Заархивировано

Эта тема находится в архиве и закрыта для дальнейших ответов.

Гpифон

Материаловедение

Рекомендуемые сообщения

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

 

 

МЕТАЛЛ ЗАЛЕЧИВАЕТ СОБСТВЕННЫЕ ТРЕЩИНЫ

 

Обычно, если вы приложите к металлу усилие, призванное его разорвать, деталь из него начинает разрушаться. Но, как выяснилось, бывает и наоборот.

 

Когда исследователи из Массачусетского технологического института (США) во главе с Майклом Демковичем (Michael J. Demkowicz) случайно заметили, что усилия, направленные на разрыв куска металла, на коротком временном отрезке могут, напротив, ликвидировать трещины в материале, они посчитали это ошибкой.


1b5fc2e1a277837acadb83cea53c2cb4_resized

Иллюстрация Shutterstock.

Однако перепроверки показали, что при определённых условиях приложение большой растягивающей нагрузки к треснутому металлическому объекту действительно ведёт к «залечиванию» изъяна, показывая результат, прямо противоположный ожидаемому.

За счёт чего такие чудеса? После длительных исследований и моделирования поведения зёрен металла на их границах картина стала проясняться. Металлом, использовавшимся в эксперименте, был никель, и одна из моделей выявила механизм, в принципе способный затягивать трещины — при определённых условиях. А именно таких, которые заставляли микроструктуру металла меняться, а границы отдельных зёрен — слегка смещаться:

http://www.youtube.com/watch?v=E9poznjfOLA

Ключом ко всему оказался один вид дефектов кристалла, известный как дисклинация — граница области незавершённого поворота в кристалле. Такой дефект создаёт поле механических напряжений, в котором прилагаемое внешнее воздействие может быть обращено в другую сторону, причём даже в ту, что противоположна прикладываемому усилию.

Как использовать такое явление? Группа г-на Демковича, несмотря на то что находится «лишь в самом начале пути», считает, что, коль скоро методы создания дефектов с нужными параметрами для металлических сплавов уже есть, то и задача их применения совершенно реальна...

...Поясняя, что более всего очевиден потенциал метода при ликвидации трещин под внешней нагрузкой. Вспомним так называемую усталость металла, которая, по сути, является следствием накопления множества микротрещин. Так вот, своевременное удаление последних в металлических изделиях попросту продлит их службу.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Physical Review Letters.

Подготовлено по материалам MIT News.

 

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ: КАК И ЗАЧЕМ НАДО СМАЗЫВАТЬ БЕТОН?

 

На первый взгляд, материал, от которого ждут твёрдости и прочности, нуждается в чём угодно, кроме смазки. Однако швейцарские учёные убеждают нас в прямо противоположном.

 

В целом ряде практических приложений взвеси частиц приходится передвигать через систему труб. Часто, как это происходит при производстве цемента и бетона, жидкого компонента в таких субстанциях должно быть по минимуму, иначе качество конечного продукта резко снизится.

Но как только содержание жидкости падает, поднимают голову иные проблемы. После сдвига в бетономешалке или при перекачке смесей в них начинается загустевание. Вязкость взвеси в потоке резко растёт, а при некоторых обстоятельствах растёт едва ли не до бесконечности, заставляя то в огромное количество раз увеличивать расход энергии на прокачку бетона по трубам, то вообще уничтожая непомерной нагрузкой насосы.

 

b290f6e99a1fd02b3de8911c380b8908_resized

Загустевание при сдвиге ведёт к значительному удорожанию перекачки больших объёмов бетона на существенные расстояния, что часто бывает неизбежным при строительстве крупных и дорогостоящих объектов, таких как небоскрёбы или здания промышленного назначения. (Фото Concrete Forms.)

 

Крупный французский производитель цемента Lafarge для решения такого рода проблем обратился к Швейцарской высшей технической школе Цюриха с просьбой о помощи. Используя компьютерное моделирование процессов, происходящих с такими взвесями, и лабораторные эксперименты, Николас Фернандес (Nicolas Fernandez) и Роман Мани (Roman Mani), кажется, смогли сдвинуть это весьма важное дело с мёртвой точки.

 

Ключевым в понимании происходящего стало признание того, что поток в столь плотных взвесях по своим параметрам скорее сводится к взаимодействию между отдельными его зёрнами, нежели к процессам, характерным для жидкостей. Таким образом, реология, деформации и текучесть вещества в них тесно связаны с трибологическими параметрами компонентов взвеси — контактным взаимодействием твёрдых деформируемых тел.

 

При малых скоростях потока «контакты» между частицами взвеси происходят при увлажнении сталкивающихся поверхностей жидкой плёнкой. В таком гидродинамическом режиме трение умеренно, и насосы могут перекачивать смеси без особого напряжения. Однако при росте скорости плёнка между частицами разрывается, и зёрна трутся друг о друга, как если бы были сухими. Именно в этот момент начинается загустевание после сдвига.

 

Ещё хуже становится, когда разорванная на многочисленные фрагменты жидкая плёнка полностью исчезает — что при высоком содержании твёрдых компонентов во взвеси и приличном трении случается довольно часто. Именно тогда вязкость устремляется к бесконечности, и перекачивающие насосы выходят из строя.

 

d92d2ad8c98342eb8f2d2865bfbf8a17_resized

На определённом этапе трение внутри такой взвеси начинает больше напоминать трение частиц песка или гравия друг о друга, нежели процессы, происходящие в жидкостях. (ФотоShutterstock.)

 

Как только возникло понимание связи загустевания при сдвиге и трения твёрдых зёрен взвеси друг о друга, стало ясно, как помешать этому процессу. Опытная проверка показала: внесение во взвеси на цементной основе небольшого количества полимерных добавок резко снижало коэффициент трения и полностью предотвращало загустевание при сдвиге. Как замечают авторы, открытие способно покончить с поломками перекачивающего оборудования и заодно существенно снизить энергозатраты бетонной индустрии без снижения качества производимых ею смесей.

 

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Physical Review Letters.

 

Подготовлено по материалам Швейцарской высшей технической школе Цюриха. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

КОРРОЗИЮ НАУЧИЛИСЬ СДЕРЖИВАТЬ ДАЖЕ ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ ВЫШЕ 1 000 °С

 

Наноплёнки из гексагональной модификации нитрида бора защищают от окисления материалы при нагреве до 1 100 °С. То есть в тех условиях, где другие методы просто не работают.

 

Из Университета Райса (США) сообщают: листы толщиной в один атом, состоящие из упорядоченного в шестигранные плоские структуры нитрида бора, можно использовать для борьбы с коррозией даже там, где все прочие ингибиторы уже не справляются.

Предотвращение окисления — весомая по объёму продаж индустрия. Та же борьба с банальной ржавчиной поглощает огромное количество недешёвых антикоррозийных материалов. И с этим надо что-то делать.

 

a2a09ec933a742021097e1f38f03b7d3_resized

Несмотря на сходство гексагональной решётки нитрида бора с графеном, стойкость первого намного выше, что позволяет использовать его в качестве практически невидимого антикоррозийного покрытия. (Иллюстрация Shutterstock.)

То, что сделала команда материаловедов под руководством Пуликеля Аджаяна (Pulickel Ajayan) и Цзюнь Лоу (Jun Lou), сильно отличается от стандартных методов защиты такого рода. Обычно нитрид бора в гексагональной модификации рассматривается как кандидат в материалы для электроники и фотоники, но, опробовав создание плёнок такого состава по методу химического парофазного осаждения на никелевой и графеновой подложках, учёные убедились: у нитрида бора и есть и другие блестящие перспективы.

 

Дело в том, что нитрид бора весьма устойчив к высоким температурам, а потому может защищать от окисления материалы лопаток турбин в энергетике и авиации, нефтеразведке и нефтедобыче — по сути, в любых условиях, где обычные антикоррозийные средства не работают, поскольку плёнки из них разрушаются при гораздо более низких температурах. А это означает значительное увеличение срока службы таких устройств и удлинение периодов между их профилактическим ремонтом.

 

Более того, у материала есть и другие особенности, позволяющие применять его даже там, где действительно высоких температур не наблюдается. Так, мы живём во время настоящего бума солнечных батарей. Но практика их использования подсказывает: пыль способна оказывать абразивное действие на их поверхности и тем самым снижать со временем КПД — не говоря уже об уменьшении светового потока, часть которого эта пыль поглощает, дополнительно снижая выработку электричества фотоэлементами. Конечно, пыль счищается, в том числе автоматическими щётками (есть и такие проекты). Но, как знают все автолюбители, даже лучшие щётки через некоторые время сами (вместе с удаляемой ими пылью) создают микроцарапины, из-за которых рано или поздно приходится менять ветровое стекло. Нитрид бора практически невидим (слишком малая толщина), и покрытие им солнечных батарей сделает их невосприимчивыми к царапинам от щёток, да и к самой пыли.

