Роман ВолчкевичГоворим о новых и уже известных материалах.
Какие новые свойства ожидаем? Что востребовано на сегодня в первоочерёдном порядке?
Много разговорово нашей беспрецедентной зависимости от нефти. Но будет ли так и далее?
На протяжении цивилизации мы много от чего зависели и всегда наступал момент, когда прогресс давал возможность полностью отказаться от чего-то.
Будет ли и дальше мы вводить новые материалы и отказываться от старых? В чем здесь прослеживается тенденция?
Будет ли синтез,- или мы будем довольствоваться механико-химической переработкой существующего?
21 января 2010 в 22:01
Химики разработали новый материал, который в перспективе может прийти на смену пластику.
Основными составными компонентами прозрачного и относительно прочного материала являются вода и глина.
Новый материал почти на 98 процентов состоит из воды. От двух до трех процентов массы составляет глина.
Кроме того, в формулу вещества входят загуститель и органический компонент, который можно назвать "молекулярным клеем". Массовая доля "молекулярного клея" составляет менее 0,4 процента. Формирование геля из составных компонентов занимает всего три минуты.
Структура материала напоминает стопку тонких листов, склеенных между собой. Листы образованы из смеси глины и воды, а необходимые для формирования тонкого слоя свойства смеси придает загуститель. Прочность "глиняного пластика" достаточна для образования эластичных гелеподобных брусков толщиной до 3,5 сантиметра (иными словами, бруски не разваливаются под тяжестью собственного веса).
Свойства нового материала обеспечиваются, в первую очередь, нековалентными связями между составляющими его молекулами. К этому типу связей относятся водородные связи, электростатические взаимодействия заряженных групп, межмолекулярные ван-дер-ваальсовы силы, гидрофобные взаимодействия и другие. В отличие от ковалентных связей, разрыв которых приводит к разрушению молекул, разрыв нековалентных связей не влияет на их структуру.
По мнению создателей нового вещества, одним из его преимуществ является отсутствие в составе нефтепродуктов. Кроме того, производство "глиняного пластика" будет обходиться намного дешевле, чем производство "обычных" пластиков.
http://lenta.ru/news/2010/01/21/clay/
23 января 2010 в 23:05
Думаю, в ближайшее время от нефти не откажутся. Материал крайне интересный, но… Хоть и производство БУДЕТ обходиться дешевле, как и многих других инновационных материалов, на данный момент всем выгоднее тупо (извиняюсь за выражение) качать нефть и на старом оборудовании продолжать налаженное производство, чем прогрессировать, вкладывать деньги. Особенно в условиях кризиса. Проблема, как с мануфактурами в истории. Хотя, если ввести в жизнь все разработки, зависимость от нефти и нефтепродуктов окажется сравнимо малой. Возможно, это лишь моё субъективное мнение. Но очень много сейчас говорится о росте новых материалов. Говорится. На этом дело и заканчивается. Проводятся "точечные" попытки внедрения, о которых так же много пишут и говорят. Но дальше всё стихает.
24 января 2010 в 2:05
Будет зависеть от разных факторов. Но все же – откажутся.
Останется в хим промышленности,- но и оттуда будет постепенно вымываться вот такими вышеописанными открытиями.
нефти мало – а конкуренция вынуждает использовать все более дешевые материалы.
Кроме того,- сейчас подавляющая часть нефти используется как источник энергии. Достаточно дорогой источник.
У нас уже приводились данные о очень перспективных открытиях и разработках в области аккумуляторов.
Последние достижения в этой области позволяют рассчитывать на то, что обычный автомобиль будет проезжать порядка тысячи -полторы тысячи километров на одной зарядке аккумулятора с приемлемыми габаритами и массой.
Важна ,понятно,. и стоимость электроэнергии. Пока что львиная часть ее получается из ТЭЦ,- что также увеличивает ее стоимость.
Нужны новые и эффективные способы получения энергии.
Пробуют сейчас с орбиты микроволнами,- но пока что дорога сама установка там панелей. Но со временем стоимость будет падать.
Может все же термояд сдвинется .
Одним словом,- все эти открытия и поиски более дешевых источников энергии с одной стороны,- и конкуренция и уменьшение запасов нефти ( особенно легкодоступных) ,- с другой стороны ведут постепенно к отказу от ее использования.
24 января 2010 в 11:05
Согласна.
Основной причиной инновационных внедрений является конкуренция. Все производители ищут способы выйти на новые рынки сбыта, сократить издержки производства до минимума.
Поэтому те, кто освоили новые технологии, получают перед конкурентами весомое преимущество.
