Новые инновационные материалы

Новые инновационные материалы — New innovative materials
Figovsky Oleg & Gumerov Valery – Олег Фиговский и Валерий Гумеров

Аннотация: Новые материалы – основа современных технологий. Композиционные и смарт материалы. Нанотехнологии в создании материалов. Графен и его применение.
Annotation: New materials – the basis of modern technologies. Composite & smart materials. Nanotechnology in Materials Engineering. Graphene and its application.

Ключевые слова: инновации в технологии материалов, нанотрубки и графен, композиты и смарт материалы, нанотехнологии.
Key words: innovation in materials engineering, nanotubes, graphene, composites, nanotechnology, smart materials.

Если несколько глубже копнуть и шире посмотреть на достижения современных инновационных систем, то окажется, что в основе всех вышеописанных достижений, да и не только их, а и многих прочих, не затронутых в наших предыдущих статьях, лежат новые материалы, под которыми разумеются и традиционные материалы, но с улучшенными эксплуатационными характеристиками, и принципиально новые материалы с необычными свойствами. Есть, вообще-то, и третий путь приложения материалов к инновациям, «инженерная смекалка» называется, когда человек использует обычный материал там, где до него никто и не мыслил его применять, либо изменив размерные параметры изделия из этого материала, либо поменяв условия его эксплуатации, либо задействовав вместе два обычных материала таким образом, что их полезные свойства преумножаются, а недостатки нивелируются. Но инженерная смекалка – это особый разговор, здесь же мы просто расскажем про новые материалы: какие, где и кем получены, где применяются, чего ждать от их применения.
Систематические исследования в области новых материалов ведутся учёными многих стран. Так, исследователи из Массачусетского технологического института представили пористый материал, по прочности в десять раз превосходящий сталь. Учёные проанализировали поведение материалов на уровне отдельных атомов структуры. Изучив и протестировав различные трёхмерные модели, учёные выяснили, какая структура позволит создать материал наибольшей прочности. Как показало исследование, на основе графена можно создавать различные трёхмерные материалы, при этом больше внимания уделяется работе с необычной структурой, чем с самим веществом. «Сам материал можно заменить любым другим. Решающую роль играет его структура», – заметил один из авторов исследования, специалист из Массачусетского технологического института Маркус Буэлер. Группе учёных удалось спрессовать тонкие слои графена, используя высокие температуры и давление. В результате получился лёгкий материал, имеющий очень большую площадь поверхности при небольшой массе. Однако, как отмечают исследователи, его структура настолько сложна, что её воспроизведение традиционными способами практически невозможно. Для тестирования использовались модели, отпечатанные на 3D-принтере. В производстве предполагается применять пластиковую или металлическую основу, с помощью которой можно задать структуру материала.

Другой группе учёных из Массачусетского технологического института удалось получить сверхпрочные нановолокна с уникальными свойствами. Глава лаборатории Грегори Рутледж указывает: «В области сверхпрочных нитей крайне редко происходят по-настоящему прорывные открытия. Например, «золотым стандартом» для бронежилетов до сих пор является кевлар, полученный ещё в 1960-х годах. Материал с тех пор неоднократно улучшали, но эволюционным путём. Так происходит потому, что учёным в своих опытах приходится балансировать между жёсткостью, лёгкостью и прочностью на разрыв. Волокна из пластика, на основе стекла или стали — выберите любые два свойства, третье придётся зачеркнуть. Кроме того, изобретение кевлара привлекло в сегмент деньги военных ведомств, и потенциал механических методов воздействия уже во многом исчерпан».
При механическом воздействии на полимеры приходится искать баланс между нагревом и скоростью истечения расплава, из которого получаются нити. Чем выше нагрев и скорость, тем тоньше волокна, но растёт и риск разрыва связей между молекулами. Рутледж говорит, что его команда потратила годы на поиски новых способов обработки волокон и, в итоге, изобрела новый процесс – гель-электроспиннинг. Отдельные нити при этом формируются не с помощью механического воздействия в два этапа, а при помощи электричества в одной камере. Учёный утверждает, что это позволило получить полиэтиленовые нанонити потрясающей прочности – и толщиной всего в сотни нанометров против «обычных» 15 микрометров.
«Нынешние высокопрочные полиэтиленовые волокна, как Spectra или Dyneema, уже в ряду самых жёстких и прочных в пересчёте на вес. Эти новые волокна на один-два порядка меньше в диаметре и за счёт этого при том же весе могут абсорбировать даже больше энергии, не разрываясь», – сообщил Грегори Рутледж.
Глава лаборатории Массачусетского технологического института ожидает, что по мере отработки технологии волокна найдут применение во многих сферах: «Некоторые области приложения мы сейчас даже не представляем, потому что только сейчас получили материал такой степени жёсткости». С другой стороны, исследователь признает, что в своей лаборатории получил очень скромное количество революционного материала. И на пути к коммерческому применению надо преодолеть целый ряд препятствий: «Мы над этим работаем, и гель-электро-спиннинг – важный шаг в этом направлении».
Группа исследователей из Токийского университета, возглавляемая профессором Такузо Айда, создала опытные образцы того, что можно назвать первым в мире «самовосстанавливающимся стеклом». Это «стекло», будучи сломанным, снова соединённым и помещённым под давление на несколько часов при комнатной температуре, полностью восстанавливает свою структуру, обретая изначальную механическую прочность.
Основой самовосстанавливающегося стекла является полиэфир тиомочевины – твёрдый прозрачный полимерный материал, имеющий гладкую поверхность. Этот материал используется в промышленности как сырье для изготовления других полимерных материалов. Его ещё называют термином «молекулярный крахмал», и он обладает свойствами удерживать на своей поверхности органические молекулы биологического происхождения, что и было использовано в данном случае.
Во время работы японские исследователи синтезировали и испытали несколько полимерных материалов, структура которых во многом подобна полиэфиру тиомочевины. Эти материалы прошли через ряд тестов, в которых оценивалась их механическая прочность и эффективность работы функции «самовосстановления». И в ходе этих экспериментов учёные установили, что для создания самовосстанавливающегося стекла необходимо соблюдение четырёх главных условий.
Во-первых, материал должен иметь высокую локальную подвижность относительно коротких полимерных цепочек. Во-вторых, для обретения высокой механической прочности при условии коротких полимерных цепочек, эти цепочки должны соединяться высокоплотными «мостами» водородных связей. В-третьих, наличие большого количества водородных связей не должно приводить к кристаллизации материала. В-четвёртых, структура материала должна способствовать установлению водородных связей.
Все эти условия в максимальной мере выполняются при использовании полиэфира тиомочевины в качестве основного материала. И в будущем может быть разработан целый ряд новых самовосстанавливающихся материалов для разных областей применения, в основе работы которых лежит полиэфир тиомочевины.
Химики и инженеры из Колорадского университета и Калифорнийского университета в Риверсайде разработали прозрачный самозаживляющийся эластичный проводящий материал, который можно использовать для производства аккумуляторов, электронных приборов и роботов. Данный материал может сильно растягиваться, превышая первоначальные размеры в 50 раз. Механические повреждения на нем восстанавливаются за сутки при комнатной температуре, причём это работает без внешних стимулов даже при разделении материала на несколько частей, и свойства восстанавливаются полностью. По мнению авторов технологии, разработанный материал сделает роботов способными «заживлять» механические повреждения, продлит срок работы литий-ионных аккумуляторов, повысит чувствительность биосенсоров, применяемых в медицине и мониторинге окружающей среды. Также его можно использовать при создании «искусственной мышцы» ‒ материала или устройства, способного сокращаться, удлиняться или скручиваться под воздействием тока, давления, температуры.

Изучая строение раковин моллюска, учёные Университета Макгилла в Монреале разработали новый процесс, который резко увеличивает прочность стекла. Во время падения предметы, выполненные с помощью этой технологии, будут деформироваться, а не разрушаться. Если вы посмотрите на внутреннюю поверхность оболочки моллюска, такого как морское ушко, мидия или устрица, вы увидите блестящий переливающийся материал. Это перламутр – то, что придаёт раковинам моллюсков большую крепость, несмотря на то, что внешняя поверхность оболочки раковин почти целиком изготовлена из весьма хрупкого карбоната кальция. Команда во главе с профессором Франсуа Бартелом изучала внутреннее строение перламутра, который состоит из отдельных микроскопических таблеток, сцепляющихся между собой, подобно блокам лего. Исследователи заметили, что границы между таблетками не прямые, а волнистые, как края частей пазла. Учёные воспроизвели эти границы в предметных стёклах микроскопа, используя лазеры для гравировки волнистых 3D-сетей микротрещин внутри них. Когда срезы подвергались удару, микротрещины поглощали и рассеивали энергию, сберегая стекло от разрушения. В общей сложности, обработанные стекла были, как сообщается, в 200 раз жёстче, чем стекла, которые не были обработаны. Франсуа Бартел считает, что будет относительно просто масштабировать процесс до больших листов стекла, он также планирует применить его к другим хрупким материалам, таким как керамика и полимеры.
Учёные из университета Иллинойса разработали способ заживления зазоров в проводах, которые слишком малы для обычной пайки. Процесс нанопайки прост и автономен. Множество углеродных нанотрубок помещаются в камеру, под завязку накачанную металлсодержащими газовыми молекулами. Когда ток проходит через транзистор, соединения нагреваются вследствие сопротивления, и электроны переходят с одной нанотрубки на другую. Молекулы реагируют на тепло, локально осаждая металл и эффективно спаивая соединения. Затем сопротивление падает, снижается температура, и реакция под названием «химическое паровое осаждение» прекращается. Нанопайка занимает считанные секунды и улучшает эффективность устройств на порядок величин − практически до уровня устройств, сделанных из цельных нанотрубок. Метод легко воспроизводится и масштабируется. «Достаточно просто внедрить химическое паровое осаждение в существующие процессы,− сказал профессор Иллинойского университета Джозеф Лайдинг. – Технология химического парового осаждения стандартна и коммерчески доступна. Процедура нанопайки достаточно дешёвая».
Исследовательская группа из лаборатории Беркли обнаружила новый способ искусственного создания внутренних механических напряжений внутри и на поверхности специального сплава железа и висмута, что придаёт этому материалу так называемое свойство запоминания формы. Создаваемые внутренние напряжения проявляются на участках сплава наноразмерного уровня, что позволяет материалу восстанавливать свою первоначальную форму с невероятно высокой точностью.
«Наш железно-висмутовый сплав показал поистине чемпионское значение силы эффекта памяти формы, сохраняя этот эффект на устойчивом уровне вплоть до наноразмерного уровня частиц сплава, − рассказал Джинксин Занг, бывший учёный из отдела материаловедения лаборатории Беркли, – Более того, наша функция памяти формы нового сплава может быть активирована с помощью электрического тока, а не высокой температуры, как это имеет место быть с другими металлическими сплавами. Такая способность позволяет нашему сплаву восстанавливать свою форму намного быстрее, чем другие сплавы».