 

Что особенно важно, благодаря толщине (считанные нанометры) такой материал, по сути, не увеличивает массу изделия (для лопаток турбин это ни к чему) и при этом обладает исключительными механическими свойствами, не позволяя покрытию разрушаться под действием высоких нагрузок, неизбежных для внутренностей тех же турбореактивных двигателей.

 

e8ce2d73bdcdea7337b1d34f260bc8c6_resized

Структура трёхслойного образца нитрида бора. Внизу справа: азот для наглядности выделен зелёным, бор — фиолетовым. (Иллюстрация Pulickel M. Ajayan et al.)

В зависимости от конкретных условий защита может быть выполнена в виде одного или нескольких слоёв одноатомной толщины. А применение химического парофазного осаждения — широко используемого сегодня промышленного метода — означает возможность создания относительно крупных плёнок такого типа, причём по приемлемым ценам, убеждены исследователи.

 

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Communications.

 

Подготовлено по материалам Университета Райса. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

НОВЫЙ МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ МАГНИЯ ИЗ МОРСКОЙ ВОДЫ МОЖЕТ РАДИКАЛЬНО РАСШИРИТЬ СФЕРУ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ

 

Во сколько бы раз магниевые изделия ни были легче стальных той же прочности, цены на этот металл очень сильно кусаются. Но вскоре ситуация, к счастью, может измениться.

 

Пит Макгрейл (Pete McGrail) из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США вместе с группой коллег разрабатывает новый метод получении магния — лёгкого металла, применение которого в автомобилестроении и авиации способно значительно сократить вес транспортных средств при сохранении ими прежних прочностных характеристик. Задача чрезвычайно важная.

7ba68373aaa96e7a76adc3da2072f8c6_resized

Теперь магний может вплотную сблизиться по цене с алюминием, что с учётом меньшей массы первого чревато удивительными технологическими превращениями. (Фото PNNL.)

Правда, при всех своих плюсах в производстве металл всемеро дороже стали; огромна и энергоёмкость его получения. А отсюда и относительное невеликое применение.

 

Кроме того, его изготовление в развитых странах часто просто не может конкурировать с китайским, поскольку электроэнергия и уголь в КНР намного дешевле. Если в 1995 году на США приходились 45% мирового производства магния, то сегодня этот показатель равен лишь 7%, то есть почти сравнялся с российским, находящемся на третьем месте в мире.

 

Так вот, ключевым элементом нового техпроцесса названо использование катализатора, основанного на титане. Благодаря этому производство может идти не при 900 °С, а лишь при 300 °С, что резко снижает энергозатраты всего цикла. Важно и то, что сырьём для такого типа реакции могут быть не только минералы, но и (основной вариант из-за цены)... морская вода, содержащая значительное количество этого металла.

 

Пока процесс «обкатан» только в лабораториях, но на его основе уже планируется создание экспериментального производства куда большего масштаба. Предполагается, что, сохранив те же (малые) энергозатраты в 25 кВт•ч на килограмм металла, оно обеспечит цену ниже $1 500 за тонну. 

 

«Спрос на магний растёт, но он дорог и энергоёмок в производстве, — поясняет Пит Макгрейл. — Мы ожидаем, что наш метод будет вполовину более энергоэффективным, чем тот, что используется сейчас в США».

 

5a81696740fa6b07221c48320e44f7ae_resized

Поджечь этот металл нелегко: из миллионов «Жуков» мало кто ощутил на себе его горючесть. А вот одному из цельномагниевых Honda-болидов в 1968 году это удалось в полной мере. (Фото Wikimedia Commons.)

Если прогнозы учёного воплотятся в полноценном промпредприятии, мировой рынок магния вскоре окажется театром ценовой войны, которая резко удешевит его сплавы. А среди последних, напомним, есть и такие, что весьма стойки к коррозии. В итоге ваши велосипеды, смартфоны из верхнего ценового сегмента и многое другое заметно потеряют в весе.

 

Очевидно, что самыми востребованными такие материалы окажутся в производстве автомобилей и — с некоторым временным лагом — в более консервативном авиапроме. Быть может, магний, чьё внедрение в автомобилестроение столь энергично начал фольксвагеновский «Жук», ещё ждёт оглушительный успех? 

 

Подготовлено по материалам Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории. Изображения на заставках принадлежат Shutterstock: 1 и 2. .

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

КЕРАМИКА ОБЕЩАЕТ РЕЗКО ПОДНЯТЬ КПД ТЕРМОФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

 

Преобразование всего солнечного излучения в то, что лучше всего воспринимается однослойными фотоэлементами, в теории может поднять их эффективность с 20 до 80%. Но как этого добиться на практике?

 

Обычная солнечная батарея на кристаллическом кремнии в силу его запрещённой зоны преобразует свет, относящийся к ближнему ИК-излучению. Остальное фотоэлемент теряет. А «избыток» видимого излучения просто перегревает кремниевые фотоэлементы, снижая их эффективность. В теории обычный однослойный фотоэлемент такого типа не может иметь КПД выше 34%, хотя на практике этот показатель в лучшем случае на 10% ниже. Причина очевидна: он просто «швыряется» солнечным излучением. Откуда же взяться высокому КПД?

Впрочем, существуют термофотоэлектрические устройства, созданные специально для решения этой проблемы. В них солнечный свет попадает не прямо на фотоэлемент, а на промежуточный компонент, состоящий из поглотителя излучения, нагревающегося на солнце, и излучателя, который при нагреве испускает в ИК-диапазоне. Именно ИК-излучение оказывается на полупроводнике, где и превращается в электричество.

 

12dcca866d310ec7f1afc32e0bef57a2_resized

Вверху: незащищённые фотонные кристаллы на основе вольфрама после нагрева в значительной степени разрушены. Внизу: покрытие на базе диборида гафния защитило фотонные кристаллы при нагреве до 1 400 °С. (Здесь и ниже иллюстрации Kevin Arpin.)

«В сущности, мы просто "ушиваем" свет до другой длины волны — той, что идеальна для солнечной батареи, — поясняет Шаньхуэй Фань (Shanhui Fan) из Стэнфордского университета (США), один из ведущих разработчиков таких систем. — Это поднимает теоретическую эффективность батарей до 80%...»

 

Да, вы не ослышались — до 80%. Иными словами, теоретически это предельно эффективный подход с огромным потенциалом. Нынешние кремниевые фотоэлементы — становой хребет солнечной энергетики — обычно имеют лишь 20% КПД. Но как добиться этих удивительных 80% на практике?

 

Пока термофотоэлектрические системы достигли лишь 8%, и причины этого очевидны. Компоненты-посредники, призванные при нагревании испускать ИК-излучение, обычно сделаны из вольфрама, играющего аналогичную роль в лампах накаливания.

 

Такой материал должен быть организован в сложную трёхмерную наноструктуру (фотонный кристалл), позволяющую эффективно переизлучать в ИК-диапазоне. Однако ранее такие материалы при нагреве до 1 000 °С разрушались. Между тем нагрев промежуточных элементов должен быть как минимум не ниже этой цифры — а в идеале значительно выше.

 

В этот раз исследователи во главе с Полом Брауном (Paul Braun) из Иллинойсского университета в Урбане и Шампейне (США) заключили наноструктуры из вольфрама в оболочку из диборида гафния (керамика) и затем подвергли их нагреву до тысячи градусов на протяжении двенадцати часов (более длительный солнечный нагрев солнечным батареям не грозит). Более того, даже нагрев до 1 400 °С не нарушил их внутреннюю структуру при длительности рабочего цикла в один час.

 

«Эти результаты беспрецедентны, — без лишней скромности замечает Кевин Арпин (Kevin Arpin), ведущий автор работы. — Мы показали, что керамика может продвинуть и термофотоэлектрические элементы, и другие актуальные области исследований, такие как получение электроэнергии от низкопотенциального тепла [сейчас теряемого электростанциями], высокотемпературный катализ и электрохимическое хранение энергии».

