НТИ Ноябрь Ч.2. Новые материалы, Транспорт

Часть 2
В разделе НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ я старался подобрать не экзотические материалы, а обычные, но с необычными свойствами.
«Наноалмазы могут стать лучшим катализатором», пишет //popnano.ru 2 ноября. «Последние исследования совместной группы ученых из Китая и Европы показали, что наноалмазы могут перевернуть всю химическую промышленность. Как оказалось, эти частицы могут использоваться в качестве катализатора в одном из 10 наиболее масштабных химических процессов – при производстве стирола. Особые свойства наноалмазов делают такой катализатор почти в 3 раза более эффективным, чем вещества, применяемые для производства стирола на сегодняшний день. Традиционный путь развития химической промышленности – это поиск более эффективных способов проведения химических реакций с целью ускорения производства и создание необходимых компонент с меньшим вредом для окружающей среды. Один из способов решить эту задачу – найти хороший катализатор для химической реакции. Стирол – важнейшее сырье, используемое для производства полимеров, наиболее часто синтезируемые методом дегидратации этилбензола. Однако в процессе производства сырья образуется достаточно много побочных углеродосодержащих продуктов, которые осаждаются на применяемых железно-калиевых катализаторах, снижая эффективность их работы. Обычно для очищения катализаторов используется пар. Это ополнительный шаг обработки, т.е. дополнительные деньги, когда речь идет о стоимости производства. Химики уже ни однажды предлагали альтернативные катализаторы, однако они обеспечивали либо недостаточное качество получаемого сырья, либо производили в качестве побочного продукта гремучие смеси, с которыми достаточно сложно обращаться на практике. Теперь же группа ученых из Shenyang National Laboratory for Materials Sciences Китайской Академии Наук и из коллеги из Германии и Хорватии предложили альтернативное решение проблемы: вместо традиционных катализаторов исследователи предлагают использовать нанокристаллы алмаза. Интерес к нанокристаллам алмаза держится на стабильно-высоком уровне последние 10 лет. На данный момент они используются в качестве полировочного материала, как добавка при производстве полимеров, и даже смазки при некоторых условиях. Синтетические нанокристаллы алмаза имеют размеры от 4 до 8 мм, при этом они имеют достаточно большое значение отношения площади поверхности к объему. Это означает, что нанокристаллы алмаза являются более активными в химических реакциях, чем другие углеродные структуры, например, нанотрубки, нанокристаллы графита и даже активированный уголь. Кроме того, они достаточно просты в производстве. К примеру, нанокристаллы, которые использовались учеными в эксперименте, на самом деле производятся в коммерческих целях. В своих экспериментах ученые оценили активность нанокристаллов алмаза при температуре 550 градусов по шкале Цельсия при атмосферном давлении. Они обнаружили, что такой тип катализатора воздействует на реакцию по производству стирола в 2.8 раз более ярко, чем используемые на сегодняшний день в промышленности железно-калиевые катализаторы. Более того, снижающаяся по итогам реакции активность может быть восстановлена простым обдувом воздухом с температурой 400 градусов по Цельсию. В рамках эксперимента катализатор не потерял своих первоначальных свойств даже после 5 циклов реакций, суммарная длительность которых была около 120 часов. Согласно работе, опубликованной учеными в журнале Angew. Chem. Int. Ed., столь высокая активность наноалмазов проявляется за счет их гибридной структуры электронных облаков. Правда, пока ученые еще не провели оценку экономической выгоды данной методики».
