наноматериалы

В будущем всё изменится до неузнаваемости с появлением гибких гаджетов, шапки-невидимки и «живого» цемента. В лабораториях по всему миру происходит настоящая революция. Ученые получили возможность работать с материей в наномасштабах. Кроме того, они черпают новые идеи в природных материалах. В результате рождаются новые вещества со свойствами, которые раньше можно было встретить только в научной фантастике.

Исследователями при этом движет, конечно, не одно лишь удовлетворение научного любопытства. Эти материалы имеют важное прикладное значение, и с каждым новым найденным применением привычный нам мир всё больше меняется.

Перед вами десять самых невероятных материалов — результаты исследований на острие науки, ожидающие -получения патентов.

10. ФЕРРОМАГНЕТИКИ

ЛЕГКО МЕНЯЮТ ФОРМУ И МОГУТ СТАТЬ НОВЫМ СЛОВОМ В ЛЕЧЕНИИ РАКА
Хотите смастерить настоящего жидкометаллического терминатора (модель Т-1000, робот-убийца со способностью изменять свою форму из фильма «Терминатор-2»)? Советуем взять на заметку ферромагнитные жидкости. Как и Т-1000, они состоят из жидкого металла, форму которого можно менять. Таким способностям эти жидкости обязаны содержащимся в них во взвешенном состоянии микрочастицам магнетита, гематита или другого железосодержащего минерала. В результате у жидкости проявляются магнитные свойства, с помощью которых можно воздействовать на ее форму.

Ферромагнитные жидкости уже просочились в повседневную жизнь. Контролируемые магнитами, они обволакивают вращающиеся пластины жестких дисков наших компьютеров, не позволяя посторонним частицам проникнуть и стереть классные фотки, сохранившиеся с прошлого отпуска. Еще они используются в динамиках. Но это далеко не все возможные применения. NASA активно пытается задействовать их в системах контроля высоты космических аппаратов. Канадские исследователи работают над созданием на их основе зеркал телескопов нового поколения, умеющих подстраиваться под атмосферные турбулентности.

Очень перспективны медицинские приложения: ученые Политехнического университета Виргинии (США) пробуют применить ферромагнитные жидкости с наночастицами оксида железа для лечения рака. Такое вещество можно ввести внутрь опухоли с помощью магнита, а затем индуцировать переменное магнитное поле, которое вызовет колебания жидкости. Выделяемое при этом тепло убьет раковые клетки.

«В идеальном случае за 30 минут нагреются только клетки опухоли, в здоровых же тканях будет поддерживаться нормальная температура», — разъясняет руководящий исследованием профессор Ишвар Пури (Ishwar Puri). И хотя в теории всё выглядит гладко, до клинических испытаний еще далеко.

ПРИМЕНЕНИЕ:

  • управление космическими аппаратами;
  • зеркала телескопов;
  • лечение рака.

9. НАНОЧАСТИЦЫ ЗОЛОТА

НОВЫЙ «ЗОЛОТОЙ СТАНДАРТ» ТЕСТОВ НА ВИЧ
Первые нанотехнологии применялись средневековыми мастерами — изготовителями витражного стекла. Хотя стекольщики были далеки от понимания физики протекающих процессов, они умудрялись внедрять крошечные частицы золота в стекло, что придавало ему, например, рубиновый цвет. В наши дни наночастицы золота не только иллюстрируют библейские сюжеты, но и применяются для тестов на наличие опасных заболеваний, например ВИЧ. Эти тесты более чувствительны к вирусам, а их результаты гораздо проще интерпретировать.

В царстве нанотехнологий, когда мы спускаемся до микроскопических масштабов, материалы начинают проявлять неожиданные свойства. И если слиток золота имеет золотой цвет, то крошечные его частицы, формируя кластеры, могут давать разные оттенки. Исследователи из Имперского колледжа Лондона (Великобритания) придумали, как это использовать. Их система тестирования на ВИЧ насыщена электрически заряженными атомами — ионами золота. Если капнуть на нее сыворотку крови с ВИЧ, то концентрация перекиси водорода в смеси снизится, что приведет к образованию наносгустков из золота неправильной формы. Пропуская свет, они выглядят синими. Если же ВИЧ в крови нет, в смеси с избытком перекиси водорода образуются сферические наночастицы золота, которые будут светиться красным.