 

Браун и Фань намерены испытать другие керамические материалы в разрабатываемых ими термофотоэлектрических элементах, чтобы выяснить, насколько такие экспериментальные ИК-излучатели эффективны в работающей солнечной батарее. И уже сейчас, в начале этого пути, учёные полны оптимизма. «Мы показали, что "перекраивание" оптических возможностей при высоких температурах вполне реально, — говорит Пол Браун. — Гафний и вольфрам — широко распространённые дешёвые материалы, а техпроцессы изготовления теплостойких ИК-излучателей хорошо отработаны».

 

bc0559f656e01d0c8d4085d1be6ca3ed_resized

Структура нового композитного материала излучателя под микроскопом.

И действительно, количество диоксида гафния и вольфрама, необходимое для одного термофотоэлектрического элемента, сравнительное невелико, и новый материал вполне способен открыть у возобновляемой энергоотрасли второе дыхание.

 

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Communications.

 

Подготовлено по материалам Энергетического института Прекорта при Стэнфордском университете.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

СРЫВАЮЩИЕСЯ ТЕЛЕФОННЫЕ ЗВОНКИ МОГУТ УЙТИ В ПРОШЛОЕ

 

Почему иной раз разговоры по мобильному обрываются? Да потому что соединение использует разные частоты (станции), и это заставляет антенны телефонов иметь настраиваемые цепи, способные быстро менять частоты под контролем напряжения, которое прилагается к настраиваемому конденсатору.

 

В общем, чтобы избавиться от недозвонков, нужно уложить как можно больше информации в ограниченную полосу частот. И, похоже, на этом направлении намечается прорыв.

Пять лет международная научная группа искала лучший материал для конденсаторов переменной ёмкости — такой, ёмкость которого меняется при приложении к нему стороннего напряжения. Это, к примеру, позволяет управляемо изменять резонансную частоту колебательных контуров антенн сотовых телефонов. И результат не заставил себя ждать. Создана слоистая структура из оксидов стронция и титана, последовательно наращивающихся друг на друге при помощи молекулярно-лучевой эпитаксии, которая позволяет напылять по одному атомарному слою за раз.

 

«Это принципиально новый материал в сравнении с теми, что используются десятилетиями, — говорит Даррел Шлом (Darrell Schlom) из Корнеллского университета, руководивший работами. — То, что мы обнаружили, можно назвать конденсатором переменной ёмкости с наименьшими потерями среди известных в мировой практике». 

 

6eb20b6ad5aed7197a1db71d914acf42_resized

Структура нового материала позволяет избегать влияния дефектов на потери в конденсаторах переменной ёмкости. (Иллюстрация Ye Zhu / Muller group.)

Разработка способна заметно улучшить эффективность микроволновых колебательных контуров мобильных телефонов и даже открыть новые возможности для беспроводной связи на значительно более высоких, чем сегодня, частотах.

 

Подчеркнём: речь идёт об осознанном создании искусственной структуры на основе теоретических предпосылок. Не такой уж частый случай при открытии действительно эффективных материалов, не правда ли? Лишь после моделирования параметров «в принципе многообещающего материала для конденсаторов» он был синтезирован в лаборатории и показал именно те качества, которые позволяла ждать от него теория.

 

Сегодняшние конденсаторы переменной ёмкости используют сплошной, а не слоистый диэлектрический материал на основе бария и стронция и характеризуются дефектами, ведущими к напрасной потере энергии и сбоям связи.

 

Под электронным микроскопом новый материал выглядит совсем иначе, напоминая скорее кирпичи и раствор. То есть в нём реализовано очень специфическое разделение поверхностей, «всепрощающее» дефекты, как говорит г-н Шлом. Эти самые дефекты остаются в «растворе», не попадая в «кирпичи», которые и несут основную нагрузку при работе в конденсаторах переменной ёмкости.

 

7e9a4625a49412594000fafee1861776_resized

Слои различных оксидов здесь чередуются, что придаёт материалу свойства, не встречающиеся у однокомпонентных аналогов. (Иллюстрация Darrell Schlom et al.)

«Ясно, что мы открыли "убойный" материал, — рассуждает учёный, — но очень похоже на то, что, используя тот же принцип, удастся создать даже более эффективные настраиваемые диэлектрики...»

 

Хотя пока новинка лишь доводится до ума в лаборатории, высокая конкурентность рынка мобильных средств связи и смартфонов вряд ли даст ей залежаться в научных закромах. С большой долей вероятности внедрение начнётся уже в ближайшие годы.

 

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature.

 

Подготовлено по материалам Корнеллского университета. Изображение на заставке материала принадлежит Shutterstock (1 и 2).

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

НОВОЕ УСТРОЙСТВО СМОЖЕТ ХРАНИТЬ ЭНЕРГИЮ ПРЯМО НА МИКРОСХЕМАХ

 

Открытие суперконденсаторов на кремнии указывает на то, что почти любое устройство на кристаллическом кремнии, включая фотоэлементы, помимо своих прямых функций, способно без увеличения толщины ещё и хранить электроэнергию.

 

«Если вы спросите специалистов о том, можно ли сделать суперконденсатор из кремния, они скажут вам, что это сумасшедшая идея, — говорит Кэри Пинт (Cary Pint) из Университета Вандербильта (США), возглавляющий разработку таких ионисторов. — В отличие от них, мы знаем, как это сделать».

Храня энергию не в ионах, как обычные аккумуляторы, а в электронах, суперконденсаторы разряжаются и заряжаются за минуты, а не часы, и работают миллионы циклов вместо тысяч.

 

63b5677b434021b282fbde30346b8862_resized

Схема устройства новых суперконденсаторов (справа) отличается от обычной (слева) слоем графеновой защиты кремниевых обкладок. (Здесь и ниже иллюстрации Cary L. Pint et al.)

Главный недостаток ионисторов — меньшую, чем у химических аккумуляторов, ёмкость — пытаются одолеть множеством способов, хотя в основном речь идёт об использовании графена и нанотрубок. Но чтобы поверхность обкладок таких конденсаторов могла хранить максимум электронов, она должна быть предельно неровной, состоящей из высоких наногребней и пор. Увы, в этом случае сборка такого наноматериала из графена очень трудна.

 

Для решения проблемы «матрицы» таких наноконструкций группа г-на Пинта обратилась к пористому кремнию — материалу с контролируемой и хорошо известной наноструктурой, изготавливаемому с помощью электрохимического травления поверхности кремниевых подложек. Так удалось создать исключительно пористую наноструктуру, проблемой которой оставалась лишь готовность кремния реагировать с электролитами суперконденсатора, то есть та слабость, которая, по словам Кэри Пинта, делает саму идею такого устройства безумной.

 

Во избежание подобных реакций разработчики покрыли пористую поверхность кремния углеродом, а затем нагрели до 600–700 °С. Если вы думаете, что учёные хотели покрыть кремний графеном, то ошибаетесь. Чтобы получить графен из карбида кремния, полуфабрикат нагревают до 1 400 °С и выше. Прямо скажем, итог эксперимента оказался неожиданным: на поверхности относительно слабо нагретого кремния с углеродным покрытием образовался слой графена толщиной в несколько нанометров.

 

Вот так случайно был открыт новый метод получения графеновых плёнок. И не только он: кремний оказался защищённым от химических реакций с электролитом, а полученные на этой основе суперконденсаторы показали ёмкость, значительно более высокую, чем продающиеся сегодня изделия.

 

Что это может дать, кроме собственно суперконденсаторов? Идея г-на Пинта в том, что сегодня кремниевые устройства часто недоиспользуются: для работы им нужна толщина в несколько раз меньше той, что они реально имеют. Так получается не потому, что кристаллический кремний дёшев (фактически он дорог), а потому что сделать кремниевую подложку нужной толщины очень сложно, и она, несмотря на меньший расход материала, выходит дороже, нежели более толстая, с толщиной, которая, в принципе, не нужна.

 

А это значит, что солнечные батареи и многие детали элементной базы компьютеров используются не на все сто. В то же время сравнительно простая процедура позволяет создать на их задней, нерабочей стороне накопитель энергии, способный практически мгновенно заряжаться и разряжаться. Хотя максимальная ёмкость для таких устройств ещё не достигнута, а ту, что есть, нарастить можно весьма значительно, даже сегодня фотоэлементы, хранящие энергию в собственной толще, и электроника, спокойно переживающая перерывы в питании, в промышленности могут, что называется, оторвать с руками.

 

846f943d1fecc35568643c2fe678cd94_resized

Ёмкость ионисторов на кремнии без случайно полученного графенового покрытия показана синими точками, находящиеся в продаже массовые суперконденсаторы — светло-синим полем, показатели новых кремниевых, но с графеновым покрытием — красным.

