных элементов (например, европия) позволяет превратить обычное стекло в активную среду лазера — материал, в котором свет не затухает, а, напротив, усиливается.

Что можно делать Мощные и доступные лазеры, которые можно будет использовать где угодно: хоть при передаче информации, хоть при сварке металла, хоть для термоядерной реакции. Сейчас ученые подбирают все новые добавки, усиливающие нужный эффект.

А что сейчас Стекла с добавками используют при передаче сигналов по оптоволокну. Каждый бит текста с новостного сайта, каждое перемещение героя в онлайн-игре и каждая нота в музыкальном клипе на ютубе — все это преодолело сотни и тысячи километров стеклянных волокон благодаря атомам редкоземельных элементов.

Кстати, в 2010 году одним из лауреатов Государственной премии РФ стал Валентин Гапонцев — физик и самый богатый завкафедрой в России. В начале 1990-х годов Гапонцев разработал и довел до производства лазеры, главный элемент которых представляет оптоволокно с особыми добавками.

7 ДНК-листы: коробочка с белковым замком

ДНК-листыДНК-листы

Что это ДНК известна прежде всего как носитель наследственной информации. Но нити ДНК можно слеплять друг с другом в плоский лист. И тогда получится новый материал с уникальными свойствами.

Что можно делать Например, из ДНК можно собрать микроскопическую коробочку для доставки лекарств в нужный орган или для охоты за вирусами и раковыми клетками. У этой коробочки будет крышка с замком из молекулы белка, который отпирается, получив нужный химический сигнал.

А что сейчас Уже сформировалось целое направление на стыке материаловедения, нанотехнологий и биологии — ДНК-оригами. Самый свежий пример — разработка Массачусетского технологического института, сотрудники которого собрали «коробку», в которую положили другую знаменитую молекулу, РНК. В такой упаковке она может быть перенесена кровотоком в нужное место без риска быть разрушенной по дороге.

8 Метаматериалы: скроить шапку-невидимку

МетаматериалыМетаматериалы

Что это Есть материалы, для которых не очень важно, из чего они сделаны. Их свойства определяет не химический состав, а структура. Метаматериалы — это двух- или трехмерные решетки сложной формы. Они могут обладать отрицательным коэффициентом преломления, этот эффект предсказал еще в 60-х годах советский физик Виктор Веселаго.

Что можно делать Именно из метаматериалов уже не первый год предлагают делать шапки-невидимки, скрывающие от глаз любой объект: световые волны, подчиняясь внутренней структуре метаматериала, будут огибать его со всех сторон. Британский физик сэр Джон Пендри обещал, что вот-вот появится материал, способный сделать невидимым целый танк.

А что сейчас Прогнозы сбываются чуть медленнее, чем хотелось бы. Полноценная шапка-невидимка пока не сшита, достигнута лишь невидимость в микроволновом диапазоне излучения. Но борьба за невидимость дает свои результаты, иногда самые неожиданные. Например, по аналогии с системой отрицательного преломления света создается комплекс защиты от сейсмических волн. Только вместо отдельных атомов — вкопанные в землю резиновые блоки.

9 Гидрофобные поверхности: украсть идею у лотоса

Гидрофобные поверхностиГидрофобные поверхности

Что это Заседание президиума Российской академии наук. Серьезные академики, официальная обстановка… И тут трогательное название доклада: «Эффект лотоса». Речь шла о материалах, способных отталкивать воду. «Этот эффект проявляется в том, что при контакте с таким материалом капля воды принимает форму, близкую к шарообразной, и при небольшом наклоне материала по отношению к горизонту капля с поверхности скатывается, захватывая при движении все загрязнения поверхности… Лист лотоса является лишь наиболее изученным и широко упоминаемым объектом. Хотя эффект лотоса в природе наблюдался давно, систематическое исследование этого явления учеными началось не более десяти лет назад, а получать самые разные материалы, обладающие супергидрофобностью, стало возможным лишь в связи с получением наноматериалов и развитием нано- и микротехнологий», — говорилось в докладе члена-корреспондента РАН Людмилы Бойнович.