Эта сверхчувствительная тест-система способна обнаружить аттограммы (миллиардные доли одной миллиардной грамма) белка ВИЧ в миллилитре сыворотки крови! Чем не новый «золотой стандарт»? Важно, что изменение цвета ни с чем не спутать — его видно невооруженным глазом. Для сравнения: существующие тест- системы требуют специального анализа оттенков с помощью дорогостоящего оборудования.

Профессор Молли Стивенс (Molly Stevens), проводившая исследования, утверждает, что ждать массового применения осталось недолго: «Мы доказали жизнеспособность идеи, проверив образцы человеческой крови с ВИЧ. Осталось лишь сделать технологию мобильной и удобной в использовании. Это займет не больше пяти лет».

Но это еще не всё. Тест-системы можно приспособить для диагностики других заболеваний: малярии, рака простаты и туберкулеза.

ПРИМЕНЕНИЕ:

  • диагностика ВИЧ;
  • обнаружение рака простаты;
  • выявление малярии и туберкулеза.

8. БЛОК-СОПОЛИМЕР ПОЛИУРЕТАНА

ПРОЗРАЧНЫЙ МАТЕРИАЛ, ОСТАНАВЛИВАЮЩИЙ ПУЛЮ НА ЛЕТУ
Представте себе пластину толщиной немногим более 3 см, которая останавливает пулю, летящую со скоростью 350 м/с. Пуля завязнет в ней, не оставив и царапины на поверхности. Можете быть спокойны за свою жизнь, если стекло президентского лимузина или бронетранспортера, в котором вы находитесь, изготовлено из такого материала.

Его название вполне обыденно — блок-сополимер полиуретана. По словам профессора Неда Томаса (Ned Thomas) из университета Райса в Хьюстоне (США), способность этого материала снова сомкнуться в точке проникновения пули объясняется тем, что он плавится при взаимодействии с пулей на большой скорости. Энергия столкновения рассеивается, и это играет ключевую роль в остановке движения пули. Образовавшееся отверстие смыкается после проникновения. Выстроить эту последовательность
профессор Томас смог совсем недавно, изучая материал с помощью электронного микроскопа.

Кроме пуленепробиваемого стекла, полиуретан можно использовать в бронежилетах и в облицовке космических аппаратов и спутников, чтобы защитить их от космического мусора и других быстролетящих частиц, угрожающих серьезными повреждениями. Если вместо полиуретана использовать сталь такой же толщины, эффективность защиты снизится, а вес возрастет в 7 раз, подсчитал Нед Томас.

ПРИМЕНЕНИЕ:

  • защита лопастей турбин реактивных двигателей;
  • броня для спутников;
  • пуленепробиваемые стекла;
  • бронежилеты.

7. ШАПКА-НЕВИДИМКА ИЗ МЕГАМАТЕРИАЛА

ЕСЛИ ПУСТИТЬ СВЕТ В ОБХОД ПРЕДМЕТА ПО ЕГО КОНТУРУ, ТОТ СТАНЕТ НЕВИДИМЫМ

Метаматериалы приобретают свои удивительные свойства не путем наследования их от составляющих материалов, а из-за хитроумной структуры, которую эти материалы воспроизводят. Специальная архитектура позволяет получить характеристики, не встречающиеся в природе, — метаматериалы необычны по определению. «Типичный порядок работы материаловедов — определение свойств уже существующего вещества и поиск его возможных применений. С метаматериалами всё с точностью до наоборот», — объясняет профессор Костас Сукулис (Costas Soukoulis) из университета штата Айова (США).

Задача номер один для материаловедов — создание «шапки-невидимки». Возможности использования такого материала как в военной, так и в гражданской сферах безграничны. Чтобы стать невидимым, метаматериалу необходимы наноструктуры, придающие отрицательный коэффициент преломления. Это искривит световые волны, пустив их по контуру предмета, что сделает его невидимым, будь то самолет или человек.

Согласитесь, звучит невероятно. И это уже не фантастика — ученым удалось воплотить принцип в реальности. Правда, успехи ограничиваются микроволновым диапазоном, а о полноценном управлении видимым спектром говорить пока рано. Эксперимент по отклонению микроволн проводился в лабораторных условиях с помощью громоздкой аппаратуры, и первоначально удалось сделать невидимыми лишь предметы, наблюдаемые из определенной плоскости.

