Материалы изменившие мир: Материалы, которые изменили историю человечества

Материалы, которые изменили историю человечества


Вся история человеческой цивилизации связана с различными материалами. Действительно, изготавливать простейшие орудия труда могут многие животные, в том числе дельфины, птицы и даже некоторые рыбы, но только человек подходит к этому делу, как говорится, с умом. Он изучает свойства имеющихся материалов, выбирает наилучшие из них, комбинирует, а в последующие эпохи человечество научилось синтезировать новые материалы с уникальными свойствами, которые не встречаются в природе.

И всё же основными материалами, которые повлияли на историю человечества, были природный камень, бронза, железо, полимеры и кремний. Первые три материала из этого списка были известны с глубокой древности и дали название целым большим историческим эпохам – каменный век, бронзовый век, железный век. Некоторые спросят, почему в этом списке не упомянуто дерево, ведь оно тоже сыграло довольно значительную роль в развитии технологий. Однако свойства дерева не настолько существенны, чтобы встать в один ряд даже с природным камнем.

Камень

Камень, пожалуй, был самым первым материалом, который стал известен первобытным людям. Древнейшие найденные каменные орудия имеют возраст более трёх миллионов лет. Это означает, что изготовлением каменных орудий занимались не только представители нашего вида – Человек разумный, но и их более древние родственники и непосредственные предки: неандертальцы, питекантропы и др. Овладение мастерством обработки камня – такое же достижение высших приматов, как и «приручение» огня. С этого времени история высших животных, коими являются люди, никогда уже не была прежней. Ведь теперь появилась возможность не только пассивно использовать то, что даёт природа, но и активно изменять окружающую действительность в собственных интересах.

Пригодные орудия труда можно изготовить не из любого камня. Необходимые виды камня должны быть твёрдыми, иметь острый скол и быть устойчивыми к трещинам. Древние люди изучали свойства камней, которые их окружали, и выбирали наиболее подходящие виды. Каменными орудиями можно было обрабатывать дерево, возделывать землю, использовать их как оружие. Конечно, прочность и трещиностойкость камня были довольно слабыми по сравнению с другими материалами, освоенными позже, но для своего времени овладение камнем было огромным прорывом.

Известно, что уже с глубокой древности человечество нашло несколько наиболее подходящих видов камня. Это были песчаник, кремень, обсидиан. В некоторых древнейших захоронениях был обнаружен даже горный хрусталь. Это доказывает, что уже в доисторическую эпоху люди интересовались минералами и собирали их.

Бронза

Металлы – следующая ступень в развитии человеческих технологий. Прочность и трещиностойкость у металлов существенно выше, чем у камня. К тому же из них можно изготавливать орудия самой разной формы и с разными свойствами. Металлическими орудиями можно было пользоваться долго, в отличие от каменных, которые крошились после нескольких использований. В человеческой культуре появилось множество профессий, связанных с обработкой металла, его литьём, ковкой, гравировкой. Кузнецы и другие мастера по металлу производили всё, в чём нуждался новый человек: более совершенное оружие и доспехи, посуду, орудия труда, украшения, элементы одежды.

Мастера по обработке металла быстро продвигались по «карьерной лестнице» и приобретали даже божественный статус. Одни из самых суровых, мощных и почитаемых богов древности были как раз покровителями кузнечного дела; таков античный Гефест.

Итак, бронзовый век был очередным шагом человеческого развития. Но освоить бронзу было делом совсем не простым. Бронза – это сплав меди с оловом. Медь является довольно распространённым материалом в природе, и сначала человечество научилось добывать и обрабатывать именно её. Однако сама по себе медь мягкая и непрочная, и она больше пригодна для изготовления украшений и мелких предметов быта, чем для создания более серьёзных вещей. Олово же встречается в природе гораздо реже. Однако олово принесло медному сплаву все те характеристики, которых ей не хватало. Главным источником олова в природе является касситерит – минерал, который в древнем мире добывался едва ли не в одном месте на планете – на территории современной Англии. Место это было по тем временам дикое и далёкое от основных тогдашних центров цивилизации.

Тем не менее, трудности оправдывали себя. Появление бронзовых орудий способствовало развитию торговли, культурному обмену между разными народами. Бронзовые изделия экспортировались в те места, где обработки металла ещё не знали. Племена и народы, владеющие технологиями выплавки и обработки бронзы, у более отсталых народов приобретали репутацию всесильных магов, с которыми лучше не враждовать.