Эффект памяти формы является «металлическим» аналогом свойства эластичности, когда материал «помнит» свою изначальную форму и возвращается к ней, будучи деформирован с помощью приложенных внешних воздействий. В прошлом для восстановления изначальной формы объектов, изготовленных из специальных металлических сплавов, всегда применяли нагрев объекта до относительно высокой температуры. Это является своего рода проблемой, особенно с учётом того, что сплавы на основе титана и никеля с памятью формы широко используются в медицине при создании имплантатов и механических суставов протезов. Новые электрически активируемые сплавы с памятью формы могут найти широкое применение не только в медицинской области, их можно использовать при создании различных сервоприводов, «умных» материалов и микроэлектромеханических систем (Micro Electro-Mechanical Systems, MEMS).
Материал, восстанавливающий свою форму после снятия нагрузки, может пригодиться при возведении сейсмостойких зданий, утверждают японские учёные. Команда специалистов из Высшей инженерной школы Университета Тохоку под руководством Тосихиро Омори разработала поликристаллический сплав железа, марганца, алюминия и никеля, который возвращается в прежнюю форму при температурах от –196 до 240 ˚С. В этих пределах дополнительное давление, связанное с температурой, растёт на 0,53 МПа с каждым градусом. Как отмечает Омори, одним из преимуществ сплава является его низкая стоимость, что в сочетании с высокой термоустойчивостью обеспечивает широкий спектр применения полученного материала. Его можно использовать при производстве крепежа и элементов управления в автомобилях, самолётах и даже космических аппаратах.
Хотя большинство материалов расширяется при нагревании, есть новый класс резиноподобных материалов, которые не только сами растягиваются при охлаждении, но и автоматически возвращаются обратно к своей первоначальной форме при нагревании, и все без приложения силы. Один из таких материалов был создан учёными из Рочестерского университета. Этот материал, частично сшитый полукристаллический поликапролактон – полимер с памятью формы, поскольку может переключаться между двумя различными формами. Тем не менее, в отличие от других полимеров с памятью формы, материал не надо программировать в каждом цикле – он неоднократно переходит от одной формы к другой, без каких-либо внешних сил, просто при охлаждении и нагревании. Для получения такого эффекта исследователи создали внутри материала постоянное давление. Они начали с молекулярных цепочек, которые были слабо связаны поперечными связями. Материал растягивался с подвешенным грузом, чтобы придать ему нужную форму. В этот момент они дополнительно сшивали полимер и охлаждали его, в результате чего кристаллизация происходила вдоль одного направления. Группа учёных показала, что внутренние силы кристаллизации достаточно сильны, чтобы растянуть материал в одном направлении. После охлаждения ниже 50 °С сегменты полимерной цепи формируют высокоупорядоченные микрослои, называемые ламели. В результате этого длина материала увеличивается более чем на 15 %. После нескольких циклов охлаждения и нагрева, материал имеет запрограммированную форму и возвращается в исходное состояние без заметных отклонений. Учёные планируют применять материал в ряде областей, в которых необходимы обратимые изменения формы, в том числе в биотехнологии, для искусственных мышц и в робототехнике.

Исследователи из Государственного университета Северной Каролины разработали диэлектрическую плёнку, оптические и электрические свойства которой аналогичны свойствам воздуха, но при этом она может использоваться в электронных и фотонных устройствах, что сделает их более эффективными и механически стабильными. Фотонные устройства требуют контраста между свойствами составных материалов, при этом некоторые компоненты имеют высокий показатель преломления, а другие низкий. Чем выше эта разница, тем эффективнее фотонное устройство. Воздух имеет показатель преломления 1, но он не является механически прочным. А самый низкий показатель преломления для твёрдых, встречающихся в природе материалов равен 1,39. Теперь же исследователи разработали плёнку из оксида алюминия, которая имеет показатель преломления 1,025, но механически прочна. «Изменив структуру оксида алюминия, который является диэлектриком, мы улучшили оптические и механические свойств, – говорят авторы статьи. – Ключом к производительности плёнки является высокоупорядоченное расстояние между порами, что придаёт ей механически надёжную структуру, не ухудшая показатель преломления». Сперва исследователи создают высокоупорядоченные поры в полимерной подложке с помощью нанолитографии. Потом этот пористый полимер служит в качестве шаблона, который исследователи покрывают тонким слоем оксида алюминия с использованием молекулярного наслаивания. Затем полимер выжигается, оставляя за собой покрытие из оксида алюминия. Исследователи в состоянии контролировать толщину оксида алюминия, создавая покрытие толщиной от 2 до 20 нм. Используя оксид цинка в том же процессе, можно создать более толстое покрытие. Независимо от толщины покрытия, сама оксидная плёнка получается толщиной около 1 мкм.

Инженеры из Массачусетского технологического института разработали новую полимерную плёнку, которая генерирует электроэнергию за счёт вездесущего источника – водяного пара. Новый материал способен менять форму после поглощения небольшого количества испарённой воды, неоднократно сгибаясь и разгибаясь. Использование данного непрерывного движения способно управлять движением автоматизированных минисистем или генерировать электричество в объёме, достаточном для питания микро- и наноэлектронных устройств, таких, как экологические датчики. «В датчике, который питается батарейками, периодически приходится заменять разрядившиеся элементы питания новыми. Если же есть устройство, собирающее энергию из окружающей среды, то проблема со сменой элементов питания практически нейтрализуется», – сказал Минг Минг Ма, ученый MIT. «Мы ожидаем, что благодаря достижению ещё более высокой эффективности в преобразовании механической энергии в электричество, данный материал найдет ещё более широкое применение», – отметил профессор Роберт Ланджер, научный руководитель этой разработки. Возможно, он будет также использоваться в массивных генераторах, приводимых в действие водяным паром, или в самых маленьких генераторах для питания портативной электроники.
Другая группа инженеров МИТ предложила технологию, использующую плёнку из углеродных нанотрубок для нагрева композитных материалов. Композиционные материалы, используемые для крыльев и фюзеляжа самолётов, как правило, изготавливаются в больших промышленных печах. Несколько полимерных слоёв разрушаются при высоких температурах, и затвердевают с образованием твёрдого упругого материала. Но этот подход требует значительного количества энергии. Исследователи из Массачусетса разработали новую технику на основе плёнок из углеродных нанотрубок, которая позволяет нагревать и делать композит твёрдым без применения массивных печей. При подключении к источнику электроэнергии, плёнка, обёрнутая вокруг многослойного полимерного композита, стимулирует нужные процессы. Технологи испытали материал на углеродном волокне, используемом в авиационных компонентах, и обнаружили, что плёнка создаёт композит, такое же прочный, как при изготовлении в обычных печах, но использует только один процент энергии. Изобретатель метода Бриан Вардл сказал, что новый подход, не требующий печей, предполагает более прямой, энергосберегающий способ изготовления практически любого промышленного композита. По его словам, сама углеродная нанотрубчатая плёнка невероятно лёгкая, после того, как полимерные слои спеклись, эта часть диаметром с человеческий волос, добавит незначительный вес.
Нанотехнологи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха нашли новый способ армирования композитных материалов, основанный на использовании слабых магнитных полей. Популярность композитов обусловлена тем, что они могут опережать металл по удельной прочности и иметь более высокую ударную вязкость, чем керамика. Чтобы получить требуемое сочетание свойств при изготовлении таких материалов с полимерной матрицей обычно используют одномерные армирующие элементы вроде стальных, кевларовых или углеродных волокон диаметром в несколько десятков микрометров. Они увеличивают жёсткость вдоль одной из осей, но делают материал уязвимым в других направлениях. Пытаясь избавиться от подобных нежелательных эффектов, конструкторы создают двумерные массивы из волокон или применяют двумерные армирующие пластины. В природных «композитах» наподобие зубной эмали, дентина или материала, из которого состоят раковины беспозвоночных, структурные единицы, напротив, ориентируются очень точно, а потому никаких проблем с надёжностью не возникает.

Швейцарцы решили задачу такого размещения и выравнивания элементов в матрице композита, используя внешнее магнитное поле. Поскольку традиционные микроразмерные армирующие компоненты плохо реагируют на такое управляющее воздействие, их пришлось предварительно покрывать суперпарамагнитными наночастицами. Выполнив несложные расчёты, исследователи выяснили, что магнитного поля с индукцией всего в 0,8 мТл будет достаточно для ориентирования немагнитных пластин и стержней длиной в 5 и 10 мкм, с нанесёнными на них наночастицами оксида железа. Ориентация микроразмерных элементов в этом случае зависела от того какая часть их поверхности скрыта суперпарамагнитными наночастицами. Армирующие элементы выстраиваются при включении магнитного поля. Учёные измерили механические характеристики готовых композитов, подтвердив их высокую прочность и долговечность.
Особое место в разработке нанокомпозитных материалов занимает графен. Нанокомпозит, содержащий графен и олово, представленный группой учёных из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли департамента энергетики правительства США, способен заметно увеличить ёмкость литий-ионных аккумуляторов и уменьшить их вес. Было установлено, что добавление графена к эпоксидным композитам приводит к увеличению жёсткости и прочности материала по сравнению с композитами, содержащими углеродные нанотрубки. Графен лучше соединяется с эпоксидным полимером, более эффективно проникая в структуру композита. Нанокомпозиты на основе графена можно использовать при производстве компонентов авиатехники, которые должны оставаться одновременно лёгкими и устойчивыми к физическому воздействию.