Сейчас разработчики создают прототипы как раз таких солнечных батарей, которые предназначены для запасания энергии полуденного солнца и её отдачи в моменты пиковой вечерней нагрузки. Кроме того, в их планах — проверка возможности работы мобильных телефонов на накопителях, находящихся непосредственно на нефункциональной стороне их кремниевых микросхем. Такие аппараты не только смогут дольше действовать от одной зарядки, но и заметно быстрее заряжаться.

 

Отчёт об исследовании опубликован в Scientific Reports (доступен полный текст).

 

Подготовлено по материалам Университета Вандербильта. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

НОВОЕ УСТРОЙСТВО СМОЖЕТ ХРАНИТЬ ЭНЕРГИЮ ПРЯМО НА МИКРОСХЕМАХ

 

Открытие суперконденсаторов на кремнии указывает на то, что почти любое устройство на кристаллическом кремнии, включая фотоэлементы, помимо своих прямых функций, способно без увеличения толщины ещё и хранить электроэнергию.

 
«Если вы спросите специалистов о том, можно ли сделать суперконденсатор из кремния, они скажут вам, что это сумасшедшая идея, — говорит Кэри Пинт (Cary Pint) из Университета Вандербильта (США), возглавляющий разработку таких ионисторов. — В отличие от них, мы знаем, как это сделать».

 

Храня энергию не в ионах, как обычные аккумуляторы, а в электронах, суперконденсаторы разряжаются и заряжаются за минуты, а не часы, и работают миллионы циклов вместо тысяч.

 

63b5677b434021b282fbde30346b8862_resized

Схема устройства новых суперконденсаторов (справа) отличается от обычной (слева) слоем графеновой защиты кремниевых обкладок. (Здесь и ниже иллюстрации Cary L. Pint et al.)

Главный недостаток ионисторов — меньшую, чем у химических аккумуляторов, ёмкость — пытаются одолеть множеством способов, хотя в основном речь идёт об использовании графена и нанотрубок. Но чтобы поверхность обкладок таких конденсаторов могла хранить максимум электронов, она должна быть предельно неровной, состоящей из высоких наногребней и пор. Увы, в этом случае сборка такого наноматериала из графена очень трудна.

 

Для решения проблемы «матрицы» таких наноконструкций группа г-на Пинта обратилась к пористому кремнию — материалу с контролируемой и хорошо известной наноструктурой, изготавливаемому с помощью электрохимического травления поверхности кремниевых подложек. Так удалось создать исключительно пористую наноструктуру, проблемой которой оставалась лишь готовность кремния реагировать с электролитами суперконденсатора, то есть та слабость, которая, по словам Кэри Пинта, делает саму идею такого устройства безумной.

 

Во избежание подобных реакций разработчики покрыли пористую поверхность кремния углеродом, а затем нагрели до 600–700 °С. Если вы думаете, что учёные хотели покрыть кремний графеном, то ошибаетесь. Чтобы получить графен из карбида кремния, полуфабрикат нагревают до 1 400 °С и выше. Прямо скажем, итог эксперимента оказался неожиданным: на поверхности относительно слабо нагретого кремния с углеродным покрытием образовался слой графена толщиной в несколько нанометров.

 

Вот так случайно был открыт новый метод получения графеновых плёнок. И не только он: кремний оказался защищённым от химических реакций с электролитом, а полученные на этой основе суперконденсаторы показали ёмкость, значительно более высокую, чем продающиеся сегодня изделия.

 

Что это может дать, кроме собственно суперконденсаторов? Идея г-на Пинта в том, что сегодня кремниевые устройства часто недоиспользуются: для работы им нужна толщина в несколько раз меньше той, что они реально имеют. Так получается не потому, что кристаллический кремний дёшев (фактически он дорог), а потому что сделать кремниевую подложку нужной толщины очень сложно, и она, несмотря на меньший расход материала, выходит дороже, нежели более толстая, с толщиной, которая, в принципе, не нужна.

 

А это значит, что солнечные батареи и многие детали элементной базы компьютеров используются не на все сто. В то же время сравнительно простая процедура позволяет создать на их задней, нерабочей стороне накопитель энергии, способный практически мгновенно заряжаться и разряжаться. Хотя максимальная ёмкость для таких устройств ещё не достигнута, а ту, что есть, нарастить можно весьма значительно, даже сегодня фотоэлементы, хранящие энергию в собственной толще, и электроника, спокойно переживающая перерывы в питании, в промышленности могут, что называется, оторвать с руками.

 

846f943d1fecc35568643c2fe678cd94_resized

Ёмкость ионисторов на кремнии без случайно полученного графенового покрытия показана синими точками, находящиеся в продаже массовые суперконденсаторы — светло-синим полем, показатели новых кремниевых, но с графеновым покрытием — красным.

Сейчас разработчики создают прототипы как раз таких солнечных батарей, которые предназначены для запасания энергии полуденного солнца и её отдачи в моменты пиковой вечерней нагрузки. Кроме того, в их планах — проверка возможности работы мобильных телефонов на накопителях, находящихся непосредственно на нефункциональной стороне их кремниевых микросхем. Такие аппараты не только смогут дольше действовать от одной зарядки, но и заметно быстрее заряжаться.

 

Отчёт об исследовании опубликован в Scientific Reports (доступен полный текст).

 

Подготовлено по материалам Университета Вандербильта. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

В Петербурге смогли создать алмазную пленку

 

ps_fullerite.jpg.814x610_q85.jpg

 

В Санкт-Петербурге ученые сумели вырастить тончайшую алмазную плёнку. Эксперимент проходил в стенах Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ». 

Сейчас здесь в лаборатории выращивают микроскопические пленки. Ученые надеются создать прочные пленки диаметром в десять сантиметров. 

Опыты проходили под руководством американского профессора Джеймса Батлера, который специально приехал из Кремниевой Долины. Ранее вуз получил грант в 90 миллионов рублей на развитие нано-технологий. Опыты рассчитаны на три года, при хороших результатах изучение продлят еще на два.

Цель исследователей - создать электронику нового поколения. Новые типы чипов из алмазов будут вмещать значительно больший объем информации, чем кремниевые. При этом такие мобильные и компьютеры не будут перегреваться. Выращивание алмазов началось в 60-х годах. При нынешнем способе получения используют газовую среду, состоящую на 95 % из водорода и 5 % из пропана.

В России есть два крупных центра производства синтетических алмазов – в Москве и Новосибирске. Еще несколько лабораторий есть в наукоградах. Стоит учесть, что в год одна лаборатория может произвести пока не больше трех сотен алмазов.

 

http://polit.ru/news/2013/10/31/ps_almaz/

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

АККУМУЛЯТОРЫ МОЖНО СОЗДАВАТЬ ПРИ ПОМОЩИ... ВИРУСОВ

 

В Массачусетском технологическом институте разработали катод для литий-воздушных батарей, использовав для этого не что-нибудь, а генетически модифицированные вирусы. И именно поэтому новые катоды лучше старых (то есть аналогов), изготовленных традиционными методами.

 

Целью исследователей было повышение ёмкости батарей одновременно с увеличением скорости зарядки. Техприём использовался привычный: надо было существенно нарастить площадь рабочей поверхности катода, в случае литий-воздушных батарей состоящего из оксида марганца. Но как это было сделано!


Исследователи, ведомые Анджелой Белчер (Angela M. Belcher), покрыли поверхность нанонитей из оксида марганца генетически модифицированными вирусами.

2c270adee38ad06d086b3a51cf77fcc1_resized

Как полагают исследователи, литий-воздушные батареи на основе биотехнологических нанонитей при дальнейшем наращивании жизненного ресурса способны обеспечить электромобили большей дальностью при разумной стоимости. (Здесь и ниже иллюстрации Angela Belcher et al.)

Диаметр нанонитей был равен 80 нм, и покрывающие их вирусы (M13) улавливали молекулы металла из окружающего водяного раствора. Обычные методы электрохимического наращивания таких волокон создают довольно ровные поверхности. Вирусы же, принимая на себя молекулы металла в самое разное время и относительно хаотично, выдавали на-гора очень неровную поверхность, тем самым формируя на той же длине нити куда бóльшую рабочую площадь:



Важно и то, что процесс шёл при комнатной температуре и нормальных условиях, в то время как обычные электрохимические методы создания катодов требуют весьма энергоёмких операций.

ГМ-овчинка оправдала выделку: параметры полученного катода оказались намного лучше, чем у тех, что применяются в традиционных литий-воздушных батареях (до 500–600 Вт•ч/кг). И, как нам сообщают, примерно втрое выше, чем у литий-ионных (не более 200 Вт•ч/кг) обитателей вашего ноутбука и мобильного телефона.

