Уважаемые коллеги, читатели «Методолога»!

Со значительным опозданием (по личным и общественным уважительным причинам) приступаю к формированию обзора новостей самого короткого месяца в году. Если в январе с новостями было туговато, то теперь, в отличие от ситуации с выборами Президента, реальный выбор есть.

Нашлось кое-что для раздела ЭКОЛОГИЯ. «Швейцарцы приступили к разработке космического мусорщика», пишет 16 февраля www.membrana.ru. «Новый спутник должен перехватывать мёртвые аппараты или крупные обломки мусора и сводить их с околоземной орбиты, направляя в океан. Учёные из политехнической школы Лозанны (EPFL) запустили проект CleanSpace One по созданию спутника-уборщика. Аппарат будет насчитывать в размерах 30 х 10 х 10 сантиметров. После вывода на орбиту CleanSpace One при помощи ионных двигателей начнёт менять её параметры так, чтобы аккуратно сойтись с целью, летящей несколько выше или ниже. Сблизившись до минимального расстояния, мусорщик должен захватить бездействующий спутник или фрагмент разрушенного аппарата при помощи манипулятора. Строение этого универсального захвата будет подражать какому-нибудь природному аналогу – части растения или животного, сообщают швейцарцы. Момент захвата, пожалуй, самый ответственный во всей операции. Ведь спутник-цель не только не способен сам маневрировать для стыковки, но и некоторые такие аппараты вдобавок хаотично вращаются. Последний этап миссии уборщика CleanSpace One – торможение при помощи своих движков и сход с орбиты. По замыслу авторов концепции, оба сцепленных спутника сгорают в атмосфере, а их обломки падают в океан. Проектирование, постройка и первый старт аппарата CleanSpace One обойдутся в 10 миллионов швейцарских франков ($10,8 млн). В зависимости от поступления средств и подключения к проекту промышленных партнёров запуск может состояться в 2015-2016 годах. В качестве пробной цели разработчики намерены использовать один из двух пикоспутников. Кандидатура номер один — Swisscube. Это первый спутник швейцарского производства, созданный как раз в EPFL и запущенный в космос в 2009 году. Второй претендент на принудительное удаление с орбиты – опять же швейцарский TIsat, запущенный в 2010-м. Специалисты EPFL поясняют, что CleanSpace One – это проект по созданию целой линейки орбитальных уборщиков, размеры и детали строения которых будут приспособлены для захвата и сведения с орбиты самых разных старых аппаратов. И хотя запуск нового аппарата ради удаления одного старого кажется немалой ценой спокойствия, потери отрасли могут быть куда выше, если столкновения молчащих спутников начнут генерировать всё больше и больше опасных обломков. По оценке страховой компании Swiss Re, для спутника на солнечно-синхронной орбите высотой 600-1000 км при площади сечения аппарата в 10 м² ежегодно существует не такая уж малая вероятность 1 к 10 000 на столкновение с шальным обломком крупнее 1 сантиметра. Между тем сумма страховок всех работающих ныне спутников оценивается в $20 миллиардов».