Но таких мало. Приводятся иногда большие, как кажется, числа предприятий-инноваторов. Но если взглянуть на общем фоне… Не так их и много.
Думаю, здесь важна отчасти государственная политика. Сравнительно недавно стало уделяться внимание этому.
А вообще, почти лично столкнулась с тем, что новые материалы, проработанные, испытанные на практике, местами введенные в использование, остались пылиться документами на полках и жестких дисках.
25 января 2010 в 11:01
Графен
Как известно, существует два подхода к синтезу пленок графена большой площади. Первый подход заключается в химическом осаждении из газовой фазы, для которого необходимы высокая температура осаждения и специальная подложка (в ряде случаев монокристаллическая). Второй подход заключается в нанесении графена из жидкой фазы. Первый подход позволяет получить наноэлектронные устройства с необычайно высокой подвижностью носителей заряда, однако этот метод слишком дорог для промышленного производства. Второй же подход, несмотря на более низкую подвижность зарядов, куда более дешев, а значит, именно он с большей долей вероятности найдет применение в промышленном производстве.
Международный коллектив авторов из Великобритании и США предложил свой метод нанесения пленок моно- и многослойного графена из жидкой фазы. Сначала на подложку SiO2/Si был нанесен раствор оксида графена, который распределялся по подложке в течение некоторого времени, после чего подложка приводилась во вращение, и над центром подложки продувался азот. После того как пленка оксида графена была нанесена, она может быть перенесена с помощью слоя полиметилметакрилата на любую подходящую подложку, подобно тому, как это было описано ранее, а затем восстановлена до графена. Варьируя скорость вращения подложки, удается получить пленку оксида графена, состоящую из различного числа слоев.
Полученные пленки обладают максимальной прозрачностью 96 % в случае одно- и двухслойных слоев графена. Наименьшее поверхностное сопротивление 600 Ом/ед2 было достигнуто в случае пленки, прозрачностью 40% и толщиной 30 нм. Наилучшие оптоэлектронные свойства были обнаружены в случае пленок толщиной 5 мм (поверхностное сопротивление 2.4 кОм/ед2, прозрачность 81%) и 15 мм (поверхностное сопротивление 1 кОм/ед2, прозрачность 70%), что значительно меньше, чем в случае пленок графена, полученных методом химического осаждения из газовой фазы.
25 января 2010 в 11:01
Проводящий текстиль
Практической реализации мешало отсутствие доступных растяжимых и свободно гнущихся проводников, а также трудности, с которыми приходится встречаться при встраивании, например, аккумуляторов.
Свое решение проблемы нашел коллектив исследователей из стэнфордского университета. Они предложили покрывать обыкновенные ткани из хлопка и полиэфиров чернилами, состоящими из одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ). Как известно, каждое волокно хлопка состоит из фибрилл, которые в свою очередь состоят из микрофибрилл, состоящих из целлюлозы. Подобная структура позволяет волокнам хлопка абсорбировать большое количество воды или другого полярного растворителя, что приводит к разбуханию волокон при погружении в полярный растворитель. В свою очередь, ОУНТ демонстрирует сильное ван-дер-ваальсовое взаимодействие со многими полимерами, в том числе с целлюлозой, а при обработке кислотой также возникают водородные связи между ОУНТ и целлюлозой. Вышеперечисленные свойства хлопка и ОУНТ, вкупе с механической гибкостью ОУНТ, обеспечивают равномерное покрытие хлопковых волокон ОУНТ чернилами. Сами чернила представляют собой ОУНТ, диспергированные в растворе воды с додецилбензолсульфонатом натрия (ПАВ). Для покрытия ткани чернилами достаточно ее погрузить в раствор "чернил", а затем высушить при температуре 1200С в течение 10 минут для удаления воды. Варьируя число погружений и концентрацию чернил, можно получить ткань любой проводимости. Немаловажным обстоятельством является высокая устойчивость проводящих тканей: промывание в воде не выявили заметных изменений структуры.
Крайне важным свойством проводящих тканей для их успешного применения является изменение сопротивления при деформации. Как раз здесь наблюдается аномальное поведение: при растяжении проводимость возрастает до тех пор, пока напряжение не достигнет 140%, что соответствует растяжению в 2.4 раза. Такое необычное поведение проводимости объясняется улучшением механического контакта между волокнами, что в свою очередь приводит к лучшему электрическому контакту ОУНТ.