Учёными в Ок-Риджской национальной лаборатории при Министерстве энергетики США открыт оригинальный метод получения графена в промышленных масштабах. Используя химическое паровое осаждение, команда во главе с Иваном Власюком произвела полимерные композиты, состоящие из листов гексагонально упорядоченных атомов углерода толщиной в атом и площадью 2 квадратных дюйма. «Превосходные механические свойства графена до нашей работы были продемонстрированы в микромасштабе, – заявил Власюк. – Мы увеличили масштаб, что привело к расширению потенциальных применений и рынка для графена». Хотя в большинстве случаев при создании полимерных нанокомпозитов используются крошечные хлопья графена или других углеродных материалов, которые трудно рассеять в полимере, команда Власюка использовала крупные листы графена. Это позволяет избавиться от проблем дисперсии хлопьев и агломерации, а также приводит к лучшей электропроводимости материала с меньшим актуальным количеством графена в полимере. «Мы использовали химическое паровое осаждение, чтобы получить нанокомпозитный ламинат, который проводит электричество благодаря графену, объем которого в композите в 50 раз меньше, чем в современных аналогах», – сообщил Иван Власюк. Так получается материал, обладающий явным конкурентным преимуществом.
Синтез более длинных, более тонких и незагрязнённых углеродных нанотрубок (УНТ) и их эффективная изоляция остаются желанными целями для производителей УНТ. Новые возможности для этого открывает метод, разработанный в Международном Институте Углеродно-нейтральных энергетических исследований Университета Кюсю (Япония), который, используя внешние стимулы, позволяет синтезировать чистые неповреждённые нанотрубки и даже предоставляет возможность их сортировки по длине и хиральности (направлению закручивания). Другие подходы к изоляции или сортировке нанотрубок требуют применения более агрессивных средств, что ведёт к трудоустранимому загрязнению, увеличивает риск повреждения нанотрубок и ухудшения их функциональности. Как заявил автор метода, Наотоши Накашима, для получения УНТ длиной свыше двух микрон, они используют супрамолекулярные полимеры с водородными связями. Собственно синтез инициируется встряхиванием смеси и изменением полярности растворителя. Сортировка происходит благодаря наличию в полимерах полициклических флуореновых групп, распознающих и связывающихся с одностенными нанотрубками меньшего диаметра. Именно такие УНТ имеют наибольшую ценность, так как могут использоваться в оптоэлектронных устройствах, тонкоплёночных транзисторах и сенсорах.
В новом исследовании физики из Калифорнийского университета в Беркли разработали тонкий плащ, способный скрыть в видимом диапазоне объекты любой формы. Один из ведущих мировых специалистов в области метаматериалов Сян Чжан и его коллеги на протяжении многих лет занимались разработкой технологий, позволяющих искривлять световые волны и управлять их отражением. Предыдущие изобретения группы, выполненные в виде накидки, уже позволяли скрыть контуры предметов, но при этом сам плащ-невидимку можно было легко обнаружить, что значительно снижало маскирующую способность устройства. Кроме того эти прототипы были громоздкими и вряд ли могли использоваться за пределами лаборатории. В новой работе команда Чжана использовала плёнку толщиной 80 нанометров, состоящую из крошечных золотых наноантенн. Учёные накрывали наноплащом площадью в 1300 квадратных микрометров микроскопические трёхмерные объекты произвольной формы. Антенны можно было включать и выключать, изменяя их поляризацию. И если в выключенном состоянии на снимке камеры просматривались силуэты накрытых предметов, то после их включения свет отражался от покрытия как от абсолютно гладкого зеркала, скрывая и спрятанные фигуры и покрывающий их материал. «Это первый раз, когда трёхмерный объект произвольной формы удалось полностью скрыть от видимого света, – сообщил Чжан. – Наше ультратонкое покрытие теперь и выглядит как плащ. Его легко изготовить, использовать и потенциально можно масштабировать, чтобы прятать макроскопические объекты». Конечно, если говорить об области применения плаща-невидимки, в первую очередь на ум приходит маскировка военных объектов и шпионские технологии. Но на самом деле возможность управлять взаимодействием между светом и материалом открывает широкие перспективы для более мирных целей. Например, для разработки новых оптических микроскопов, сверхбыстрых оптических компьютеров, систем шифрования и 3D-дисплеев.

Французский Национальный научно-исследовательский центр, занимающийся поиском функциональных макромолекул природного происхождения в качестве альтернатив полимерам химического производства, представил новую комбинацию полимеров на основе полисахаридов и традиционных полимеров, сделав возможным создание ультратонкой плёнки, которая способна к самоорганизации с невиданным разрешением. Получение новой комбинации полимеров на основе полисахаридов и традиционных полимеров позволяет говорить об ультратонкой полимерной плёнке, способной к самоорганизации с разрешением 5 нм (при её использовании в качестве литографического трафарета минимально возможный размер элемента интегральной схемы достигает именно этого значения). Это открывает новые горизонты для увеличения ёмкости жёстких дисков и скорости микропроцессоров. Новый класс тонких плёнок на основе гибридных сополимеров мог бы найти разнообразное применение в гибкой электронике – в таких областях, как нанолитография, биосенсоры и фотогальванические ячейки.
Ультратонкие плёнки, образующиеся на кремнии по механизму самосборки, имеют очень низкую плотность дефектов и механически прочны. Именно поэтому их принято использовать в качестве трафарета в литографии. Французские учёные взялись создать гибридный материал, объединяющий в себе как синтетические полимеры (кремнийсодержащий полистирол), так и макромолекулы на основе природных сахаров. Одним из примеров гибридного сополимера, сформированного сильно несовместимыми элементарными строительными блоками, можно назвать пузырёк масла, прикреплённый к небольшому пузырьку воды. Исследователи показали, что такой тип структуры способен к самоорганизации в цилиндры из полисахарида внутри полимерной кристаллической структуры, образованной традиционным полимером, причём размер каждой структуры равен 5 нм.
Достижение 5-нанометрового структурного разрешения позволяет вообразить многочисленные потенциальные примеры использования такого гибридного материала в гибкой электронике: это, конечно же, миниатюризация литографических элементов (а отсюда и шестикратное увеличение объёма информации, которую можно поместить на флешку), а также увеличение эффективности солнечных батарей, создание биосенсеров и т. д.
Новый способ растянуть фрагмент монокристаллического кремния, который является очень жёстким и хрупким материалом, в 10 раз по сравнению с его первоначальной длиной без использования полимерных подложек предложила группа учёных из Саудовской Аравии. Неорганический монокристаллический кремний является основным строительным компонентом более 90 % всех современных технологий. Однако этому материалу свойственна хрупкость и жёсткость, поэтому он не может быть растянут без предварительного размещения на полимерной подложке. И даже при использовании подложек он может растянуться лишь в 3,5 раза от первоначальной длины. Все это означает, что кремний не может использоваться без доработки в гибкой электронике – области, которая становится все более важной с появлением так называемого «интернета вещей», носимой электроники, электронной бумаги, гибких дисплеев и искусственной «умной кожи». До сих пор учёным никак не удавалось создать кремниевые структуры, пригодные для указанных выше применений, поэтому начались поиски альтернативных полупроводниковых материалов, которые могли бы обеспечить производство электронных компонент, не уступающих по своим параметрам кремниевым. К сожалению, пока этот процесс не увенчался успехом. Найденные полупроводниковые материалы обладают собственными недостатками. В поисках структуры, которая могла бы использоваться во всех перечисленных сферах, группа исследователей из Научно-технического университета Короля Абдаллы (KAUST, Саудовская Аравия) успешно изготовила сеть из гексагональных фрагментов монокристаллического кремния, соединённых между собой спиральными пружинами, которая может растягиваться в 10 раз относительно своей первоначальной длины (увеличивая при этом в 30 раз свою площадь). В рамках работы сходная методика была успешно применена и к другим неорганическим полупроводникам. Создание гексагональной сети команда начала с симуляции, построенной на методе конечных элементов (Finite Element Method, FEM), которая позволила понять, как различные сетевые соединения фрагментов кремния ведут себя под нагрузкой (при растяжении и иной реконфигурации). После того, как они остановились на гексагональной структуре, для создания первого образца были задействованы литографические методики, совместимые с обычными техниками производства CMOS. Надо отметить, что предложенный учёными метод изготовления сети подразумевает использование всего одного шага, т.е. он может быть легко масштабирован на коммерческие проекты. Список потенциальных приложений разработки огромен. Это и сети электронных и оптоэлектронных датчиков, и «умная» кожа для роботов, и носимая гибкая электроника, и биоинтегрированные медицинские устройства, к примеру, биомедицинские датчики.

Учёным из Техасского университета в Остине (США) удалось разработать метод, который позволяет получать высокопроизводительные гибкие интегральные схемы, используя лишь стандартное оборудование и материалы, которые применяются для изготовления традиционных чипов. Прежде, чтобы получить гибкие схемы, исследователи часто прибегали к совершенно новым для полупроводниковой промышленности материалам, таким, как полупроводящие полимеры или неорганические нанопровода. Другие научные группы пытали счастье, используя новые приёмы в работе с привычным поликристаллическим кремнием, или же осаждали разные формы кремния на гибкие пластиковые подложки. Учёные попробовали найти удобный и экономически целесообразный способ, позволяющий нарезать обычные кремниевые подложки («вафли») на ещё более тонкие листы, которые в силу своей «худобы» обретают гибкость, предложив начать с нанесения желаемого «рисунка» интегральной схемы на поверхность стандартной 200-миллиметровой кремниевой пластины, используя «старые» производственные линии. Толщина таких пластин – около 600-700 мкм, гибким же кремний становится при толщине порядка нескольких десятков микрон. Именно такой слой с уже нанесённым на него «рисунком» и нужно отделять от остальной подложки.
Сделать это удалось весьма оригинальным способом. Подложку с подготовленным «рисунком» гальванически покрыли тонким 50-100-микрометровым слоем никеля. Затем полученную металлизированную подложку нагрели до 100 оС. При нагревании кремний и никель расширяются с разными скоростями, что приводит к стрессу, которому подвергается кремний. В результате на краях подложки, в 20-30 мкм от широкой плоскости, возникает разлом (помогает нанесённый на широкую поверхность рисунок схемы, снижающий сопротивление материала в верхних слоях). Используя очень тонкую проволочку, разлом углубляется сквозь весь объем подложки. Процесс можно сравнить с нарезанием струной тонких кусочков сыра. После удаления никеля (возможно, в кислом растворе) остаётся тонкий и гибкий кремниевый лист с заранее нанесённым «рисунком» интегральной схемы. Эта технология сразу же была одобрена производителями полупроводниковых микросхем. Так, нанотехкомпания SVTC (США) опробовала методику для создания многослойных трёхмерных чипов.

Инженеры из Массачусетского технологического института научились собирать микроскопические полимерные провода в трёхмерные структуры. Это позволит в будущем создавать микрочипы с многослойным расположением контактов. Миниатюризация микрочипов с проводящими проводами из кремния ограничивается возможностями фотолитографии, которая применяется для их изготовления. Чтобы сделать элементы микросхем как можно меньше, изготовители используют свет все меньшей длины волны, вплоть до жёсткого ультрафиолета. Учёные решили исследовать возможности альтернативной технологии – изготовления микроскопических проводов из структур, которые образуются сополимерами. Авторы сшивали две отталкивающиеся друг от друга молекулы полимеров в одну, получая вещество, способное самопроизвольно собираться в цилиндрические структуры. Подобным образом ведут себя поверхностно-активные вещества, которые сами способны образовывать мицеллы.
Структуры, которые образуют сополимеры, не вполне регулярны и имеют множество дефектов. Чтобы добиться большей регулярности, учёные решили использовать направляющую подложку. Подложка была изготовлена из кремния методом литографии с помощью пучка электронов. Она представляла собой поверхность с регулярно расположенными вертикальными цилиндрами. Перед нанесением полимеров подложку обрабатывали отталкивающим веществом. В результате использования подложки полимеры сформировали два слоя параллельно расположенных проводящих цилиндров. Расположение цилиндров в слоях было независимо друг от друга и контролировалось только структурой подложки, а именно размером и формой цилиндров на её поверхности. Авторам удалось также заставить проводящие цилиндры изгибаться под острыми углами и образовывать соединения, и они считают, что в будущем она сможет помочь изготовителям микрочипов преодолеть дифракционный предел миниатюризации.