Раздел ЭНЕРГИЯ продолжает традиционную тему альтернативных ее источников. «Установлен рекорд удельной ёмкости литиевой батареи», сообщает 27 февраля www.membrana.ru. «Американская компания Envia Systems объявила, что построила перезаряжаемую литиевую ячейку с выдающимися параметрами. Независимый тест, проведённый центром вооружений ВМС США (Naval Surface Warfare Center Crane Division), показал, что опытная батарея от Envia c номинальной вместимостью (C) 45 А-ч (для нагрузки C/3) обладает удельной ёмкостью в диапазоне от 378 до 418 ватт-часов на килограмм при нагрузке от C/3 до C/10. Средний показатель новой батареи, таким образом, составляет примерно 400 Вт-ч/кг. Это существенно выше, чем у любого серийного литиевого аккумулятора. Сами исследователи из Envia в качестве референсной точки упоминают ячейку Panasonic NCR18650A с расчётными 245 Вт-ч/кг. Секрет батареи Envia заключается в инновационных электродах. Оба выполнены по оригинальной методике. Катод представляет собой слоистый композит Li₂MnO₃•LiMO₂, называемый авторами «высокоёмким, богатым марганцем» — HCMR. Его собственная удельная ёмкость составляет около 300 мА-ч/г. Это примерно вдвое лучше, чем у серийных катодов для литиевых аккумуляторов (LiCoO₂, LiMn₂O₄ или LiFePO₄) при меньшей стоимости. Анод новой батареи – это композит из углерода и кремния…Вариант кремниевого анода от Envia показал удельную ёмкость в 1530 мА-ч/г. При этом после 300 циклов заряда/разряда он сохранил 91% своей начальной ёмкости. В дополнение к электродам компания придумала электролит, остающийся стабильным при более высоком напряжении, чем стандартный (5,2 вольта против 4,3 В), и это стало ещё одним фактором роста общей ёмкости. Готовая литиевая ячейка показала вполне удовлетворительную живучесть. При нагрузке C/3 и глубине разряда 80% она преодолела порядка 400 циклов, ёмкость же её при этом упала приблизительно с 45-46 до 27-28 А-ч. Это ещё далеко не идеал для автомобильного применения, но тут нужно учесть, что с новой батареей электромобиль сможет проходить в 2,5-3 раза больше километров на одной зарядке при том же весе аккумуляторов. Следовательно, и заряжать их придётся реже. Может, далеко не каждый день. Компания уверяет, что материалы новой батареи не грозят её возгоранием даже при аварии. Envia Systems ещё продолжит уточнять начинку и детали строения своей батареи, надеясь на успешное внедрение новации. Калифорнийская компания утверждает, что при массовом производстве её ячейки должны стоить $180 за кВт-ч, а в перспективе (к 2016 году) и вовсе $125. Для сравнения, используемые в электромобилях литиевые батареи ныне стоят $250-350 за киловатт-час, а их удельная ёмкость – 80-150 Вт-ч/кг».

«Солнечная батарея на органических полимерах поставила рекорд», утверждает 14 февраля www.membrana.ru. «Учёные из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) создали тандемную полимерную солнечную батарею (СБ), отдельные слои которой усваивают разные области спектра…экспериментальная ячейка показала КПД в 10,6%. Это наилучший результат для СБ на основе проводящих органических полимеров (подразумевается не полимерная подложка, а собственно активный слой, захватывающий и преобразующий свет). В построении таких батарей важным моментом является удачное совмещение различных веществ, которые не мешали бы друг другу в работе. Чтобы добиться искомой совместимости, авторы тандемной батареи разработали сопряжённые полимеры с низкой запрещённой зоной. В 2011 году однослойная ячейка от UCLA, построенная как раз на базе такого полимера, продемонстрировала КПД в 6%, а тандемная – в 8,62%. Однако на этом проект не закончился. Дабы продлить диапазон преобразуемого света в инфракрасную область, специалисты добавили к своим многослойным батареям полимер, созданный японской компанией Sumitomo Chemical. Именно с ним КПД тандемной органической СБ превысил десять процентов. По информации школы инжиниринга Калифорнийского университета, рекордная солнечная батарея состоит из передней ячейки, созданной из материала с большой запрещённой зоной, и задней ячейки, у которой запрещённая зона узкая. Изобретатели отмечают, что процесс создания такого преобразователя – дешёвый, ингредиенты – тоже недороги, а технология совместима с сегодняшним выпуском тонкоплёночных СБ. К тому же в перспективе КПД таких панелей можно будет поднять до 15%, уверены исследователи. И потому, мол, в следующие несколько лет батареи на органических полимерах должны стать коммерчески жизнеспособными».