Предупреждая любимый вопрос «КЛ»-читателей («А какая там ёмкость?»), заметим, что речь пока идёт лишь о катоде, в то время как общая ёмкость такого накопителя определяется не только материалами катода, но и иными компонентами. Опять же не удалось полностью преодолеть другой принципиальный недостаток литий-воздушных батарей — их ограниченную живучесть. В частности, без значительной потери ёмкости экспериментальный образец выдерживал всего 50 циклов зарядки-разрядки.

c942c08803ddb8db309769679a4a85c3_resized
Нанонити, на которых оксид марганца наносили вирусы, имеют чрезвычайно развитую поверхность, что значительно повышает скорость накопления заряда аккумуляторами с новым катодом.

И тем не менее работа показывает, что использование генетически модифицированных существ в такой области — отнюдь не выдумка и даже оправдано по издержкам.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Communications.

Подготовлено по материалам IEEE Spectrum.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

ГРАФЕН СОГРЕЕТ РАДАРЫ

 
Ленты из графена, совмещённые с обычной полиуретановой краской для автомобилей, могут стать лучшим выбором для обтекателей радаров военного назначения. И не только для них, полагают американские инженеры.
Хотя крупные радарные обтекатели на боевых кораблях оберегают антенны ото льда и ледяного дождя, сами они вполне уязвимы к таким погодам. Как их защитить? Обычно эти купола оснащают металлической рамкой, в которой есть включения из оксида алюминия. Увы, металл мешает радиосигналам, а глинозёмная керамика (оксид алюминия) имеет недостаток похуже: это очень плохой проводник, отчего полная очистка ото льда требует серьёзных энергозатрат. Впрочем, эта проблема мучает не только военных, благо любой самолёт или даже автомобиль тоже не в вакууме движутся.

8f0c1bd6575b3e35119336cced8503d0_resized

Отдельная нанолента (слева) получается «распарыванием» углеродной нанотрубки. Справа: наноленты из графена, защищённые полиуретаном. (Здесь и ниже иллюстрации Tour Group.)

В общем, некто Ю Чжу (Yu Zhu) из Университета Райса (США) однажды подумал: а почему бы глинозёмную керамику не заменить на графен? В самом деле, он вполне прилично проводит ток и имеет отличный резистивный нагрев. Идея понравилась инженеру Lockheed Martin Владимиру Вольману (Vladimir Volman), собиравшемуся предложить подобную технологию военным (для начала). И всё завертелось.

 

Обычный графеновый лист для этого не очень подходит: электроны в нём переносятся так легко, что нагрева почти нет. А вот графеновые наноленты — по сути, «распоротые» многослойные нанотрубки — нагреваются достаточно, чтобы из них выходило относительно тонкое (100 нм) эффективное антиобледенительное покрытие. Дело в том, что наноленты неизбежно перехлёстываются, и электроны с одной перескакивают на другую. Именно в момент такого скачка и получается нагрев нужной интенсивности.

 

В первых экспериментах авторы разработки использовали лишь спрей, содержащий взвесь таких нанолент, и всё было просто замечательно: обледенение молниеносно исчезало даже при сравнительно малых энергозатратах.

 

К сожалению, «механика» покрытия была ущербной: даже при толщине в 100 нм банальная царапина (да хоть ногтем) приводила к частичному разрушению слоя. Тогда учёные попробовали стандартные методы защиты металлоконструкций, а именно автомобильную полиуретановую краску, которую купили в обычном магазине. Покрыв ею слой нанолент, они обнаружили, что им не обойтись без связующего. И им стали полиимиды.

 

Образцы покрытия по площади пока не превышают 0,2 м², но технологически изготовление более крупных пластин не проблема, говорят материаловеды. Используя напряжение, характерное для бортовой корабельной сети американских ВМС, удалось освободить ото льда поверхности при температурах вплоть до –16 °С, то есть вполне достаточных для реальных условий, особенно с учётом того, что в жизни при большем морозе обледенение часто не идёт по объективным причинам.

 

Что особенно важно, весь комплекс соединений, покрывающих графеновые наноленты, как и они сами, оказался почти невидимым в радиодиапазоне. С учётом уже налаженного производства сырья для нанолент из графена (а это многослойные углеродные нанотрубки) каких-либо препятствий для внедрения новой технологии в интересах военных пока не видно...

 

ca7aab277d59a8f94a99e52ef2580e76_resized

Радиопрозрачный обтекатель не должен препятствовать распространению радиоволн, и графеновые «тэны» отлично справились с этой задачей.

Само собой, несмотря на изначально узкую специализацию разработки, по мере наращивания производства нанолент она вполне способна найти и иные применения. Это может быть борьба с обледенением в гражданской авиации, где пока всё ограничивается нанесением антиобледенительных реагентов перед полётом, что затратно во всех смыслах и не всегда, увы, помогает.

 

Подготовлено по материалам Университета Райса. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

УГОЛЬ КАК ДЕШЁВЫЙ ИСТОЧНИК ГРАФЕНОВЫХ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК

 

Кроме традиционных вариантов применения, новые квантовые точки могут оказаться чрезвычайно полезными для использования в ряде многообещающих областей.

 

Джеймс Тур (James Tour) из Университета Райса (США) вместе с коллегами подверг необычной обработке банальный каменный уголь, антрацит и кокс и теперь утверждает, что конечный результат вполне может найти широкое применение... в медицине. Широкое и очень нужное. 

086ae2124dc9528b9d6da88b46189349_resized

А: в левой банке каменный уголь с серной и азотной кислотами, в которых его подогревают 24 часа; справа — графит в тех же условиях. B: итоги обработки графита. С: они же под бóльшим увеличением. D: графеновая квантовая точка, полученная из каменного угля. (Здесь и ниже фото J. Tour et al.)

Обработка состояла в «замачивании» разновидностей угля в кислоте и воздействии на них звуковыми волнами, обеспечивавшими равномерное перемешивание этого «коктейля». После чего итоговый продукт в течение суток нагревали до 100 °C и получали графен в виде наночастиц с высокоупорядоченной структурой размерами от 2 до 40 нм. В зависимости от исходного вида угля размер частиц был разным, и при их облучении светом они демонстрировали разные типы флюоресценции. Да-да, флюоресценции, и именно поэтому г-н Тур считает их весьма перспективным материалом для целого ряда областей.

 

Взгляните на квантовые точки. В них электроны (или дырки) так ограничены малым размером наночастицы, что начинают действовать квантовые эффекты. В очень малых частицах расстояние между энергетическими уровнями становится чрезвычайно большим. При переходе электрона на один энергетический уровень ниже испускается фотон, что и лежит в основе оптических свойств квантовых точек, включая флюоресценцию. Всё это применимо к полученным из угля новым наночастицам, и, варьируя их размер, мы можем регулировать даже энергию испускаемого фотона — менять цвет испускаемого квантовой точкой света. 

 

У квантовых точек множество широких областей использования, начиная с экранов смартфонов (LG) и новой микроэлектроники и заканчивая дисплеями, светодиодами и даже квантовыми компьютерами (где-то же надо удерживать кубиты!). Как вы догадываетесь, во всей этой истории есть одно «но»: пока квантовые точки и недёшевы, и токсичны. Все эти селениды кадмия и проч. весьма дороги, их получение энергоёмко, а продукты на их основе требуют специальной утилизации.

 

Согласно тестам группы г-на Тура, новые наночастицы нетоксичны (благо графен) и при этом должны быть значительно дешевле аналогов: исходное сырье стоит копейки, да и процедура обработки относительно проста. Более ранние графеновые наночастицы удавалось получить либо из графита, либо из углеродных нанотрубок. Но в обоих случаях техпроцесс был сложнее, а сырьё — дороже, нежели в нынешней разработке.

 

aa56a94091e019618217b50c2073f120_resized

Слева — антрацит, справа — кокс. В зависимости от их изначальной структуры итоговые графеновые квантовые точки имеют разные размеры и свойства.

Но дело не только в цене. Нетоксичные квантовые точки можно использовать там, где ранее таким устройствам вообще не было хода, — в человеческом организме. А это очень перспективное биомедицинское направление, поскольку длительно светящиеся наночастицы графена могут куда действеннее существующих флюоресцентов подсвечивать нужные живые клетки и ткани организма (что другие квантовые точки уже показали в лабораторных опытах на животных). Однако в медотрасли применение диагностических средств на основе токсичных металлов неприемлемо, и наночастицы графена в этом смысле могут стать настоящим прорывом.