Что можно делать Очки, бинокли, ветровые стекла, лабораторную посуду, корпуса мобильных телефонов или даже одежду — хорошо иметь ткань, которая и не мокнет, и не пачкается. Более того, на гидрофобных ступеньках не накапливается влага и, следовательно, не образуется наледь. Дворникам и врачам-травматологам зимой работы может поубавиться.

Кстати, российские ученые в деле спасения линий электропередачи больше надеются именно на эффект лотоса, а не на сверхпроводимость: «Очень важное направление применения супергидрофобности в электроэнергетике — борьба с налипанием снега и льда на электрические провода. Хорошо известно из средств массовой информации, что каждые три-четыре года на значительной территории России обледенение проводов вызывает их обрыв, и света и тепла иногда на многие часы лишаются десятки тысяч человек».

А что сейчас В марте 2012 года компания General Electric объявила о том, что создала прототип покрытия, текстура которого на микроуровне повторяет фактуру лепестков лотоса. Такие материалы предназначены для авиации, где борьба с наледью более чем актуальна. О сроках выхода на рынок, впрочем, не сообщается: сначала надо решить ряд проблем, связанных с долговечностью материала.

10 Саморазлагающиеся материалы: как сделать жизнь короткой

Саморазлагающиеся материалыСаморазлагающиеся материалы

Что это Материалы, которые под действием солнечного света или микроорганизмов быстро разлагаются на безвредные компоненты.

Что можно делать Все, что не требует долговечности: пакеты, упаковочную пленку, рекламные плакаты, мешки для мусора, бутылки, то есть все, что годами лежит на наших газонах и плавает в водоемах.

Есть все основания полагать, что лет через десять обычные пакеты в супермаркетах продавать перестанут, на кассе покупателю предложат только пакет, который через несколько недель расползется на мелкие клочья.

А что сейчас Биодеградируемый пластик уже вышел на рынок. Вопрос только в том, как добиться сочетания низкой стоимости, чистоты производства и удобства для потребителя.

Теперь ты знаешь больше 🙂

// ]]>

Саморазлагающиеся материалы

Новый архитектурный материал в манипуляциях с деревом

Главная страница » Новый архитектурный материал в манипуляциях с деревом

Последние годы индустрия проектно-конструкторских работ, планировки и строительства получала заслуженное признание за использование древесины в массовом строительстве. Между тем относительно легкие, содержащие углерод материалы также вдохновляют новаторов и ученых, заставляют экспериментировать с новыми подходами. Учитывая появление современных легкодоступных коммерческих продуктов, относящихся к высоко-модифицированным изделиям, архитекторские группы предлагают обратить внимание на инновационные примеры технологий и материалов из древесины.

СОДЕРЖИМОЕ ПУБЛИКАЦИИ :

Технологии доступные на текущий момент

Для строительства интерьеров итальянцами разработаны, так называемые «Fold Panels» складывающиеся панели — многомерная система триангулированных деревянных модулей под вертикальный и горизонтальный монтаж:

  • на стенах,
  • на потолках,
  • на перилах и т.п.

Поставляемые плоские трехмерные панели конструктивно поддерживаются алюминиевой рамой и оснащены покрытием в различных вариантах, включая звукопоглощающий войлок и пробку.

Триангулированный деревянный модульТриангулированный деревянный модуль представляет собой интересную разработку с точки зрения архитектурных декораций. Этот материал позволяет создавать необычные геометрические формы

Компания также предлагает «Mesh Sheets» — ячеистые листы, аналогичный продукт, но обладающий более широким спектром геометрических узоров и поверхностных материалов.

Разделенные на меньшие автомодельные единицы, ячеистые листы «Mesh Sheets» условно занимают место где-то между жесткими панелями и гибким текстилем.

Этот новый материал позволяет создавать архитектурные мембраны с функциональными свойствами и внешним видом макро-тканей.