«Гибридные солнечные батареи показывают запредельную эффективность», сообщает 20 февраля www.nanonewsnet.ru. «Разработанные в Кембриджском университете (Великобритания) новые фотоэлектрические ячейки способны поднять квантовую эффективность солнечных батарей на совершенно новый уровень. Как утверждают учёные из группы сэра Ричарда Френда и Нила Гринхама, внутренняя квантовая эффективность их гибридных батарей достигает немыслимой величины в 50%.Согласно физике солнечных батарей на основе кремния (уточнение задаёт ширину p-n зоны перехода в полупроводнике), существует предельное значение максимальной квантовой эффективности, равное 33,7% (Shockley-Queisser limit)... Значение справедливо только для одной p-n зоны, и если слоёв в батарее бесконечно много, то показатель устремится к 86%...Традиционные батареи способны абсорбировать только часть солнечного света, а бóльшая часть световой энергии (особенно высокоэнергетичные фотоны синего спектра) теряется в виде тепла. Именно неспособность традиционных солнечных батарей абсорбировать фотоны с любой длиной волны в диапазоне от ближнего УФ до ближнего ИК и есть одна из причин существования предела Шотки — Квизера в 34% от всей доступной нам энергии светила. Гибридные батареи умеют не только успешно абсорбировать красный свет, используя слои из наночастиц сульфида свинца (PbS), но и получать от фотонов видимого спектра (включая синие) больше энергии, резко увеличивая поток выходного электричества. Обычно солнечная батарея производит один электрон на каждый полезно абсорбированный фотон. Но в гибридных решениях, благодаря использованию пентацена (органический полупроводник, который абсорбирует видимый свет, включая синюю область спектра, а потому сам он очень черный) и особенностям интерфейса между неорганическим материалом PbS и органическим пентаценом, происходит генерация сразу двух электронов на каждый поглощённый фотон высокой энергии (видимый спектр, включая синюю область). Таким образом,гибридный материал позволяет получать примерно в два раза больше электричества от видимого света, включая синий, и одновременно конвертировать фотоны даже с самой низкой энергией (ИК). Всё вместе это даёт возможность подтянуться к беспрецедентному уровню внутренней квантовой эффективности в 50% от всей доступной солнечной энергии. И два слова о недостатках предложенного решения, на которые авторы, понятно, пока внимания не обращают. Во-первых (и во-вторых и так далее), это пентацен, то есть яркий представитель полициклических ароматических углеводородов. А раз так, то это очень сильный канцероген, мутаген и тератоген одновременно. Крупнотоннажное производство (можно и из нефти выделять, но там на всех не хватит) включает несколько стадий, на каждой из которых исходные вещества, продукты реакции и побочные продукты — канцерогены, мутагены и тератогены, один круче другого. А понадобится пентацена много. Где и кто это будет производить? И синтез начинать тоже с чего-то надо… Наиболее простой и доступный начинается с производного бензола (тоже канцероген, да ещё и летучий), но самое главное в том, что основной источник бензола — это сырая нефть…»

«Великобритания открыла крупнейшую морскую ветряную ферму», пишет 13 февраля www.membrana.ru. «Новая ветровая электростанция в Ирландском море насчитывает 102 турбины с роторами диаметром по 107 и 120 метров. Теперь этот колосс будет питать электричеством 320 тысяч домохозяйств. Рекордная система Walney Wind Farm – совместный проект датской энергетической компании DONG Energy (ей принадлежит 50,1% в предприятии), британской SSE, а также ряда европейских фирм. Станция расположилась примерно в 15 километрах от побережья острова Walney, в районе, где уже действует или строится ещё несколько ветровых ферм. Однако Walney Wind Farm – крупнейшая не только среди них, но и среди всех морских ветровых ферм в мире. Её номинальная мощность составляет 367,2 МВт (по 3,6 МВт на турбину). Станция состоит из двух частей (Walney 1 и 2) по 51 турбине каждая. При их возведении DONG Energy и партнёры поставили своеобразный рекорд в отрасли. Первую очередь фермы они закончили за 7 месяцев, а вторую (включая башни, турбины, подводные кабели) – всего за 5 месяцев и 13 дней. Часть Walney 1 была введена в эксплуатацию в июле 2011 года. Первая из турбин Walney 2 дала ток в ноябре. А официальное открытие готовой Walney Wind Farm состоялось 9 февраля 2012 года. На церемонии ввода электростанции в строй Эдвард Дейви (Edward Davey), британский госсекретарь по вопросам энергетики, предсказал, что 2012-2014 годы станут годами индустриализации морских ветряных ферм. И хотя сейчас они обходятся в два с лишним раза дороже наземных (3,3 миллиона фунтов против 1,25 млн за мегаватт), зато морские фермы не отнимают ценную площадь на суше, не портят пейзаж, не досаждают местным жителям шумом. При массовом развёртывании затраты на такие конструкции пойдут на спад, так что морские ветряки смогут поставлять сравнительно недорогое электричество, которое уже сможет побороться с энергией от ископаемого топлива. Потому Британия выплачивает субсидии компаниям, развивающим «ветровые» проекты. Сейчас Туманный Альбион располагает морскими ветряными станциями общей мощностью 1,5 гигаватта, а к 2020 году планирует нарастить этот параметр до 18 гигаватт. И это – в дополнении к обширным ветряным станциям на суше. Если к 2020 году общее число морских ветровых турбин в Великобритании должно вырасти до 4300, то в то же время наземных – до 10 тысяч. Добавим, что в конце 2012 года звание крупнейшей на планете морской ветряной фермы должно перейти к электростанции London Array, возводимой ныне в эстуарии Темзы, в 28 километрах от побережья Кента. Тогда должна заработать первая фаза данного комплекса, состоящая из 175 турбин общей мощностью 630 МВт. В дальнейшем London Array будут постепенно расширять, во второй фазе до – 217 турбин, а далее до суммарного 341 ветряка (по 3,6 МВт каждый). По идее, пишет DONG Energy, существует возможность дальнейшего расширения и для Walney Wind Farm, но точных планов на этот счёт пока нет».