Исследователи из Японии и Швейцарии продемонстрировали возможность связывания между собой отдельных молекул с помощью проводящих ток молекулярных нанопроводов. Это открытие является важным шагом к созданию мономолекулярной электроники, что позволит во много раз уменьшить размеры привычных нам электронных устройств. Как рассказал руководитель группы учёных Юйдзи Окава, ключом к мономолекулярной электронике является объединение функциональных молекул в единую цепь с помощью токопроводящих нанопроводов. Сложностей в этой задаче две: как расположить нанопровода в нужных местах и как соединить их с функциональными молекулами химической связью.
Ранее учёные предпринимали попытки связывать молекулы с помощью металлических проводов, однако это оказалось слишком сложным вследствие невозможности создания проводов заданного диаметра. Другим подходом было использование токопроводящих полимеров, но таким способом удавалось объединить лишь небольшое количество молекул. Исследователи из группы Окавы взяли в качестве исходного субстрата мономолекулярную плёнку из диацетилена, нанесённого на графитовую подложку. Затем на него было нанесено небольшое количество фталоцианина, из которого на поверхности субстрата образовались нанокластеры. На заключительном этапе исследователи переместили щуп сканирующего туннельного микроскопа к одной молекуле фталоцианина и, подав на щуп пульсирующее напряжение, инициировали цепную полимеризацию диацетилена, в результате чего образовался полимерный нанопровод, который можно дотянуть до другой молекулы фталоцианина.

Учёные Массачусетского технологического института научились создавать лишённые дефектов плёночные нанокристаллы и собирать из них сложные структуры. Достичь небывалой точности изготовления плёнок полупроводников инженерам удалось, немного изменив процесс их производства. Между кремниевой основой и плёнками нанокристалов учёные помещали тонкий слой полимера, который помогал двум поверхностям плотно прилегать друг к другу. Сами нанокристаллы при этом «вырезали» при помощи электронного луча. Созданная авторами технология позволяет собирать из нанокристаллов сложные структуры, причём ошибка при позиционировании их элементов не превышает 30 нанометров. В качестве иллюстрации возможностей метода авторы создали логотип института «MIT», выложенный плёнками. В отличие от традиционных методов изготовления созданные авторами кристаллы не имели дефектов. Поэтому их проводимость была в 180 раз больше, чем у кристаллов, имеющих изъяны и трещины. Управляя размерами нанокристаллов и квантовых точек, можно изменять спектр поглощаемого и испускаемого ими света. Чем точнее процесс изготовления, тем лучше можно контролировать электронные свойства плёнок и частиц. В будущем нанокристаллы могут стать основой создания новых солнечных панелей, светочувствительных матриц и цветных дисплеев.
Аспиранты Университета Центральной Флориды, Соруш Шабаханг и Джошуа Кауфман нашли способ дешёвого массового производства наночастиц, что может в корне изменить технологию изготовления лекарственных препаратов. Суть нового способа заключается в использовании тепла для разделения тонких волокон на одинаковые наночастицы. Тепло попросту разделяет расплавленные волокна на сферические капли – как вода, капающая из крана. Открытие было сделано случайно. Учёные многие годы ищут способ создания сверхчистого стекловолокна для оптических кабелей. Они расплавляли и растягивали стекловолокно в ходе обычных рутинных экспериментов, но заметили, что вместо тонкого идеального стекловолоконного кабеля получились микроскопические сферы. Этот новый нехимический метод позволяет создавать большое количество одинаковых частиц любого размера. Таким образом, впервые нанотехнологии можно запустить в массовое производство. Учёные собираются с помощью новой технологии создать наночастицы, способные доставлять лекарственные препараты. В частности, одним из самых перспективных направлений является создание частиц, способных доставлять препараты, убивающие определённые раковые клетки.

Химики из Ливерморской Национальной лаборатории Лоуренса создали новый способ получения аэрографена – необычайно лёгкого материала с уникальными свойствами. Когда мы говорим о чем-то лёгком и невесомом, то часто употребляем прилагательное «воздушный». Однако воздух все равно обладает массой, хоть и небольшой – один кубометр воздуха весит немногим более килограмма. Можно ли создать твёрдый материал, который занимал бы собой, к примеру, кубический метр, но при этом весил бы меньше килограмма? Такую проблему решил ещё в начале прошлого века американский химик и инженер Стивен Кистлер, который известен как изобретатель аэрогеля.
Собственно, гель – химический термин, которым называют систему, состоящую из трёхмерной сетки макромолекул, своего рода каркаса, в пустотах которого находится жидкость. За счёт этого молекулярного каркаса тот же гель для душа не растекается по ладони, а принимает осязаемую форму. Но назвать такой обычный гель воздушным никак нельзя – жидкость, которая составляет большую его часть, почти в тысячу раз тяжелее воздуха. Вот тут у экспериментаторов и возникла идея, как сделать ультралёгкий материал.
Если взять жидкий гель, и каким-то способом убрать из него воду, заменив её на воздух, то в результате от геля останется только каркас, который будет обеспечивать твёрдость, но при этом практически не иметь веса. Такой материал и получил название аэрогеля. С момента его изобретения в 1930 году среди химиков началось своего рода соревнование по созданию самого лёгкого аэрогеля. Долгое время для его получения использовали в основном материал на основе диоксида кремния. Плотность таких кремниевых аэрогелей составляла от десятых до сотых долей грамма на кубический сантиметр. Когда в качестве материала стали использовать углеродные нанотрубки, то плотность аэрогелей удалось уменьшить ещё практически на два порядка. Например, аэрографит имел плотность 0,18 мг/см3. На начало 2015 года пальма первенства самого лёгкого твёрдого материала принадлежала аэрографену, его плотность всего 0,16 мг/см3. Для наглядности, метровый куб, сделанный из аэрографена, весил бы 160 г, что в восемь раз легче воздуха.
Однако химиками движет отнюдь не только спортивный интерес, и графен в качестве материала для аэрогелей стали использовать совсем не случайно. Сам по себе графен обладает массой уникальных свойств, которые во многом обусловлены его плоской структурой. С другой стороны, аэрогели тоже имеют особенные характеристики, одна из которых – огромная площадь удельной поверхности, которая составляет сотни и тысячи квадратных метров на грамм вещества. Такая огромная площадь возникает из-за высокой пористости материала. Совместить специфические свойства графена с уникальной структурой аэрогелей у химиков уже получилось, но исследователям из Ливерморской национальной лаборатории (США) для создания аэрографена зачем-то понадобился ещё и 3D-принтер.
Для того чтобы напечатать аэрогель, сперва потребовалось создать специальные чернила на основе оксида графена. Помимо того, что из них должен получиться аэрографен, надо, чтобы такие чернила были пригодны для 3D-печати. Решив эту задачу, химики получили в свои руки метод, по которому можно изготавливать аэрографен с нужной микроархитектурой. Это очень важно, поскольку кроме свойств, присущих графену, такой материал будет иметь ещё и интересные физические свойства. Например, тот образец, который получили авторы исследования, оказался на удивление упругим – кубик из аэрографена можно было без вреда для материала сжимать в десять раз, при этом он не терял своих свойств при повторных сжатиях-растяжениях.
Способность к многократному сжатию отличает напечатанный аэрографен от полученного «обычным» путем. Одним из практических применений нового аэрографена могут стать гибкие электрические аккумуляторы, где большая внутренняя поверхность материала будет использована в качестве электрода, в то время как напечатанная структура придаст ему нужную гибкость.
Химики Ливерморской национальной лаборатории создали гибкий и эластичный аэрогель. Для создания эластичного материала с уникальными теплоизолирующими свойствами учёные испробовали два способа производства. В первом варианте основу традиционного кварцевого аэрогеля (геля, в котором жидкая фаза заменена воздухом) покрывали полимером, который лишал материал избыточной хрупкости и придавал ему прочность. Во втором варианте изготовления аэрогель создавали из гибкого полимера (полиимида), молекулы которого дополнительно сшивали между собой в плотную сеть. Получившиеся материалы были в 500 раз более прочными, чем известные аэрогели из кварца. При этом они сохраняли уникальные теплоизолирующие свойства, присущие таким материалам. Например, лист аэрогеля толщиной в 5 миллиметров оказался способен сохранять тепло так же, как слой стекловаты толщиной в шесть сантиметров. При этом он был во много раз легче последнего. Единственным недостатком гибких аэрогелей оказалась их чувствительность к высоким (более 300 градусов Цельсия) температурам. Исследователи считают, что новые материалы из-за их эластичности можно будет применять для создания тонкой и эффективной теплоизоляции одежды, туристического снаряжения, бытовых приборов и строений. Применение традиционных кварцевых аэрогелей вне космической индустрии во многом сдерживалось, помимо стоимости производства, именно их высокой хрупкостью.

Группа учёных, финансируемая Управлением по атомной энергетике Министерства энергетики США, разработала новый материал, способный удалять радиоактивные материалы из отработанного ядерного топлива. В будущем металлорганические структуры (MOF) смогут эффективно удалять летучие радиоактивные газы из отработанного ядерного топлива и таким образом сделать ядерную энергетику более безопасной и экологически чистой. Кроме того, появится возможность очищать от радиоактивных материалов аварийные ядерные реакторы. Отработанное ядерное топливо может перерабатываться с целью восстановления расщепляющих материалов и создания свежего топлива для атомных электростанций. Такие страны, как Франция, Россия и Индия, активно занимаются подобной переработкой, которая, к тому же, уменьшает объем высокоактивных отходов.
Одной из основных проблем переработки является удаление и изоляция радиоактивных компонентов, которые не могут повторно использоваться в качестве топлива. Учёные сосредоточили внимание на удалении йода, изотопы которого имеют огромный период полураспада – 16 миллионов лет. Исследователи изучили различные известные материалы, в том числе серебряный цеолит – кристаллический, пористый минерал с большой площадью поверхности и высокой механической, термической и химической стабильностью. Особая структура цеолита при добавлении серебра позволяет захватить и удалить радиоактивный йод из отработанного ядерного топлива. Однако, серебро стоит дорого и само по себе загрязняет окружающую среду, поэтому учёные попытались создать материал, работающий как цеолит, но без серебра. В итоге была создана металлорганическая структура ZIF-8. Металлорганическая структура является кристаллическим пористым материалом, в котором металлический центр связан с органическими молекулами в процессе химического синтеза. Белый порошок ZIF-8 изготавливается из относительно дешёвых коммерчески доступных веществ, позволяет эффективно удалять радиоактивный йод и помещать его в стеклянные контейнеры для длительного хранения.
В Институте Карнеги (США) получена новая форма очень твёрдых углеродных кластеров. Новый материал, совмещающий в себе элементы аморфной и кристаллической структур, неожиданно оказался твёрже алмаза. Углерод – четвёртый по распространённости элемент во Вселенной, он существует во множестве форм: похожий на пчелиные соты графен, «карандашный» графит, твёрдый алмаз, цилиндрические нанотрубки и, наконец, полые фуллерены. Некоторые из форм углерода кристаллические, другие формы аморфные, что свидетельствует об отсутствии дальнего порядка. Безусловно, можно вообразить существование и своего рода гибридных продуктов, совмещающих элементы как кристаллической, так и аморфной структуры. Правда, в реальной жизни ничего такого для углерода до сих пор получено не было, хотя наука никогда не отрицала принципиальной возможности создания «гибридов».