«Искусственная нанопленка с природными свойствами», называется заметка, размещенная на //popnano.ru 23 ноября. «Ученые Научно-исследовательской лаборатории ВМС США работают над созданием поверхностей, имитирующих природные водоотталкивающие покрытия. Эта технология позволит достичь значительного успеха в производстве покрытий нового поколения, которые будут по достоинству оценены в медицине, энергетике и военных технологиях. Исследование будет опубликовано в декабрьском номере журнала Nature Materials. Доктор Уолтер Дрессик (Walter Dressick) из Лаборатории ВМС вместе с профессором Меликом Демирелем (Melik Demirel) из Пенсильванского Университета и доктором Мэтью Хэнкоком (Matthew Hancock) из Массачусетского Технологического Института объединили усилия, чтобы создать искусственную водонепроницаемую пленку. В отличие от предыдущих исследований новая разработка может управлять направленностью движения жидкости. В этой системе поли-n-ксилиленовые (париленовые) наностержни осаждаются на поверхность методом обычного парофазного осаждения. По сравнению с более сложным, многостадийным процессом литографии, который часто использовался в предшествующих системах, один этап новой технологии занимает менее часа. Впервые такой тип поверхности был создан на наноуровне.Наностержни, формирующие пленку, сглаживаются на микроуровне. Размер и гладкость означают, что капли, попадающие и двигающиеся по поверхности, не подвергаются никаким искажениям. Кроме того, их можно передвигать без накачивания или оптических волн. Предыдущие системы приводили к деформации капель, что могло послужить причиной разрыва, разлива или разрушения содержимого капли, что имеет большое значение для использования разработки в медицине и микросборке. В дальнейшем ученые собираются оптимизировать процесс подготовки и механизм переноса капли.Ученые надеются, что пленка будет использоваться в качестве покрытия корабельных корпусов, уменьшая сопротивление и замедляя биологическое обрастание. В промышленности пленка может найти применение в струйных диодах, безнасосных струйных цифровых устройствах, увеличивающих эффективность термического охлаждения микрочипов, а также в покрытии автомобильных шин».
11 ноября на www.popmech.ru помещена заметка
«Разноцветные металлы: Структурное окрашивание».«Крошечный барельеф на поверхности позволяет окрасить металл практически в любой цвет, не меняя другие его свойства. Большинство чистых металлов не могут порадовать нас разнообразием цветов и оттенков. Их электроны способны поглощать и испускать излучение практически во всем видимом диапазоне, а это значит, что для человеческого глаза металлы выглядят серыми или серебристыми. Очевидные исключения – золото и медь. Золото поглощает излучение синей части спектра, а медь – синей и зеленой, что придает им столь нехарактерные для металлов цвета. Довольно сложно получить другие цвета без использования покрытий, химического изменения поверхности металла или нанесения на его поверхность дифракционной решетки, дающей характерную интерференционную картину. В 2008 году группе ученых удалось получить разнообразное окрашивание металлов, обработав их поверхность при помощи лазера. А теперь есть и еще один способ, обнаруженный группой инженеров из Университета Саутгемптона под руководством Цзянфа Чжана (Jianfa Zhang): нанести на поверхность металла крошечные повторяющиеся узоры с помощью сфокусированного ионного пучка. Элементы этого барельефа меньше, чем длина волны видимого излучения, что позволяет исключить влияние интерференции на цвет металла. Исследователи связывают появление окраски поверхности с эффектом плазменного резонанса. Похожую технологию ученые пытались использовать для создания «плащей-невидимок». Путем создания на поверхности материала массива наноструктур с точно подобранными параметрами исследователи могут менять характер его взаимодействия с электромагнитным излучением. В случае «плаща-невидимки» изменяется рассеяние света, а для «окрашивания» металла необходимо изменить характер отражения и поглощения. Структуры на поверхности металла имеют форму колец диаметром порядка 100 нм. Ученые рассчитали, что они могут придать золоту и алюминию практически любой цвет, и продемонстрировали это на примере золотой пленки. Изменение размера и глубины колец придает металлам различную окраску. Технология примечательна тем, что она дает возможность изменять цвет металла, сохраняя прочие его свойства (электропроводность, твердость, блеск и другие). Чжан и его коллеги отметили пару возможных способов использования этого эффекта. Во-первых, сразу приходит в голову улучшение внешнего вида дорогостоящих товаров. Другими словами, «хай-тек» для ювелиров. Другое возможное применение структурного окрашивания металлов, учитывая трудность воспроизведения – защита от подделки банкнот, кредитных карт. Впрочем, это только самые очевидные из возможных вариантов использования технологии». 
