НТИ сентябрь 2012 Ч.2 Новые материалы, Транспорт

Часть 1

Часть 2

Раздел НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ традиционно самый обширный.

«Создана несмачиваемая поверхность», пишет 19 сентября www.nanonewsnet.ru. «Инженеры создали поверхность, которая благодаря своей микроструктуре не смачивается ни водой, ни масляными жидкостями. Работа опубликована в журнале Soft Matter, ее краткое содержание приведено на сайте университета Твенте. Необычный материал создавали при помощи фотолитографии на кремнии. Авторы придавали поверхности материала микротекстуру из множества шипов, имеющих гиперболоидную форму.

Уникальность разработки заключается, по словам авторов, в том, что капли на поверхности нового материала сохраняют свою сферическую форму даже во время высыхания. Все существующие омнифобные (водо- и жироотталкивающие) материалы после длительного контакта с каплями жидкости начинают смачиваться. Это происходит из-за того, что уменьшающиеся в результате испарения капли «проваливаются» между выступами материала. Новый материал лишен этого недостатка. Эксперименты показали, что как бы ни уменьшался во время высыхания размер капли, это не приводило к смачиванию – капля оставалась сферической. Ученые надеются, что разработка поможет создать новые материалы, на которых не будет задерживаться грязь.

Ранее инженеры из Массачусетского технологического университета при помощи придания поверхности микроструктуры создали грязеотталкивающее небликующее стекло. Они, однако использовали выступы в форме усеченных конусов, а не гиперболоидов. Такие материалы легче производить штамповкой, но их омнифобные свойства не столь необычны».

«Новые синтетические материалы обладают рекордным показателем площади поверхности», утверждает 20 сентября www.nanonewsnet.ru. «…Недавно исследователи из Северо-Западного университета, Иллинойс, создали два новых синтетических материала, которые стали обладателями мирового рекорда по площади их поверхности. Эти материалы, NU-109 и NU-110, представляют собой сложные вещества, состоящие из органических молекул, скрепленных атомами различных металлов. Поверхность этого материала настолько велика, что если взять кусочек материала NU-110, размером с кристаллик соли, и развернуть в плоскость его поверхность, то она, эта поверхность, покроет площадь среднего рабочего стола. А все поверхности, включая и внутренние, одного грамма этих веществ покрывают площадь в полтора футбольных поля.

Физически вещества NU-109 и NU-110 представляют собой прозрачные вещества, относящиеся к классу сложных металлическо-органических соединений (metal-organic frameworks, MOF). Следует заметить, что другие материалы этого вида широко используются для хранения и транспортировки природного газа и в качестве катализаторов для различных химических реакций. К сожалению, не существует способа точно и непосредственно измерить площадь поверхности любого материала, поэтому ученые использовали математическую модель и алгоритмы расчетов по методу Brunauer-Emmett-Teller (BET). Теоретические расчеты дали показатель площади поверхности, равный 7000 м2/г, а это означает, что один килограмм такого вещества обладает площадью, превышающей 7 квадратных километров. Следует отметить, что приведенное выше значение является самым большим на сегодняшний день значением площади поверхности любого материала».

«Нанокристаллы из целлюлозы. Необычные свойства знакомого материала» описаны в заметке от 17 сентября на www.nanonewsnet.ru. «Лаборатория лесного производства США объявила о старте опытного производства нанокристаллов из целлюлозы, сырьем которым служат древесные отходы, щепа и опилки. Прочностные свойства правильно изготовленного нового материала превышают аналогичные показатели знаменитого кевлара и углеволокна, при стоимости на порядок ниже. Кроме того, кристаллы из целлюлозы прозрачны.

Заявленные свойства вызвали настоящий фурор на рынке. Заинтересованность проявили военные, представители компаний из авиационного, автомобильного бизнеса и ряда других отраслей.

Целлюлоза – наиболее распространенный биологический полимер на нашей планете. Из него выстроены стенки клеток растений и бактерий. Длинные цепочки молекул глюкозы образуют запутанные в сложный узор целлюлозные волокна. Такая природная конструкция обеспечивает достаточную прочность клеточных структур. Однако изделия из целлюлозы, источником которой служит в основном древесина, не отличаются прочностью и долговечностью. Обычно процесс промышленного производства целлюлозы заключается в том, что после разрушения механической структуры природного сырья, из него с помощью химических растворителей вымывается лигнин, после чего остается водная суспензия целлюлозных волокон.