«Новый генератор приливной энергии SeaRaser станет источником самой дешевой электроэнергии», утверждает 3 февраля www.nanonewsnet.ru. «…Разработанный инженером Элвином Смитом генератор приливной энергии SeaRaser сможет решить две важнейших задачи, стоящих перед разработчиками технологий по возобновляемым источникам энергии – это обеспечение постоянного источника энергии при значительном сокращении затрат. Когда уровень воды в океане повышается, она заставляет два буя SeaRaser перемещаться вверх и вниз. Эти буи в свою очередь накачивают морскую воду через трубу к береговой турбине, которая приводится в движение и вырабатывает электричество. Система простая, чистая и дешевая, она может стать самым рентабельным в мире способом производства электричества (даже по сравнению с ископаемыми видами топлива). Большинство морских энергогенерирующих установок дороги в производстве и техническом обслуживании за счет одного, очень важного фактора – вода и электричество понятия, по сути, не совместимые, а морская вода к тому же вызывает коррозию металлических частей установок. В результате подводные электростанции быстро выходят из строя. В системе SeaRaser большая часть дорогостоящих электрических компонентов вынесено на берег, где они защищены от воздействия морской воды и легко доступны для обслуживания. Кстати, как заявляет компания, генератор SeaRaser может также поставлять энергию по требованию путем накачки морской воды в прибрежные водохранилища, где гидроэнергетические турбины будут поставлять дополнительную энергию для электросети. В настоящее время Ecotricity находится в поиске инвестиций для следующего этапа развития системы, с тем, чтобы вывести SeaRaser на рынок в 2014 году».

