Самозаживляющийся пластик, плащ-невидимка и другие «чудо-материалы»

13 мая 2014 в 11:59

Отныне телефоны и автомобили смогут «латать» пулевые отверстия, а киборги станут реальностью

В мире появилась дюжина перспективных материалов, свойства которых позволяют наделить вещи и конструкции способностями к регенерации, суперпрочностью и даже невидимостью. Forbes предлагает оценить пять наиболее удивительных из них.

Самозаживляющийся пластик

Инженеры Университета Иллинойса объявили в журнале Scienceо создании материала, который автоматически заживляет в себе повреждения, включая трещины и пулевые отверстия  диаметром до 3,5 см.
Механизм заживления в этом пластике сконструирован по принципу кровеносной системы человека. Материал содержит сеть капилляров, доставляющих к поврежденным областям три вида жидких химикатов, восстанавливающих дефект подобно тому, как сгусток крови исцеляет рану на живом теле.

Две субстанции, вытекая по раздельным каналам в трещины или пробоины и реагируя там между собой, превращаются в гелеобразную заплату. Третий химикат-полимеризатор заставляет этот сгусток затвердеть, восстанавливая исходную форму материала.

«Пробоина в пластике диаметром свыше 35 мм затянулась за 20 минут, а механические функции восстановились за три часа. Тесты показали, что прочность заплаты составила 62% от прочности оригинального пластика», – утверждает один из разработчиков пластика, профессор Университета Иллинойса Скот Уайт.

Самозаживляющийся пластик, как ожидается, в первую очередь пойдет на создание корпусов мобильных телефонов. В перспективе с его помощью ученые рассчитывают изготавливать водопроводные трубы, самостоятельно устраняющие утечки, детали глубоководных буровых установок, а также обшивку космических аппаратов и тюнинг автомобилей, залечивающий на себе царапины, трещины и пулевые отверстия.

Водоотталкивающий бетон

Профессор Университета Висконсин-Милуоки Константин Соболев и его аспирант Скот Мазенски создали новую формулу «супергидрофобного» бетона, от которого, подобно дроби, отскакивает вода, устранив тем самым главную слабость основного строительного материала.

Просочившаяся сквозь поверхность бетона капля воды, при замерзании и расширении, расколет материал, создав трещину, в которую при плюсовой температуре сможет проникнуть больший объем воды. После определенного количества таких циклов оттаивания весь бетон покроется трещинами и раскрошится.

Поверхность «супергидрофобного» бетона после застывания становится на молекулярном уровне «колючей» для воды, превращая ее в шарики и заставляя скатываться при малейшем наклоне. Новый бетон, вдобавок, обладает гибкостью, благодаря подмешиванию в его состав прочных поливинилалкогольных волокон.

В своей публикации в издании Science Daily разработчики нового материала утверждают, что построенные с применением этого бетона дороги прослужат не менее 120 лет. В настоящее время бетонные покрытия держатся в среднем 40-50 лет, а на перегруженных участках мостов их приходится менять каждые 30 лет.

По словам Константина Соболева и Скота Мазенски, хотя изобретенный ими материал гораздо дороже традиционного бетона, его применение уже сейчас экономически оправдано на критических участках дорог. Например, там, где бетонное покрытие соединяется с асфальтовым. Ученые считают, что размещение в таких местах их материала позволит ощутимо сэкономить на ремонтных работах в будущем.

Металлоорганический аналог графена

Двумерные кристаллические решетки графена (углеродная пленка толщиной в один атом. – Forbes), впервые полученные в 2004 году, расхвалены в СМИ как самый многообещающий материал в $2-триллионной глобальной индустрии электроники. Он – лучший проводник электричества и тепла, чрезвычайно легкий, экстремально прочный, и к тому же прозрачный, гибкий и эластичный.

Однако отсутствие у графена такого важного свойства, как естественная запрещенная зона, препятствует изготовлению из него микрочипов и солнечных панелей. Заставить графен исполнять роль полупроводника можно только путем добавления в него примесей, что негативно отражается на его полезных свойствах.

Ученые Массачуссетского технологического института со страниц Журнала американского химического общества объявили о создании металлорганического соединения Ni3(HITP)2. Этот материал очень близок к графену по свойствам, имея при этом не только естественную запрещенную зону, но и дополнительный бонус в виде саморазвертывания в двухмерную ячеистую пленку.

Органические комплексы, названные HITP, соединяясь с атомами никеля, выстраиваются в мозаичную сетку в виде идеально ровных шестиугольников с одинаковыми отверстиями шириной 2 нанометра (миллиардной доли метра). Эксперименты показали, что эта пленка обладает превосходной удельной проводимостью (40 сименс на сантиметр).

По уверению ученых, Ni3(HITP)2 – это лишь первый экземпляр из целого класса подобных соединений. Замена в нем никеля на другие металлы и видоизменение органических комплексов дают неограниченные возможности по оптимальной настройке свойств материала для различных сфер применения.

Метаматериалы

Эксперименты с метаматериалами, активно проводимые в последнее десятилетие, выявляют у них все новые, не существующие в природе свойства. Благодаря этому в разработку запускаются вещи, совсем недавно казавшиеся невероятными: плащи невидимости, которые обводят электромагнитные волны вокруг объекта, средства сейсмической защиты зданий, суперлинзы и разного рода отражатели излучений.

В недавнем заявлении британская оборонная компания BAE Systems сообщила, что ей в партнерстве с Лондонским Университетом Квин Мери удалось, игнорируя законы физики, заставить плоский круг «думать», что он – изогнутая тарелка.

Этот прорыв в производстве метаматериалов может революционно изменить дизайн самолетов, кораблей, радаров и спутниковых антенн. Если плоские панели смогут эмулировать электромагнитные свойства кривых линз без потери производительности, как обещает BAE Systems, это позволит переместить бортовые антенны летательных аппаратов на обшивку, улучшив их аэродинамику. В ближайшем будущем радары могут стать более легкими и компактными, самолеты – с укороченными крыльями, а космические спутники – с более округлыми формами.

Живой материал

Команда биоинженеров под руководством Тимоти Лу из Массачусетского технологического института приблизилась к «выращиванию» высокопрочных материалов сложной формы экологически чистым способом с помощью живых клеток, запрограммированных на «шитье по выкройке».

Внимание ученых привлек тот факт, что многие природные биосистемы – такие как ракушки, панцири и ткани скелета – способны самостоятельно создавать прочный материал из живых и неживых компонентов. Методами генной инженерии исследователям удалось заставить клетки бактерии генерировать биопленку с ферментами-«крючками», на которые можно подвешивать неживые составляющие. Соответствующую публикацию они выложили в журнале NatureMaterials.

«Наша цель в том, чтобы соединить живой и неживой мир, а затем создать гибридные материалы, внутри которых живые клетки будут расти, укладывать биополимеры и контролировать неорганические частицы вокруг себя. Это интересный взгляд на синтез материала, отличный от того, что люди делают сейчас», – рассказывает Тимоти Лу.

Сейчас усилия ученых сфокусированы на скрещивании биопленки с наночастицами золота для создания ультратонких электропроводов, а также с полупроводниковыми квантовыми точками для изготовления электровыключателей, реагирующих на свет. Также исследователи изучают потенциал покрытия биопленки фотоэлементами для создания солнечных батарей и ферментами для преобразования сельскохозяйственных отходов в биотопливо.

Источник: Forbes.ua
Теги:  графен, пластик, органика, металл, метаматериалы
Нет комментариев
Добавить комментарий
Ничего не найдено