Каким образом удалось столь радикально повысить прочность целлюлозного волокна? Дело в том, что волокна неоднородны на всем своем протяжении. Области с беспорядочным расположением молекул чередуются с участками, где молекулы расположены строго определенным образом. В так называемых нанофибриллах прочность структуры обеспечивается не только внутримолекулярными связями, но и водородными связями молекул между собой. Они и придают целлюлозе свойства нанокристаллов. Американским ученым удалось «вымыть» аморфные участки, применив метод кислотного гидролиза.

Технология позволяет получить из исходного сырья около 30% готового продукта с удивительными свойствами. Это предел возможностей, определяемый соотношением кристаллической и аморфной целлюлозы в исходном сырье. Цель опытного производства – достичь себестоимости целлюлозных нанокристалов в пределах $10 за килограмм. Дальнейшее снижение стоимости возможно при расширении объемов производства и может достичь значения $1–2.

Измерения показывают, что упругость наноцеллюлозы примерно на 15% превышает упругость кевлара и равна упругости углеводородных волокон. По прочности на разрыв кевлар уступает более чем вдвое, так же, как и углеволокно. Если сравнивать эти показатели с древесиной, то упругость дуба в полтора десятка раз ниже, чем нового материала, а цифры прочности на разрыв меньше в 75 раз.

Однако не следует идеализировать кристаллическую целлюлозу. Ее слабое место – устойчивость к воздействию воды. В обычных условиях вода не может растворить целлюлозу, ни деполимеризовать волокна, ни разрушить их межмолекулярные связи. Несмотря на это, новый материал склонен к набуханию. При достаточном количестве воды, он разбухает вдвое от сухого состояния. Для борьбы с набуханием планируется обрабатывать поверхности и делать их водоотталкивающими за счет преобразования внешнего слоя или покрытия защитными материалами. Кроме того, есть много мест, где воды не бывает в принципе».

«Химики создали гидрогель, способный растягиваться в 20 раз», сообщает 7 сентября www.nanonewsnet.ru. «Комбинация из двух полимеров с противоположными свойствами позволила физикам создать супергибкий гидрогель, способный растягиваться без повреждений в 20 раз и сохраняющий механическую прочность при наличии серьезных дефектов…

Гидрогели представляют собой особый вид желеобразных или твердых материалов, практически полностью – на 98% и более – состоящих из воды или других видов жидкости. Гидрогели широко используются в медицине, садоводстве и в некоторых других областях. Их полезность ограничивается их ломкостью и невысокой прочностью – большинство гидрогелей крайне плохо переносит нагрузки и портится при растягивании всего на 30%. Группа химиков под руководством Чжигана Со (Zhigang Suo) из Гарвардского университета работала над созданием новых видов гидрогелей, комбинируя различные полимеры, молекулы которых удерживают воду внутри «скелета» материала. Как отмечают ученые, первые «двойные» гидрогели были разработаны еще в 2003 году. Такие материалы содержали в себе не одну, а две полимерных сетки, значительно увеличивавших его механическую прочность. Данные гидрогели страдали от одной общей и неизлечимой проблемы – их прочность резко понижалась после первого сжатия, так как химические связи в одной из полимерных сеток разрушались при деформации.

Со и его коллеги ликвидировали этот недостаток, заменив традиционные полимеры сеткой из альгината – длинных цепочек углеводородов, извлекающихся из клеток бурых водорослей. По словам исследователей, альгинат не похож по своим химическим свойствам на другие полимеры. Его молекулы соединяются друг с другом не «жесткими» ковалентными связями, как обычные полимеры, а относительно «мягкими» ионными. Благодаря этому волокна алгината будут восстанавливать свою форму при растягивании, а не деформироваться, как обычные компоненты гидрогелей.

Ученые подготовили несколько экспериментальных образцов гидрогеля, смешав алгинат с молекулами полимера полиакриламида. Новый материал обладает великолепными механическими свойствами – полоски из нового вида гидрогеля способны растягиваться в 20 раз и при этом они выдерживают в десять раз большую нагрузку, чем «двойные» гидрогели, без потери механической устойчивости. Кроме того, новый материал выдерживает порезы и царапины и не расползается на части, как это делают обычные гидрогели. Как полагают авторы, столь кардинальное улучшение свойств гидрогелей откроет новые области для использования этих материалов в науке и промышленности. В частности, великолепная гибкость и высокая механическая прочность геля делает его одним из первых кандидатов на роль искусственных хрящевых тканей».

