Какие технологии будущего сейчас разрабатывают ученые

Исследователи разрабатывают ультрасовременные гели, покрытия, металлы и другие инновационные материалы и вещества. Все для того, чтобы сделать наши дома, одежду, транспортные средства более эффективными и экологически чистыми.

Синтетический паучий шелк — самый крепкий в мире

Паучий шелк — инновационный материал, который обладает удивительными свойствами: он невероятно прочный и легкий, мягкий и эластичный. Паучий шелк будоражил умы многих ученых. Правда, добывать его очень сложно и затратно.

Изобретение материала приписывают первой супруге китайского императора Хуан-ди, который правил в 2698–2597 гг. до н. э. Она произвела первые попытки добыть этот материал. В XVIII веке технологию добычи пряжи из пауков начали осваивать европейцы.

Чтобы не убивать в огромных количествах насекомых, производители тканей пытались создавать паучьи фермы, однако они не приживались в неестественной среде и часто съедали друг друга. В XXI веке технологии позволили создать синтетический паучий шелк, который не уступает натуральному.

Технология и разработчики

Создать синтетический аналог пытались многие, и в 2004 году японский стартап Spiber разработал синтетическую паутину Qmonos. Японским ученым посчастливилось при помощи генной инженерии создать в лаборатории искусственный фиброин (белок, выделяемый паукообразными).

Вторые — исследователи Кембриджского университета — подошли с другой стороны и разработали шелковые волокна из гидрогеля, состоящего на 2% из кремнезема и целлюлозы, скрепленных кристаллическим веществом кукурбитурилом. Все остальное — вода, которая испарялась после получения волокон.

Был еще стартап Bolt Threads: исследователи представили наиболее приближенный к натуральному — паучий шелк. Инженеры долгое время наблюдали за пауками-золотопрядами вида Nephila и в итоге с помощью генной инженерии на основе дрожжей и особых микроорганизмов вывели протеин в больших количествах.

Применение

В 2015 году Spiber смог привлечь порядка $100 млн инвестиций. Большую часть этих средств вложила компания Goldwin, выпускающая спортивную одежду для активных и экстремальных видов спорта под брендом The North Face. Первые куртки из синтетического паучьего шелка уже были представлены общественности. Сегодня ткань от Spiber стоит до $100 за кг. Планируется массовый выпуск ультратонких и прочных пуленепробиваемых жилетов, которые будут в разы прочнее и легче кевларовых.

Преимущества

• Натуральный паучий шелк стоит около $500 тыс. за кв. м. Синтетический стоит в десятки раз дешевле, чем натуральный.
• Синтетический паучий шелк в 20 раз прочнее стали и вчетверо крепче, нежели кевлар — современный материал, который используют для бронежилетов.
• Массовое производство синтетических тканей, в том числе из искусственного паучьего шелка, — это не только способ получения качественных материалов с более низкой себестоимостью. Это возможность сберечь экологию — развитие синтетической промышленности способствует сокращению объемов потребления речных вод, которые идут на обеспечение нужд текстильной промышленности.

Ученые продолжают изучать свойства синтетического паучьего шелка, надеясь задействовать его в медицинской промышленности. Воспользовавшись его «дышащими» и антиаллергенными свойствами, можно создать совершенно новое покрытие для медицинских имплантатов.

Графеновый аэрогель — самый легкий материал на планете

Графеновый аэрогель — аэрографит, еще его называют «твердым воздухом». Этот инновационный материал считается самым легким в мире: его плотность ниже плотности гелия и вдвое меньше плотности водорода.

Аэрогели — сравнительно новый класс гелевых материалов, жидкая фаза в которых замещена воздухом. Они очень легкие: фактически лишь в полтора-два раза тяжелее воздуха и в 300–500 раз легче воды. Но при этом отличаются от обычных гелей совершенно неожиданной твердостью.

Все дело в их структуре: группы наночастиц образуют чрезвычайно прочные древовидные сети с полостями, которые занимают до 99% общего объема. Твердость аэрогеля не уступает его легкости — кусочек, размером со спичечный коробок, выдерживает на себе кирпич.