Сотрудники Института Карнеги неожиданно для себя умудрились закрыть этот пробел, а начинали они с приготовления фуллеренов С60, в пространство между которыми внесли органический растворитель ксилол. Затем полученную систему спрессовали, чтобы всего лишь посмотреть на последствия стресса такого сорта. При относительно низком давлении фуллерены сохраняли стойкость конструкции, однако при дальнейшем увеличении силы сдавливания фуллереновые структуры разрушались с образованием более аморфных кластеров. При этом сами кластеры продолжали занимать вполне определённые места, образуя подобие кристаллической решётки. Помимо обнаружения новой формы углерода, учёные определили, что её получение возможно только в очень узком интервале давлений (около 320000 атмосфер), при которых углеродная структура образуется и не возвращается в исходное фуллереновое состояние после снятия давления.
Материал испытали на сдавливание в алмазной наковальне. При этом вмятина совершенно неожиданно осталась на самом алмазе, а это значит, что открыта новая сверхтвёрдая форма углерода. В процессе сдавливания фуллеренов при отсутствии растворителя материал терял свою кристаллическую периодичность. А поскольку существует множество похожих на ксилол растворителей, то теоретически возможно создание целого набора новых чуть различающихся углеродных аморфно-кристаллических решёток простым сдавливанием. Интересно, что, по аналогии с самим алмазом, новая структура, полученная при высоких давлениях, совершенно стабильна в нормальных условиях и может найти широкое практическое применение в самых разных областях.

Физики из университета Яньшаня в городе Циньхуандао (Китай) создали особый наноматериал на основе микрокристаллов кубического нитрида бора, превосходящий по твёрдости и другим качествам алмазы, что позволит применять его для резки тех материалов, с которыми не справляются лучшие алмазные резцы. Кубический нитрид бора (cBN), или эльбор, представляет собой соединение атомов азота и бора, объединённых в особые «кубические» кристаллы. Данный материал уступает по твёрдости только алмазу, а по многим другим параметрам превосходит его. Порошок из кристаллов эльбора широко используется в качестве абразивного покрытия для промышленных станков, а крупные кристаллы – в качестве основы для резцов. Группа физиков под руководством Юнцзюня Тяня смогла превратить кристаллы эльбора в наноматериал, превосходящий по твёрдости алмаз, экспериментируя с наночастицами из нитрида бора. Как объясняют физики, чем меньше частицы эльбора, тем твёрже будет наноматериал, собранный из спрессованных частиц этого вещества. Физикам удалось создать материал на основе его наночастиц размером 14 нанометров, что позволило нитриду бора вплотную приблизиться к алмазам. Дальнейшее увеличение твёрдости затруднено тем, что меньшие наночастицы плохо «склеиваются» друг с другом из-за аномалий, которые появляются на гранях склеиваемых кристаллов. Тянь и его коллеги нашли способ преодолеть эту проблему, использовав в качестве исходного сырья не кубический нитрид бора, а его «луковичную» разновидность. Кристаллы этой разновидности BN представляют собой сферические микрочастицы, с «ямками» и «холмами» на их поверхности, которые делают их похожими на луковицы. Успешно синтезировав наноматериал, учёные проверили его на прочность, попытавшись разломать его кристаллы при помощи высокого давления. Оказалось, что новый вид кубического нитрида бора превосходит по прочности алмаз. Так, для его деформации необходимо давление, превышающее 108 ГигаПаскаль, что несколько больше аналогичного показателя для синтетических алмазов – 100 ГигаПаскаль. Этот материал на основе нитрида бора имеет и несколько других преимуществ по сравнению с алмазами. В частности, он дешевле алмазов и может выдерживать нагрев до температур в 1300 градусов Цельсия в присутствии кислорода без заметного ухудшения свойств. Как полагают исследователи, их детище может использоваться не только в качестве абразивного материала, но и в роли покрытия режущих инструментов. В пользу этого говорит то, что данный наноматериал на 27% лучше сопротивляется изломам, чем карбид вольфрама (победитовый сплав), широко используемый в производстве металлообрабатывающего инструмента.

Группа учёных из Пенсильванского университета стала первой, кому удалось вырастить образцы нового уникального двухмерного материала, толщина которого равна трём атомам и который называется дителлурид вольфрама. В отличие от более изученных двухмерных материалов, дителлурид вольфрама обладает тем, что называется топологическим электронным состоянием. Это, в свою очередь, означает, что материал может обладать сразу несколькими различными электронными свойствами, а не одним, как другие материалы.

Теория, определяющая то, что двухмерные материалы могут обладать топологическими электронными состояниями, была разработана не так давно Чарльзом Кэйном и Кристофером Брауном, профессорами из Пенсильванского университета. И после того, как группе профессора Джеймса Киккоа удалось синтезировать первые образцы дителлурида вольфрама и измерить их свойства, эта теория получила практическое подтверждение. Новый материал был получен при помощи метода химического осаждения из парообразной фазы. Учёные использовали трубчатую печь, в которую был помещён вольфрамовый чип. Когда все это было нагрето до необходимой температуры, внутрь печи был закачан газ, содержащий атомы теллура. Дителлурид вольфрама очень быстро разрушается на открытом воздухе, но учёным удалось найти способ защитить его на время, достаточное для изучения его свойств.
Первым открытием стало то, что новый материал растёт кристаллами прямоугольной формы, а не треугольной, как некоторые другие материалы. «Поскольку дителлурид вольфрама имеет структуру, толщиной в три атома, отдельные его участки могут быть устроены немного по-разному, – пишут исследователи. – Эти три атома могут быть смещены друг относительно друга на разные расстояния, и это определяет разницу между свойствами отдельных участков материала».
Ещё одним из свойств дителлурида вольфрама есть то, что он является топологическим изолятором. Это, в свою очередь, означает, что любой электрический ток, текущий через материал, движется только по граничным слоям материала, а не по всему объёму, как это происходит в обычных металлах. Это удивительное свойство можно использовать для управления распространением электрического тока, направляя его строго по заданному пути.
Учёные научились выращивать достаточно большие плёнки дителлурида вольфрама, что позволит в ближайшем будущем более тщательно изучить все свойства материала. И, способность этого материала иметь сразу несколько свойств станет очень полезной для области квантовых вычислений, которые производятся на уровне отдельных атомов и субатомных частиц.
Исследователи из университета Райс в Хьюстоне, Техас, разработали технологию, как «размельчить» каждый элемент традиционной аккумуляторной батареи и смешать полученный порошок с жидкостью, которую можно наносить слоями на поверхность любой формы подобно краске из баллончика или пульверизатора. «Это означает, что аккумуляторы в стандартной упаковке уступают место более гибкому подходу, который подойдёт ко всем видам конструкции и дизайна, предоставляя широкие возможности для миниатюрных систем хранения и обработки данных», – рассказал Пуликель Аджаян, ученый, возглавлявший команду.

Новая аккумуляторная батарея делается методом последовательного нанесения слоёв на поверхность. Каждый такой слой является компонентом традиционного аккумулятора: два электрода (катод и анод) и полимерный диэлектрик, разделяющий электроды. Исследователи подтвердили, что аккумуляторные батареи, нанесённые на поверхность вручную, имеют почти одинаковые характеристики, отличающиеся друг от друга не более чем на 10 процентов. Испытания показали, что аккумуляторы могут выдержать 60 циклов зарядки и разряда практически без потерь электрической ёмкости и других характеристик. Новый аккумулятор состоит из нескольких слоёв, выполняющих разные функции:
— Первый слой является смесью углеродных нанотрубок с мельчайшими частичками сажи, замешанной на органическом растворителе N-methylpyrrolidone. Этот слой выполняет роль токопроводящей подложки, наносимой первой на любую – токопроводящую или диэлектрическую – поверхность.
— Второй слой является катодом аккумуляторной батареи. «Краска» для этого слоя состоит из окиси лития-кобальта, углерода в виде сверхтонкого графитного порошка.
— Третьим слоем является слой полимерного диэлектрика, состоящего из смеси резины Kynar Flex, полимера РММА и частиц диоксида кремния, замешанной на этаноле.
— Четвертым слоем является анод, отрицательный электрод аккумулятора, который состоит из смеси окиси лития и титана.
— Заключительный слой является ещё одним токопроводящим слоем, сделанным с помощью токопроводящей медной краски, растворенной в этаноле.
Слои аккумуляторной батареи наносятся на керамику, стекло и на металл, поверхность которых может иметь любую сложную форму. Единственная трудность, с которой сталкиваются при изготовлении таких батарей – это нанесение слоя жидкого электролита, который должен наноситься в сухой окружающей среде, не содержащей кислорода. Но исследователи активно ищут новые компоненты, использование которых позволит наносить слои аккумуляторных батарей прямо под открытым небом, что позволит сделать производственный процесс более универсальным и более жизнеспособным с коммерческой точки зрения.
Для проверки работоспособности аккумуляторных батарей исследователи нанесли их на шесть керамических плиток, используемых для облицовки ванных комнат. Соединённые между собой в единую батарею, которая затем была заряжена до максимума, эти керамические плитки снабжали энергией несколько светодиодов, выдавая в течение шести часов стабильное напряжение 2,4 В.

Учёные из американского Университета Райса объявили о том, что им удалось достичь значительных успехов в деле создания электрического кабеля, токопроводящие части которого состоят из углеродных нанотрубок. Такие электрические кабеля, обладая высокой электрической проводимостью, станут основой высокоэффективных сетей передачи электроэнергии будущего. Главным технологическим препятствием, с которым сталкивались попытки разработки нанотрубочного чудо-кабеля, по словам учёного-химика Эндрю Баррона, является трудность изготовления большого количества однородных нанотрубок большой длины. Учёные Университета Райса продемонстрировали новый способ взять маленькие партии относительно коротких нанотрубок и с помощью некоторых ухищрений увеличить во много раз их длину. Затем полученные нанотрубки снова могут быть разделены на более короткие и снова подвергнуты процессу каталитического увеличения длины. Такой процесс может повторяться сколько угодно большое количество раз до получения достаточно толстого проводника, состоящего из однородной массы углеродных нанотрубок. С помощью кабеля, названного Armchair quantum wire (AQW), сотканного из длинных нанотрубок, можно будет передавать электроэнергию на большие расстояния с незначительными потерями, которые во много раз меньше, чем тот 5% допустимый предел потерь на 200 километров передачи, который является нормативом для обычных линий передачи на основе меди или алюминия. Ключом к успеху создания новой технологии стал правильный баланс между уровнем температуры, давления, временем проведения реакций и составом используемого катализатора. Оптимальное соотношение, на поиск которого у учёных ушло более полугода, позволило наращивать длину углеродных нанотрубок практически до неограниченной длины.
Коллектив китайских исследователей из Университета Цинхуа (Пекин) предложил использовать для хранения энергии бездефектные сверхдлинные натянутые углеродные нанотрубки. Для получения сверхдлинных нанотрубок учёные использовали SiO2/Si подложку, в которой были проделаны специальные канальца, для получения «свободностоящих» трубок. Сами нанотрубки (длиной до 10 см) получали разложением метана при 1000 оС на катализаторе (наночастицы железа). Чтобы визуализировать «свободностоящую» часть нанотрубки на неё были нанесены частицы TiO2, распылением аэрозоля TiCl4. Благодаря высокой жёсткости (модуль Юнга Е = 1,34 ТПа) и прочности (предельная деформация до 17 %), плотность энергии деформированных нанотрубок может достигать 1125 В•ч/кг, что в 3 раза превосходит плотность энергии в супермаховиках, в 5-8 раз плотность энергии в литий-ионных батареях и в 25000 раз превосходит плотность энергии, запасённой в деформированных струнах.