«Ученые создали радужное стекло, отражающее ультрафиолетовый и инфракрасный свет», сообщает 18 ноября www.popnano.ru. «При помощи нанокристаллов целлюлозы химики из Университета Британской Колумбии (Канада) создали стеклянные пленки, экономящие энергию за счет отражения световых волн определенной длины - ультрафиолета, видимого и инфракрасного света.Эти нанопористые пленки могут использоваться в светофильтрах, сенсорах, а также для молекулярной сепарации в фармацевтической промышленности. «Впервые уникальная спиральная структура целлюлозы была повторена в минерале, - говорит Марк Маклачлан (Mark MacLachlan), доцент химического факультета и соавтор статьи. – Эти пленки мы создали из нового материала, полученного нашей деревообрабатывающей промышленностью прямо здесь, в Британской Колумбии». На молекулярном уровне пленки имеют спиральную структуру нанокристаллической целлюлозы – структурного элемента древесины. Маклачлан и аспирант Кевин Шопсовиц (Kevin Shopsowitz), постдокторант Хао Ки (Hao Qi) и Вадуд Хамад (Wadood Hamad) из компании FPInnovations сделали это открытие случайно, когда пытались создать водородное запасное вещество. Исследователи смешали древесную целлюлозу с кремнеземом (или стеклом), прекурсором (исходным компонентом) и подожгли этот состав. В результате получились стеклянные пленки с отверстиями, расположенными по спирали, которые напоминают винтовую лестницу. Диаметр каждого отверстия составляет меньше одной десятитысячной доли человеческого волоса. «Когда Кевин показал мне пленки красного, голубого, желтого и зеленого цвета, я понял, что мы смогли сохранить спиральную структуру, открытую в целлюлозе. Спиральная организация, которую мы синтезировали, повторяет структуру экзоскелетов некоторых радужных жуков», - сказал Шопсовиц. Поры в спирали обещают пленкам широкую сферу применений. Когда к пленке добавляют какие-либо растворы, они оседают в порах, меняя оптические свойства пленок. «Делая реакцию пор на химические соединения более избирательной, мы сможем разработать новые сенсоры, точно определяющие вещества в окружающей среде», - поясняет Шопсовиц. Чтобы сократить расход энергии, необходимой для охлаждения зданий, окна можно покрывать прозрачной пленкой, отражающей инфракрасный свет, нагревающий дома. Уже сейчас для этого часто используют металлические частицы, которые придают стеклам коричневый оттенок. Исследование было проведено в сотрудничестве с FPInnovations – организацией, разрабатывающей новые продукты на базе лесного хозяйства, финансовую поддержку оказал канадский Исследовательский совет по естественным наукам и технике».
«Создан гибкий метаматериал, работающий в видимой области спектра», информирует 11 ноября www.nanonewsnet.ru. «Исследователи из Сент-Эндрюсского университета (Великобритания) создали гибкий метаматериал, функционирующий в видимой области спектра. Необычные свойства метаматериалов — отрицательная диэлектрическая и магнитная проницаемость — задаются специально подобранной периодической микроструктурой. Такие материалы, как ожидается, смогут делать объекты невидимыми, но пока физикам удалось продемонстрировать этот эффект лишь в узком диапазоне частот. Поскольку размеры элементов микроструктуры связаны с рабочей длиной волны, первые опыты проводились с использованием микроволнового излучения, и только в последние годы экспериментаторы «спустились» в видимый диапазон. Кроме того, подавляющее большинство метаматериалов было реализовано на жёстких подложках. Этот недостаток авторы попытались устранить в своей разработке, получившей название Metaflex. Изготовление нового материала также начинается на обычной кремниевой подложке, покрываемой слоем полимера SU8. Поверх него наносятся слой золота толщиной в 40 нм и ещё один слой SU8, который играет привычную для него роль электронного резиста. После этого методом электронно-лучевой литографии исследователи размечают микроструктуру, резист проявляется, и заданная структура переносится на слой золота в процессе реактивного ионного травления. Затем гибкая мембрана с золотыми элементами отделяется от подложки с помощью N-метилпирролидона. Последний этап изготовления определяет геометрию мембраны: снять с подложки крупный и тонкий образец чрезвычайно сложно. Лучшие экземпляры Metaflex имеют площадь в 40 мм² и толщину в 4 мкм. Учёные уже выполнили эксперименты с двумя разными периодическими микроструктурами, используя источник белого света. Metaflex успешно прошёл испытания, обнаружив свойства метаматериала. Если новый материал когда-нибудь будет применяться для сокрытия объектов, отдельные его слои придётся объединять в трёхмерную структуру, общая толщина которой ограничивается тем фактом, что каждый слой поглощает некоторую часть падающего излучения. Это, в свою очередь, определяет максимальные размеры маскируемого объекта. Мы, вероятно, сможем замаскировать что-то на субмикронном уровне и с развитием технологии будем расширять рабочий диапазон Metaflex, но сделать невидимыми крупные предметы нам вряд ли удастся», — говорит один из авторов Томас Краусс (Thomas Krauss). Г-н Краусс, впрочем, указывает и вполне реальную область использования материала: улучшение характеристик контактных линз. Здесь гибкость Metaflex придётся как нельзя кстати».