Раздел ЭЛЕКТРОНИКА  не радует обилием новостей. В январе он представлен всего одной заметкой. «Физики испытали расплавленную электрическую батарею», сообщает www.membrna.ru 2 февраля. «В новом устройстве все ключевые компоненты представляют собой горячий расплав металлов и солей. Всесторонне проверенный прототип выявил и достоинства, и проблемы такой экзотической схемы. Необычный стационарный аккумулятор был придуман Дональдом Сэдовеем (Donald Sadoway) и его коллегами из Массачусетского технологического института (MIT) три года назад. Тогда существовали лишь скромные лабораторные образцы, которым предстояло пройти долгий путь совершенствования. Теперь Сэдовей и его коллеги скорректировали схему и протестировали очередной прототип. Учёные проверили, как устройство выдерживает серию многочасовых циклов заряда-разряда при высоких нагрузках от 50 до 200 мА/см². Напомним, что в таком аккумуляторе находятся три слоя расплавов, разделённые между собой исключительно за счёт разной плотности. Верхний слой – это магний (анод), средний – солевой электролит (в последней вариации батареи это MgCl₂–KCl–NaCl), нижний – сурьма плюс магний (катод). Рабочая температура устройства – 700 градусов Цельсия. При больших размерах батареи (а её предлагают использовать в стационарном амплуа) токи, протекающие через расплавы при заряде и разряде, достаточны для поддержания нормальной температуры начинки. По мере накопления энергии (смотрите схему вверху) магний за счёт электрического тока извлекается из расплава магний-сурьма и в виде ионов переходит на анод, где забирает электроны и превращается в нейтральный металл. При разряде этот же элемент отдаёт электроны и путешествует в обратном направлении. Соответственно меняется толщина основных слоёв. Как видим, в такой батарее твёрдыми остаются лишь корпус, изоляторы и электрические выводные контакты (токоприёмники). Это означает, что новинка не боится очень больших токов и потенциально обладает высокой живучестью и отказоустойчивостью. Ломаться и деградировать тут почти что нечему. А внезапно расплавить уже и так расплавленные компоненты даже аварийная нагрузка не сможет. Но это в теории. На практике всё оказалось не так однозначно. Во-первых, опыт подтвердил стойкость выбранных деталей, несмотря на высокую температуру и агрессивную среду. Более 30 циклов в течение двух недель не привели к каким-либо признакам коррозии твёрдых компонентов (а их искали даже при помощи микроскопии и ряда других методов анализа). Во-вторых, авторы батареи определили, что она обладает энергетической эффективностью в 69%. А в-третьих, через несколько недель постоянных циклов опытная батарея вышла из строя. Причина — испарение солевого электролита. Но изобретатели считают, что эта проблема может быть решена путём пересмотра конструкции корпуса. По словам учёных, магниево-сурьмяная батарея на жидких металлах (Magnesium–Antimony Liquid Metal Battery), так она называется полностью, интересна своей низкой стоимостью и способностью выдавать в сеть большую мощность. Потому на основе таких аккумуляторов можно с низкими затратами строить крупномасштабные накопители энергии. Ещё в 2010 году Сэдовей и его коллеги – Дэвид Брэдуэлл (David Bradwell) и Луи Ортиц (Luis Ortiz) основали корпорацию Liquid Metal Battery для развития нового типа аккумулятора и вывода его на рынок. Теперь, после продвижения экспериментов с небольшим прототипом, компания должна перейти к следующему этапу: необходимо оптимизировать дизайн и, возможно, состав твёрдых компонентов батареи (корпус, токоприёмники), провести дополнительные тесты на коррозионную стойкость и, наконец, создать крупную модель, пригодную для тиражирования».

Раздел НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ содержит пять заметок. «Архангельские ученые создали материал, кардинально улучшающий свойства бетона и древесины», сообщает 9 февраля www.nanonewsnet.ru. «Ученые Северного (Арктического) федерального университета работают над созданием нанокомпозита, который мог бы существенно улучшить свойства строительных материалов. Как сообщили на кафедре композиционных материалов и строительной экологии института строительства и архитектуры САФУ, работа студенток Института строительства и архитектуры Наталии Калининской и Татьяны Поспеловой посвящена получению новых материалов с применением строительных композитов из местного сырья – песка и сапонита (отход алмазодобывающей промышленности). «Если использовать компоненты в определенном сочетании, при этом учитывая характеристики наноразмеров частиц, между ними появляются очень прочные связи. В этом случае компоненты можно использовать вместо цементной составляющей, например, в бетоне. При этом прочность бетонных конструкций усиливается в 20 раз», – рассказывает научный руководитель проекта Аркадий Айзенштадт. Работа студенток была направлена на поиск оптимального сочетания компонентов для получения такого эффекта. Сделано теоретическое физико-химическое и коллоиднохимическое обоснование процессов, проведена оптимизация условий для их протекания. Нанопорошок, полученный учеными кафедры композиционных материалов и строительной экологии САФУ, улучшает свойства не только бетона, но и древесины. «Экспериментально мы доказали, что при обработке поверхности древесины композиционным материалом она становится более долговечной, огнеупорной, а также влагонепроницаемой и морозостойкой», – рассказывает научный сотрудник кафедры Александр Тутыгин. Этот же порошок делает бетон более прочным и дешевым в производстве. Кроме того, порошок экологически безопасен. «Сейчас мы перешли к опытно-лабораторным испытаниям уже непосредственно на бетонных смесях. Кроме того, мы изучаем влияние температурного режима на строительные конструкции. Пока получаем наноматериалы в весьма небольших количествах, в дальнейшем перейдем к более серьезным объемам, – продолжил Аркадий Айзенштадт. – Скоро мы должны получить современный шаровой размольный аппарат, который позволяет изготовить не 400 грамм смеси в наноразмерном состоянии, а 20 килограмм. Можно считать, что мы уже на пороге промышленного испытания наноматериалов».