В ноябре 2012 года две группы исследователей — из университета Ионсей в Сеуле (Южная Корея) и университета Дьюка (США) — объявили о создании метаматериала-невидимки, который может скрыть предметы с изменчивой формой. Правда, изменения не должны превышать 10 мм, и работает это только с микроволновым излучением. Так что самолеты не исчезнут с небес в одночасье.

ПРИМЕНЕНИЕ:

  • устройства-невидимки;
  • оптические вычисления;
  • защита космических аппаратов от инфракрасного излучения и радиации;
  • защита зданий от землетрясений;
  • сканирование в медицине.

6. ПРОГРАММИРУЕМАЯ МАТЕРИЯ

СУБСТАНЦИЯ, СПОСОБНАЯ ПРЕВРАТИТЬСЯ В КОФЕЙНУЮ ЧАШКУ… ИЛИ В РОБОТА

Предметы, из которых состоит наш мир, имеют определенную форму, меняющуюся только под воздействием внешних атмосферных факторов или в результате внутреннего разложения. А что, если материалы «оживут» и смогут менять форму по команде? Отвертка превратится в гаечный ключ, армия роботов «распакуется» прямо на поле боя, после доставки туда в виде пачки плоских листов… а прибывший шкаф для одежды сам соберется прямо на ваших глазах!

Снова фантастика? «Программируемая материя» может сделать реальностью предметы, меняющие форму. Что и произошло в лабораториях Массачусетского технологического института (MIT), где запоминающие форму сплавы — металлы, меняющие конфигурацию под воздействием тепла или магнитного поля, — соединяются со сверхтонкими электронными платами. Эти платы выделяют тепло в заданных точках, в результате чего объект самособирается в задуманную учеными структуру. «Мы на пороге нового мира, в котором можно программировать не только вычисления, но и материю», — прогнозирует руководящая исследованием профессор Дэниела Рас (Daniela Rus) из MIT.

Рас с группой ученых удалось запрограммировать самосборку классических фигур оригами (самолетиков и лодочек) из плоских листов. По тому же принципу удалось создать действующего робота-насекомое, который может перемещаться и переносить предметы. «Зачем таскать с собой ящик с кучей разных инструментов — отверток и ключей? Возьмите лучше набор небольших листов, которые сами соберутся в нужный инструмент», — предлагает Рас.

ПРИМЕНЕНИЕ:

  • самособирающиеся роботы;
  • универсальные инструменты.

5. РЕГЕНЕРИРУЮЩИЙ ЦЕМЕНТ

«ИНИФИЦИРОВАННЫЙ» СТРОИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ С УДЛИНИВШИМСЯ СРОКОМ СЛУЖБЫ

Одмешаем споры бактерий в цемент… Хм, похоже на полную ахинею, правда? Вовсе нет — напротив, такой способ улучшения его свойств может продлить срок службы мостов, зданий и дорог на 40%. А если учесть, что только в США президент Обама планирует выделить 50 млрд долларов на ремонт дорог, мостов и аэропортов, выгода применения долговечных материалов становится очевидной, Д-р Хэнк Джонкерс, микробиолог из Далфтского технического университета (Нидерланды), создал цемент, заполненный микробами. Этот материал способен самовосстанавливаться, заделывая внутренние микротрещины, благодаря чему он служит дольше. Трещинки меньше 0,4 мм не снижают общую прочесть конструкции, но в них проникает вода. При замерзании она увеличивает трещины, ослабляя цемент. А еще она может содержать разрушающие его примеси.

«Мы подмешиваем в цемент “регенерирующую добавку” — бактерии в спящем состоянии (споры) и подходящие им питательные вещества в оболочке, — объясняет Джонкерс. — Если в цементе появляется трещина, бактерии получают доступ к пище. Попавшая вода пробуждает споры, и бактерии перерабатывают корм в известняк». Использованные виды бактерий Bacillus cohnii и Bacillus pasteurii безопасны для человека и хорошо адаптированы к щелочной среде цемента. Они преобразуют корм — лактат кальция — в прочный карбонат кальция. Технология требует обкатки в реальных условиях, и если всё пройдет успешно, регенерирующий цемент запустят в производство в ближайшие 4 года.