Американские архитектурные декорации

Американская компания «Plyboo» также разработала новые декоративные стеновые панели под названием «Fractal».

Треугольные модули этого продукта имеют размерную плоскость, но при этом визуализируют интерес с помощью маршрутизированных пазов в параллельных линиях.

Равнобедренные треугольники изготовлены из бамбука «Moso», имеют различные цвета и масштабы линейных узоров. Модули могут быть ориентированы для создания оптических иллюзий глубины и движения.

Декоративные настенные панели FractalДекоративные настенные панели Fractal в интерьере одного из популярных ресторанов. Необычный яркий образ, сочетается с футуристической моделью

На сайте компании есть специальный пользовательский инструмент «Fractal design», благодаря которому дизайнеры разного уровня профессионализма имеют возможность моделировать пользовательские шаблоны в различных конфигурациях помещений.

Технологии экспериментального режима

Достижение более высокого уровня обработки достигается сочетанием древесины с другими материалами. Так создаются новые гибридные материалы.

Так, например, компания «Lignacite» (Великобритания), производит бетонные кладочные блоки: Состав блоков «Lignacite»:

  • переработанная древесная стружка,
  • речной песок,
  • гравий строительный.

Компания отмечает: мощные углеродистые блоки «Carbon Buster» характеризуются отрицательной эмиссией углерода и потребляют больше углекислого газа, чем способны выделять.

В дополнение к обогащенной углеродом древесной стружке, углеродистый блок состоит из гранул «Carbon8», представляющих комбинацию углекислого газа, цемента, песка и воды.

Карбон бустер блокКарбон бустер блок — инновационный материал в образе кладочного кирпича, содержащего древесную фактуру. По качеству состав строительных блоков не уступает традиционным кирпичам и блокам

Согласно исследованиям «Инвентаризации углерода и энергии», полученным на базе Университета Бата, каменная кладка «Лигнацит» сравнима с типичными бетонными кирпичными блоками или традиционными строительными кирпичами.

Бетонно-древесный композит

Исследователи из Университета Британской Колумбии также изготовили бетон на основе древесины. Вместо создания блоков каменной кладки, ученые создали неструктурные панели, предназначенные для замены стеновых панелей, столешниц или напольных покрытий.

Древесина «UBC» готовится из сырья местных деревьев, опустошенных лубоедом сосны горной. Как правило, цемент отталкивает органические материалы, подобные дереву. Но по какой-то причине цемент липнет к широко-хвойной скрученной сосне.

Неструктурные панели UBCПримерно таким может выглядеть архитектурный объект, оформленный неструктурными панелями, разработанными по технологии UBC

Необычная совместимость двух разных материалов выражается еще сильнее на древесине, повреждённой лубоедом. В отличие от продукта «Лигнацит», бетон с древесиной, опустошённой лубоедом, содержит древесную щепу вместо гравия.

Материал:

  • легко модифицируется типичными инструментами деревообработки,
  • позволяет вбивать гвозди без предварительного сверления,
  • является водостойким.

Материал также предоставляет пути для коммерциализации древесины, опустошённой лубоедом, которую лесопильные компании разного уровня пытаются обрабатывать обычными способами.

Технологии на уровне умозрительной практики

В Университете штата Мэриленд инженеры разработали процесс изготовления древесины, которая в 12 раз сильнее и в 10 раз жестче традиционны материалов.

По словам ведущего исследователя, модифицированный материал может стать конкурентом стали или даже титановых сплавов, настолько он прочен и долговечен.

Инновационный древесный массив сопоставим с углеродным волокном, но в цене существенно дешевле карбона. Разработанная технология включает удаление лигнина, межклеточного древесного клея с последующим сжатием древесины при низкой температуре.

Древесина силой сталиСтруктура модифицированной древесины, крепче обычной на порядок по многим эксплуатационным параметрам. Изобретатели сравнивают своё детище с титаном

Полученный в результате материал уменьшается на 20% от первоначальной толщины, а внутренние волокна удерживаются сильными водородными связями.