 

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Communications, а с его дополнительными материалами можно ознакомиться здесь.

 

Подготовлено по материалам Technology Review. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

ЧЁРНЫЙ КРЕМНИЙ ОКАЗАЛСЯ ОТЛИЧНЫМ БАКТЕРИЦИДОМ

 

Вещество, случайно полученное в 1980-х и некогда считавшееся перспективным для солнечных батарей и фотодетекторов, структурно похоже на... крылья стрекоз. И обладает теми же превосходными бактерицидными свойствами!

 

Елена Иванова из Суинбёрнского технологического института (Австралия) и её сотрудники выяснили, что чёрный кремний является бактерицидным материалом — настолько блистательным, что убивает как грамположительные, так и грамотрицательные бактерии.

Чёрный кремний был открыт в 1980-х как неожиданный побочный продукт процесса реактивного ионного травления. По сути, это монокристаллический кремний, покрытый сплошным покровом наноиголок высотой около 10 мкм и диаметром менее 1 мкм.

 

ac43593019751e6f13bb1cb81a2a24bd_resized

Слева — поверхность чёрного кремния, справа — крыльев Diplacodes bipunctata. Хотя они и разнятся, их бактерицидные качества очень близки. (Здесь и ниже иллюстрации Elena P. Ivanova et al.)

Г-жа Иванова сообщает, что, разместив на поверхности этого материала разнообразные группы бактерий, наблюдала их гибель с впечатляющей скоростью в 450 тыс. бактерий в минуту на квадратный сантиметр. При этом процесс не имел никакой химической подоплёки, ибо всё происходило за счёт лишь механических свойств «утыканного» микроиголками кремния. 

 

Чтобы наверняка проверить, нет ли связи между химсоставом поверхности и её способностью к уничтожению микробов, учёные сравнили эффективность чёрного кремния с поверхностью крыльев стрекоз вида Diplacodes bipunctata. Как оказалось, они обладают сходной микроструктурой, хотя, естественно, «сделаны» не из кремния. Тесты показали, что оба типа поверхностей почти одинаково опасны для бактерий; это позволяет уверенно говорить о механической природе их бактерицидности. И даже контрольное покрытие обеих поверхностей тонким слоем золота, резко преобразившее их химический состав, не привело к изменению ситуации с массовой гибелью бактерий.

 

Хотя в экспериментах на чёрном кремнии выращивались лишь золотистый стафилококк (весьма, напомним, устойчивый к большинству антибиотиков), а также сенная и синегнойная палочки, авторы работы уверены, что бактерицидные свойства такой поверхности будут устойчиво воспроизводиться и по отношению к другим видам микробов. Дело в том, что форма микроорганизмов на таких поверхностях заметно отличалась от их формы на стекле и гладком кремнии, и, по мнению исследователей, именно эта механическая деформация, обусловленная микроиглами чёрного кремния и поверхности крыльев стрекозы, в конечном счёте разрушала клеточные стенки. Причём одинаково гибельными они были и для грамотрицательных, и для грамположительных бактерий (притом что клеточные стенки у вторых обычно в 4–5 раз толще). Летальными обе поверхности были и для спор сенной палочки, хотя обычно споры куда менее уязвимы, чем сами микроорганизмы.

 

524838757b4d47774ba70e2fca60fdbb_resized

Все три группы бактерий и споры сенной палочки на ровных поверхностях (вверху, a–h) выглядят нормальными, в то время как на чёрном кремнии и крыльях стрекоз (внизу) они деформированы контактом со множеством микроигл.

Помимо чисто теоретической ценности исследования, впервые обнаружившего бактерицидные свойства как чёрного кремния, так и гидрофильных абиогенных поверхностей вообще, авторы заявляют о его существенной практической значимости: чёрный кремний довольно легко получать в больших количествах уже сегодня, благо методы его производства широко применяются в электронной промышленности. Что ещё важнее, убийственный эффект поверхностей не зависит от их состава, и, кроме монокристаллического кремния, подобным образом можно структурировать покрытия едва ли не из любого материала, используя их в больницах и медучреждениях для стерильных помещений и профилактики внутрибольничных инфекций. Насколько это важно, объяснять никому не надо, потому что в тех же США или России от подобных инфекций ежегодно погибает несколько десятков тысяч человек. Просто потому, что они оказались в больнице не в то время и не в том месте, а не по причине своей болезни.

 

Отдельно стоит заметить, что широкое внедрение подобных поверхностей вряд ли будет сопровождаться появлением устойчивых к ним микроорганизмов, как это, к сожалению, происходит с антибиотиками. Кроме нехимической природы такого воздействия, резко отличающейся от механизмов работы антибиотиков, в этом убеждает и то, что крылья стрекоз, существующие сотни миллионов лет, всё ещё остаются вполне смертельными для бактерий.

 

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Communications (доступен полный текст).

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

ОТКРЫТ ПЕРВЫЙ ТРЁХМЕРНЫЙ АНАЛОГ ГРАФЕНА

 

Новый класс материалов не только должен быть проще и удобнее в массовом производстве, чем его двумерный «родственник», но и обладает рядом замечательных качеств, которых нет у графена, а потому может оказать решающее влияние на развитие электроники и спинтроники будущего.

 

Специалисты Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (США) обнаружили, что висмутат натрия может существовать в форме «квантовой материи» — трёхмерного топологического дираковского полуметалла (three-dimensional topological Dirac semi-metal, 3DTDS). При этом были получены первые экспериментальные свидетельства наличия трёхмерных дираковских фермионов в толще материала — феномена, сама возможность существования которого была лишь недавно предсказана теоретиками.

a769bffce300c8c862bee1acfa3092d9_resized

Состояние топологического дираковского полуметалла реализовано в критической точке фазового перехода от обычного диэлектрика к топологическом изолятору. (Иллюстрация LBL.)

«3DTDS — это естественный трёхмерный аналог графена, со сходной или даже лучшей подвижностью электронов и их скоростью, — говорит Юйлинь Чэнь (Yulin Chen), на момент открытия работавший в Национальной лаборатории Лоуренса. — Из-за присутствия трёхмерных дираковских фермионов в толще этого материала DTDS также имеет интригующую непредельную линейную магниторезистивность, которая может быть на порядки выше, чем в материалах, что используются сейчас в жёстких дисках. И это говорит о возможности создания более эффективных оптических сенсоров».

 

Считающиеся сверхперспективными графен и топологические изоляторы — материалы, являющиеся изоляторами в толще, но проводниками на поверхности, — обязаны интересом к ним в первую очередь своими двумерными безмассовыми дираковскими фермионами, по поведению напоминающими частицы, которые разогнаны до околосветовых скоростей, только в несколько сот раз меньше (порядка 1 000 км/с). В графене их эффект максимален, в то время как в топологических изоляторах они позволяют электронам вести себя «по-графеновски» только на поверхности.

 

«Быстрое развитие графена и топологических изоляторов породило вопросы о том, есть ли у них трёхмерные аналоги и существуют ли другие материалы с необычной топологией электронной структуры, — вспоминает предысторию исследования г-н Чэнь. — Наше открытие отвечает на оба эти вопроса. В висмутате натрия, который мы изучали, проводимость в толще и валентные зоны соприкасаются только в дискретных точках и рассеиваются линейно по всем трём направлениям момента, чтобы образовать в толще трёхмерные дираковские фермионы [аналог двумерных в графене]. Более того, топология электронной структуры 3DTSD [висмутата натрия] тоже уникальна, как и у топологических изоляторов».

 

При исследовании материала использовались методы фотоэлектронная спектроскопии с угловым разрешением, при которой рентгеновские лучи, попадая на поверхность изучаемой структуры, вызывают фотоэмиссию электронов под такими углами и с такими кинетическими энергиями, которые могут быть измерены для получения детального электронного спектра.

 

На первый взгляд практические перспективы новооткрытого класса материалов выглядят ограниченными: висмутат натрия в нормальных условиях малостабилен, то есть устройства на его основе надо будет изолировать от внешних воздействий. Однако учёные уже ведут поиски других материалов (и почти наверняка среди них окажется арсенид кадмия), являющихся трёхмерными топологическими дираковскими полуметаллами, но при этом значительно более стабильных.