«Чувствительная ткань: наноум» описан 26 сентября на www.popmech.ru. «Если новая ткань с интегрированными микропроводами даже слегка надорвется, она мигом сообщит об этом хозяину. Дырка на неудобном месте. Узорчатая обивка стен. Денежный мешок. Специальная ткань может оказаться спасением и для человека, и для его дома, в который пытаются пробраться воришки, и для незадачливого инкассатора. Немецким исследователям удалось интегрировать в нее тончайшие серебряные провода, подведенные к микроконтрллеру, который, посылая по ним слабый ток, чутко регистрирует каждый разрыв в сети. Если что – он даст знать хозяину. Такой тканью авторы предлагают покрывать груз в кузовах грузовиков, в качестве прокладки или покрытия тюремных камер и стен, банковских ячеек, в ювелирных магазинах и музеях.

Микроконтроллер позволяет не только зафиксировать нарушение структуры ткани, но и точно – до сантиметра – локализовать его место. При этом авторы разработки заверяют, что в производстве такая ткань намного проще и дешевле всех имеющихся аналогов, поскольку использует широко встречающиеся материалы и компоненты, а внедрение проводящих нитей может происходить прямо в ходе плетения ткани обычными заводскими станками. Перед установкой ткань можно нарезать на фрагменты подходящих размеров (правда, площадью не менее 1 м2). В ходе испытаний показано, что она прекрасно выдерживает множество циклов стирки, работает в условиях высокой влажности и при температурах от -40 до 85 ºC».

«Создана биоэлектроткань», пишет 7 сентября www.nanonewsnet.ru. «Группа исследователей из Гарвардского университета заявила в последнем номере журнала Nature Materials, что им удалось создать искусственную биологическую ткань с внедренной в нее и полностью совместимой с ней трехмерной сетью электрических нанопроводников. «Существующие методы взаимодействия наших приборов с живыми системами очень ограничены, – утверждает Чарльз Либер, один из ведущих авторов статьи. – Мы умеем измерять электродами активность клеток или тканей, но такие методы повреждают эти ткани. С этой новой технологией мы получаем возможность делать то же самое, не нанося урона биологической системе». Фактически гарвардские ученые создали промежуточную киборг-среду, своеобразную нервную систему из биоткани и электроники, которая может регистрировать в биологической среде ее кислотность, химизм, содержание кислорода и другие важные характеристики и формировать «ответ», если возникнет необходимость.

Работа начиналась с двумерных структур, после этого перешли к 3D-структурам. На полимерной подложке ученые выращивали сеть электродов, способную с помощью своих микротранзисторов измерять электрическую активность клеток. Затем подложку растворяли, и оставшаяся масса представляла собой нечто, похожее на пористую губку. На следующем этапе в эту губку высеивались клетки живой ткани – нервные клетки или клетки сердечной мышцы. В конце концов ученые научились искусственно создавать биологическую ткань, имеющую в себе электронику, способную регистрировать электрические сигналы от клеток, находящихся глубоко внутри ткани, и при этом никак не повреждающую их. Достижение гарвардской группы в первую очередь может кардинально изменить ситуацию в трансплантологии органов, позволяя выращивать их с уже встроенной в них электроникой, регистрирующей состояние, реакцию на лекарства и т.д. В настоящее время ученые планируют сделать то же самое с тканью кровеносных сосудов».

«Лечащая нить: сшить и заживить» предлагает 3 сентября www.popmech.ru. «Хирургическая нить с интегрированными датчиками и лекарствами будет отслеживать заживление раны и стимулировать этот процесс. Современные хирургические шовные материалы весьма далеко ушли от нитей из шелка или доисторического кетгута. А скоро они и вовсе станут «умными» - благодаря очередной разработке американского профессора Джона Роджерса (John Rogers)...

Вообще, шовная нить для хирурга - предмет первой необходимости. При всей простоте функции их сложны и многообразны. Они должны быть прочными и инертными, удобными и пластичными, гипоаллергенными и прочными, а в конце концов - рассасываться в организме. Нередко нить надолго остается единственным предметом, непосредственно контактирующим с разрезом или раной. Это, видимо, и навело Роджерса с коллегами на мысль использовать ее для мониторинга процесса заживания и сращивания тканей. А в будущем, возможно, - и для его стимуляции.