ПРИМЕНЕНИЕ:

  • тоннели;
  • виадуки;
  • дороги;
  • морские сооружения.

4. ДНК-ГИДРОГЕЛИ

КЛЕЙСТЕР, ПОМНЯЩИЙ ФОРМУ, ГОТОВ К ПРИМЕНЕНИЮ В МЕДИЦИНЕ И ЭЛЕКТРОНИКЕ

Добавление воды разжижает вещество. Но этот новый материал при смачивании принимает определенную форму.

Гидрогели (полимерные цепи, называемые также молекулярными губками) являются очень хорошим абсорбентом. Они могут впитать до 100 собственных масс воды. Сейчас их применяют в контактных линзах и на проводящих контактах для снятия электроэнцефалограмм. Профессор Ло Дань (Dan Luo), исследующий новые области применения ДНК в Корнеллском университете (США), добавил синтезированные цепочки генетического материала в гидрогель.

Для демонстрации исследователи под руководством Ло создали гидрогель, принимающий форму букв D-N-A (ДНК). Без воды гель выглядит как аморфная масса, но стоит ее разбавить — и она сложится в слово DNA. ДНК вмонтирована в этот гель и выполняет роль резиновых стяжек, соединяющихся друг с другом по принципу комплементарности. Синтезируя цепочки ДНК и внедряя их в гель так, чтобы они соединились с соответствующим им генетическим материалом, внедренным в другой участок геля, ученые могут управлять его свойствами.

У гидрогелей многообещающее будущее в медицине — заполненный лекарством гель идеально примет форму раны. В электронике его можно использовать как выключатель, срабатывающий от попадания воды. Если гель с металлическими частицами поместить между контактами и капнуть воду, он съежится и разомкнет цепь.

ПРИМЕНЕНИЕ:

  • каркас для искусственных тканей организма;
  • вкладыши-наполнители с лекарствами для ран;
  • выключатели, срабатывающие от воды.

3. ИОННЫЕ ЖИДКОСТИ

ЭКОЛОГИЧНЫЕ «РАБОЧИЕ ЛОШАДКИ» ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Нагревайте обычную поваренную соль до +800 °С — и получите очень интересный результат. Она не почернеет и не станет выделять едкие газы — просто расплавится, перейдя в жидкое состояние без химического распада, вроде кубика льда, превратившегося в лужицу воды при таянии. В таком состоянии соль становится непревзойденным растворителем.

А вот похожее вещество, тающее при комнатной температуре, — ионные жидкости, или жидкие соли. В отличие от большинства промышленных растворителей с объемом продаж в миллиарды долларов, без которых невозможно себе представить многие современные производства, ионные жидкости не выделяют газы. Может, и не самое примечательное свойство, но подумайте об опасностях для человека и окружающей среды! У ионных жидкостей их намного меньше, чем у других продуктов химической промышленности. Их можно использовать для переноса заряда в батареях и солнечных панелях — химически они стабильны, а значит, служить будут дольше.

Ионные жидкости способны растворить практически всё: от бактерий метициллин-резистентного золотистого стафилококка до ядовитых ртутных примесей, встречающихся в природном газе. Кроме того, они могут открыть новое направление в создании химических продуктов — уж очень необычно взаимодействуют с другими веществами.

Одно из самых перспективных применений ионных жидкостей — хранение водорода, топлива для «зеленых» машин будущего. Сейчас водород сжимают, закачивая в баллоны под высоким давлением. Чтобы топлива хватило на дальнюю поездку, нужен объемный баллон. С помощью ионной жидкости можно хранить большой запас водорода в малом пространстве, выдавая его порциями.

Возможности кажутся безграничными. «Любую технологию, использующую обычные жидкости, можно перевести на ионную жидкость с превосходящими свойствами», — полон энтузиазма профессор Кен Седдон (Ken Seddon), один из руководителей лаборатории ионных жидкостей университета Куинс в Белфасте (Северная Ирландия). Неудивительно, что в этом году ионные жидкости победили по результатам голосования в Британском рейтинге инноваций, составленном Лондонским музеем науки.