«Как «намагнитить» немагнитные материалы», рассказывает заметка, размещенная 16 февраля на www.nanonewsnet.ru. «Нанотехнологи из Твентского университета (Нидерланды) разработали метод, позволяющий контролируемым образом (!) допировать немагнитные материалы магнитными элементами. Использование предложенной методики делает возможным кардинальное изменение электрического поведения металлов, а также позволяет придать магнитные свойства даже полупроводникам. Голландские учёные смогли контролируемо допировать немагнитные слои золота магнитными элементами. На плёнку золота наносился монослой смеси комплексов металлов кобальта и цинка с органическим лигандом терпиридином. При этом ионы кобальта, обладающие спином, играют роль локализованного магнита, в то время как немагнитные ионы цинка используются как разбавитель. Таким образом, изменяя относительные концентрации ионов цинка и кобальта, можно «настраивать» магнитные свойства получающегося материала. Действительно уникальным делает метод то, что он позволяет получать беспрецедентно высокий уровень концентрации магнитного допанта, не допуская при этом образования магнитных кластеров, — и всё благодаря разбавителю цинку, вводимому одновременно с магнитным кобальтом. Как всегда, всё гениальное кажется таким простым. В то же время во всех современных методах самым трудным как раз является гомогенное распределение магнитных элементов в получаемом материале, особенно при высоких концентрациях. С использованием этой технологии становится возможным появление материалов с совершенно новыми свойствами, вплоть до таких совсем уж экзотическим вещей, как магнитные полупроводники — один из «святых Граалей» физики. Подобные материалы могли бы найти применение в новом поколении компьютеров (как при производстве памяти — магнитные свойства, так и в процессинге данных — электрические)».

«Наномасла обладают отличными охлаждающими свойствами», утверждает 3 февраля www.nanonesnet.ru. «Ученые из университета Райса применили наночастицы для повышения термальных свойств трансформаторного масла. Исследователи создали масло на основе наночастиц, которое может существенно повысить теплопотери таких устройств, как электрические трансформаторы и микроэлектронные компоненты. Ученые опубликовали в издании ACS Nano работу, которая может повысить эффективность трансформаторных масел на 80% рентабельным и безвредным для окружающей среды способом. Группа ученых, возглавляемая аспирантом Хаймэ Таха-Тиджерина и постдокторантом Тарангатту Нараянан, сосредоточила усилия на трансформаторах энергетических систем. Трансформаторы заполнены минеральными маслами, которые охлаждают и изолируют внутренние обмотки, чтобы избежать короткого замыкания. Ученые обнаружили, что совсем чуть-чуть шестиугольных частиц нитрида бора (h-BN) — двухмерных кузенов углеродного графена, очень эффективно избавляют системы от высокой температуры. «Нам не требуется много этих частиц, ведь даже 0,1% от всего масла увеличивает его эффективность на 80%», сказал Нараянан. «Если их будет даже всего 0,01%, то и в этом случае эффективность масла повысится на 9%», добавил Таха-Тиджерина. «Изоляционные свойства масла при этом совсем не пострадают».