Результаты новых исследований, выполненных датскими учёными Национальной лаборатории устойчивой энергетики, позволят производить более прочные и более лёгкие автомобильные детали и узлы, изготовленные из так называемых нанометаллов. Нанометаллы – это те же самые металлы, отличающиеся от обычных металлов весьма малым размером «зёрен» их кристаллической структуры. Такое строение нанометаллов придаёт этим материалам высокую прочность, но при воздействии высоких температур, которые применяются в производственном процессе, кристаллическая структура нанометалла разрушается и материал теряет изначальную прочность. Датские учёные, работающие в направлении получения устойчивых нанометаллов, объединились с двумя европейскими компаниями-автопроизводителями, чтобы совместными усилиями разработать материал на основе алюминия, из которого будут производиться прочные и лёгкие детали кузовов легковых автомобилей. Проводя свои исследования, Тиэнбо Ю, студент Датского технического университета, обнаружил, что границы между «зёрнами» кристаллической структуры металлов могут переместиться и стать размытыми под воздействием высокой температуры. Такое поведение кристаллической структуры приводит к укрупнению «зёрен», что существенно уменьшает прочность материалов. Чтобы стабилизировать кристаллическую структуру нанометаллов, удержав на месте границы между «зёрнами», учёные ввели в состав алюминия инородные наночастицы, изготовленные из особого материала. Это привело к тому, что структура такого материала становилась практически нечувствительной к высокой температуре, а сам материал не терял своей прочности после завершения процесса горячей штамповки и других видов металлообработки. Изготовленные из алюминиевого нанометалла детали кузова легкового автомобиля показали во время проведения краш-тестов меньшую деформацию, чем те же детали, выполненные из стали, имеющей в два раза большую толщину.

Израильская компания ApNano Materials использовала нанотехнологии для создания сверхпрочного материала. Исследования велись группой учёных Института Вайцмана под руководством профессора Решефа Тене и доктора Менахема Ганота. Речь идёт о металлическом сплаве, в котором молекулы организованы по принципу неорганических фуллеренов (фуллерен – молекула, образованная шестьюдесятью атомами углерода (С60) в вершинах высокосимметричного многогранника, в неорганическом фуллерене вместо атомов углерода используются другие химические элементы, например, металлы). В компании планируют делать на основе полученного материала бронежилеты и каски, поскольку сплав с фуллеренами превосходно нейтрализует действие ударной волны. Он прочнее стали в 4-5 раз, а также превосходит по прочности и другим защитным качествам два самых широко используемых при производстве бронежилетов материала – silicon carbide и boron carbide. Недавно были проведены испытания, давшие впечатляющие результаты: при обстреле образца пулями, летевшими со скоростью 1,5 км в секунду, возникало давление в 250 тонн/см2, но материал не деформировался и не разрушился.

С помощью нанотехнологий создан новый терморегулирующий строительный материал, способный поглощать излишки тепла и выделять его обратно при необходимости, что значительно сократит затраты на поддержание микроклимата в помещении. Разработка относится к классу материалов с фазовым переходом (PCM) – так называют вещества, которые абсорбируют или, наоборот, отдают тепло при смене своего агрегатного состояния при определённой температуре. Исследователи из представительства британского Ноттингемского университета, которое расположено в городе Нинбо (Китай), утверждают, что их детище может запасать больше тепловой энергии, быстрее реагирует на изменение температуры и дешевле в производстве по сравнению с аналогами.

Учёные Массачусетского технологического института предложили для сохранения тепла новый материал из наноскопических углеродных трубок в комбинации с азобензолом. Результат был впечатляющий: данный материал оказался примерно в десять тысяч раз эффективнее при аналогичном объёме. Кроме способности накапливать тепло, он также хорошо притягивает солнечную радиацию, являясь не только накопителем тепла, но и преобразователем в него солнечной радиации. Профессор Джеффри Гроссман, один из участников исследований, сказал о новом материале, что он не теряет своих свойств со временем, является удобным для использования и недорогим, что наверняка обеспечит ему хорошие перспективы в солнечной энергетике и других сферах.

Исследователи из Массачусетского университета и Университета Питсбурга предложили новую методику «ремонта» поверхностей в наномасштабе с использованием масляного раствора, в который включены микрокапсулы, наполненные наночастицами. При использовании этой методики частицы из раствора могут скользить вдоль поверхности, задерживаясь в местах, где есть трещины или выбоины, и «ремонтируя» их с помощью наночастиц. По мнению учёных, технология может иметь множество полезных применений, как в научных исследованиях, так и в промышленности, поскольку методика позволяет покрывать веществом не всю поверхность, когда лишь небольшая часть её повреждена. Кроме того, методика может использоваться для обнаружения дефектов на поверхности путём нанесения на подозрительные участки специального раствора-датчика. Идея этой методики родилась под воздействием описаний естественных биологических процессов в организме, использующих такие структуры, как лейкоциты, для поиска, выявления и лечения повреждённых и больных тканей. Кроме того известно, что лекарства в медицине, в том числе и от раковых заболеваний, обычно инкапсулируются, чтобы иметь возможность проникать в первую очередь именно в повреждённые клетки, не затрагивая окружающие здоровые ткани.

Проект группы учёных начался с теоретической модели. Компьютерное моделирование предсказало, что, если наночастицы заключить в микрокапсулы определённого типа, выполняющие функцию зонда, они могут быть «выпущены» в определённые участках поверхности, имеющих повреждения. По мнению авторов идеи, эта особенность связана с тем, что характеристики повреждения (а именно топография, свойства увлажнения, шероховатость и химические свойства) обычно существенно отличаются от характеристик ровной поверхности. После теоретических исследований был поставлен эксперимент. Для этого учёные использовали поверхностно-активный полимер, стабилизирующий капли масла в воде, внутрь которого были капсулированы наночастицы селенида кадмия. Стены капсулы получились достаточно тонкими (толщина их была сравнима с размерами включённых внутрь наночастиц), поэтому при необходимости наночастицы могли быть высвобождены из капсул. Эксперименты показали, что благодаря гидрофобным взаимодействиям между наночастицами и трещинами, капсулы вращаются и перемещаются вдоль поверхности, выборочно выпуская своё содержимое в зоне повреждений. В эксперименте учёные легко наблюдали как положение капсул, так и положение микрочастиц, поскольку селенид кадмия флуоресцирует при освещении лампой дневного света. По мнению исследователей, новая методика может существенно уменьшить количество материалов, необходимых при ремонте повреждённых поверхностей или образцов, поскольку представляют собой способ отказаться от покрытия веществом всей площади поверхности. Учёные считают, что методика может пригодиться в широком спектре отраслей, от авиастроения до создания биологических имплантов.

Исследователи из Мичиганского университета создали нанопокрытие, от поверхности которого отталкиваются практически все жидкости. Созданный материал, на 95 % состоящий из воздуха, получил название «суперомнифобное» покрытие. Нанопокрытие состоит из частиц полидиметилсилоксана (PDMS) и устойчивых к воздействию жидкостей нанокубиков, содержащих углерод, фтор, кремний, кислород. Покрытие наносится на поверхность с применением техники, известной как электропрядение, которая предполагает использование электрических зарядов для создания мелких прочных частиц из жидких растворов. Благодаря этим прочным частицам пористая структура поверхности словно обволакивается, создаётся прочная сетка. Этот процесс подобен тому, что можно наблюдать у листочков лотоса: благодаря тому, что их поверхность покрыта очень тонкими волосками, образуется специальная прослойка, которая на 95-99 % состоит из воздуха, поэтому, когда жидкость контактирует с поверхностью, она не касается основы.
Руководитель исследования, Аниш Тутея, в частности, поясняет: «Обычно, когда два материала сближаются друг с другом, они подают положительный или отрицательный заряды, а когда жидкость контактирует с твёрдой поверхностью, она начинает по ней растекаться. Мы смогли значительно сократить процесс взаимодействия между поверхностью и жидкостью». Капли начинают взаимодействовать только на уровне своих молекул, поскольку недостаточно места для взаимодействия с поверхностью. В результате капли способны сохранить сферическую форму и буквально отскакивают от обработанной поверхности. И только два вещества оказались способны смочить покрытие. Оба относятся к хлорфторуглеродам, используемым ка хладоагенты.

Исследователи из университета Буффало изготовили сферические кремниевые наночастицы, которые в случае контакта с обычной водой становятся источником водорода, являющегося топливом для водородных топливных элементов, вырабатывающих электрическую энергию. Согласно проведённым исследованиям и экспериментам, скорость производства водорода зависит от размеров кремниевых наночастиц. Частицы, диаметром 10 нанометров, вырабатывали один и тот же объем водорода в тысячу раз быстрее, чем кристаллический кремний, и в 150 раз быстрее, чем частицы диаметром 100 нанометров. Такие «скоростные» свойства мелких наночастиц позволят создать генераторы водорода, которые будут вырабатывать количество газа, точно соответствующее его расходу топливным элементом.

«Уже давно известно, что водород можно быстро получать от реакции воды и кремния, который является одним из самых распространённых химических элементов на земном шаре, – рассказывает Фолэрин Эрогбогбо, один из исследователей. – Водород сейчас рассматривается как основной кандидат на роль топлива будущего, но в настоящее время проблема безопасного хранения водорода стоит очень остро, и ещё не найдено ни одного подходящего решения. Использование кремниевых наночастиц позволит избавиться от необходимости хранения водорода, вырабатывая его по необходимости, что позволит внедрять водородную энергетику в некоторых областях уже прямо сейчас».
«Эта технология, к которой как нельзя лучше подходит слоган «только добавь воды», является идеальным вариантом для создания малогабаритных источников питания портативных электронных устройств», – утверждает Парас Прасад, исследователь из университета Буффало. Эта технология может найти применение в ситуациях, когда мобильность, малые габариты и вес более важны, нежели стоимость. К примеру, в научных экспедициях и при проведении военных операций.
Учёные Технического университета Эйндховена (Нидерланды), и Политехнического университета Гонконга провели очень примечательные исследования, результатом которых стал полимер, обладающий уникальными свойствами. Если пропитать им хлопок, то последний сможет впитывать влагу из воздуха, удерживая воды в три с половиной раза больше собственного веса. Самое интересное начинается, когда впитавший воду хлопок нагревается до 34 градусов по Цельсию. Полимер меняет свою структуру с пористой на плотную, выталкивая впитанную влагу. С применением данной технологии можно сделать бесшумный и экономичный осушитель помещений или абсорбент многократного применения. Наибольшую пользу она принесёт там, где имеется недостаток пресной воды. В пустынях или в засушливых областях можно забирать воду из ночного тумана, используя её далее по своему усмотрению. Используемые материалы недорогие.