 

Что важно, уже сейчас понятно, что подобные висмутату натрия электронные структуры предлагают заметные преимущества перед графеном. «3DTDS-системы могут быть куда эффективнее графена во многих приложениях именно потому, что они трёхмерные, — поясняет Юйлинь Чэнь. — Кроме того, пока изготовление крупноразмерных графеновых плёнок, с их толщиной в один атом, остаётся проблемой. Устройства с графеновыми возможностями в ряде приложений будет легче сделать из 3DTDS-систем».

 

Наконец, в 3DTDS-материалах тоже наблюдается дираковская точка, состояние, при котором теория ферми-жидкости Ландау в её привычном виде не работает, зато работают «запрещаемые» ею многочастичные эффекты, связанные именно с взаимодействием электронов. 

 

8d14af978e7eb522d52d1f25ab7019e1_resized

Установка для проведения фотоэлектронная спектроскопии с угловым разрешением, при помощи которой были проанализированы необычные свойства висмутата натрия (фото Roy Kaltschmidt).

Множество свойств нового материала, включая гигантский диамагнетизм, квантовую магниторезистивность в толще, уникальную структуру уровней Ландау при воздействии сильных магнитных полей и др., указывает на его огромный потенциал в новых технологиях, касающихся перспективной электроники, равно как и на то, что 3DTDS-материалы будут идеальной платформой для спинтронных устройств.

 

По словам Юйлинь Чэня, электроны в подобных материалах будут иметь более сильную связь между своими электронными и магнитными параметрами. Их магнитными спинами можно будет манипулировать, прикладывая к ним электрическое поле, что сильно упростит управление состояниями спинтронных устройств, снижая энергозатраты на операции записи и чтения. Очень необычная магниторезистивность висмутата натрия указывает также на огромный потенциал его и его аналогов в области хранения огромных массивов данных на жёстких дисках будущих поколений.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

СОЗДАН НАНОКОМПОЗИТ ЛЕГЧЕ ВОДЫ, НО ПРОЧНЫЙ, КАК СТАЛЬ

 

Материалы «делают» прогресс, и это отражается не только в названиях вроде «бронзовый / железный век». Паровые автомобили технически были возможны ещё в XVIII веке, а велосипеды — в древней Греции, но та же автомобилизация началась лишь с появлением резины и шин. Однако часто исследования идут не из прошлого к будущему, а из настоящего в прошлое.

 

Скажем, лишь недавно для упрочнения стекла применена та же техника преднамеренного создания трещин, что существует в наших костях. Йенс Бауэр (Jens Bauer) из Технологического института Карлсруэ (Германия) попробовал сделать нечто подобное (пористый, но прочный материал), но на сей раз с органикой.

8fea740e55c25fea7044ebac698c76ee_resized

Структура материала позволяет ему быть одновременно и пористым (отсюда и лёгкость), и особо прочным. (Здесь и ниже иллюстрации Jens Bauer.)

Использовав 3D-лазеры производства Nanoscribe, Бауэр и Ко сумели наноструктурировать полимер нагревом очень тонким лазерным пучком, позволяющим превращать полимеры в твёрдые объекты толщиной в человеческий волос и даже тоньше.

 

Однако после удаления отказавшегося твердеть полимера итоговая прочность материала оказалась не такой высокой, как учёным хотелось бы. И тогда они попробовали сотворить на его основе нанокомпозит: с помощью того же лазера структуры покрыли слоем оксида алюминия (глинозёмом) толщиной в 50 нм, а затем ещё раз проверили на прочность.

 

 

И хотя такой композит по плотности уступал воде (менее грамма на кубический сантиметр), прочность у него оказалась на уровне: он выдерживал воздействие до 280 МПа. Это предел даже для не самых прочных сталей, да только плотность и вес у них на порядок выше.

 

4dda64bc044ecf120013e0f879556095_resized

Обычно материалы делятся на те, что легче воды, и на те, что прочны. Новые нанокомпозиты могут существенно скорректировать эту дихотомию.

Увы, пока параметры 3D-принтера Nanoscribe позволяют работать лишь с конструкциями около нескольких десятков микрометров в размере, хотя одна из новых моделей способна делать из сверхпрочного материала миллиметровые объекты. Но и этого мало для большинства практических приложений... К счастью, установки нужной точности прогрессируют очень быстро. Скажем, пять лет назад материал, созданный группой г-на Бауэра, нельзя было получить в принципе. Поэтому немецкие учёные уже в ближайшее время надеются создать из своих лёгких и прочных материалов прототипы самых разных деталей: от компонентов самолётов, где высокая удельная прочность важна как воздух, до лыж и других чисто бытовых предметов.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

КАК ИЗГОТОВИТЬ ИСКУССТВЕННЫЕ МЫШЦЫ ИЗ РЫБОЛОВНОЙ ЛЕСКИ

 

Синтетические волокна, созданные из перекрученных полиэтиленовой лески и швейной нити, оказались в сто раз сильнее настоящих мышц.

 

Исследователи из Техасского университета в Далласе (США) представили синтетические мышцы, которые в 100 раз мощнее настоящих мышечных волокон той же длины и массы. 

При этом сама технология изготовления оказалась на удивление простой. Для искусственных мышц не понадобилось никаких изощрённых синтетических полимеров: Рэй Бофман (Ray Baughman) и его коллеги просто взяли полимерную нить из тех, которые используют для производства рыболовной лески или синтетических ниток, и скрутили её в спираль. Эта спираль при перемене температуры могла скручиваться и растягиваться. Любопытно, что техпроцесс можно было поменять и так, чтобы эффект был обратным, то есть чтобы нить при остывании скручивалась, а при нагреве растягивалась. Варьируя число нитей в пучке, можно добиваться иных механических характеристик искусственного «мышечного волокна». 

 

fac1f3e22e777809b741cc0983caac32_resized

Синтетические волокна, сделанные из шести нитей разной толщины: верхнее сложено из ниток толщиной в 2,45 мм, нижнее — из ниток толщиной в 150 мкм. (Фото авторов работы.)

И характеристики эти воистину впечатляют. Во-первых, по сравнению с обычными мышцами, которые могут сокращаться лишь на 20% от своей длины, искусственные способны уменьшаться наполовину. Быстрого утомления такие мышцы, разумеется, тоже не знают. Если объединить вместе сотню элементарных волокон, то такая мышца сможет поднять больше 700 кг. Относительно веса волокна могут развивать мощность в 7,1 л. с. на кг, что соответствует, по словам исследователей, мощности реактивного двигателя. 

 

Двигателем же для них, как уже сказано, служит перепад температуры, обеспечить который можно как угодно — хоть с помощью химической реакции, хоть посредством электричества (да хоть своим дыханием грейте эти волокна). Что же до самих волокон, то учёные особенно напирают на исключительную простоту их изготовления: дескать, любой студент сделает такое во время обычной лабораторной, главное — соблюсти физические условия, при которых вы будете деформировать нить. Гениальность же авторов идеи в том, что им удалось в этой тривиальной полимерной конструкции угадать огромный физический потенциал. 

Собственно, простота этих мышц, наверное, мешает вот так сразу оценить всю революционность изобретения. Хотя исследователи, разумеется, продемонстрировали возможное его применение: приспособленные к окну, они закрывали и открывали его в зависимости от окружающей температуры. Кроме того, из волокон удалось создать тканую материю, пористость которой опять же менялась в зависимости от температуры, а отсюда легко представить себе «умную» одежду, которая будет сама проветривать вас в жару и экономить тепло в холод. 

 

Но, конечно, львиная доля фантазий вокруг и около искусственных мышц отдана робототехнике. Понятно, что такие волокна могут стать прямым аналогом человеческих мышц у роботов, с помощью которых те смогут даже менять выражение лица. Синтетические мышцы пригодятся как при поднятии тяжестей, так и при выполнении тонких хирургических манипуляций (если мы представим себе медицинские аппараты будущего). 

 

В прошлом такие волокна пытались делать из углеродных нанотрубок. По словам Рэя Бофмана, который прошёл и через этот этап, эксперименты с нанотрубками были успешными, но, во-первых, такие «наномышцы» очень сложны в изготовлении и чрезвычайно дороги, а во-вторых, они сокращались всего на 10% от своей длины, то есть уступали даже обычным живым мышцам, не говоря уже о только что явленных полимерных волокнах. 