«Пульсирующие лазеры превращают полимеры в легковесное стекло», пишет 17 февраля www.nanonewsnet.ru. «На микроскопическом уровне стёкла — это твёрдые вещества, которые выглядят скорее как жидкости, что обусловлено отсутствием дальнего порядка в их кристаллической структуре. Обычно стёкла получают быстрым охлаждением соответствующих жидкостей-расплавов таким образом, чтобы избежать (проскочив) стадии кристаллизации вещества. Поэтому, когда нужно создать стекло с какими-то специфическими свойствами, возникает необходимость в точнейшем контроле каждого параметра перехода «жидкость — стекло», что на практике очень трудно осуществить. Группа учёных из Принстонского университета (США) разработала метод контролируемого получения стабильного стекла из полимеров. Чудо-стёкла являются экстремально легковесными, обладают более высокими температурами перехода и сохраняют свои свойства при гораздо более высоких температурах, чем стёкла обычные. Материал получали методом напыления, а не простого охлаждения, используя технику MAPLE (matrix-assisted pulsed laser evaporation, испарение из жидкой или твёрдой матрицы пульсирующим лазером). В результате происходило образование стекла в виде наноразмерных глобул — материала с чрезвычайно интересными теоретическими свойствами, равно как и возможными практическими применениями. Обычный, веками отработанный процесс получения стекла начинается с приготовления расплава, который затем быстро охлаждают, с тем чтобы вещество проскочило стадию кристаллизации (кристаллизация — медленный термодинамический процесс, характеризующийся стадией образования зародышей и их медленным ростом). В итоге продукт сохраняет некоторые «жидкие» свойства даже в отверждённом состоянии. Технология очень требовательна к деталям: переход из жидкой фазы в стекло — процесс кинетический, зависящий от скорости, с которой проводилось охлаждение. Кроме того, стёкла, полученные обычным методом, нестабильны при высоких температурах. Техника MAPLE начинается с приготовления замороженного раствора полиметилметакрилата — РРМА, полимера, который был выбран для исследования. После этого раствор подвергается воздействию пульсирующего лазера, испаряющего некоторое количество свободного полимера, пары которого осаждаются на подложку из диоксида кремния. В сравнении с быстроохлаждённым PPMA технология MAPLE позволяет получать стекло с существенно более высокой температурой перехода (примерно на 40 ˚С выше). Это означает, что MAPLE-стекло стабильно при температурах, при которых стекло, полученное быстрым охлаждением полимера, уже расплавилось бы. Используя измерение индекса преломления, учёным удалось определить, что MAPLE-стекло на 40% менее плотное, чем стёкла из того же PPMA, полученные по обычной методике. То есть новый материал оказался куда легче, и это никак не сказалось на его твёрдости: более лёгкое стекло столь же устойчиво, как и полученное простым охлаждением. Как можно было ожидать, MAPLE-стекло конвертируется в обычное при быстром нагревании-охлаждении, что приводит к съёживанию глобул вплоть до их полного исчезновения…»

«Учёные нашли способ быстро и дёшево получать композиты из нанотрубок», сообщает 2 февраля www.strf.ru. «Американские учёные делают очередной шаг навстречу технологиям печатной электроники. В своей последней работе группа исследователей из Йельского университета описывает новую универсальную методику создания композитных материалов из одностенных углеродных нанотрубок (УНТ) и различных функциональных полимеров. Такие мультикомпозитные покрытия уже широко используются в органических светоизлучающих диодах, солнечных батареях и топливных элементах, но до сих пор остаются весьма дорогостоящими и трудными в получении. Электроды литий-ионных аккумуляторов, мембраны топливных элементов, анодные компоненты фотоэлементов – проводящие материалы для каждого случая должны обладать разными свойствами. (Так, например, для изготовления солнечных батарей подходят только прозрачные материалы с хорошей электронной проводимостью и морфологией поверхности, а для топливных элементов – материалы, в которых сбалансированно сочетаются пористость, электропроводность и высокая ионная проводимость.) На сегодняшний день для этих целей широко применяются различные мультифункциональные композиты, в том числе и композиты одностенных углеродных нанотрубок с полимерами. В подобных материалах молекулы УНТ служат своеобразным каркасом, идеальным среди прочих благодаря большой площади свободной поверхности нанотрубок и их высокой термо- и электропроводимости. Однако получить стабильные дисперсии УНТ в растворах полимеров непросто. Зачастую межмолекулярные силы притяжения и отталкивания между диполями молекул, то есть Ван-дер-ваальсовы взаимодействия атомов углерода нанотрубок, гораздо сильней их притяжения к молекулам растворителя. В результате молекулы УНТ выпадают в осадок. Во избежание этого поверхность нанотрубок модифицируют: пришивают к ней полярные или неполярные функциональные группы, улучшающие растворимость. Однако одновременно с такой модификацией теряются и уникальные свойства УНТ. Разрешить эту дилемму, а скорее, даже избежать её, помогает способ, предложенный исследовательской группой во главе с Ли Сяокаем (Li Xiaokai). По их методике, сначала изготавливается раствор нанотрубок в карбоксиметилцеллюлозе. Он в избытке наносится на перемещающуюся подложку, с которой излишки раствора механически удаляются при прохождении препятствия – цилиндрического вала со спиральной насечкой. При этом от размера вала и насечки значительно зависит толщина получаемого покрытия. Карбоксиметилцеллюлоза удаляется в свою очередь посредством кислотной обработки, и на стеклянной подложке остаётся покрытие из углеродных нанотрубок. После на него наносится необходимый полимер, который заполняет собой полости углеродного покрытия. В работе исследователи говорят об успешном создании описанных композитов различного состава – Нафион/МУНТ (полимер Нафион широко используется в составе мембран топливных элементов), поливиниловый спирт/МУНТ, Поливинилиден фторид/МУНТ. Все полученные покрытия по своим свойствам не уступают, а зачастую и превосходят аналоги. Кроме того, учёные утверждают, что их технология идеально подходит для создания гибких проводящих материалов (полученное проводящее покрытие можно отделить от стеклянной подложки), а значит, способна вытеснить общераспространённые в органических светоизлучающих диодах и фотоэлементах покрытия на основе ИТО-стекла (стекла, покрытого проводящим оксидом индия и олова). Таким образом, предложенная методика позволяет легко и сравнительно дёшево получать композитные материалы для энергосберегающих технологий. Кроме того, она может быть масштабирована до промышленного производства и легко изменена для работы с новыми полимерами в зависимости от возникающих потребностей».