Учёные из университета штата Мериленд создали нанобумагу толщиной всего 10 нм. Этот материал может послужить хорошей основой для дешёвой полупроводниковой электроники. Ещё в 2008 году португальские учёные продемонстрировали миру пилотные экземпляры полевых транзисторов на основе бумаги. В новом методе обычный лист бумаги работает как диэлектрический слой в оксидном полевом транзисторе. Исследовательская группа университета Иллинойса (США) научилась превращать волокна целлюлозы в гальванические элементы.
Сложностью применения бумаги являются неровности её поверхности – для нормальной работы транзисторов разница между бугорками и впадинами не должна превышать нескольких сотен нанометров. Учёным из Мериленда удалось решить эту проблему, обработав целлюлозную массу окисляющими ферментами и очень плотно спрессовав её механически. В результате получились бумажные плёнки толщиной всего 10 нм, которые при этом почти прозрачны. Также такая нанобумага достаточно гибкая, что позволяет напечатать на ней многослойные электронные схемы. В данном случае первым стал базовый слой углеродных нанотрубок. Затем был нанесен слой диэлектрика, а на него – слой полупроводника. Последним стал второй слой нанотрубок. При тестировании транзистор показал прекрасную работу, причём сохранял 10 % активности при небольшом изгибании.
Исследователи из Южной Кореи внедрили электропроводный полимер в тонкое термоэлектрическое устройство, которое может генерировать электроэнергию за счёт различия температур кончиков пальцев и окружающей среды. Исследователи из группы Ёнкьюн Кима оптимизировали процесс полимеризации и электрохимические окислительно-восстановительные процессы, позволяющие получить электропроводные полимеры материалы с хорошей электропроводностью и хорошими термоэлектрическими свойствами на основе полиэтилендиокситиофена (PEDOT). Коэффициент мощности некоторых таких материалов составляет 1260 мкВт м-1 К-2. Результаты южнокорейских исследователей говорят о том, что электропроводные полимеры становятся такими же эффективными термоэлектрическими материалами, как рекордсмены – сплавы теллуридов висмута и сурьмы. Ким с коллегами продемонстрировали ещё одну уникальную особенность органических термоэлектрических материалов, в выгодную сторону отличающую их от неорганики – материалы на основе полиэтилендиокситиофена обладают механической гибкостью, что позволяет в перспективе создать гибкий термоэлектрический генератор, который может быть интегрирован в текстиль и одежду.

Группа учёных из Массачусетского технологического института разрабатывает заготовки для новой технологии – специальные волокна, из которых получаются наночастицы с заданными характеристиками. Новым нехимическим способом можно создавать наночастицы, состоящие из нескольких материалов, а также полые наночастицы сферической формы. Кроме того, на наносферах можно закрепить дополнительные материалы, в результате чего можно производить частицы со сложной внутренней структурой. Такие частицы можно использовать в самых различных областях. В медицине, теоретически, из них можно производить вакцины и «адресные» препараты, атакующие определённые патогены.
Профессор Кристофер Хатчинсон из Университета Монаша (Австралия) считает, что вместо того чтобы создавать материал и надеяться, что его структура и свойства не эволюционируют слишком сильно в течение срока эксплуатации, необходимо признать эволюционные изменения неизбежными и не бороться с ними, не избегать их, а с самого начала разрабатывать будущий материал так, чтобы эволюция протекала в направлении улучшения его свойств.
Создавая подобные материалы уже сегодня, профессор Хатчинсон манипулирует атомами в стали и других сплавах, чтобы сделать их не только устойчивыми к стрессу, который вызывает постепенную деградацию обычных материалов, но и эволюционирующими под его действием в сторону повышения эксплуатационных характеристик. Манипуляции с отдельными атомами проводятся с помощью электронного микроскопа, а наблюдение за происходящими в момент прикладывания нагрузок микроструктурными изменениями осуществляются с привлечением аналитических приборов, установленных в синхротронных центрах в Австралии и Франции. На практике применение таких материалов, к примеру, для производства крыла самолёта, приведёт вместо ожидаемой усталости металла от постоянных вибраций к его упрочнению и, следовательно, гораздо более долгому сроку безопасной эксплуатации. Другим интересным и не менее важным аспектом научной деятельности группы Хатчинсона является разработка функциональных сплавов, способных, например, эффективно отталкивать воду без специальной дорогостоящей обработки.
Небольшая трещина внутри металлического колеса привела к самой крупной железнодорожной катастрофе в современной Германии – крушению скоростного экспресса в 1998 году у Эшеде. Причина проста и печальна: при внешнем осмотре невозможно обнаружить внутреннее повреждение в металле. Вот почему учёные озадачились проблемой создания таких материалов, которые могли бы сами «подать знак» при возникновении «усталости».
Результатом кропотливого труда сотрудников Университета Христиана Альбрехта (Германия) и их коллег стало создание новых синтетических материалов, способных рапортовать излучением света о слишком сильном механическом стрессе. Новым и интересным открытием немецких исследователей стала обнаруженная ими зависимость характеристики люминесценции таких нанокристаллов от величины механической нагрузки. Немного поразмыслив над практической ценностью своего наблюдения, учёные пришли к выводу, что это свойство может пригодиться для заблаговременного обнаружения повреждений, происходящих в структуре композиционных материалов из-за механических перегрузок. Для начала исследователи добавили тетраподы оксида цинка к силикону (полидиметилсилоксану) и изучили свойства нового продукта. Оказалось, что получившийся композит стал, с одной стороны, прочнее исходного силикона, а с другой – люминесцировал различными цветами при облучении УФ-светом, в зависимости от величины прикладываемой к материалу силы растяжения.

Композиционные полимерные материалы используются в самых разных областях, от внутричелюстных зубных имплантатов до космических кораблей. Они состоят из двух и более компонентов с различными свойствами. При желании можно создать материал, который будет лёгким, механически прочным и всё равно недорогим. По мнению немецких учёных, нанокристаллы оксида цинка улучшат многие специфические композиты, особенно конструкционные, где повышенная прочность и стабильность жизненно важны.
Структура цеолитов гарантирует им каталитическую активность, что и вызывает интерес у химической промышленности. К сожалению, создание синтетических цеолитов, удовлетворяющих требованиям заказчика, совсем не простое дело. На этом фоне голландским учёным удалось открыть быстрый способ получения новых цеолитов. Цеолиты хорошо известны благодаря их повсеместному использованию в качестве водоумягчительных добавок в детергентах, а также промышленному применению в качестве катализаторов. Учёные из Леувенского католического университета (Нидерланды) и их коллеги из Гентского и Антверпенского университетов (Бельгия), экспериментально показали возможность отрезания цеолитных строительных блоков с последующей их перестройкой с образованием новой структуры.

В рамках европейского исследовательского проекта Eurotapes разработана дешёвая и более эффективная сверхпроводящая лента, которая однажды сможет удвоить производительность ветряных турбин. Eurotapes изготовил 600 метров такой ленты, сообщил координатор проекта Ксавье Обрадорс. «Этот материал, оксид меди, похож на нить, которая проводит в 100 раз больше электричества, чем чистая медь. Из неё можно, к примеру, делать электрические кабели или генерировать гораздо более мощное магнитное поле. Когда ток проходит через проводник, такой как медь или серебро, часть его теряется в виде тепла, и с расстоянием эти потери возрастают. При сверхпроводимости электрическое сопротивление исчезает. Однажды с помощью этого материала можно будет изготовить более мощные и лёгкие ветряные турбины, которые вдвое превзойдут по производительности нынешние», – сказал координатор Eurotapes.
Для достижения нулевой потери энергии кабель, заключённый в трубку, помещается в жидкий азот, но эта сложная и дорогая технология ещё не дошла до стадии серийного производства. Пока энергетические компании проводят пилотные испытания.
Eurotapes – это проект, объединяющий мировых лидеров в сфере полупроводников из девяти европейских стран: Австрии, Бельгии, Великобритании, Франции, Германии, Италии, Румынии, Словакии и Испании. Основное финансирование (20 млн. Евро) выделил Евросоюз. Цель проекта – найти такой материал, которые станет сверхпроводником при комнатной температуре, что позволит осуществлять передачу энергии на большие расстояния с нулевыми потерями.
Один из вариантов решения этой задачи предлагает Иван Бозовик и его команда из Национальной лаборатории в Брукхейвене (США). Учёные изучают купраты – вещества, состоящие из меди и кислорода. В соединении со стронцием и некоторыми другими элементами они проявляли свойства сверхпроводников, но не требуют экстремально низких температур, как обычные сверхпроводники.

Новые наноматериалы и технологии создаются учёными все более в результате мультинациональной кооперации. Так, группа исследователей из Дании, Германии и Китая описала процесс создания нового типа подвижного двумерного электронного газа на границе титаната стронция и оксида алюминия – материалов, используемых при создании диэлектрической керамики. Как утверждают учёные, такой газ может быть использован для создания металлических интерфейсов у любых оксидных электронных компонент и даже в квантовых мезоскопических устройствах.
Несколько лет назад группа учёных из Technical University of Denmark (Дания) сообщила об открытии нового типа гетероструктур на основе титаната стронция, которые имеют проводящую поверхность, несмотря на некристаллический приповерхностный слой. Сейчас та же группа сообщила о том, что на поверхности этого слоя эпитаксиально может быть выращен оксид алюминия (один из лучших изоляторов среди известных материалов), а интерфейс между этими двумя материалами может похвастаться наилучшей проводимостью, когда-либо наблюдавшейся у сложных оксидов. По данным учёных зафиксированная ими проводимость в 100 раз превышает значения, наблюдавшиеся ранее для систем, содержащих, помимо титаната стронция, оксиды на основе алюминия и лантана.

Помимо ученых из Technical University of Denmark (Дания), исследовательская группа включает в себя коллег из University of Copenhagen (Дания), Leibniz Institute for Solid State and Materials Research (Германия) и Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics (Китай). Рост структуры им удалось осуществить с помощью так называемого импульсного лазерного осаждения. Это один из наиболее популярных методов физического осаждения паров для выращивания оксидных материалов. Отображение плёнки прямо в процессе роста осуществлялось с помощью дифракции быстрых электронов. По данным учёных, высокая подвижность электронов в описанной гетероструктуре определяется в первую очередь идеальным соответствием кристаллических решёток двух соседствующих материалов. Кроме того, в этой области рассеяние электронов на примесях и дефектах решёток оказалось меньше, чем в упоминавшихся выше гетероструктурах, содержащих лантан.
Ещё один пример международно сотрудничества в области науки – учёные Yuzhong Liu, Yanhang Ma, Yingbo Zhao, Xixi Sun, Felipe Gándara, Hiroyasu Furukawa, Zheng Liu,Hanyu Zhu, Chenhui Zhu, Kazutomo Suenaga, Peter Oleynikov, Ahmad S. Alshammari, Xiang Zhang, Osamu Terasaki, Omar M. Yaghi из Department of Chemistry, University of California, Berkeley, Materials Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Kavli Energy NanoSciences Institute, USA, Department of Materials and Environmental Chemistry, Stockholm University, Sweden, Department of New Architectures in Materials Chemistry, Materials Science Institute of Madrid, Consejo Superior de Investigaciones Científicas, Spain, Nanomaterials Research Institute, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Japan, King Abdulaziz City of Science and Technology, Saudi Arabia, School of Physical Science and Technology, ShanghaiTech University, China смогли впервые «связать» органические нити в кристалл.
Для синтеза «вязаного» кристалла, напоминающего микроскопическую тканную материю, химики использовали не спицы или иглы, а, как им и положено, незамысловатый ряд химических реакций. В качестве строительных блоков они взяли молекулы комплексной соли Cu(PDB)2(BF4). В этой молекуле вокруг иона меди располагаются под углом в 57о друг к другу два фенантролиновых крыла, образующих вместе тетраэдрическую форму. Множество элементов связывались друг с другом с помощью бензидина в тетрагидрофурановом растворителе. Проще говоря, сначала химики создали узлы, а только потом, присоединив узлы друг к другу, получили нити. Созданный материал, названный COF-505, исследовали с помощью спектроскопии, сканирующей электронной микроскопией и 3D-томографией. Отдельные кристаллы приобретали форму сфер с диаметром в 2 микрометра, однако это, как полагали исследователи, было связано со свойствами растворителя, а не самого кристалла.

Так как фенантролиновые крылья располагались под углом, нити образовали трёхмерную решетчатую структуру, в которой узлы встречались с одинаковой периодичностью – именно это и делало COF-505 кристаллом. Каждая из органических нитей, состоявшая из ковалентно связанных компонентов, представляла собой спираль. Такая форма удобна для переплетения многих нитей, удерживающихся вместе ионами меди в так называемых «точках регистрации». Исследователи убрали медь из узлов ткани и изучили физические свойства структуры со свободными нитями, которые могли перемещаться через узлы. Структура вещества стала чуть менее упорядоченной, но его общее строение оставалось прежним. Удаление меди было обратимо. И материал, насыщенный ионами металла, возвращался в прежнее состояние. Получение «вязаных» кристаллов представляет интерес для химиков, поскольку они делают возможным создание молекулярных тканей, которые сочетают необычную упругость, прочность, гибкость, и, главное, химическую изменчивость в одном материале, чем не обладают обычные кристаллы. Кроме того, плетёные кристаллы обладают большой площадью внутренней поверхности и способны реагировать с большим количеством молекул. Такие материалы могут применяться в тонких плёнках и электронных устройствах.

Другая международная группа учёных (Yuhua Xue, Yong Ding, Jianbing Niu, Zhenhai Xia, Ajit Roy, Hao Chen, Jia Qu, Zhong Lin Wang, Liming Dai) разработала материал, который может стать первым шагом для изготовления бесшовных углеродных наноматериалов, обладающих превосходными термическими, электрическими и механическими свойствами в трёх измерениях. Эти наноматериалы могут быть использованы для увеличения параметров хранения энергии в больших батареях и эффективных суперконденсаторах, для повышения эффективности преобразования энергии в солнечных элементах и разработки новых лёгких теплозащитных покрытий. Углеродные нанотрубки могут обладать высокой электропроводностью вдоль своей длины, а лист углерода атомной толщины, известный как графен, имеет высокую электропроводность в двух измерениях. Но эта высокая электропроводность исчезает, когда эти углеродные наноматериалы масштабируются до третьего измерения. Это потому, что имеющиеся двухступенчатые процессы для укладки углеродных нанотрубок и графеновых листов друг на друга производят трёхмерные материалы, которые обладают плохой электропроводностью между различными слоями. При одностадийном процессе граница раздела представляет собой связи углерод-углерод и выглядит, как лист графена. Это делает материал отличным проводником тепла и электричества во всех плоскостях. Чтобы сделать 3D-материал исследователи травили радиально выровненные наноотверстия по длине и окружности крошечного алюминиевого провода и использовали химическое осаждение для покрытия поверхности углеродом. Это было сделано без металлического катализатора, который может оставаться в структуре. Принцип создания материала с минимальными значениями теплового и электрического сопротивления заключается в том, что радиально-ориен-тированные нанотрубки образуются в отверстиях, а затем образуют ковалентные связи углерод-углерод с графеном, покрывающим провод. Эта архитектура даёт огромную площадь поверхности. Ученые подсчитали, что площадь поверхности такой архитектуры почти 527 м2 на грамм материала. Свойства этих 3D-материалов можно легко изменять. Материал может быть сделан очень длинным или более широкого или узкого диаметра, а плотность нанотрубок можно варьировать для получения материалов с различными свойствами в зависимости от требований. В качестве демонстрации возможностей применения нового материала ёмкость 3D-суперконден-саторов, изготовленных из него, получилась в четыре раза выше в сравнении с типичными показателями для этого типа устройств. При использовании в качестве электрода в солнечных элементах была достигнута двойная эффективность в сравнении с идентичной ячейкой с платиновым электродом.

Рассказывая про получение новых материалов нельзя не отметить вклад в их создание одного из авторов книги, академика Олега Фиговского, научного руководителя компании Polymate Ltd, которая, по данным координатора работ в области нанотехнологий в Израиле INNI (Израильская национальная нанотехнологическая инициатива) является одной из ведущих в области нанотехнологий. В частности, компанией Polymate Ltd получены патенты на:

– Метод получения биоразлагаемых композиций, содержащих наночастицы целлюлозы. Композиции предназначены для формирования водо- и маслостойких защитных покрытий на биоразлагаемых материалах природного происхождения, например, различных видах бумажной упаковки. Эти покрытия предохраняют изделия от деформирования, набухания, механических повреждений при контакте с водо- и маслосодержащими жидкостями и сами являются биоразлагаемыми.
– Наноструктурированную гибридную олигомерную композицию. Композиция включает жидкие компоненты с эпоксидными, циклокарбонатными, акрилатными, аминными и алкокисилановыми функциональностями и отверждается при температурах 10-30 oC, образуя под воздействием влаги воздуха и в присутствии специфических β-гидроксиуретановых фрагментов наноструктурную органически-неорганическую полимерную сетку. Отверждённая композиция обладает отличным комплексом физико-механических свойств, адгезией к различным субстратам, стойкостью к атмосферным и абразивным воздействиям, к растворителям. Превосходный внешний вид позволяет использовать материал для различных видов покрытий, а также для клеев и герметиков.
– Метод и оборудование для производства субмикронных полимерных порошков. Метод предусматривает получение нано- и микроразмерных порошков из блоков или грубых порошков полимеров, преимущественно политетрафторэтилена. На первой стадии материал измельчают до волокнистых частиц, а на второй – достигают субмикронных размеров с помощью аэродинамической обработки, когда смесь газ-частицы подвергается пульсирующему механическому и температурному воздействию турбулентного вихревого потока жидкого азота, что вызывает в системе сжимающие и растягивающие напряжения под действием циклически меняющихся центробежных и центростремительных сил.

– Метод синтеза нанопорошка нитрида бора . Процесс проводят в газовой фазе, осуществляя реакцию между аммиаком и трифторидом бора в охлаждаемом реакторе под атмосферным давлением. Образующийся в результате этой реакции комплекс трифторид бора-аммиак термически разлагается при температурах 125-300 oC на нитрид бора и тетрафторборат аммония. Нитрид бора выделяют из смеси, переводя её в водную суспензию с последующим центрифугированием.
– Метод упрочнения инструментальных материалов с помощью внедрения усиливающих частиц. Для упрочнения металлических матриц используют метод «сверхглубокого проникновения» усиливающих частиц под действием струйного потока, получаемого энергией взрыва. Специально подготовленная композиция содержит смесь порошков микронной и субмикронной размерности из материалов с различной твёрдостью. Рабочий поток, воздействующий на матрицу, имеет пульсационную природу со скоростями в интервале 200-6000 м/с и температуру 100-2000 oC. В результате взаимодействия с высокоэнергетическим потоком частиц в матрице возникают зоны, реструктурированные на наноуровне, что приводит к её существенному упрочнению.

– Метод изготовления трековых мембран .Метод «сверхглубокого проникновения» использован для создания технологии получения полимерных мембран. Полимерная «мишень» подвергается воздействию генерируемого взрывом высокоэнергетического потока (скорость частиц от 3800 до 4200 м/с) водорастворимой неорганической или органической соли. В результате проникновения частиц в матрицу образуются множественные треки нано-, и субмикронной размерности. Остаточную соль из «мишени» вымывают водой.

– Метод получения гибридных неизоцианатных полиуретанов на основе растительного сырья. Предложен способ получения гибридных уретан-эпоксидных безизоцианатных полимеров с использованием карбонизованных-эпоксидированных растительных масел. Сочетание различных реакционноспособных олигомеров и полиаминов позволяет эффективно регулировать наноструктуру отверждённого полимерного материала и добиваться желаемого комплекса свойств.

– Модификатор гидроксиалкилуретановой природы для эпокси-аминных композиций. Предложено новое направление модификации эпоксидных композиций – использование гидроксиалкилуретановых соединений (HUM) В составе эпокси-аминных композиций «холодного» отверждения модификаторы «HUM» оказывают ярко выраженное положительное влияние на такие показатели, как скорость отверждения, износостойкость, технологичность переработки, внешний вид покрытий. «HUM» не образует ковалентных химических связей с основными компонентами реакционной смеси и, тем самым, не вызывает нежелательных искажений при формировании наноструктуры отвержденного полимера. Таким образом, полученные с использованием «HUM» полимерные материалы (покрытия, адгезивы, пены) обладают превосходно сбалансированным комплексом свойств.

– Безрастворные наноструктурированные композиции на основе жидких синтетических каучуков. Вулканизуемые композиции на основе низкомолекулярных синтетических полибутадиенов (75-92 % звеньев цис-1,4 ) и серной («эбонитовой») вулканизующей группы содержат систему активных наполнителей, включая нано-фракцию. Композицию используют для получения специальных стойких покрытий и резинобетонов.
– Полимерные индикаторы для обнаружения мест перегрева в маслонаполненных электрических устройствах. Предложен метод обнаружения мест перегрева в маслонаполненных электрических устройствах путём установки системы полимерных индикаторов, выделяющих в случае перегрева специальную «метку». Такая «метка» с помощью наномодификации индивидуализирована для каждого индикатора таким образом, что периодический хроматографический анализ масла позволяет локализовать конкретное место перегрева в электрическом устройстве.

Резюмируя изложенное в этой статье, следует подчеркнуть, что успешное, быстрое и продуктивное создание новых материалов, организация их производства и встраивание их в экономику государства и быт граждан возможны только там, где работают инновационные системы, на основе которых проводится государственная политика поддержки всех участников процесса создания новых материалов, отлажены механизмы финансирования работ по создание новых материалов, налажено взаимодействие между всеми юридическими и физическими лицами, заинтересованными в создании новых материалов, действует правовая защита создателей новых материалов.

Иллюстрация: технологии, инжиниринг, инновации
Гибридный наноматериал; графен и нанотрубки