Наука и Техника

Наука И Техника
5 февраля 2015

Шесть сверхматериалов, которые смогут изменить этот мир ..

Графен является не единственным созданным в лаборатории материалом, имеющим высокий потенциал изменить этот мир. Предлагаем ознакомиться с подборкой из шести сверхматериалов, начиная от аэрогелей (легких как сам свет), до метаматериалов (которые могут этим светом манипулировать), способных поменять наше представление о будущем мире.

Самовосстанавливающийся пластик

Человеческое тело само по себе обладает удивительной возможностью к самовосстановлению. Однако предметы, окружающие его, к сожалению, такой возможностью не обладают. Скотт Уайт из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне разработал биопластик, обладающий возможностью восстанавливаться. В прошлом году в лаборатории Уайта был создан полимер, при повреждении которого он смог самостоятельно «залататься».

Особенностью данного полимера является его структура. В ней содержаться микрогранулы, заполненные особой жидкостью. При повреждении этих микрогранул, жидкость вытекает и заделывает образовавшееся повреждение. Аналогичный эффект можно увидеть, скажем, при порезе. На месте пореза образуется кровяной сгусток, который со временем застывает и тем самым закрывает рану.

И хотя некоторые материалы способны «залечивать» свои микротрещены, новый полимер смог справиться с весьма большой дыркой размером 4 миллиметра. Возможно, для кожи такое повреждение окажется не столь существенным, но для самовосстанавливающегося пластика это большое достижение.

Инженеры не планируют останавливаться на достигнутом. В перспективе видится создание бетона, асфальта, а также металла, обладающих свойствами самовосстановления. Только представьте: города с идеальными дорогами! Проблема же самовосстанавливающихся материалов, как и любой другой новой технологии, заключается в том, как сделать их экономически выгодными для использования. Поэтому, скорее всего, такие материалы сначала пройдут свои испытания в особых условиях, например в космосе, или особо удаленных зонах на Земле.

Термоэлектрические материалы — поглотители тепла

Если вы знаете, что такое по-настоящему горячий ноутбук, или хотя бы раз касались в жаркий день горячего капота автомобиля, то, возможно, задумывались над тем, какое же огромное количество тепла расходуется впустую. Трата тепла свойственна практически любому устройству, использующему энергию. При этом примерный расход тепла может составлять до 2/3 той энергии, что используется для питания того или иного устройства. А что, если бы мы могли накапливать и использовать эту впустую потраченную энергию? Ответом на «что, если…» могут стать термоэлектрические материалы, производящие электричество из разности температур.

В прошлом году калифорнийская компания Alphabet Energy представила термоэлектрический генератор, который можно подсоединить к обычному генератору, собрать вырабатываемое им тепло и превратить его обратно в полезную энергию. При этом генератор Alphabet Energy использует относительно дешевый и фактически натуральный термоэлектрический материал в своей основе — третраэдрит, добываемый минерал, состоящий из кристаллов, напоминающих форму тетраэдра (отсюда и название). Alphabet Energy заявляет, что тетраэдрит способен достичь 5—10-процентной эффективности в накоплении тепла.

Однако в лаборатории уже проводятся исследования, возможно, даже более эффективного термоэлектрического материла, имеющего название скуттерудит. Это минерал, содержащий в своем составе кобальт.

Стоит отметить, что термоэлектрические материалы уже нашли свое применение в некоторых сферах. Например, в космических кораблях. Однако скуттерудит дешевле в производстве и может вполне подойти для использования в повседневной жизни. Скажем, при заборе тепла из выхлопных труб автомобилей, холодильников и практически любых предметов и устройств, использующих энергию для работы.

Фотоэлементы из перовскита

Одной из основных проблем, стоящих на пути к переходу использования источников возобновляемой энергии, являются… деньги. В то время как добыча солнечной энергии становится с каждым годом все дешевле, строительство станций, всецело полагающихся на солнечные панели из кристаллического кремния, по-прежнему остается очень дорогим и энергоемким процессом. Тем не менее наука готова предложить альтернативный материал, благодаря которому солнечный свет может стать действительно дешевым источником энергии. Речь идет о перовските.

Перовскиты впервые были открыты более столетия назад, однако ученые только сейчас начинают понимать их потенциал. В 2009 году фотоэлементы из перовскитов обладали эффективностью добычи электроэнергии из солнечного света на уровне жалких 3,8 процента. В 2014 эффективность этих элементов удалось повысить до 19,3 процента. И хотя, с одной стороны, это может показать немного, особенно если сравнивать с более традиционными солнечными ячейками из кристаллического кремния, хотя и тот не далеко ушел в эффективности и предлагает КПД что-то около 20 процентов, у перовскитов имеется два явных преимущества. Во-первых, исследование и разработка фотоэлементов на базе перовскитов, в отличие от кристаллического кремния, началась относительно недавно, и поэтому ученые уверены в том, что смогут еще больше повысить их КПД. Во-вторых, перовскиты гораздо, гораздо дешевле.