Исследователи использовали созданный ими проводящий текстиль в качестве активного электрода для накопления заряда и токоприемника. В качестве электролита был взят LiPF6. Для того, чтобы сравнить такой ионистор на основе пористого текстиля с обычным ионистором на пластиковой подложке (например, на подложке полиэтилентерефталата), на лист хлопка и на подложку PET были нанесены ОУНТ – чернила одинаковой поверхностной плотности (0.24 мг/см2). Стоит отметить, что удельная емкость текстильного ионистора в 2-3 раза выше аналогичной у ионистора на PET подложке в интервале плотностей тока от 20 мкА/см2 до 20 мА/см2.
Для еще большего увеличения удельной энергии авторы работы нанесли MnO2 на ОУНТ методом электроосаждения. Удельная емкость такого ионистора увеличилась в 24 раза (до 0.41 Ф/см2), хотя до этого в литературе указывалось, что нанесение MnO2 увеличивало емкость максимум в 6 раз.
26 января 2010 в 0:01
С п л а в ыс п а м я т ь ю .
Некоторые сплавы металлов: титан-никель,золото-кадмий, медь-алюминий обладают "эффектом памяти". Если из такого сплава изготовить деталь,а затем ее деформировать,то после нагрева до определенной температуры деталь востанавливает в точности свою первоначальную форму. Из всех известных сейчас науке сплавов "с памятью" наиболее уникальны по спектру свойств сплавы из титана и никеля: сплавы ТН (за рубежом они известны под названием нитинол). Сплавы ТН развивают большие усилия при восстановлении своей формы.
Этим воспользовались в Институте металлургии им. А.А.Бойкова. После того, как нитинолу дадут "запомнить" слежную форму, изделие вновь превращается в плоский лист. На его поверхность наносят обычными приемами – с помощью проката, напыления, сварки взрывом или как-либо иначе слой любого другого металла или сплава.
Такой металлический слоеный пирог после нагревания вновь превращается в деталь сложной конфигурации. Таким способом можно, в принципе создавать многослойные изделия любой формы, которые обычными приемами сделать никак нельзя. ТН сплавы легко обрабатываются, из них изготавливают всевозможные изделия: листки, прутки, поковки. Кроме того, эти сплавы сравнительно экономичны, коррозионностойки, хорошо гасят вибрации. Из нитинола американцы сделали антенны для спутников. В момент запуска антенна свернута, занимает очень мало места. В космосе же нагретая солнечными лучами, она принимает сложнейшие формы, приданные ей еще на Земле.
При соединении полых деталей с каркасом заклепки из сплава ТН существенно упростят дело. Вставили заклепку "с памятью", нагрели ее, она "вспомнила", что уже была некогда расплющена, и приняла свою первоначальную форму. Сплавы "с памятью" открывают новые возможности в деле непосредственного преобразования тепловой энергии в механическую. Нагретую ТН-проволочку свернули в спираль. Охладили, подвесили гирькупружинка растянулась. Если теперь через проволочку пропустить электрический ток, пружинка нагреется и восстановит свою форму – гирька поползет вверх, выключаем ток – гирька вновь спускается и т.д. По сути дела – это искуственный мускул. На этом принципе можно делать двигатели нового типа, использующие даровую энергию Солнца.
Перспективы для сплавов "с памятью" самые заманчивые: тут и тепловая автоматика, быстродействующие датчики, термоупругие элементы, реле, приборы контроля, тепловые домкраты, напряженный железобетон и многое другое. Это не новые сплавы, явление открыто еще давно, но всеравно решил выложить так как мало кто знает про эти сплавы. Ах да ложки которые гнут фокусники сделаны тоже из этого сплава.
26 января 2010 в 14:00
Распределённые наноэлектроды
На сегодняшний день известно множество наноматериалов, используемых в сенсорах, солнечных элементах, аккумуляторных батареях или топливных элементах. Однако внедрение наноструктур в такого рода устройства является далеко не тривиальной задачей. Одно из основных препятствий, стоящих на пути исследователей, заключается в том, что часто электропроводность значительно снижается при переходе к наноразмерному состоянию материалов. Это вызвано многими причинами, в том числе увеличением доли поверхностных атомов и соответственно энергетическим барьером, который требуется преодолеть электрону, чтобы перескочить с одно части на другую {Прим.: в дисперсоидах увеличивают площадь поверхности и долю поверхностных атомов, чтобы за счет поверхностной диффузии сделать ХОРОШИЙ ионный проводник, поэтому правило о понижении электропроводности в наносостоянии тоже нельзя, видимо, считать всеобщим}.