Новую технологию находят очень перспективной в плане дизайна легких, высокопроизводительных конструкционных материалов. Здесь видится огромный потенциал для широкого спектра применений:

  • высокая прочность,
  • большая ударная вязкость,
  • превосходная баллистическая сопротивляемость.

Исследователи ожидают, что этот процесс приведет к замене лиственных пород в производстве мебели и других продуктов.

Оптическая прозрачность дерева

Ученые Королевского технологического института Стокгольма провели аналогичные эксперименты по удалению лигнина на древесине, но с другими результатами.

Вместо того чтобы добиваться свойств усиления структуры, исследователи сделали упор на оптическую прозрачность. Лигнин также отвечает за окраску древесины, и как только этот компонент удаляется, материал приобретает белую окраску.

Оптически прозрачная древесинаОптически прозрачная древесина — это нечто реально инновационное в истории обработки древесного сырья. Изобретатели прогнозируют совсем скоро появление стекол на основе этого материала

Чтобы усилить возможности передачи света вещества, команда экспериментаторов решила пропитать пористый материал прозрачным полимером. В результате получился тонкий субстрат, напоминающий плексиглас.

Этот субстрат, по мнению исследователей, может стать устойчивой альтернативой оконному остеклению и стеклянной поверхности фотогальванических панелей.

Прозрачная древесина — хороший материал для солнечных элементов, поскольку это недорогой, легкодоступный и возобновляемый ресурс.

Следует подчеркнуть: никто ранее не рассматривал возможность создания более крупных прозрачных структур для использования в качестве солнечных элементов и в конструкциях зданий.

Предостережения относительно инновационных технологий

Несмотря на множество впечатляющих инноваций в области обработки древесных материалов, остаются актуальными предостережения. Потребуется улучшить мониторинг цепочки поставок древесины, чтобы избежать уничтожения лесов.

Утрата биологического разнообразия и другие экологические нарушения неизбежны в результате неправильного пользования лесными ресурсами.

Обязательное сохранение лесовОбязательное сохранение лесов — эта задача становится не менее актуальной с развитием инновационных технологий. Восстановить природу так же сложно, как сделать новый материал

Конечно, новые гибриды (такие как древесный бетон), особенно изготовленные на основе древесных волокон, сопровождаются убедительными аргументами в плане обеспечения устойчивости материалов.

Тем не менее, всегда следует проявлять осторожность при создании композитов, в которых исходные ингредиенты не могут быть легко извлечены с целью утилизации. Особенно если компоненты поступают как из биологических, так и технических ресурсов.

Например, лигнин — активный поглотитель углерода с энергетическим содержанием, эквивалентным энергетическому содержанию каменного угля. Но манипуляция клетчаткой способна оказывать влияние на этот потенциал накопления углерода.

В контексте ответственной природоохранной практики, древесина несёт новые возможности, которые обещают массу позитивных преобразований в нынешней и будущей строительной среде.

Поскольку индустрия проектно-конструкторских работ, планировки и строительства становится все более устойчивой к углеродной опасности, изделия из древесины могут мотивировать существенное преображение — вытеснение многих невозобновляемых энергоемких веществ возобновляемой биомассой, содержащей углеродный след.

Учение о композитных материалах

Написано с помощью материалов: Architectmagazine

Роботы и протезы: новый материал обещает прорыв в технологиях

Новый материал может произвести революцию в робототехнике и индустрии изготовления протезов. Он вдвое легче бумаги, гибкий и проводит электрический ток.

Разработка описана в научной статье, опубликованной в журнале Science Robotics.

Роботы-оригами получили название в честь японского искусства складывания фигур из бумаги без помощи ножниц и клея. Корпус такого устройства состоит из цельного листа материала, сложенного особым образом. Поскольку роботам нужно двигаться, обычно используются такие гибкие материалы как резина, бумага или пластик.

Теперь инженеры применили материал на основе платины и углерода. Такой коктейль проводит электрический ток. Это позволяет использовать корпус робота для самых разных целей.