Железо

Железо – ещё одна ступень в человеческом развитии. Железо изначально ассоциировалось с войной, насилием, а также с твёрдым и непреклонным характером. Железные орудия более прочные и тяжёлые, чем бронзовые, они ещё больше устойчивы к трещинам. Поэтому железные орудия постепенно вытеснили бронзовые. Лучше всего из железа получалось, конечно же, смертоносное оружие.

Преимущество железа было ещё и в том, что оно очень высоко распространено в природе. Однако у него и его сплавов был существенный недостаток: они ржавели со временем. Бороться с этой напастью люди пытались на протяжении всей своей истории, но даже сегодня не существует единого универсального рецепта преодоления ржавчины.

Когда наступила эпоха пара, а затем и электричества, железо не переставало играть ключевую роль. В это время распространились такие важные сплавы на основе железа, как сталь и чугун. Оказалось, что свойства сталей можно очень сильно менять, добавляя даже небольшое количество тех или иных компонентов и изменяя процессы изготовления сплавов. С тех пор появилось огромное количество различных сталей, которые предназначены для разных отраслей человеческой деятельности.

Известны и легендарные виды железных сплавов; к ним относятся булат и дамасская сталь. Булат впоследствии удалось воспроизвести, а вот точный состав дамасской стали сегодня является загадкой: в восемнадцатом веке рецепт её приготовления был утрачен.

Полимеры

Пластик, полиэтилен, резина, кевлар… Без этих и многих других подобных материалов современное человечество, как кажется, вообще не способно существовать. Эра полимеров началась в двадцатые годы ХХ века, когда учёные впервые синтезировали такие материалы. Синтез полимеров оказался довольно сложной задачей, но в начале двадцатого столетия она была решена. Полимеры играют ключевую роль в нашей жизни и сейчас. Надо сказать, что полимеры – это не только искусственные материалы, производимые в лабораториях и на специальных предприятиях: среди природных веществ также встречается немало полимеров, часть из которых входит в состав и человеческого организма.

Полимеры уникальны и сочетают в себе много разных свойств, порой даже противоположных. С одной стороны, связи между атомами в полимерах очень прочные – это одни из самых сильных связей в природе. С другой стороны, цепочки связанных таким образом элементов обладают гибкостью, которая может реализовываться по-разному. К примеру, в обычном полиэтиленовом пакете цепочки элементов беспорядочно спутаны в клубок, вследствие чего получается структура гибкая, но не особо прочная. Но существует и так называемый высокомолекулярный полиэтилен, в которых цепочки не спутаны между собой, а уложены параллельно друг другу и образуют строго упорядоченную структуру, благодаря чему получается материал очень высокой прочности. Такой полиэтилен можно использовать, к примеру, в бронежилетах. В наше время в бронежилетах применяется другой подобный полимер – кевлар.

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен, как оказалось, обладает и ещё одним полезным свойством – очень высокой теплопроводностью. По этому показателю он конкурирует с металлами. В обозримом будущем очень лёгкий сверхвысокомолекулярный полиэтилен и в самом деле частично заменит металл.

Кремний

Этот элемент – основа основ всей современной электроники. Первым прибором, построенным на основе кремния, был транзистор; впоследствии на его основе были созданы микросхемы и процессоры, а они, в свою очередь, легли в основу компьютеров, мобильных телефонов и другой техники.

Интересно, что в первых транзисторах вместо кремния использовался германий. Однако этот материал был не особо подходящим для данной цели: германий довольно редкий и дорогой, также он очень чувствителен к поверхностному окислению. Многие транзисторы, произведённые из германия, оказались нерабочими, и специалистам пришлось долго разбираться, почему так происходит: какие-то транзисторы работают, а другие, абсолютно идентичные по устройству, не работают. Вскоре исследователи упростили задачу и ввели в транзистор вместо германия кремний – элемент значительно более податливый, распространённый и дешёвый.

Сегодня без кремниевой электроники мы не можем обойтись точно так же, как не можем жить без полимеров. Возможно, в будущем появится техника, основанная на совсем других принципах, но сегодня кремний уходить со сцены не собирается. Квантовые и оптические компьютеры пока что остаются по большей части фантастикой, изготовить такие устройства гораздо сложнее, чем просто говорить о них.