Технология и разработчики

Аэрогели были впервые открыты в 1931 году американским ученым и инженером-химиком Сэмюелем Стивенсом Кистлером. В 2011 году аэрогель на основе многослойных углеродных нанотрубок (MCNT), известный также под названием «замороженный дым», с плотностью 4 мг/куб. см уступил место самому легкому материалу в мире с микрорешетчатой структурой, плотность которого равна 0,9 мг/куб. см. Позже его сместил аэрографит (0,18 мг/куб. см), чей триумф оказался таким же недолгим.

Сегодня пальма первенства принадлежит графеновому аэрогелю, который разработала группа исследователей под руководством профессора Гао Чао из лаборатории департамента технологий и наук полимеров Чжэцзянского университета (Китай). Чтобы создать столь легкий материал, ученые использовали один из самых удивительных и тонких материалов на сегодняшний день — графен, который является двумерной аллотропной модификацией углерода, образованной слоем атомов углерода толщиной в один атом.

Используя свой опыт в создании микроскопических материалов, таких как «одномерные» графеновые волокна и двухмерные графеновые ленты, китайские ученые решили добавить к двум измерениям графена еще одно — создать объемный пористый графеновый материал. Молекулярная губка из графена очень пористая — микроскопические пустоты могут составлять до 99% ее объема.

Плотность графенового аэрогеля — 0,16 мг/куб. см. Кроме твердости и легкости, аэрогель способен быстро возвращать форму после сжатия, впитывать и удерживать большой объем нерастворимых в воде веществ — до 900 раз больше собственного веса.

Применение

В мире пока не придумали лучше материала для изоляции, чем графеновый аэрогель. Его можно использовать в утеплении зданий или, наоборот, изоляции помещений, в которых необходимо поддерживать низкие температуры. Графеновый аэрогель позволяет радикально сократить потери тепла зданиями или, напротив, снизить расходы на кондиционирование воздуха и работу морозильных установок. К тому же это отличный материал для легкой и теплой одежды.

В 2015 году фирма Fast Company выпустила первую в мире куртку с применением графенового аэрогеля. С внешней стороны куртки размещены графеновые мембраны, а подкладка создана на основе графеновых трубок. Подобная конструкция позволяет отводить тепло в жаркую погоду, согревать в холода, а также уничтожать болезнетворные бактерии. При этом сама одежда получилась очень тонкой и легкой, а также крайне прочной и способной выдержать огромную нагрузку. Такое изделие продается по вполне доступным ценам (порядка $300).

Графеновый аэрогель применяют в космической промышленности: для термоизоляции марсоходов и скафандров, в качестве фильтров для рассеянных в космическом пространстве пылинок — панели из аэрогеля были установлены на американском аппарате Stardust. На основе графенового аэрогеля можно создавать суперконденсаторы, сочетающие высокую емкость с возможностью выдавать сильный ток при разрядке.

Благодаря тому, что аэрогель сохраняет форму после деформации, обладая эффектом памяти первоначальной формы, из него можно делать любые предметы, которые должны менять свою форму без вмешательства человека. На его базе можно создавать искусственные мышцы, которые будут возвращать человека к полноценной жизни.

Преимущества

• Легкость и изоляционные способности этого материала позволяют создать ультратонкие пластины, которыми можно изолировать любые поверхности и пространства.
• Графеновый аэрогель очень легкий, не поддающийся коррозии и гниению, не горит в огне и не тонет в воде.
• Графеновый аэрогель к тому же невероятно прочный — выдерживает в 6000 раз больше своего веса.
• Всего за секунду один грамм графенового аэрогеля впитывает до 68,8 грамма органических веществ, что делает его привлекательным для использования в местах разлива нефти.

Гидрофобные поверхности с эффектом лотоса

Гидрофобные поверхности имеют свойство — отталкивать воду, подобно листьям лотоса. Эффект лотоса, открытый профессором Вильгельмом Бартлоттом, вызвал огромный интерес во всем мире. Эффект лотоса проявляется в том, что при контакте с материалом, обладающим гидрофобными свойствами, капля воды принимает форму, близкую к шарообразной, и при небольшом наклоне материала по отношению к горизонту капля скатывается с поверхности, захватывая при движении все загрязнения поверхности. Именно лотос послужил примером и объектом изучения, дав немало подсказок в создании гидрофобных материалов.