«Учёные представили сверхлипкую ткань», информирует 17 февраля www.membrana.ru. «Новый материал выдерживает рекордно большой вес и прилепляется даже к гладкому стеклу. При этом его можно снять без больших усилий и спокойно использовать много раз подряд. Исследователи из Массачусетского университета в Амхерсте создали необычайно цепкую ткань по мотивам лапок геккона и назвали её Geckskin («кожа геккона»). Образец нового материала при площади контакта с ровной поверхностью всего в 100 квадратных сантиметров выдержал усилие в 2950 ньютонов (300,8 килограмма). «Липучка» Geckskin размером с открытку надёжно удерживает 42-дюймовый телевизор весом 18 килограммов, зацепившись за гладкую вертикальную поверхность. Однако снять её при необходимости так же нетрудно, как прицепить — достаточно аккуратно потянуть за край материала. И никаких липких следов, перед нами пример обратимой сухой адгезии. Для сравнения, последний (и самый впечатляющий) пример подобного «гекконового» материала, созданный в другом университете, удерживал на весу взрослого человека при площади контакта в 400 см². Столь значимый рост удельной нагрузки удалось получить, переосмыслив схему работы лапок геккона заново. В череде похожих проектов учёные имитировали армию микроскопических волосков на концах пальцев ловкой ящерицы (они прилипают к любой поверхности за счёт сил Ван-дер-Ваальса). Однако, по мнению нынешних героев, их предшественники не учитывали всю сложность строения живого прототипа, действовали однобоко. Мол, для того чтобы возникло устойчивое (но при этом обратимое) прилипание, должны правильно взаимодействовать между собой микроволоски, сухожилия, кости и кожа на лапке. Они вместе создают условия для правильного прилипания.В группу исследователей из Массачусетского университета входят не только специалисты по материалам (в частности, полимерам), но и биолог. Вместе они разработали улучшенную теорию лапок геккона, которая позволила им найти закономерности и… отказаться от копирования тех самых волосков, на которые так уповали все предыдущие экспериментаторы. Вместо этого команда разработала ткань, в которой переплетены мягкая прокладка и жёсткий материал. В составе композита, что интересно, использован полидиметилсилоксан, как и во многих аналогах. Именно благодаря такому сочетанию мягкая составляющая ткани точно приспосабливается к поверхности, обеспечивая максимально плотный контакт. Кроме того, вся «кожа геккона» в новом проекте переплетена с некими синтетическими сухожилиями. Это обеспечило системе оптимальный баланс между твёрдостью и податливостью («свободой вращения»), объясняют учёные».

Продолжение