Для решения данной проблемы авторы работы, опубликованной в Nature, предложили использовать так называемые распределённые наноэлетроды, которые представляют собой "сеть" проводящих частиц на или под слоем наноматериала с высоким электросопротивлением. В качестве объекта исследования были выбраны сенсоры на основе диоксида олова, чувствительные к этанолу, а в качестве проводящей добавки – оксид меди, который является полуметаллом {Прим.возможно, имеется в виду оксид меди (I), который проявляет полупроводниковые свойства. Правда, и диоксид олова – тоже полупроводник. Широкозонный.}. Синтезировав три устройства,, учёные измерили их характеристики (сопротивление датчиков на воздухе и сенсорный отклик при различных концентрациях этанола). Оказалось, что несмотря на возможность шунтирования при расположении "распределённого наноэлектрода" ниже сенсорного слоя, данный вид устройств оказался наиболее эффективным, что позволило зафиксировать содержание этанола на уровне 20 ppb с достаточно хорошим соотношением сигнал/шум.
Такие "распределённые наноэлектроды" можно применять не только в приборах для детектирования газов, но и в любых других видах устройств, которые содержат полупроводниковые плёнки, и чьи характеристики определяются электропроводностью этой плёнки, как, например, в топливных и солнечных батареях, микро- и наноэлектрических цепях и т.д.
26 января 2010 в 14:01
Фосфооливин (LiFePO4) является на сегодняшний день наиболее перспективным катодным материалом, который, по мнению многих авторов, должен прийти на замену используемому в литий-ионных батареях кобальтиту лития (LiCoO2). Основными недостатками LiCoO2 являются высокая стоимость кобальта, а также ряд проблем, связанных с безопасностью эксплуатации таких батарей, особенно при повышенных температурах. Основным же недостатком фосфооливина, кроме всего прочего, является низкая удельная проводимость, что усложняет его использование при высоких скоростях заряда и разряда.
В работе, опубликованной в журнале Nature Materials, группа учёных из США и Франции сообщает о том, что фосфооливин может быть успешно заменён на аналог этого соединения – LiFeSO4F, который обладает гораздо большей проводимостью. Порошки LiFeSO4F были приготовлены путём взаимодействия сульфата железа (II) с фторидом лития в ходе сольвотермальной обработки в среде ионной жидкости. Кристаллическая структура. Соединение стабильно вплоть до 375oC, о чём свидетельствуют данные ТГА и высокотемпературного рентгенофазового анализа. Исследование электрохимического поведения данного соединения показало, что его максимальная электрохимическая ёмкость составляет ~130-140 мА*ч/г, что соответствует примерно ~0,9 иона лития на один структурный элемент и ненамного ниже, чем у фософооливина (~160 мА*ч/г). При этом даже при относительно высоких скоростях заряда (~C) электрохимическая ёмкость материала сохраняется достаточно высокой. Проводимость у данного материала при комнатной температуре на ~3 порядка выше, чем у фосфооливина , что особенно важно для сильноточных применений, например, в аккумуляторах электромобилей.
Авторы работы уверены, что фторсульфат лития-железа со структурой оливина (LiFeSO4F) благодаря своим уникальным свойствам в скором времени потеснит фосфооливин (LiFePO4) в борьбе за право использоваться в качестве катода в литий-ионных батареях.
26 января 2010 в 14:01
Новый материал для мышечной регенеграции
Существует много искусственных материалов для регенерации живой ткани. При создании таких материалов необходимо добиться того, чтобы они хорошо срастались с окружающей тканью и не отторгались организмом. В своей работе группа австралийских ученых попыталась добиться именно этого. Они создали материал для регенерации мышечной ткани, представляющий собой биосинтетическую платформу для роста клеток. Эта платформа состоит из биодеградируемых полимерных волокон, параллельно вытянутых на подложке из электропроводящего полимера. Линейная форма волокон обеспечивает нужную дифференциацию клеток. Волокна можно отделить от подложки для дальнейшей имплантации.
В качестве материала для волокон ученые взяли бидеградируемые сополимеры PLA:PLGA (poly(D-Llactic-co-glycolic acid) из-за их совместимости с огромным числом типов клеток. Диаметр волокон на подложке составляет около 25-35 мкм, а расстояние между ними варьируется от 0 до 1 мм. На покрытую золотом майларовую подложку с нанесенными на нее волокнами было проведено гальваностатическое осаждение полипиррола, покрывшего поверхность равномерным слоем около 450 нм. Полученная полимерная пленка обладает проводящими и электроактивными свойствами. В дальнейшем благодаря свойствам этой пленки можно будет осуществлять электрохимическую стимуляцию мышечных клеток, и тем самым влиять на различные биологические процессы.