«Плащ-невидимку для золота презентовали учёные», пишет 25 ноября //popnano.ru. «Учёные из Империал колледж (Imperial College, Великобритания) вместе со специалистами из Турции, Греции и Германии научились делать невидимыми объекты сразу в трёх измерениях, сообщает газета Daily Mail. Ранее учёным удавалось сделать предметы невидимыми только с одной стороны, а если смотреть сзади, то они были прекрасно видны. Теперь же кусок золота, диаметр которого не превышает миллиметра, однако всё же виден глазу, полностью исчезает, если его укрыть специальной невидимой тканью из наноматериалов. Группа учёных под руководством Толга Эргин (Tolga Ergin) из Технологического университета в Карлсруэ (Karlsruhe Institute of Technology, Германия) заявила, что они смогли обернуть небольшую выпуклость в обёртку из золота, добившись того, что она стала невидима в инфракрасном свете. Обёртка представляет собой структуру из кристаллов с воздушным пространством между ними, которая выглядит словно поленница. Выпуклость обладает миниатюрными размерами – 0,00004 дюйма в высоту и 0,0005 дюйма в ширину. Чтобы её разглядеть, необходимо увеличительное стекло. Учёные утверждают, что в принципе обёртка-невидимка может быть больше, её размеры не ограничены. Но, поскольку создание обёртки на практике требует времени, укутывание больших предметов пока технологически невозможно. В августе этого года был представлен плащ-невидимка, сделанный из шёлка и покрытый золотыми текстурами, каждая из которых представляет собой тонкую спираль, именуемую двойным кольцевым резонатором. Эти резонаторы оказывают потрясающее действие на свет: они могут поглощать, отражать или огибать свет вокруг объекта. На 1 см2 этого метаматериала содержится около 10 тысяч таких резонаторов. Впрочем, это открытие также касалось только невидимого спектра. А в начале ноября стало известно, что впервые удалось заставить исчезнуть объекты видимого диапазона. Напомним, что механизм работы всех плащей-невидимок состоит в прерывании и перенаправлении потоков света на фундаментальном уровне. Грубо говоря, потоки света обтекают объект, делая его невидимым. Трудность заключалась в том, что пока волны света не могут обтекать структуры, длина которых не превышает длину волны».
«BacillaFilla: Строительный микроб», называется заметка, помещенная 14 Ноября на www.popmech.ru. «Генетически модифицированные бактерии могут справиться с ремонтом растрескавшихся бетонных конструкций. Студенческая исследовательская группа из Университета Ньюкасла вырастила весьма полезных микробов, которые способны «заштопать» мелкие трещины в бетоне с помощью вырабатываемого ими связывающего вещества.  Bacill Filla, как окрестили эту бактерию, проникает в трещины и «расползается» внутри. Достигнув дна трещины, BacillaFilla начинает производить смесь карбоната кальция и бактериального клея. Этот «строительный раствор», заполненный нитеобразными бактериальными клетками, связывает стенки трещины, увеличивая прочность конструкции и продлевая срок её эксплуатации. Команда получила «золото» на международном конкурсе iGEM (International Genetically Engineered Machines), который проводился в Массачусетском технологическом институте, США. Руководитель проекта, преподаватель д-р Дженнифер Холлинен (Jennifer Hallinan) говорит, что «бактериальный» способ ремонта будет более благоприятным для окружающей среды, чем производство бетона и возведение новых конструкций. «Это может быть особенно полезным в сейсмоопасных районах, где сотни зданий идут на снос только потому, что в настоящее время нет простого способа их ремонта». Споры BacillaFilla начинают прорастать только при контакте с бетоном, реагируя на специфический  pH материала. В геном бактерии встроен ген «самоуничтожения», поэтому она не способна выжить в условиях окружающей среды.  Сформировавшиеся на поверхности бетона бактериальные клетки начинают проникать в трещины на его поверхности. В районе дна трещины бактериям становится «тесно» и клетки начинают слипаться друг с другом. Это служит сигналом к началу дифференциации бактериальных клеток. Одни из них начинают вырабатывать карбонат кальция, другие – бактериальный клей, а третьи выступают в роли «армирующего волокна». В результате такого разделения труда трещина заполняется связывающим веществом и перестает представлять угрозу прочности конструкции. В работе приняли участие 9 студентов различных специальностей – от информатики и гражданского строительства до микробиологии и биохимии. Их результаты станут основой для дальнейших исследований, которые будут проводиться в  Университете Ньюкасла». 