Во-первых, он работает как датчик механического напряжения, функционирующий в реальном времени. Во-вторых, проводящий корпус – готовая антенна для беспроводной связи. Наконец, он может работать даже как обогреватель, если пустить по нему ток. Всё это позволяет обойтись без систем, которыми приходится снабжать более традиционных роботов, и снизить вес устройства.

Новый материал вдвое легче обычной бумаги и примерно втрое легче материалов, обычно используемых для изготовления роботов-оригами. Это позволяет сделать устройство на 30% более энергоэффективным. Кроме того, такой корпус получается огнестойким: вещество выдерживает температуру в 800 °C в течение пяти минут (что, правда, не значит, что при этом не перегреется электроника внутри робота).

Кстати, авторы надеются, что их детище будет использовано и при изготовлении роботизированных протезов. Благодаря лёгкости материала и отсутствию механических датчиков, роль которых выполняет сам корпус, такая искусственная конечность будет на 60% легче аналогов.

Процесс изготовления чудо-материала выглядит так. Обычная целлюлозная бумага замачивается в растворе оксида графена. Затем она погружается в раствор, содержащий ионы платины (авторы также убедились, что можно использовать золото или серебро). Затем заготовка подвергается нагреву до 800 °C в аргоновой атмосфере, а потом – до 500 °C в воздухе.

В итоге получается гибкий и растяжимый лист толщиной 0,09 миллиметра. Он на 70% состоит из металла и на 30% – из аморфного углерода (фактически сажи).

«Мы экспериментировали с различными электропроводящими материалами, чтобы в итоге получить уникальную комбинацию, которая обеспечивает оптимальное распознавание деформации и возможности беспроводной связи. Поэтому наше изобретение расширяет выбор нетрадиционных материалов для изготовления продвинутых роботов», – констатирует Хайтао Ян (Haitao Yang) из Национального университета Сингапура.

Теперь исследователи надеются заменить драгоценные металлы медью, чтобы снизить стоимость разработки. Также они планируют эксперименты с электрохимически активными материалами, чтобы превратить корпус робота в аккумулятор.

К слову, ранее «Вести.Наука» (nauka.vesti.ru) писали о роботе-оригами, который самостоятельно собирается. Также мы рассказывали об устройстве, которое трансформируется словно Оптимус Прайм, и о роботе, научившимся самоуничтожаться.

Искусственный интеллект создал новый материал — Naked Science

Ученым удалось создать без проведения экспериментов материал, обладающий невероятной сжимаемостью и прочностью.

Следующее поколение материалов должно быть адаптивным, многоцелевым и настраиваемым. Это может быть достигнуто с помощью материалов с доминирующей структурой (метаматериалы), которые используют новые геометрии для достижения беспрецедентных свойств и функциональности. 

Однако дизайн метаматериалов опирается на большое количество экспериментов и метод проб и ошибок. Чтобы исправить это и сделать поиск новых соединений более систематическим, команда ученых из Калифорнийского технологического института создала искусственный интеллект, использующий процесс машинного обучения для предсказания свойств будущих материалов и программирования их структуры.

По словам ведущего автора работы, вдохновение к нему пришло при осмотре солнечных парусов. Он подумал о возможности создания такого материала, большую площадь которого можно было бы сжать в небольшой объем. Тогда, по его словам мы могли бы создать велосипеды, зонтики и множество других вещей, которые при желании можно сложить в карман.

Руководствуясь машинным обучением, ученые изготовили два алгоритма, которые вместе преобразовывали хрупкие полимеры в легкие, восстанавливаемые и сверхсжимаемые метаматериалы. Программу макромасштаба ученые настроили для разработки материалов с максимальной сжимаемостью, а микромасштаб предназначался для разработки соединений с высокой прочностью и жесткостью.

Как объясняют авторы работы, наиболее важным аспектом их исследования стал не конкретный созданный материал, а возможность достижения ранее неизменных областей материаловедения с помощью машинного обучения. 

Скопировать ссылку

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *