Щоб зробити революцію, мало знати відповідь на питання «як?», Є ще й питання «з чого?». До технологічних революцій це стосується в першу чергу. Без появи принципово нових матеріалів не було б ні комп’ютерів, ні мобільного зв’язку, ні сонячних батарей. Ми вибрали десять матеріалів, які повинні забезпечити радикальні зміни в найближчі десятиліття. джерело
1 Вуглецеві нанотрубки: розірвати неможливо
Що це Трубка, зібрана з атомів вуглецю. Довжина трубки теоретично нічим не обмежена, хоча на практиці виростити їх довше 20 сантиметрів поки нікому не вдалося. Але і це дуже багато в порівнянні з масштабом атома (10-10 м).
Що з них можна робити Якщо вірити футурологів, нанотрубки – це наше все. Приміром, вони дуже-дуже-дуже міцні. Вся трубка, по суті, є однією молекулою, і розірвати її вкрай складно. Розрахунки показують, що нитка з багатошарових нанотрубок товщиною в міліметр могла б утримати вантаж до 15 тонн. Обіцяють, що коли-небудь вони дозволять побудувати ліфт у космос (цей образ уже увічнений в «Смішариках»), а вже про банальні троси для земних потреб і говорити нічого.
Міцність – це ще не все. Наприклад, теплопровідність нанотрубок уздовж осі майже в десять разів вище, ніж у міді. Але при цьому в поперечному напрямку вони затримують тепло приблизно так само, як цегла або бетон. Ще з цих трубок можна робити акумулятори, фільтри для води, голки для внутрішньоклітинних ін’єкцій, ємності для зберігання водню і так далі. Якби майбутнє мало герб, його варто було б прикрасити вінками з нанотрубок.
А що зараз Поки нанотрубки простіше знайти в лабораторіях, ніж у комерційних продуктах. Проте вже з’явилися композитні матеріали з їх використанням, і, за заявами виробників, вони міцніші за звичайні на кілька десятків відсотків. З таких матеріалів виробляють деталі для спортивних велосипедів і корпуси яхт.
2 Графен: нобелівський вуглець
Що це Найголовніше, що ми знаємо про графені: за його відкриття дали Нобелівську премію, дали її російським ученим Гейму і Новосьолову, ці російські вчені живуть у Великобританії і не хочуть переїжджати в наше Сколково.
По суті, графен – це плоский лист з атомів вуглецю, перший з відкритих двовимірних кристалів, можливість існування яких довгий час викликала сумніви. Такі кристали не можуть вирости з розплаву: їх скрутить і розірве тепловими коливаннями. Але зате плоский лист графену цілком реально відірвати від графіту. Причому звичайним скотчем, як це зробили нобелівські лауреати, розважатися в лабораторії п’ятничним ввечері.
Що можна робити З графеном пов’язують ще більші надії, ніж з нанотрубками. Чудові електричні властивості роблять його альтернативою кремнієвим напівпровідників. Він виключно міцний на розрив: теоретично графенову стрічка у двісті разів міцніше сталі, так що конструкторам космічного ліфта буде з чого вибирати. Крім того, графен володіє прекрасною теплопровідністю і практично прозорий. Все це відкриває шлях до створення гаджетів майбутнього – наприклад, контактних лінз, на які можна передавати зображення.
Є і зовсім несподівані розробки. В авторитетному журналі Science був описаний такий експеримент: по одну сторону від графеновой мембрани поміщали горілку, а далі мембрана пропускала через себе тільки воду, залишаючи з іншого боку міцнішає з кожним часом спирт.
А що зараз Обіцяють, що ось-ось на ринку з’являться вироби на основі графену. Але поки цей матеріал використовується головним чином в лабораторіях.
3 Аерогель: полегшена матерія
Що це Молекулярна губка з діоксиду кремнію, вуглецю або іншої речовини, дуже-дуже пориста – мікроскопічні порожнечі можуть становити до 99% її обсягу. Щільність аерогеля – всього кілька кілограмів на кубометр, тобто він лише в 1,5-2 рази важчий за повітря і в 300-500 разів легше води. Незважаючи на свою легкість, аерогель досить міцний: невеликий, із сірникову коробку, шматочок витримує на собі цеглину.
Що можна робити Це чи не найкращий матеріал для теплоізоляції у світі: легкий, досить міцний, не піддається корозії і гниття, не горить у вогні і, само собою, не потопаючий у воді.
Аерогель може радикально скоротити втрати тепла будівлями або, навпаки, знизити витрати на кондиціонування повітря і роботу морозильних установок. Легка і теплий одяг, прозорі плитки для утеплення вікон – лише найбільш очевидні способи застосування подібних матеріалів.
На основі вуглецевого аерогеля можна створювати суперконденсатори, що поєднують високу ємність з можливістю видавати сильний струм при розрядці. А ще аерогель збираються використовувати для адресної доставки ліків до клітин і як матеріал для фільтрів.
А що зараз Аерогель шалено дорого і тому поки застосовується в основному для космічних потреб. Мова йде не тільки про теплоізоляцію марсоходів або скафандрів – цей матеріал використовувався як пастка для розсіяних в космічному просторі пилинок: панелі з аерогеля були встановлені на американському апараті Stardust.
Втім, якщо плитки з аерогеля не повинні бути акуратними, його вартість різко падає. Сьогодні вже роблять куртки з його використанням, причому за цілком доступними цінами (близько 300 доларів).
4 Сплави з ефектом пам’яті: повернути колишню форму
Що це Деякі метали демонструють дивну властивість: їх можна зігнути, і вони збережуть цю форму, як і годиться пластичному речовині, але тільки якщо їх не нагрівати. Коштує це зробити, як деталь сама відновлює первинну конфігурацію. Ефект пам’яті був виявлений ще до Другої світової війни, з тих пір його навчилися багато де застосовувати.
Що можна робити Практично будь-які предмети, які повинні змінювати свою форму без втручання людини: від втулок до бюстгальтерів, від протезів до автомобілів.
А що зараз Ці матеріали використовуються в безлічі різних виробів, включаючи найоригінальніші: ще в 1990-х роках був побудований перший робот, ноги якого пересуваються саме завдяки ефекту пам’яті. Сьогодні мова йде про те, щоб зробити цю технологію ще краще і дешевше.
5 Високотемпературні надпровідники: не втрачати електрику
Що це При температурах близьких до абсолютного нуля деякі метали стають сверхпроводниками, тобто електрику проходить через них без жодного опору. В останні десятиліття ученим вдалося створити матеріали, які стають сверхпроводниками при високих температурах. «Високі» – поняття відносне і означає в даному випадку «вище температури рідкого азоту -186? С». Але й це вже прогрес.
Що можна робити «… Розробки із застосуванням ефекту надпровідності, особливо актуального для наших протяжних територій. Ми продовжуємо втрачати гігантські обсяги енергії при передачі її по території країни, гігантські обсяги »- так сказав Дмитро Медведєв, звертаючись до Федеральних Зборів в 2009 році. Більш прагматичні вчені тут же почали писати заявки на додаткове фінансування, менш прагматичні – просто баламутити, уявляючи, як лінії електропередачі заливаються рідким азотом для досягнення ефекту надпровідності.
Але чисто теоретично таке цілком здійсненно (тільки має пройти немало президентських термінів). Можна уявити собі надпровідні ЛЕП, які доставляють споживачеві електроенергію без втрат на обігрів атмосфери. При цьому замість накопичення проводів можна використовувати тонюсіньку надпровідну дріт, занурену в охолоджуючу речовину. Для цього вистачить невеликої труби і не потрібна буде смуга відчуження в сотню метрів шириною.
Це далеко не єдина і, можливо, навіть не головна область застосування надпровідників. Вони дозволяють будувати потужні електромагніти, які потрібні в томографах і для маніпуляцій з плазмою в термоядерних реакторах. Якщо надпровідники виявляться ще й не надто дорогими, їх можна буде використовувати в експресах на магнітній підвісці.
А що зараз Рекорд поки що становить -163? С, дослідження просуваються повільно, повноцінної теорії немає досі. Це одна з особливостей фізики: наука знає, що відбувалося через секунду після Великого вибуху, але при цьому не здатна передбачити всі властивості звичайного матеріалу. Більше того, ніхто не знає і того, чи можливі в принципі надпровідники, що працюють при кімнатній температурі.
6 Скло з добавками: лазер для всіх
Що це Додавання рідкоземельних елементів (наприклад, европия) дозволяє перетворити звичайне скло в активне середовище лазера – матеріал, в якому світло не згасає, а, навпаки, посилюється.
Що можна робити Потужні і доступні лазери, які можна буде використовувати де завгодно: хоч при передачі інформації, хоч при зварюванні металу, хоч для термоядерної реакції. Зараз вчені підбирають все нові добавки, що підсилюють потрібний ефект.
А що зараз Скла з добавками використовують при передачі сигналів по оптоволокну. Кожен біт тексту з новинного сайту, кожне переміщення героя в онлайн-грі і кожна нота в музичному кліпі на ютубі – все це подолало сотні й тисячі кілометрів скляних волокон завдяки атомам рідкоземельних елементів.
До речі, в 2010 році одним із лауреатів Державної премії РФ став Валентин Гапонцев – фізик і найбагатший завкафедрою в Росії. На початку 1990-х років Гапонцев розробив і довів до виробництва лазери, головний елемент яких представляє оптоволокно з особливими добавками.
7 ДНК-листи: коробочка з білковим замком
Що це ДНК відома насамперед як носій спадкової інформації. Але нитки ДНК можна слепляю один з одним в плоский лист. І тоді вийде новий матеріал з унікальними властивостями.
Що можна робити Наприклад, з ДНК можна зібрати мікроскопічну коробочку для доставки ліків в потрібний орган або для полювання за вірусами і раковими клітинами. У цій коробочки буде кришка з замком з молекули білка, який відмикається, отримавши потрібний хімічний сигнал.
А що зараз Вже сформувалося цілий напрям на стику матеріалознавства, нанотехнологій та біології – ДНК-орігамі. Найсвіжіший приклад – розробка Массачусетського технологічного інституту, співробітники якого зібрали «коробку», в яку поклали іншу знамениту молекулу, РНК. В такій упаковці вона може бути перенесена кровотоком в потрібне місце без ризику бути зруйнованої по дорозі.
8 Метаматеріали: скроїти шапку-невидимку
Що це Є матеріали, для яких не дуже важливо, з чого вони зроблені. Їх властивості визначає не хімічний склад, а структура. Метаматеріали – це дво- або тривимірні решітки складної форми. Вони можуть володіти негативним коефіцієнтом заломлення, цей ефект передбачив ще в 60-х роках радянський фізик Віктор Веселаго.
Що можна робити Саме з метаматеріалів вже не перший рік пропонують робити шапки-невидимки, що приховують від очей будь-який об’єкт: світлові хвилі, підкоряючись внутрішній структурі метаматериала, будуть огинати його з усіх боків. Британський фізик сер Джон Пендри обіцяв, що ось-ось з’явиться матеріал, здатний зробити невидимим цілий танк.
А що зараз Прогнози збуваються трохи повільніше, ніж хотілося б. Повноцінна шапка-невидимка поки не зшита, досягнута лише невидимість в мікрохвильовому діапазоні випромінювання. Але боротьба за невидимість дає свої результати, іноді найнесподіваніші. Наприклад, за аналогією із системою негативного заломлення світла створюється комплекс захисту від сейсмічних хвиль. Тільки замість окремих атомів – вкопані в землю гумові блоки.
9 Гідрофобні поверхні: вкрасти ідею у лотоса
Що це Засідання президії Російської академії наук. Серйозні академіки, офіційна обстановка … І тут зворушливе назва доповіді: «Ефект лотоса». Йшлося про матеріали, здатних відштовхувати воду. «Цей ефект проявляється в тому, що при контакті з таким матеріалом крапля води приймає форму, близьку до кулястої, і при невеликому нахилі матеріалу по відношенню до горизонту крапля з поверхні скочується, захоплюючи при русі всі забруднення поверхні … Лист лотоса є лише найбільш вивченим і широко згадуваним об’єктом. Хоча ефект лотоса в природі спостерігався давно, систематичне дослідження цього явища вченими почалося не більше десяти років тому, а отримувати самі різні матеріали, що володіють супергідрофобностью, стало можливим лише у зв’язку з отриманням наноматеріалів і розвитком нано- і мікротехнологій », – йшлося в доповіді члена кореспондентів РАН Людмили Бойновіч.
Що можна робити Окуляри, біноклі, вітрове скло, лабораторний посуд, корпуси мобільних телефонів або навіть одяг – добре мати тканина, яка і не мокне, і не мажеться. Більш того, на гідрофобних сходинках не накопичується волога і, отже, не утворюється полій. Двірникам і лікарям-травматологів взимку роботи може поменшати.
До речі, російські вчені в справі порятунку ліній електропередачі більше сподіваються саме на ефект лотоса, а не на надпровідність: «Дуже важливий напрямок застосування супергідрофобності в електроенергетиці – боротьба з налипанням снігу та льоду на електричні дроти. Добре відомо із засобів масової інформації, що кожні три-чотири роки на значній території Росії обмерзання проводів викликає їх обрив, і світла і тепла іноді на багато годин позбавляються десятки тисяч людей ».
А що зараз У березні 2012 року компанія General Electric оголосила про те, що створила прототип покриття, текстура якого на мікрорівні повторює фактуру пелюсток лотоса. Такі матеріали призначені для авіації, де боротьба з льодом більш ніж актуальна. Про терміни виходу на ринок, втім, не повідомляється: спочатку треба вирішити ряд проблем, пов’язаних з довговічністю матеріалу.
10 Саморазлагающіеся матеріали: як зробити життя короткою
Що це Матеріали, які під дією сонячного світла або мікроорганізмів швидко розкладаються на нешкідливі компоненти.
Що можна робити Все, що не вимагає довговічності: пакети, пакувальну плівку, рекламні плакати, мішки для сміття, пляшки, тобто все, що роками лежить на наших газонах і плаває у водоймах.
Є всі підстави вважати, що років через десять звичайні пакети в супермаркетах продавати перестануть, на касі покупцеві запропонують лише пакет, який через кілька тижнів розповзеться на дрібні шматки.
А що зараз Біодеградіруемих пластик вже вийшов на ринок. Питання тільки в тому, як домогтися сполучення низької вартості, чистоти виробництва і зручності для споживача.
“>