ПРИМЕНЕНИЕ:

  • экологически безопасные растворители;
  • топливные элементы для машин;
  • солнечные панели.

2. ГРАФЕН

ПРОЧНЫЙ, ГИБКИЙ, С ХОРОШЕЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ — СКОРО ОН ОКАЖЕТСЯ ВНУТРИ НАШИХ ТЕЛЕФОНОВ
Название вашего материала уже стало синонимом слова «чудо». О новых применениях двумерного листа из чистого углерода сообщают чуть ли не каждую неделю. За прошедший год было опубликовано 10 тыс. посвященных графену научных статей.

Профессор Манчестерского университета (Великобритания) Андрей Гейм получил вместе с Константином Новосёловым в 2010 году Нобелевскую премию по физике за прорывные эксперименты с графеном. Он объясняет, что графен — самый прочный и механически жесткий из известных материалов. Он имеет самое большое отношение площади к весу: один грамм может накрыть несколько футбольных полей.
Плоская структура графена обладает интересными электрическими свойствами — он очень хороший проводник.

Еще 10 лет назад о нем никто не слышал, а в этом году на исследования по графену был выделен один миллиард евро — настолько велики ожидания отдачи. Коммерческие продукты, содержащие графен, начинают выходить на рынок — одним из первопроходцев стала теннисная ракетка австралийского производителя Head. Беглый взгляд на первую десятку компаний, подавших «графе-новые» патентные заявки, — Samsung, Sandisk 3D (производитель 3D-плат) и Xerox — дает понять, в каких областях мы ощутим наиболее значимые перемены.
До недавнего времени графен мог бы легко взойти на вершину нашего списка материалов-чудес — и вполне оправданно. Но появился новичок, который обошел его на самом финише.

ПРИМЕНЕНИЕ:

  • гибкие компьютерные экраны;
  • производительные микропроцессоры;
  • прочные и легкие композиционные материалы (теннисные ракетки и велосипеды);
  • солнечные панели
  • с повышенным КПД;
  • датчики;
  • сканирование в медицине;
  • гибкие элементы питания.

1. СИЛИЦЕН

ЗАБУДЬТЕ ПРО ГРАФЕН — ГРЯДЕТ НОВАЯ РЕВОЛЮЦИЯ В РАЗРАБОТКЕ ГАДЖЕТОВ

С момента открытия в 2004 году графен купался в лучах славы в материаловедении. Но похоже, что отныне пожинать лавры вещества, изменившего электронные технологии, будет другой материал со схожим названием — силицен.

«Силицен — это кремниевый брат-близнец графена», — разъясняет Юкико Ямада-Такамура, профессор Японского института науки и технологии в Исикаве, мировой лидер в изучении силицена. Графен — это слой толщиной с атом углерода, а силицен — такой же слой из атомов кремния.

Многие свойства силицена схожи с графеновыми. Например, он обладает отличной проводимостью, позволяя электронам почти беспрепятственно перемещаться. Но у него есть неоспоримое преимущество перед своим собратом — полная совместимость с уже существующей сегодня электроникой, в основе которой находится кремний. А значит, исследования займут меньше времени, и производство силиценовых электронных устройств обойдется дешевле. При этом плюсы всё те же, что и у графена, — повышение производительности вычислений при меньших теплопотерях. Так что сердцем вашего суперсмартфона будущего станет силицен, а не графен.

Силицен превосходит графен и по структурной гибкости. Графен может существовать только в одной форме — с атомами, особым образом уложенными в плоскую решетку. Структура силицена гибче на атомном уровне они могут выпирать иа плоскости», — объясняет Ямада — Тахамура. Незначительное изменение атомной структуры силицена приведет к проявлению новых электрических свойств, увеличивая спектр его применения.
Силицену пока рано думать о всемирной популярности: его впервые синтезировали лишь в прошлом году исследователи из Германии,
можно сравнивать с мириадами «графепатентов, зарегистрированных по всему миру.
Однако, кажется, именно силицену уготована честь преобразить нашу жизнь.

ПРИМЕНЕНИЕ:

  • электронные чипы;
  • цифровые хранилища данных;
  • нейтрализация загрязнений окружающей
  • среды.