Необходимо напомнить, что кремний сам по себе является загадочным элементом. Он очень похож на углерод и является его «близким родственником», даже занимает соседнюю ячейку таблицы Менделеева. Поэтому если в космосе существуют какие-либо небелковые (неуглеродные) формы жизни, то с большей вероятностью они будут основаны на кремнии. Это справедливо и по той причине, что наша земная жизнь тоже частично является кремниевой: кремний в довольно больших количествах входит в состав организма животных и растений: это защитные клетки на листьях (например, у крапивы), внешние скелеты (раковины) многих бактерий, входит он и в наружные и внутренние скелеты животных. Так что даже если вдруг привычные нам компьютеры будут заменены на оптические, кремний всё равно будет ещё долго владеть умами людей.

Материалы, изменившие мир. Технологии получения материалов.


Тема Материалы, изменившие мир. Технологии получения материалов. Современные материалы: многофункциональные материалы, возобновляемые материалы (биоматериалы), пластики и керамика как альтернатива металлам, новые перспективы применения металлов, пористые металлы. 6 класс Составила : Рафикова Надежда Степановна


Сортовой прокат тип металлопроката, который отличается элементарностью формы поперечного сечения. Если говорить языком техническим, то ни одна касательная линия к поперечному сечению такого изделия, не должна пересекать это сечение. Таким образом, сортовой прокат, это круг, квадрат, шестигранник и полоса. Это общепринятые формы для сортового проката, который по своей природе является заготовкой для дальнейшего производства



Сортовой прокат, как и любой прокат, имеет свои особенности и требования. Он отличается по точности исполнения, по своему материалу, размеру и другим параметрам. Однако действительно важной классификацией стало различие сортового проката по качеству поверхности. — 1ПГ, прокат для использования без обработки его поверхности.  — 2ПГ, прокат для горячей обработки с давлением.  — 3ПГ, прокат для механической, холодной обработки исключительно резанием.  У каждого продукта данной категории есть свои особенности, которые продиктованы его формой, а значит областью применения. О каждом из представителей поговорим отдельно.  Стальной круг. Если сравнить статистические данные по выпуску сортового проката, то круг стальной окажется самым популярным продуктом этой отрасли. По своему внешнему виду круг стальной, это прут диаметр поперечного сечения, которого может варьироваться от 5 до 270 миллиметров. Более того, при необходимости, его диаметр может быть увеличен до 330 миллиметров. Данный тип сортового проката выпускают из углеродистой стали, низколегированной стали, низколегированной и углеродистой стали высокого качества, а также из высоколегированного сырья. Область применения данного типа сортового прокат чрезвычайно широка. Он используется в строительстве, тяжёлом машиностроении, судостроении. Также он является основой для производства сеток, арматуры, ограждений разного типа. Иногда используется в качестве основы для ковки.



Стальной квадрат, второй по актуальности продукт из данной серии. Он представляет собой прут с квадратом в поперечном сечении. Размеры сторон такого квадрата могут варьироваться от 6 до 200 миллиметров. Сырьевая основа для стального квадрата полностью аналогична производству стального круга. Это сталь низколегированная обычного и высокого качества, высоколегированная, сталь углеродистая обычного и высокого качества. Область использования стального квадрата обусловлена его правильной геометрической формой. Он идеально подходит для всевозможных точных конструкций, начиная от арматуры и заканчивая формированием сложных оград, сеток и скамеек.  Стальной шестигранник мы опустим в рассмотрении, так как он уж совсем похож на квадрат по своим общим характеристикам. Хотя при работе с данным представителем сортового проката, наверняка появятся свои нюансы, как и при рассмотрении любого вопроса предметно.  Последним представителем сортового проката, который мы рассмотрим, станет полоса стальная. По габаритам полоса стальная может варьироваться в разных размерах. Это касается как её длины, так и размеров сторон поперечного сечения. Кстати, поперечное сечение стальной полосы – прямоугольник. В плане использования полоса стальная действительный чемпион. Эту продукцию используют в её начальном виде, она служит в качестве основы для сложных конструкций, становится заготовкой для производства инструментов и всевозможных гнутых профилей. Обозначить сферы применения стальной полосы практически невозможно, потому что данный тип сортового проката активно используется во всех сферах жизни человека.   Это перечень представителей сортового проката. Исходя из общих характеристик, Вы наверняка сможете определиться с тем, какой из них Вам нужен, и как лучше использовать этот продукт на благо своего предприятия.