Технология и разработчики

Несмотря на то что эффект лотоса в природе наблюдался давно, систематическое исследование этого явления учеными началось не более 15 лет назад. Создание различных материалов, обладающих супергидрофобностью, стало возможным лишь в связи с получением наноматериалов и развитием нано- и микротехнологий.

Группа ученых из Университета Райса, Университета в Суонси, Бристольского университета и Университета Ниццы — Софии Антиполис разработали новый класс материала на основе гидрокарбона, который является «зеленым» заменителем материалов на основе фторуглерода, применяемых в настоящее время для отталкивания воды. Руководитель исследования — химик из Университета Райса Эндрю Баррон рассказал: «В листе лотоса образованы структуры, которые сдерживают воду благодаря бугоркам в слое эпидермиса и эпикутикулярному воску сверху«.

Для того чтобы создать эти структуры, синтезированные наночастицы оксида алюминия были покрыты модифицированными карбоновыми кислотами, которые содержат «сильно разветвленные углеводородные цепи». Эти колосовидные структуры, которые делают поверхность шероховатой, удерживают слой воздуха, чтобы уменьшить контакт между каплями воды и поверхностью, заставляя воду соскальзывать.

Gentoo — еще один гидрофобный материал, разработанный компаниями Luna и UltraTech Int. Совершенно не смачиваясь водой, Gentoo обеспечивает высокую защиту от коррозии и самоочищение — любая грязь просто смывается и скатывается, а не высыхает на поверхности. Полимер, смешанный с жидкой основой, может наноситься даже распылением из баллончика, образуя тончайшую (4−6 мкм) прозрачную пленку, которая устойчиво удерживается на основе. Такой эффект также основан на использовании эффекта лотоса, поверхность которого покрыта мельчайшими неровностями, мешающими работе сил поверхностного натяжения воды.

Применение

У гидрофобных материалов огромный спектр применения. Сегодня уже создано множество материалов, способных к самоочищению, обладающих гидрофобными свойствами, — например, водоотталкивающие краски для фасадов, покрытия для поездов, незапотевающие стекла, непромокаемая одежда с эффектом лотоса — она не мокнет и не пачкается.

Одно из недавних достижений в текстильной промышленности — создание непромокаемой хлопчатобумажной ткани, не теряющей своих свойств после 250 стирок. Из гидрофобных материалов производят очки, бинокли, ветровые стекла, корпуса мобильных телефонов. Обработанные гидрофобным материалом ступени, дома не накапливают влагу и, следовательно, не образуется наледь. Гидрофобное покрытие идеально подходит для морских применений, где нужен материал для подводной защиты.

В марте 2012 года компания General Electric заявила о том, что создала прототип покрытия, текстура которого на микроуровне повторяет фактуру лепестков лотоса. Компания использует полученные материалы для лопастей ветряных турбин — в этом направлении очень актуальна борьба с наледью на ветрогенераторах.

Еще одно важное направление применения супергидрофобности в электроэнергетике — борьба с налипанием снега и льда на электрические провода. Материалы, отталкивающие воду, будут способствовать предотвращению обледенения от обрыва проводов в зимнее время, что является большой проблемой в северных широтах.

Преимущества

• Гидрофобные материалы и поверхности не требуют особого ухода, а соответственно, на них можно серьезно экономить на чистке.
• Антибактериальные свойства обработанных поверхностей, долгосрочная видимая и гигиеническая чистота, легкая очистка, полная нейтральность к коже, безопасность даже для аллергиков.
• Возможно использование во всех сферах деятельности человека, где происходит контакт с жидкостями.
• В случае снижения гидрофобного эффекта, достаточно очистить поверхность и промыть проточной водой, чтобы снова восстановить его свойства.
• Проверенная, долгосрочная и высокоэффективная защита от агрессивных воздействий окружающей среды, погодных условий и даже царапин.
• Если же гидрофобное покрытие повреждено, то на большинстве материалов его чаще всего можно восстановить, заново обработав соответствующим продуктом поврежденное место.

Магнитные материалы для двигателя будущего

Принцип работы любого двигателя — преобразование энергии в движущую силу, которая перемещает транспортное средство. В современных двигателях такое преобразование, как правило, довольно энергоэффективный процесс, но даже его можно улучшить, сократив потери на тепловыделение. Недавно ученые разработали особые магнитные материалы, которые помогут в создании высокоэнергоэффективных электродвигателей будущего.

Технология и разработчики

Для преобразования электрической энергии в кинетическую, способствующую движению, все процессы происходят под воздействием магнитного поля. Но чем больше частота вращения двигателя, тем больше его температура, — в итоге часть энергии просто рассеивается в виде тепла. Ученые решили вопрос нагрева кардинально, придумав материал, который не будет нагреваться во время работы двигателя, а энергия, которая должна была уходить в тепло, увеличит его мощность.

Группа ученых во главе с профессором материаловедения и инженерии Университета Карнеги — Меллон Майклом Макгенри решает эту проблему при помощи синтеза металлических аморфных нанокомпозитных материалов (MANCs). В настоящее время моторы в основном сделаны из стали и кремния. MANCs являются альтернативой этим материалам — из-за их высокого сопротивления они практически не нагреваются и могут вращаться с гораздо более высокой скоростью. Для синтеза MANCs ученые используют жидкие сплавы металлов, которые твердеют при крайне высокой температуре. Благодаря этому материал и получает новые уникальные свойства.

Применение

Это класс мягких магнитных материалов, которые эффективны при преобразовании энергии на высоких частотах. С их использованием можно уменьшить размеры двигателя, но при этом мощность его будет сопоставима с большими по размерам аналогами, выполненными из обычных металлов.

Преимущества

• Согласно статистическому исследованию ученых Чикагского университета, только в США 50% всей энергии вырабатывается при помощи двигателей, даже небольшое улучшение процесса позволит существенно сэкономить.
• Электромагнитные двигатели передвигают грузовики, огромные промышленные станки, охлаждают холодильники и заставляют работать пылесосы. При таких масштабах даже незначительное улучшение может вылиться в огромную суммарную экономию.

Искусственные мышцы человека

Человеческие мышцы могут регенерироваться и самовосстанавливаться, заменяясь новыми, более прочными волокнами. Ученые, создавая роботов, внимательно изучали строение мышц человека и до сих пор им не удавалось создать идентичный человеческим мышцам материал. Так продолжалось до тех пор, пока японские исследователи не сделали серьезный прорыв в этом направлении.

Технология и разработчики

Разработкой искусственной мышцы занялась группа ученых из Университета Хоккайдо под руководством профессора Цзяньпин Гуна. Известно, что сердце способно безостановочно биться со скоростью примерно 72 ударов в минуту на протяжении более ста лет. Японцам удалось создать структуру, которая повторяет структуру мышц и в теории способна быть так же износостойкой, как и ткани сердца. Основой для нового материала стал гидрогель, одновременно состоящий из жесткого и упругого компонентов. Как и другие гидрогели, новый материал на 85% состоит из жидкости — в ней были растворены мономеры, способные образовывать молекулы обоих компонентов. По сути, они выполняют ту же функцию, что и аминокислоты в живой ткани. Как и предполагали ученые, при растяжении такого материала жесткие полимеры тут же начинают разрушаться. В конце разорванных полимерных цепей возникают химические частицы под названием «механорадикалы», быстро соединяющиеся с плавающими мономерами и образующие новые, более прочные полимерные цепи.

Применение

По словам руководителя проекта Цзяньпин Гуна, их открытие приведет к созданию новых материалов с отличным соотношением гибкости и прочности. Они, в свою очередь, смогут стать частью экзоскелетов и быть полезными в восстановлении утраченных людьми мышц.

Преимущества

• Опытным путем установлено, что после нескольких растягиваний прочность искусственной мышцы увеличилась в полтора раза, а масса возросла на 86%.
• Робот с такими мускулами смог успешно манипулировать объектами, подобно человеку.
• Свойства материала можно регулировать: используя термочувствительные мономеры и применяя высокие температуры, можно повысить его водостойкость.

По материалам

10.08.2019, 20:33