 
Новости раздела ТРАНСПОРТ предлагают нам немного полетать. «Беспилотники будут работать на топливных ячейках», пишет 12 ноября www.nanonewsnet.ru. «Топливные элементы в очередной раз доказали свои уникальные качества при использовании в качестве источника питания для электрических беспилотных самолетов. Топливные элементы позволят сократить количество взлетов и посадок, продлить срок службы аппарата и сократить требуемое количество самолетов. Разработанные компанией Horizon Energy Systems водородные топливные элементы AEROPAK помогли установить новый рекорд по продолжительности полета мини-БПЛА RemoEye-006. Опытный полет состоялся в Южной Корее. БПЛА RemoEye-006 имеет размах крыльев 2,7 м, максимальную скорость полета 74 км/ч и дальность до 10 км. В стандартном оснащении беспилотник питается от литий-ионного аккумулятора и может находиться в воздухе 1,5 – 2 часа, но установка топливных элементов позволила увеличить продолжительность полета до 5 часов, при этом БПЛА приземлился с запасом топлива. Разработанные как замена для самых современных литий-полимерных аккумуляторов, топливные ячейки AEROPAK весом менее 2 кг могут устанавливаться на БПЛА класса 5–10 кг и вырабатывать до 600 Вт пиковой мощности и 900 Вт*ч энергии. Картриджи топливных элементов можно менять «на горячую», что устраняет необходимость применения громоздких зарядных устройств и сводит к минимуму простой самолета на земле. Конструкция топливного элемента позволяет выдерживать большие ударные нагрузки, работать на высоте до 7000 м. Для получения большей мощности, например для питания сенсоров или средних БПЛА, можно просто составить батарею из нескольких элементов, такая гибкость открывает широкую сферу применения AEROPAK не только в воздухе, но и на земле. Электрический привод беспилотников привлекает военных прежде всего низкой стоимостью и простотой обслуживания, кроме того электрические самолеты выделяют меньше греются и шумят, что позволяет вести наблюдение за противником с малой высоты. До настоящего времени основной проблемой было отсутствие емкого и легкого источника электропитания. AEROPAK – первый коммерческий продукт, который может совершить настоящий бум в беспилотной авиации, ведь на легкие БПЛА приходится львиная доля всех используемых беспилотников и замена капризных бензиновых двигателей серьезно улучшит характеристики беспилотных разведчиков».
«Учёные предложили проект марсохода, прыгающего с помощью струи  газа», сообщает 19 ноября www.strf.ru. «Специалисты из Университета Лестера (Великобритания) предложили концепцию нового марсохода…Одна из основных трудностей при создании аппаратов для исследования других планет – это выбор источника энергии. Взять с собой много топлива невозможно, солнечные батареи на Марсе малоэффективны. Учёные предложили марсоход, который будет использовать энергию, полученную от распада радиоактивных элементов, для сбора углекислого газа из марсианской атмосферы. Затем накопленный газ начнёт вырываться через сопло, и марсоход будет совершать километровый прыжок. Учёные предполагают, что все основные системы для навигации, связи с землёй и сбора образцов новый «марсопрыгатель» позаимствует у своих предшественников, а переделать понадобится внутреннюю часть, в которой расположен реактор. Здесь планируется использовать современные керамические материалы, например, на основе карбида бора, чтобы обеспечить устойчивость системы при температуре более 1200 К».
Продолжение следует

Алфавитный указатель: 

Рубрики: 

Subscribe to Comments for "НТИ Ноябрь Ч.2. Новые материалы, Транспорт"