Для этой цели авторы интегрировали в полимерную нить мельчайшие датчики, связав их тончайшими золотыми проводниками, проходящими вдоль нити по спиралям. Это обеспечивает необходимую гибкость материала на изгиб и скручивание. (Хотя как такие структуры будут рассасываться, неясно.) Пока что выбор датчиков ограничивается двумя вариантами температурных сенсоров, на основе кремниевого диода и платиновой мембраны, меняющих проходящий ток в зависимости от текущей температуры. Однако уже они могут послужить важнейшим индикатором, позволяющим следить за заживлением раны и вовремя заметить развитие инфекции.

Впрочем, авторам удалось внедрить в нить еще и элементы для легкого подогревания раны, что позволит ускорить ее заживление. К настоящему моменту такие хирургические нити уже успешно опробованы на подопытных крысах - правда, без активации температурных датчиков и системы подогрева. Главное, что свое прямое предназначение они выполняют на отлично. Для коммерциализации идеи Роджерс с коллегами организовали компанию МС10, и уже под ее эгидой продолжают работу: необходимо обеспечить работу всех систем нити без проводов и попытаться интегрировать в нее и лекарства, способные выделяться по команде лечащего врача».

Раздел ТРАНСПОРТ посвящен автомобилям и самолетам.

«Невидимая тень», называется заметка, размещенная 3 сентября на www.popmech.ru. «Инновационная пленка для автостекол не позволяет салону разогреваться - но не делает стекла более темными. Солнечный свет мы воспринимаем не только глазами, но и всем телом. Зрение улавливает его излучение в оптическом диапазоне, в инфракрасном мы ощущаем его, как тепло. Но особенно известно неприятное действие ультрафиолета: эти лучи несут сравнительно высокую энергию, которая приводит не только к синтезу в коже витамина Д и появлению на ней модного загара, но и к довольно опасным последствиям. Причем, не только для организма: нагрев и ультрафиолет губительно сказываются на состоянии множества материалов, которые постепенно рассыхаются и разрушаются.  

Проблемы эти прекрасно знакомы автомобилистам, а в жаркий сезон они становятся практически непереносимыми. За несколько минут под открытым солнцем салон превращается в раскаленную сауну, так что перед движением его приходится основательно проветривать и охлаждать, включая кондиционер на максимальную мощность. Некоторое спасение дает тонирование стекол. Правда, по принятому несколько лет назад ГОСТу №5727-88, светопропускание стекол автотранспорта должно быть не менее 75%. С учетом нескольких изменений и поправок, можно сказать, что лобовое и передние боковые стекла автомобиля должны иметь светопропускание не меньше 75 и 70%, соответственно. Тонировка задних стекол никак не нормируется. Впрочем, обычно оценку тонировки сотрудники ГИБДД вообще проводят «на глазок», тогда как по закону они могут остановить автомобиль лишь если обнаружит визуально заметные признаки, которые, по его мнению, свидетельствуют о возможном нарушении нормативных требований для тонировки. Для достоверного же подтверждения светопропускание стекол должно быть измерено сертифицированным тауметром.

В настоящее время ГИБДД применяют три вида тауметров - «Тоник», «Блик» и «Свет». Как бы то ни было, обычная тонировка – это всегда излишнее внимание инспекторов. При этом практически все тонировочные покрытия работают достаточно грубо, просто затеняя стекло и блокируя солнечное излучение сразу во всех диапазонах, включая оптический. Более элегантное и эффективное решение представила в прошлом году компания 3М. Никакому автоинспектору тут не подкопаться: солнцезащитную пленку Crystalline 90 просто не видно.  Crystalline 90 может наноситься даже на лобовое стекло, пропуская не менее 75% видимого света - визуально она совершенно незаметна. Вместе с тем, 90% инфракрасного и 99,9% ультрафиолетового излучения блокируются. Салон не раскаляется и не выгорает, кондиционер можно использовать в более экономичном режиме, да и глазам водителя становится намного комфортнее. Результат почувствуется довольно скоро: автомобиль дольше сохранит «свежий» вид, а водитель и пассажиры смогут путешествовать с большим комфортом и заметной экономией топлива».

«Изменчивые крылья» описаны в заметке от 24 сентября на www.popmech.ru. «Изменяемая геометрия передней кромки крыла придаст ему дополнительную подъемную силу без лишнего шума. С любопытством выглядывая из иллюминатора самолета, многие из вас наверняка обращали внимание на отклоняемые поверхности на передней кромке крыла – предкрылки, которые во время взлета и посадки используются вместе с расположенными позади закрылками. Они позволяют увеличить подъемную силу на малой скорости. В большинстве случаев они, отклоняясь, оставляют щель между собой и основной частью крыла, что дополнительно направляет поток воздуха к верхней его поверхности, дополнительно увеличивая подъемную силу.

Но эти же щели создают изрядный шум и приводят к дополнительной тряске. Конструкторы немецкого Центра авиации и космонавтики (DLR) решили разобраться с этой проблемой, создав предкрылки, работающие без щели, за счет изменяемой геометрии. Созданный ими в сотрудничестве с коллегами из других стран прототип «отклоняемой носовой части» способен в ходе взлета и посадки менять свою форму – и не имеет каких-либо разрывов на поверхности. Задача эта оказалась не из простых: структура должна получиться исключительно гибкой, чтобы приобретать необходимую форму, и при этом весьма прочной. Материал ее покрытия должен быть максимально гладким, чтобы обеспечить ламинарное течение потоков воздуха. Вместе с тем, нагрузки, которые он будет испытывать в месте сгиба, не должны приводить к ухудшению его свойств.

После некоторых поисков на эту роль был подобран композит, усиленный стекло- и углеволокном. Нанесенный слой за слоем, с заранее просчитанной ориентацией волокон, он позволяет получать покрытие крыла необходимого сочетания твердых и гибких участков. Под такое покрытие помещается небольшая рама, приводимая в движение набором небольших приводов. Таким образом авторы и получили действующий прототип предкрылка изменяемой геометрии. Функциональность и эффективность его были испытаны в России, в аэродинамической трубе подмосковного ЦАГИ. Было показано, что опускание такого предкрылка может достигать 20 градусов без каких-либо проблем. Авторы продолжают работу для получения полноценного прототипа, который бы соответствовал всем необходимым требованиям: им еще предстоит сделать композит безопасным при ударе молнии и обледенении и, конечно, столкновении с птицами».

«Самолет со всех сторон: вращение на скорости», называется заметка от 10 сентября на www.popmech.ru. «Удивительная идея позволяет авиаконструкторам выполнять взаимоисключающие требования к полету на до- и сверхзвуковых скоростях. Создать идеальный самолет, пожалуй, невозможно. Взлет и посадка, маневры и полет на разных скоростях - у каждого этапа свои, часто взаимоисключающие, требования к конструкции аппарата. К примеру, для взлета и посадки лучше иметь широкое, перпендикулярное оси крыло, а для быстрого полета - крыло небольшой площади и прижатое к фюзеляжу.

Впрочем, все это вовсе не останавливает конструкторов и инженеров. Известен, например, подход с изменяемой стреловидностью крыла, позволяющей гибко оптимизировать его характеристики для той или иной ситуации. Однако концепт SBiDir-FW, работа над которым идет при поддержке NASA, предлагает нечто совершенно иное. Речь идет о «крыле для двунаправленного сверхзвукового полета» (Supersonic Bi-Directional Flying Wing): вместо перестроения крыла, сам летательный аппарат, переходя к сверхзвуковому полету, разворачивается на 90 градусов. Двигатели сохраняют ориентацию неизменной, однако сам самолет поворачивается так, что его укороченные нос и хвост становятся крылом, а длинное крыло - носом и хвостом. При замедлении со сверхзвука вращение идет в обратном направлении. Этот разворот обеспечивается закрылками и не требует каких-либо дополнительных двигателей.

По предварительным оценкам авторов, такой неожиданный подход позволит создать самолет весьма впечатляющих характеристик. Максимальная скорость 70-местного пассажирского лайнера может составить от 1,6 до 2 Маха (свыше 2 тыс. км/ч), а переход к сверхзвуку не будет сопровождаться звуковым ударом - грохотом, из-за которого гражданская сверхзвуковая авиация пока что с трудом пробивает себе дорогу в небо над мегаполисами мира. Команда разработчиков SBiDir-FW пока что получила от NASA осторожный грант на 100 тыс. долларов, однако этого должно хватить до доведения идеи до стадии аэродинамических испытаний. Если с этим они справятся, то в NASA обещают впятеро увеличить финансирование на следующий этап разработки».

Окончание следует

 

 

RSS-материал