Сортовой прокат


Сортовой прокат


Сортовой прокат


Сортовой прокар


Материалы, изменившие мир. Технологии получения материалов. Современные материалы: многофункциональные материалы, возобновляемые материалы (биоматериалы), пластики и керамика как альтернатива металлам, новые перспективы применения металлов, пористые металлы.


Особенности обработки искусственных материалов. Эко логическая безопасность при изготовлении, применении и утилизации искусственных материалов.


Первая пластмасса была получена английским металлургом и изобретателем Александром Парксом в 1855 году. Паркс назвал её паркезин (позже получило распространение другое название — целлулоид). Паркезин был впервые представлен на Большой Международной выставке в Лондоне в 1862 году. Развитие пластмасс началось с использования природных пластических материалов (жевательной резинки, шеллака), затем продолжилось с использованием химически модифицированных природных материалов (резина, нитроцеллюлоза, коллаген, галалит) и, наконец, пришло к полностью синтетическим молекулам (бакелит, эпоксидная смола, поливинилхлорид, полиэтилен и другие).


Паркезин являлся торговой маркой первого искусственного пластика и был сделан из целлюлозы, обработанной азотной кислотой и растворителем. Паркезин часто называли искусственной слоновой костью. В 1866 году Паркс создал фирму ParkesineCompany для массового производства материала. Однако, в 1868 году компания разорилась из-за плохого качества продукции, так как Паркс пытался сократить расходы на производство. Преемником паркезина стал ксилонит (другое название того же материала), производимый компанией Даниэля Спилла, бывшего сотрудника Паркса, и целлулоид, производимый Джоном ВеслиХайатом.


Типы пластмасс В зависимости от природы полимера и характера его перехода из вязкотекучего в стеклообразное состояние при формовании изделий пластмассы делят на:   Термопласты (термопластичные пластмассы) — при нагреве расплавляются, а при охлаждении возвращаются в исходное состояние; Реактопласты (термореактивные пластмассы) — в начальном состоянии имеют линейную структуру макромолекул, а при некоторой температуре отверждения приобретают сетчатую. После отверждения не могут переходить в вязкотекучее состояние. Рабочие температуры выше, но при нагреве разрушаются и при последующем охлаждении не восстанавливают своих исходных свойств. Также газонаполненные пластмассы — вспененные пластические массы, обладающие малой плотностью.



Свойства

Основные механические характеристики пластмасс те же, что и для металлов.

Пластмассы характеризуются малой плотностью (0,85—1,8 г/см³), чрезвычайно низкими электрической и тепловой проводимостями, не очень большой механической прочностью. При нагревании (часто с предварительным размягчением) они разлагаются. Не чувствительны к влажности, устойчивы к действию сильных кислот и оснований, отношение к органическим растворителям различное (в зависимости от химической природы полимера). Физиологически почти безвредны. Свойства пластмасс можно модифицировать методами сополимеризации или стереоспецифической полимеризации, путём сочетания различных пластмасс друг с другом или с другими материалами, такими как стеклянное волокно, текстильная ткань, введением наполнителей и красителей, пластификаторов, тепло- и светостабилизаторов, облучения и др. , а также варьированием сырья, например использование соответствующих полиолов и диизоцианатов при получении полиуретанов.

Твёрдость пластмасс определяется по Бринеллю при нагрузках 50—250 кгс на шарик диаметром 5 мм.



Теплостойкость по Мартенсу — температура, при которой пластмассовый брусок с размерами 120 × 15 × 10 мм, изгибаемый при постоянном моменте, создающем наибольшее напряжение изгиба на гранях 120 × 15 мм, равное 50 кгс/см², разрушится или изогнётся так, что укреплённый на конце образца рычаг длиной 210 мм переместится на 6 мм.

Теплостойкость поВика — температура, при которой цилиндрический стержень диаметром 1,13 мм под действием груза массой 5 кг (для мягких пластмасс 1 кг) углубится в пластмассу на 1 мм.

Температура хрупкости (морозостойкость) — температура, при которой пластичный или эластичный материал при ударе может разрушиться хрупко.

Для придания особых свойств пластмассе в неё добавляют пластификаторы (силикон, дибутилфталат, ПЭГ и т. п.), антипирены (дифенилбутансульфокислота), антиоксиданты (трифенилфосфит, непредельные углеводороды).

Производство синтетических пластмасс основано на реакциях полимеризации, поликонденсации или полиприсоединения низкомолекулярных исходных веществ, выделяемых из угля, нефти или природного газа, таких, к примеру, как бензол, этилен, фенол, ацетилен и других мономеров. При этом образуются высокомолекулярные связи с большим числом исходных молекул (приставка «поли-» от греческого «много», например, этилен-полиэтилен).






Изделия своими руками из пластика

Эти 5 инновационных материалов меняют мир

Добро пожаловать в Thomas Insights — каждый день мы публикуем последние новости и аналитические материалы, чтобы информировать наших читателей о том, что происходит в отрасли. Зарегистрируйтесь здесь, чтобы получать главные новости дня прямо на ваш почтовый ящик.

Какой материал позволит человечеству строить теплые, защищенные от ультрафиолета поселения вблизи марсианских ледяных шапок? Какие 2D-материалы будут использованы для постройки лифта в космос? Почему Силиконовая долина однажды может быть известна как «Оловянная долина»? Что такое новое черное золото?

Давайте исследовать удивительные материалы будущего.

1. Аэрогель кремнезема

Описанный как «странный и призрачный», этот материал на самом деле является твердым, несмотря на то, что на 99,98% состоит из воздуха. Аэрогель, полученный путем высасывания жидкости из геля с помощью сверхкритической осушки, состоит из воздушных карманов, которые делают его сверхлегким и способным удерживать тепло. Марс энтузиасты считают, что кремниевый аэрогель можно использовать для строительства поселений (куполов) вблизи полярных ледяных шапок Красной планеты, где они будут улавливать тепло, превращать полярный лед в полезную воду и блокировать вредное ультрафиолетовое излучение, пропуская при этом видимый свет. Материал почти ничего не весит, что облегчит транспортировку на Марс (хотя он громоздкий).

2. Фосфореновые наноленты

Случайное открытие фосфореновых нанолент в начале этого года взбудоражило всех, кто работает в области аккумуляторных технологий. Их гофрированная структура означает, что заряженные ионы в электромобилях, самолетах и ​​солнечных батареях могут двигаться в 1000 раз быстрее, что приводит к сокращению времени зарядки и увеличению емкости аккумулятора на 50%. Это также может означать переход от труднодоступных ионов лития к избытку ионов натрия.

«Чудо-ленты» имеют толщину в один атом и 100 атомов в поперечнике, но до 100 000 атомов в длину. Они однородны, но ими можно управлять, то есть их свойства (например, электропроводность) можно точно настроить. Их гибкость означает, что их можно скручивать и они могут идеально повторять контуры поверхностей.

Другие потенциальные области применения включают:

  • Небольшие и быстрые электронные устройства
  • Высокоэффективные солнечные элементы
  • Пригодные для носки ткани, преобразующие отработанное тепло в электричество
  • Производство дешевого водородного топлива

3.

Черное золото

Ученые из Института фундаментальных исследований Тата в Индии обнаружили «черное золото». В данном случае этот термин относится не к маслу или нефти, а к новому материалу, созданному путем изменения размера и промежутков между наночастицами золота. Новый материал может поглощать углекислый газ и весь видимый и ближний инфракрасный диапазон солнечного света.

Потенциальные области применения включают:

  • Искусственный фотосинтез (улавливание углекислого газа и превращение его в топливо)
  • Сбор солнечной энергии
  • Опреснение морской воды

4. Интеллектуальные композитные конструкции

Лондонский мост никогда бы не рухнул, если бы елизаветинцы знали об интеллектуальных композитных конструкциях на основе оптоволокна.

Эта технология, которая меняет правила игры с точки зрения инженерии зданий и безопасности самолетов, включает в себя встраивание волоконно-оптических датчиков в передовые композитные материалы. Эти датчики, известные как волоконно-оптическая система мониторинга структурной целостности и система оценки повреждений, могут измерять и сообщать о внутренней деформации или обнаруживать акустическую эмиссию, вызванную нагрузкой, в композитных конструкциях. Наиболее эффективным методом создания материалов со встроенными датчиками является интеграция сети датчиков в полиимидную пленку в качестве «сенсорного слоя оптического волокна», а затем встраивание этого слоя в композитный материал.

Несмотря на то, что в прошлом датчики включались в конструкцию частей и зданий самолетов, это приводило к проблемам с концентрацией напряжений, поскольку они не были «встроены» в том смысле, что они были частью самого материала.

5. Другие 2D-материалы: графен, борофен и станезе

Графен

Помните, когда вы учились в школе и впервые узнали, что муравьи могут поднимать в 50 раз больше своего веса? В мире передовых материалов графен, полученный из углерода, превосходит даже самое сильное насекомое с точки зрения пропорциональной прочности.

При поверхностной массе 0,763 мг на квадратный метр плотность графена составляет всего 5% от плотности стали, но по отношению к его толщине он в 100-200 раз прочнее стали, что делает его претендентом на звание материала, который в конечном итоге будет использовался для создания хваленого космического лифта. Другие полезные свойства включают очень эффективную проводимость тепла и электричества, почти прозрачность и большой нелинейный диамагнетизм.

Прогнозируемые области применения этого материала включают:

  • Солнечные батареи
  • Батареи
  • Компьютерные микросхемы
  • Фильтры для воды
  • секвенирование ДНК
  • Транзисторы
  • Хранение данных
  • Светодиоды (LED)
  • Сенсорные экраны для интеллектуальных устройств, включая смартфоны
  • Использование в композитных материалах (для самолетов и в качестве заменителя стали в строительстве)

Графен обычно имеет форму порошка или диспергирован в полимерной матрице, что делает его пригодным для современных композитов, красок, смазочных материалов, масел, материалов для 3D-принтеров, конденсаторов и аккумуляторов. В середине 2019 г., исследователи из Университета Рочестера и Делфтского технологического университета Нидерландов объявили о способе массового производства графена в больших масштабах с использованием бактерий.

Борофен

Для следующего поколения передовых технологий, таких как аккумуляторы для электромобилей, квантовые компьютеры, потребуются более мелкие, прочные и гибкие материалы. Вот где на помощь приходит борофен.

Полученный из элемента бора, борофен имеет толщину всего в один атом и считается учеными вдвое более прочным и гибким, чем графен. Это сверхпроводник и хороший проводник тепла и электричества. Однако, в отличие от графена, исследователи изо всех сил пытаются производить борофен в больших масштабах. Этот материал также дорог и сложен в обработке.

Потенциальные области применения включают:

  • более мощные литий-ионные аккумуляторы
  • хранилище водорода
  • гибкая электроника
  • квантовых компьютера нового поколения, носимых устройств и биомолекулярных датчиков.

Станен

С появлением чудо-материала станина (также известного как 2D-Tin) вполне возможно, что Силиконовая долина однажды может называться Оловянной долиной.

Подобно графену и борофену, станен состоит из атомов, расположенных в одном гексагональном слое, но получен из олова, а не из углерода или бора. Было обнаружено, что он проводит электричество со 100% эффективностью и является топологическим изолятором. Без выделения тепла, ограничивающего производительность, станен может революционизировать интегральные схемы (микрочипы) для создания более быстрых, компактных и энергоэффективных компьютеров. Исследователи из Стэнфорда ожидают, что станин будет все чаще использоваться в схемах и заменит кремний в сердцевинах транзисторов.

Изображение предоставлено MaterialDistrict

Midwest Composite Technologies приобретает компанию по литью под давлениемСледующая история »

Еще от производственных инноваций

Пять удивительных материалов, которые могут изменить мир | Science

«История материалов — это история ошибок», — говорит Марк Миодовник, материаловед из Университетского колледжа Лондона, который прослеживает свое собственное увлечение материалами до момента, когда он получил удар бритвой в спину, когда шел в школу. один день.

Замечание верное. На протяжении веков ученые с такой же вероятностью натыкались на очередной чудо-материал во время неудачного эксперимента, как и намеренно создавали его с нуля. Традиция продолжается и сегодня: не один материал, призванный революционизировать мир или, по крайней мере, дать нам лучшие гаджеты, появился по счастливой случайности, если не из-за откровенных ошибок.

Но случайная находка полезных материалов может продолжаться недолго. Ученые теперь обращаются к компьютерам для разработки материалов и определения их свойств, прежде чем идти в лабораторию или мастерскую. Некоторые из новейших материалов, которые зажигают ученых, существуют только в теории. Теперь цель состоит в том, чтобы воплотить их в жизнь.

Используемые здесь материалы настолько новы, что их окончательное применение все еще находится на стадии изучения или даже не предполагается. Но у каждого есть потенциал для трансформации. Если история материалов служит ориентиром, то и то, как мы их в конечном итоге будем использовать, также будет частично обнаружено случайно.

Графен

Выходки пятничного вечера, которые привели к изобретению графена, стали предметом научной легенды. Андрей Гейм и Константин Новоселов из Манчестерского университета экспериментировали со скотчем и куском графита, когда обнаружили, что могут делать листы углерода толщиной в один атом. Это было в 2004 году. С тех пор они разделили Нобелевскую премию, стали сэрами и были награждены Национальным институтом графена стоимостью 61 миллион фунтов стерлингов.

И все зря. Графен — необычный материал. Помимо многих других свойств, он чрезвычайно прочный, гибкий, прозрачный и проводящий. Это делает его идеальным для следующего поколения электронных устройств, которые могут быть вшиты в нашу одежду, прикреплены к бутылкам с напитками и банкам с едой или свернуты и спрятаны в наших карманах. На прошлой неделе Чжаохуи Чжун из Мичиганского университета рассказал, как графен можно использовать для изготовления контактных линз ночного видения.

«У графена огромный потенциал, — говорит Андреа Феррари, директор Кембриджского центра графена. «Обычно вы не найдете материал, который находит применение в стольких различных областях».

Художественное впечатление от гофрированного графенового листа. Фотография: Янник Мейер/AFP/Getty Images

Деньги текут рекой. ЕС выделил миллиард евро, чтобы помочь исследователям превратить графен из лаборатории в продукты. Джордж Осборн назвал это «великим британским открытием» и поддержал его коммерциализацию. Появились компании, производящие графен на заказ. С графеном все, от вашего холодильника до зубной щетки, может быть подключено к Интернету. «Как обеспечить Интернет вещей? Вам нужно разместить устройства во всем. Но вы не можете поместить процессор Pentium 5 в книгу, она будет стоить больше, чем книга», — говорит Феррари. «Интернету вещей потребуются очень дешевые, простые, гибкие и, в конечном счете, одноразовые устройства, и здесь на помощь приходит графен».

Шелк паука

Давным-давно в истории науки было время, когда исследователи не говорили о шелке паука как об идеальном материале для изготовления пуленепробиваемых жилетов. Приложение получило широкое распространение после того, как исследователи выяснили молекулярную структуру шелка и на основании этого пришли к пониманию его фантастической прочности и гибкости.

Десятилетия спустя перспектива динамично развивающегося рынка индивидуальных бронежилетов, сплетенных из паучьего шелка, вероятно, переоценила опасности современной жизни так же, как и практические трудности, связанные с использованием этого материала.

«Вы не можете использовать шелк паука для изготовления пуленепробиваемого жилета. Он слишком растяжим. Он поймает пулю, но не раньше, чем пуля пройдет через ваше тело», — говорит Фриц Фоллрат из Oxford Silk Group. На этом слова предостережения не заканчиваются. «Вы можете использовать его в качестве материала? Скорее всего, нет. Его нужно собирать с паука, а это экономически невыгодно».

И все же ученые остаются очарованными. Это потому, что это прекрасный материал для изучения, и, по словам Воллрата, он вдохновит исследователей на создание более качественных материалов в будущем. Шелк паука сделан из биополимера, называемого аквамелтом, который можно формовать при комнатной температуре в 1000 раз эффективнее, чем пластик, который необходимо нагревать и охлаждать. Контролируя скорость прядения шелка, паук может контролировать жесткость или гибкость волокон. Цель исследователей состоит в том, чтобы создать другие материалы, которые имитируют трюки паучьего шелка.

Метаматериалы

Гарри Поттер. Плащ. Невидимый. Аншлаг! Бинго с метаматериалами остается — необъяснимо — нишевым хобби, но нет никаких сомнений в том, что материалы вызывают неподдельный ажиотаж. Своим существованием они в значительной степени обязаны чрезвычайно конкурентной индустрии микрочипов, которая усовершенствовала производство в наномасштабе. Метаматериалы изготавливаются по той же технологии, но их конструкция настолько точна, что ученые могут контролировать, как электроны внутри материалов реагируют на удары света или других электромагнитных волн. Это позволяет манипулировать излучением, как никогда раньше.

И да, метаматериалы могут в некоторой степени преломлять свет вокруг объекта, делая этот объект невидимым. «Вы должны структурировать материал в масштабе длины, который короток по сравнению с интересующей вас длиной волны, поэтому для видимого света это означает наномасштаб», — говорит Крис Филлипс с физического факультета Имперского колледжа, где большая часть работы над маскирующие устройства были впервые применены.

Сами материалы различаются. Для управления радиоволнами можно использовать медь и стекловолокно. Для создания метаматериалов, преломляющих инфракрасный свет, можно использовать полупроводники. Маскировочные устройства по-прежнему не более чем уловки для вечеринок, но ситуация меняется. Объекты могут быть скрыты на одних длинах волн, а не на других, или только при определенных условиях, например, при поляризованном свете или под определенным углом. Маловероятно, что плащ когда-либо заставит что-то полностью исчезнуть: даже если объект невидим невооруженным глазом, всегда есть радар и инфракрасное изображение, к которому можно обратиться. «Как правило, объект, невидимый на одной длине волны, будет виден на другой. Вы можете заставить плащ работать в диапазоне длин волн, но не во всем электромагнитном спектре», — говорит Филлипс.

Shrilk

Как назвать материал, изготовленный из остатков панцирей креветок и белков, полученных из шелка? Хавьер Фернандес и Дон Ингбер из Института Висса в Гарварде набрались визга, и это имя прижилось.

Шрилк был вдохновлен исследованиями жесткой кожи насекомых. Покрытие состоит из слоев материала, называемого хитином, и белка, называемого фиброином. В одном случае материал достаточно прочен и жесток, чтобы сформировать защитный экзоскелет насекомого. Что заинтриговало гарвардскую группу, так это то, что простые изменения в материале — особенно количество воды, связанной внутри него — резко изменили его поведение. Без воды материал жесткий, но с водой покрытие становится очень гибким.

Дон Ингбер, директор Института Висса (слева), и постдоктор Хавьер Фернандес разработали новый материал под названием Shrilk. Фотография: Jon Chase/Harvard University

Фернандес и Ингбер использовали фиброин шелкопряда и хитозан, материал, похожий на хитин, для изготовления своей первой партии шрилков. Затем они поиграли с водой, связанной внутри материала, чтобы изменить его свойства. Они могут образовывать прочные, прозрачные листы шрилла, которые поддаются биологическому разложению и даже обогащают почву, как удобрение, когда она разрушается. Боб Каннингем из Института Висса говорит, что шрилк — это экологически чистая альтернатива пластику. «Возможно, не имеет смысла делать из этого материала мусорное ведро, которое вы собираетесь использовать в течение 10 лет, но мешок для мусора, который вы можете заполнить за день или неделю, отправится на свалку? смысле», — говорит Каннингем. Компоненты одобрены FDA для использования в организме, где они могут использоваться в качестве швов или каркасов для выращивания новых тканей, которые растворяются, когда в них больше нет необходимости.

Станен

Станен радикален не только по своим свойствам, но и по тому, что он представляет. Забудьте о случайных открытиях в результате неудачных лабораторных анализов; этот материал был разработан на компьютере, и его экстраординарное поведение выведено из теории. Только сейчас исследователи пытаются создать этот материал, чтобы увидеть, выполняет ли он эти обещания в реальном мире.

Stanene был создан — виртуально, то есть — Шоучен Чжаном из Стэнфордского университета. Ученые называют его топологическим изолятором, но это название не слишком полезно. Станен является изолятором внутри и проводником снаружи. Тонкие слои станена — или листы олова толщиной в один атом — по существу представляют собой всю поверхность и должны проводить электричество со 100% эффективностью.

Материалы проводят электричество, когда через них проходят электроны. Однако в большинстве материалов электроны удерживаются примесями и другими свойствами, которые вызывают сопротивление. Это сопротивление выделяет тепло, поэтому электронику необходимо охлаждать, чтобы она не плавилась. Станене обещает все изменить.