Перовскиты относятся к классу материалов, чья эффективность зависит от применения тех или иных элементов в их кристаллической структуре. Они могут содержать любое число элементов. Как правило, для производства солнечных ячеек используется олово и свинец. По сравнению с кристаллическим кремнием, перовскиты являются весьма дешевым материалом, с которым гораздо легче работать. В мире уже появляются компании, которые всеми силами хотят наладить серийное производство ячеек из перовскита. Одной из них, например, является британская Oxford Photovoltaics.

Аэрогели — суперлегкие и суперпрочные

Что касается аэрогелей, то нередко кажется, что они вообще сошли со страниц научно-фантастических книг. Если сравнивать их визуально, то выглядят они скорее как туман или плотный дым. Удивительная способность этого материала заключается в том, что он с легкостью может выдержать не только жар паяльной лампы, но и без труда справиться с весом целого автомобиля. Само название «аэрогель» отражает суть этого материала: это гель, где жидкость была полностью заменена на воздух. Если постараться описать аэрогель двумя словами, то получится что-то вроде «замороженного дыма».

На самом деле матрица аэрогеля может состоять практически из любой субстанции, включая кремнезем, различные окиси металла и, конечно же, графен. Однако важнее всего отметить, что большую часть его структуры составляет воздух. Эта комбинация позволяет получить удивительно стойкий:

К сожалению, у аэрогеля есть один критический недостаток: хрупкость, особенно если основой аэрогеля является кремнезем. И все же этот материал представляет невероятно высокий научный интерес. Например, ученые из NASA, экспериментируя с гибкими аэрогелями на основе полимеров, рассматривали возможность их применения в качестве непроводящих материалов для космический аппаратов. Добавление других компонентов даже в аэрогели на основе кремнезема способно сделать их более пластичными.

Метаматериалы — управляющие светом

Если вам раньше доводилось слышать о метаматериалах, то, вероятно, в разговоре так или иначе пробегала такая фраза: «Гарри Поттер и его плащ-невидимка». Действительно, метаматериалы, чья наноструктура разработана для рассеивания света особым образом, возможно, однажды начнут использоваться для того, чтобы делать объекты невидимыми. Правда, вероятнее всего, не таким магическим способом, как это было в случае с плащом-невидимкой Гарри Поттера.

Интерес к метаматериалам заключается в том, что они не просто перенаправляют видимый свет. В зависимости от того, как и где они будут использоваться, метаматериалы способны перенаправлять микроволны, радиоволны, а также малоизученные Т-волны — нечто среднее между микроволнами и инфракрасным светом в электромагнитном спектре. Практически любой тип волн электромагнитного спектра может манипулироваться метаматериалами.

Благодаря метаматериалам однажды можно будет создать специальные Т-волновые сканеры для медицинских процедур, компактные радиоантенны, обладающие возможностью изменять свои свойства прямо на ходу, и много чего еще. Короче говоря, метаматериалы являются очень многообещающим проектом, чьи теоретические возможности практически бесконечны. Однако до коммерческого использования этих материалов нам придется пройти очень длинный и тяжелый путь.

Станен — проводник со 100-процентной проводимостью

Как и графен, станен представляет собой структуру, состоящую из единичного слоя атомов. Однако, в отличие от графена, состоящего из углерода, станен состоит из олова. И именно эта особенность позволяет станену обладать теми удивительными свойствами, которыми не может обладать графен — 100-процентной проводимостью.

Впервые станен был описан в 2013 году стэндфордским ученым Су Чон Чаном, чья лаборатория специализируются, помимо прочих вещей, на предсказании свойств материалов, таких как станен. Согласно их модели, станен является топологическим изолятором. Другими словами, внутри он является диэлектриком (изолятором), а снаружи может проводить электрический ток.

Благодаря этому, станен может проводить электричество с нулевым сопротивлением и, что более важно, при комнатной температуре. Все свойства станена ученым только предстоит изучить: производить материал из единичного слоя атомов олова не так-то просто. Однако более ранние успешные предсказания Чана свойств других топологических изоляторов дают надежду на успешность будущей задачи.

Если предсказанные свойства станена действительно окажутся верными, то этот материал будет способен совершить революцию в создании микрочипов практически для всех использующихся сегодня устройств. Во-первых, чипы смогут стать гораздо мощнее. Возможности современных чипов на основе кремния ограничены объемом выделяемого электронами тепла — чем быстрее они работают, тем горячее становятся чипы. Станен же, обладая способностью 100-процентной проводимости, будет лишен этого недостатка.