Совсестимость гибридной платформы с мышечными тканями млекопитающих была оценена на основании осаждения и роста мышечных клеток мыши на платформе. Миобласты осаждались на волокна в течение двух дней, в течение четырех – происходила дифференциация клеток. Недифференцированные миобласты, располагающиеся вдоль волокон, в испытаниях in vitro постепенно формируют вытянутые мышечные трубочки. Такая строго линейная, неветвящиеся конфигурация трубочек как нельзя лучше отвечает структурным требованиям мышечной ткани и в дальнейшем, по предположениям ученых, обеспечит более стабильную интеграцию в живую ткань.
В дополнение к сказанному стоит отметить, что проводящий полимер, на котором располагаются волокна, дает возможность электростимулировать рост клеток ex vivo. Работа Wet-Spun Biodegradable Fibers on Conducting Platforms: Novel Architectures for Muscle Regeneration была опубликована в Advanced Functional Materials.
28 января 2010 в 20:04
Ионный двигатель — разновидность электрического ракетного двигателя. Его рабочим телом является ионизированный газ (ксенон или цезий).
Принцип работы двигателя заключается в ионизации газа и его разгоне электростатическим полем. При этом, благодаря высокому отношению заряда к массе, становится возможным разогнать ионы до очень высоких скоростей (выше 210 км/с по сравнению с 3—4.5 км/с у химических ракетных двигателей). Таким образом, в ионном двигателе можно достичь очень большого удельного импульса. Это позволяет значительно уменьшить расход реактивной массы ионизированного газа, по сравнению с расходом реактивной массы в химических ракетах, но требует больших затрат энергии. Недостаток двигателя в его нынешних реализациях — очень слабая тяга (порядка десятых долей Ньютона). Таким образом, нет возможности использовать ионный двигатель для старта с планеты, но, с другой стороны, находясь в открытом космосе, при достаточно долгой работе двигателя есть возможность разогнать космический аппарат до скоростей, не доступных сейчас никаким другим из существующих видов двигателей (кроме солнечного паруса).
В существующих реализациях для поддержки работы двигателя используются солнечные батареи. Но для работы в дальнем космосе такой способ неприемлем. Поэтому уже сейчас для этих целей иногда используются ядерные установки.
[править]
История
Принцип ионного двигателя довольно давно известен и широко и давно представлен в фантастической литературе, а также кинематографе, но для космонавтики стал доступен только в последнее время.
В 1960 году был построен первый функционирующий широко-лучевой (broad-beam) ионный электростатический двигатель (создан в США в NASA Lewis Research Center). В 1964 году — первая успешная суборбитальная демонстрация ионного двигателя (SERT I) тест на выполнимость нейтрализации ионного луча в космосе. В 1970 году — испытание на длительную работу ртутных ионных электростатических двигателей в космосе (SERT II). С 70-х годов ионные двигатели на эффекте Холла использовались в СССР в качестве навигационных двигателей (двигатели SPT—60 использовались в 70-х годах на «Метеорах», SPT—70 на спутниках «Космос» и «Луч» в 80-х, SPT-100 в ряде спутников в 90-х). В качестве основного (маршевого) двигателя ионный двигатель был впервые применён на космическом аппарате Deep Space 1 (первый запуск двигателя 10 ноября 1998). Следующими аппаратами стали европейский лунный зонд Смарт-1, запущенный 28 сентября 2003, и японский аппарат Хаябуса, запущенный к астероиду в мае 2003.
Следующим аппаратом NASA, обладающим маршевыми ионными двигателями, стала (после ряда замораживаний и возобновления работ) АМС Dawn, которая стартовала 27 сентября 2007 года. Dawn предназначается для изучения Весты и Цереры, и несет три двигателя NSTAR, успешно испытанных на Deep Space 1.
[править]
Перспективы
ЕКА планирует использовать ионный двигатель в меркурианской миссии BepiColombo. Он будет базироваться на двигателе, установленным на Смарт-1, но более мощным (запуск намечен на 2011—2012).
NASA ведёт проект «Прометей», для которого разрабатывается мощный ионный двигатель, питающийся электричеством от бортового ядерного реактора. Предполагается, что такие двигатели в количестве восьми штук смогут разогнать аппарат до 90 км/с. Первый аппарат этого проекта Jupiter Icy Moons Explorer планировалось отправить к Юпитеру в 2017 году, однако разработка этого аппарата была приостановлена в 2005 году из-за технических сложностей. В настоящее время идёт поиск более простого проекта АМС для первого испытания по программе «Прометей».
Могу предположить что даный двигатель при увеличении мощности сможет разгонять ракету и до тысяч км\с. Первые ракеты летали 9км\с, потом 11км\с, и все.Ионный двигатель разгоняет ракету долго но максимальная скорость на порядок выше.