 

У нас же есть пока только один вопрос, который касается эффективности и экономичности: сколько тепла (и, следовательно, электрической или химической энергии) нужно потратить на их механическую работу? Авторы признаются, что, как и вообще все искусственные мышцы, их волокна в этом смысле не отличаются особой эффективностью, однако есть определённые надежды, что в этом случае оптимизировать энергетические затраты получится довольно быстро.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

ПРЕДЛОЖЕН НОВЫЙ ПОДХОД К СОЗДАНИЮ ПЬЕЗОРЕЗИСТИВНЫХ СЕНСОРОВ НА ГРАФИТЕ

 

Графитовые пьезорезистивные сенсоры более технологичны в изготовлении, чем нынешние кремниевые. Но, несмотря на то что их сопротивление меняется в зависимости от степени растяжения графита, их чувствительность уступает показателям недешёвых кремниевых устройств.

 

Группа учёных во главе с Тин-Ко Каном (Ting-Kuo Kang) из Университета Чэн Шу (Тайвань) попробовала изменить ситуацию, разобравшись в механизме работы пьезорезистивного эффекта в этой форме углерода.

befb5899ca484bac6b04d85b98826ee8_resized

Такие сенсоры можно буквально рисовать карандашом на бумаге! Проводя ток к микросхеме, они поднимают напряжение по мере роста прилагаемых к графитовой полоске усилий. (Здесь и ниже иллюстрации Kang et al.)

Пьезорезистивность характеризуется соотношением изменения электрического сопротивления к приложенной нагрузке, и для кремния этот показатель обычно выше 100, в то время как для графита он не достигает и 10.

 

Чтобы выявить методы улучшения последнего, учёные испытали 12 разновидностей графита разного состава и пришли к выводу, что наилучшие параметры имеют те его типы, что содержат больше всего глинистых включений. В таком случае слои графита играют роль проводника, а перемежающая их глина — изолятора, что создает структуры вида «металл — изолятор — металл».

 

По результатам опытов удалось выяснить, что искусственное модифицирование графитовых материалов с преднамеренным выращиванием многослойных структур «графит — глина» способно значительно приблизить эффективность пьезорезистивных сенсоров к уровню кремниевых — при значительно меньшей цене.

 

79d04d7bd107b839691700766126867f_resized

Разные типы графита содержат разный процент глинистых включений, и чем он больше, тем выше пьезорезиствные параметры материала.

Как подчёркивают исследователи, в этом случае окажется возможной замена кремниевых аналогов в современных электронных сенсорах давления, акселерометрах, биологических сенсорах и ряде других устройств. 

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

ОКСИД ГРАФЕНА СДЕЛАЕТ ОДЕЖДУ «УМНЕЕ»

 

Нить на основе оксида графена, использующаяся как компонент суперконденсаторов, достигла ёмкости, в полтора раза превосходящей лучший предшествующий образец, что сулит текстилю резкое «поумнение».

 

Австралийские и ирландские учёные во главе с Гордоном Уоллесом (Gordon Wallace) из Вуллонгонгского университета (Австралия) создали нить из оксида графена, которая показала рекордную ёмкость, когда-либо достигавшуюся для нитей на основе графена или его соединений.

49062dfa67084ae06600bee2a6bd059d_resized

Перейдёт ли носимая электроника от громоздких и неуклюжих нынешних «блинкомов» и прочих «гуглоглассов» к по-настоящему гибкой стадии? (Иллюстрация Chuck Todd / MCT.)

Материалы с такой ёмкостью обычно рассматриваются как кандидаты в суперконденсаторы, поскольку их способность накапливать электроны позволяет хранить значительное количество энергии и при этом чрезвычайно быстро отдавать её, когда требуется, а затем столь же стремительно заряжаться. 

 

Ранее другие учёные демонстрировали суперконденсаторы на углеродных нанотрубках и графене, однако их результаты оставляли желать лучшего, и рекордом были 265 фарад на грамм. Между тем расчёты показывают, что для графена вполне достижим уровень в 500 Ф/г и больше.

 

Для производства «графеновой» пряжи использовался метод мокрого прядения, позволяющий получить хотя и пористые, но очень прочные графеновые нити неограниченной длины с модулем Юнга, равным 29 ГПа. Это много больше, чем у обычной стали. Иными словами, такие нити очень трудно растянуть. По сути, в части прочности перед нами искусственная альтернатива хорошей пеньке.

 

Волокно свито пополам из оксида графена и восстановленного оксида графена. Площадь поверхности для первого компонента равна 2 600 м²/г и 2 210 м²/г для восстановленного оксида графена. Ёмкость устройств на таком волокне достигла 410 Ф/г, то есть она в полтора с лишним раза выше предшествующего рекордного показателя. Вместе с тем это примерно 80% от теоретически достижимого максимума, что следует оценивать как чрезвычайно достойный результат.

 

3b5477f6dbe19f9581213de826fb91e6_resized

Нить на оксиде графена обладает неплохим модулем упругости. (Фото Gordon G. Wallace et al.)

Самой перспективной областью применения этой прочной и гибкой нити материаловеды называют портативные накопители энергии для носимой электроники и «умного текстиля» — электронных устройств минимальной толщины, интегрируемых прямо в одежду и способных испытывать высокие нагрузки, включая регулярную стирку, без снижения потребительских качеств. Хотя уже сегодня есть химические аккумуляторы, могущие снабжать энергией такую электронику, их способность переносить стирку и грубое обращение пока низка, чего не скажешь о новом волокне на оксиде графена.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

НОВЫЙ ПОЛИМЕР ПОМОЖЕТ ОХЛАДИТЬ ЭЛЕКТРОНИКУ

 

Создано нечто, что точнее всего было бы назвать охлаждающим полимером и, одновременно, одним из лучших материалов для пассивного охлаждения из известных на сегодня.

 

Вы будете правы, если напомните нам, что полимеры недурно выполняют функции теплоизоляторов, поскольку их неупорядоченная внутренняя структура плохо переносит фононы, гася такие переносящие тепло колебания в своей толще. Часто это хорошо: те же полиуретан с пенополистиролом служат надёжными теплоизоляторами даже в Антарктике с Арктикой. 

Однако в ряде случаев тепло, наоборот, нужно как можно скорее отвести от той или иной точки — к примеру, от процессора или мощной светодиодной лампы.

 

«Обычно полимеры не рассматривают с этой точки зрения, так как они разлагаются при высоких температурах. Но использованный нами композитный полимер на базе политиофена уже применяется при производстве солнечных батарей и электронных устройств. Мы извлекли выгоду из того, что это соединение устойчиво к теплу из-за более сильных связей между его молекулами», — поясняет Баратунде Кола (Baratunde Cola) из Технологического института Джорджии (США), который возглавлял группу материаловедов.

 

b7f16a1de4fc2294a2cb87fc6d18fb17_resized

Баратунде Кола (слева) и аспирант Том Богер (Tom Bougher) проверяют новый материал на теплопроводность. (Фото Candler Hobbs.)

Чтобы добиться такого эффекта, учёные создавали из политиофена нанотрубки, выравнивая материал при помощи сборки его из мономеров на «заготовке» из пористого глинозёма, на которую подавали ток. В итоге диаметр нанотрубок укладывался в 18–300 нм (в зависимости от диаметра пор, заранее заданного исследователями).

 

После удаления заготовки полученный полимер можно легко прикрепить к нужной поверхности: даже смоченный водой, он прочно прилипает к плоским объектам из-за капиллярных эффектов и ван-дер-ваальсовых сил. За счёт того, что материал пронизан нанотрубками, до 40% его полимерных цепей «глядят» в одном направлении. Благодаря такой нетипичной ориентации он проводит фононы на уровне, превосходящем показатели металлов: приличный теплоотвод от охлаждаемой поверхности плёнка из нового полимера обеспечивает уже при толщине в 3 мкм — вместо 50–75 мкм в случае обычных материалов.

 

Кроме того, она не становится со временем более хрупкой (если нет потока прямого ультрафиолета). Как известно, по мере миниатюризации электронных устройств толщина теплоотводящего слоя начинает играть всё более важную роль. Если теплоотводящий материал отходит от охлаждаемого, схема перестаёт работать, а металлические материалы далеко не всегда легко и просто совместить с неметаллическими с должной точностью. Полимер с его высокой адгезией от таких проблем избавлен изначально, что делает его здесь очень перспективным.

 

Развернуть массовое производство такого материала тоже не составит труда: технологически оно не слишком отличается от нанесения гальванопокрытия. Дополнительным бонусом нового наноструктурированного полимера является его высокая температурная устойчивость: испытания показали, что он не теряет своих свойств даже после 80 циклов нагрева до 200 °С.

 

Г-н Кола уже создал стартап Carbice Nanotechnologies, намереваясь в ближайшем будущем приступить к коммерциализации своей разработки, нацеленной на пассивное охлаждение электроники и светодиодов.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты