октября 24, 2013

Чем легче, тем лучше?

Многие с детства помнят загадку о том, что же все-таки тяжелее килограмм пуха или килограмм свинца. И многие говорили, что килограмм свинца тяжелее. Для людей - пух, лепестки цветов и одуванчики кажутся чем-то легким.

Такая банальная на сегодняшний день вещь, как алюминий ученым 19 столетия представлялась грандиозным открытием. Многие из них мечтали о жилищах для всех обездоленных из этого легкого и прочного металла. Ученых всего мира всегда занимал вопрос создания наилегчайших материалов, которые можно транспортировать без особых проблем.

Таким образом, человечество пытается приблизиться к божественному началу, взмыть ввысь и вплотную приблизиться к великому первоисточнику всего сущего. Как здесь не вспомнить сказку о шапке-невидимке, - возможно ученые умы так и остались под впечатлением детских книжек?

Применение самых легких материалов

Но у лирической стороны всегда есть и обратная, практическая сторона. Самые легкие материалы – один из наиболее существенных вопросов и задач современной науки, а в частности – нано-технологий. Подобные материалы необходимы для космической и военной отрасли, производства компьютеров на базе новейших процессоров, в трансплантологии и многих других областях человеческой жизнедеятельности.

Долгое время одним из наилегчайших материалов, созданных человеком, считался пенополистирол. Это продукт класса пенопластмасс, который изготавливался из полистирола вкупе с его производными. Трудно себе представить, но этот материал состоит на 98% из воздуха и лишь только 2% остается на сам полистирол.

Однако жизнь не стоит на месте, и маститые ученые (вот ведь неугомонные люди) продолжают теснить один другого в поисках новых, еще более легких субстанций. Так, совсем недавно вся научная общественность была взбудоражена новым открытием в области не тяжелых материалов.

Замороженный воздух

Новое вещество получило название «аэрогель», которое в русском эквиваленте звучало бы как «замороженный воздух» или «замороженный дым». Действительно, это вещество по своему виду здорово напоминает дым, который как будто по желанию безумного художника, непонятным образом перекочевал с холста в реальную действительность.

Это пористое вещество с голубоватым оттенком напоминает пенопласт или слегка затвердевшую пенку для бритья. Одно из главных уникальных свойств этого материала – способность выдерживать нагрузки, которые могут превышать собственный вес вещества более чем в 2000 раз! И это, если учесть, что аэрогель на 9,8% состоит из воздуха.

Кроме того, это вещество превосходный теплоизолятор, который почти в 40 раз превосходит изоляционный стеклопластик, так что аэрогель уже сегодня находит свое применение в аэрокосмической отрасли. Помимо высоких теплоизоляционных характеристик это вещество практически не пропускает звук, способно выдерживать воздействие самых экстремальных температур, а также сильное ударное воздействие.

На практике, бронежилет изготовленный из аэрогеля толщиной в 1 см, будет способен защитить носителя от взрыва целого килограмма динамита. Но список под названием «легкие материалы» на этом не заканчивается. Китайским ученым удалось создать настолько легкий материал, что он способен размещаться на лепестках цветов.

Пушинка, способная выдержать слона

Дюймовочка по сравнению с этим веществом, которое назвали графен, просто "жирная корова". Графен всего лишь вдвое тяжелее самого простого химического элемента водорода и менее плотный, нежели гелий. Однако, несмотря на такую легкость и воздушность, этот материал чрезвычайно прочный.

Один лист толщиной с полиэтиленовый пакет способен выдержать вес слона. Для того, чтобы получить стопку толщиной в 1 мм, необходимо три миллиона листов графена. Кроме того, графен имеет просто фантастические свойства поглощения – до 900 раз от собственного веса в нефтяном эквиваленте.

Причем этот «умный материал» поглощает именно нефть, а не воду, что в свою очередь делает его чрезвычайно перспективным в деле очистки планеты от нефтяных пятен. Помимо всего вышеперечисленного графен настолько гибок, что его можно смело растягивать на 20%. Впрочем, эксперименты по созданию новых сверхлегких материалов продолжаются.

Практика показывает, что в скором будущем человечество ожидают еще более невероятные открытия. Возможно, совсем скоро ученые умы представят на суд современников вещества, состоящие на 9,9% из одного только воздуха.

Просто гениальное открытие было сделано китайскими учеными. Именно они открыли миру самый легкий материал на земле. Масса его настолько маленькая, что он легко удерживается на лепестках цветка. В состав удивительного материала входит оксид графена и лиофелизированый углерод. Материя графена имеет интересную губчатую структуру, и весить всего-навсего 0,16 мг/см3. Именно благодаря такой структуре аэрогеля материал и есть самым легким из твердых материалов в мире. Уникальному открытию уже предсказывают множество практичных и невероятных открытий. Графен в своем родном истом виде, является двухмерным кристаллом. Кроме того, он есть самым тонким материалом на земле, сделанным руками. Только представьте себе, что для того, дабы достичь высоты столбца 1 миллиметра, необходимо сложить один к одному 3 миллиона пластин чудо-материала. Но такая, на первый взгляд, хрупкая структура, вовсе таковой не является.
Графен еще и необыкновенно прочный и крепкий. Лист такого материала, толщиною в один полиэтиленовый пакет, с легкостью выдерживает массу одного слона. Но и это еще не все заслуги графена. Кроме своей удивительной прочности и крепости, он еще и на диво гибкий. Без какого-либо убытка или нарушения структуры, материал можно растянуть на 20% от общего размера. Мало того, недавно ученым удалось открыть еще одно уникальное свойство графена. С помощью его можно фильтровать воду, задерживая внутри материала разные вредные газы и жидкости.

Самые лёгкие и необычайно прочные материалы называют будущим строительства. Эти материалы помогут создавать более энергоэффективные и экологически чистые объекты во всех сферах жизни людей - от медицинских технологий до транспорта.

Среди множества инновационных материалов, которые не так давно казались просто фантастикой, особо передовыми и перспективными являются:

3D-графен

Созданный из чистого углерода этот ультратонкий графен считается одним из самых прочных материалов на Земле. Но недавно исследователи из Массачусетского технологического института смогли превратить двухмерный графен в трёхмерную структуру. Они создали новый материал с губчатой структурой. Плотность 3D-графена равна всего 5 процентам от плотности стали, но благодаря особой структуре он в 10 раз прочнее стали.

По словам создателей, 3D-графен имеет большой потенциал применения во многих областях.

Что касается его технологии создания, то её можно применить и для других материалов, от полимеров до конструкционного бетона. Это позволит не только производить структуры, которые прочнее и легче, но и имеющие повышенные изоляционные свойства. Кроме того, пористые структуры могут быть использованы в системах фильтрации воды или отходов химических заводов.

Карбин

Весной прошлого года группа австрийских исследователей успешно синтезировала карбин (Carbyne) - форму углерода, которая является самой прочной из всех известных материалов и даже превосходит графен.

Карбин состоит из одномерной цепочки атомов углерода, которая химически активна, что делает её очень сложной для синтеза. Считается, что негибкий материал в два раза прочнее углеродных нанотрубок. Карбин может применяться в наномеханике, нано- и микроэлектронике.

Аэрографит

Созданный из сети пористых углеродных трубок, аэрографит представляет собой синтетическую пену. Это один из самых лёгких конструкционных материалов, созданных когда-либо. Аэрографит разработали исследователи из Университета Киля и Технического университета Гамбурга. Аэрографит может быть изготовлен в различных формах, его плотность всего 180 г/м 3 , что в 75 раз легче, чем пенополистирол. Этот материал можно использовать в электродах литий-ионных батарей, чтобы уменьшить их вес.

Аэрографен

Известный также как графен-аэрогель, это лёгкий материал с плотностью всего 0,16 млг/см 3 , что в 7,5 раза меньше плотности воздуха. К тому же это очень эластичный материал, и он способен поглотить до 900 раз больше масел и воды, чем весит сам. Это свойство аэрографена очень важно: он сможет поглощать разливы нефти в океанах.

Подобными свойствами обладает , которая уже тестируется исследователями из Аргонны.

Самый легкий материал в мире January 8th, 2014

Если вы следите за новинками в мире современных технологий, то данный материал не будет для вас большой новостью. Тем не менее, рассмотреть более детально самый легкий материал в мире и узнать еще немного подробностей полезно.

Менее года назад звание самого легкого в мире материала получил материал под названием аэрографит. Но этому материалу не получилось долго удерживать пальму первенства, ее не так давно перехватил другой углеродный материал под названием графеновый аэрогель. Созданный исследовательской группой лаборатории Отдела науки о полимерах и технологиях университета Чжэцзяна (Zhejiang University), которую возглавляет профессор Гэо Чэо (Gao Chao), сверхлегкий графеновый аэрогель имеет плотность немного ниже плотности газообразного гелия и чуть выше плотности газообразного водорода.

Аэрогели, как класс материалов, были разработаны и получены в 1931 году инженером и ученым-химиком Сэмюэлем Стивенсом Кистлером (Samuel Stephens Kistler). С того момент ученые из различных организаций вели исследования и разработку подобных материалов, невзирая на их сомнительную ценность для практического использования. Аэрогель, состоящий из многослойных углеродных нанотрубок, получивший название «замороженный дым» и имевший плотность 4 мГ/см3, потерял звание самого легкого материала в 2011 году, которое перешло к материалу из металлической микрорешетки, имеющему плотность 0.9 мГ/см3 . А еще год спустя звание самого легкого материала перешло к углеродному материалу под названием аэрографит , плотность которого составляет 0.18 мг/см3.

Новый обладатель звания самого легкого материала, графеновый аэрогель, созданный командой профессора Чэо, имеет плотность 0.16 мГ/см3. Для того, чтобы создать столь легкий материала ученые использовали один из самых удивительных и тонких материалов на сегодняшний день — графен. Используя свой опыт в создании микроскопических материалов, таких, как «одномерные» графеновые волокна и двухмерные графеновые ленты, команда решила добавить к двум измерениями графена еще одно измерение и создать объемный пористый графеновый материал.

Вместо метода изготовления по шаблону, в котором используется материал-растворитель и с помощью которого обычно получают различные аэрогели, китайские ученые использовали метод сублимационной сушки. Сублимационная сушка коолоидного раствора, состоящего из жидкого наполнителя и частиц графена, позволила создать углеродистую пористую губку, форма которой почти полностью повторяла заданную форму.

«Отсутствие потребности использования шаблонов размеры и форма создаваемого нами углеродного сверхлегкого материала зависит только от формы и размеров контейнера» — рассказывает профессор Чэо, — «Количество изготавливаемого аэрогеля зависит только от величины контейнера, который может иметь объем, измеряемый тысячами кубических сантиметров».

Получившийся графеновый аэрогель является чрезвычайно прочным и упругим материалом. Он может поглотить органические материалы, в том числе и нефть, по весу превышающие в 900 раз его собственный вес с высокой скоростью поглощения. Один грамм аэрогеля поглощает 68.8 грамма нефти всего за одну секунду, что делает его привлекательным материалом для использования в качестве поглотителя разлитой в океане нефти и нефтепродуктов.

Помимо работы в качестве поглотителя нефти графеновый аэрогель имеет потенциал для использования в системах аккумулирования энергии, в качестве катализатора для некоторых химических реакциях и в качестве наполнителя для сложных композитных материалов.

Каждый из вас знает, что эталоном твердости на сегодня так и остается алмаз. При определении механической твердости существующих на земле материалов твердость алмаза берется как эталон: при измерениях методом Мооса – в виде поверхностного образца, методами Виккерса или Роквелла – в качестве индентора (как более твердое тело при исследовании тела с меньшей твердостью). На сегодняшний день можно отметить несколько материалов, твердость которых приближается к характеристикам алмаза.

Сравниваются в данном случае оригинальные материалы, исходя из их микротвердости по методу Виккерса, когда материал считается сверхтвердым при показателях в более 40 ГПа. Твердость материалов может изменяться, в зависимости от характеристик синтеза образца или направления приложенной к нему нагрузки.

Колебания показателей твердости от 70 до 150 ГПа – общеустановленное понятие для твердых материалов, хотя эталонной величиной принято считать 115 ГПа. Давайте рассмотрим 10 самых твердых материалов, кроме алмаза, которые существуют в природе.

10. Субоксид бора (B 6 O) - твердость до 45 ГПа

Субоксид бора обладает способностями создавать зерна, имеющие форму икосаэдров. Образованные зерна при этом не являются обособленными кристаллами или разновидностями квазикристаллов, представляя собой своеобразные кристаллы-двойники, состоящие из двух десятков спаренных кристаллов-тетраэдров.

10. Диборид рения (ReB 2) - твердость 48 ГПа

Многие исследователи ставят под сомнение вопрос, может ли этот материал причисляться к материалам сверхтвердого типа. Это вызвано весьма необычными механическими свойствами соединения.

Послойное чередование разных атомов делает этот материал анизотропным. Поэтому измерение показателей твердости получаются разными при наличии разнотипных кристаллографических плоскостей. Таким образом, испытаниями диборида рения при малых нагрузках обеспечивается твердость в 48 ГПа, а при увеличении нагрузки твердость становится намного меньше и составляет приблизительно 22 ГПа.

8. Борид магния-алюминия (AlMgB 14) - твердость до 51 ГПа

Состав представляет собой смесь алюминия, магния, бора с невысокими показателями трения скольжения, а также высокой твердостью. Эти качества могли бы стать находкой для производства современных машин и механизмов, работающих без смазки. Но использование материала в такой вариации пока что считается непомерно дорогим.

AlMgB14 - специальные тоненькие пленки, создающиеся при помощи лазерного напыления импульсного типа, имеют способность обладать микротвердостью до 51 ГПа.

7. Бор-углерод-кремний - твердость до 70 ГПа

Основа такого соединения обеспечивает сплаву качества, подразумевающие оптимальную устойчивость к химическим воздействиям негативного типа и высокой температуре. Такой материал обеспечивается микротвердостью до 70 ГПа.

6. Карбид бора B 4 C (B 12 C 3) - твердость до 72 ГПа

Еще один материал – карбид бора. Вещество достаточно активно стало использоваться в разных сферах промышленности практически сразу же после его изобретения в 18 веке.

Микротвердость материала достигает 49 ГПа, но доказано, что и этот показатель можно увеличить посредством добавления ионов аргона в строение кристаллической решетки – до 72 ГПа.

5. Нитрид углерода-бора - твердость до 76 ГПа

Исследователи и ученые со всего мира давно пытаются синтезировать многосложные сверхтвердые материалы, в чем уже были достигнуты ощутимые результаты. Компонентами соединения являются атомы бора, углерода и азота – близкие по размерам. Качественная твердость материала доходит до 76 ГПа.

4. Наноструктурированный кубонит - твердость до 108 ГПа

Материал еще называется кингсонгитом, боразоном или эльбором, а также обладает уникальными качествами, успешно используемыми в современной промышленности. При показателях твердости кубонита в 80-90 ГПа, близких к алмазному эталону, сила закона Холла-Петча способна обусловить их значительный рост.

Это означает, что при уменьшении размеров кристаллических зерен увеличивается твердость материала – существуют определенные возможности увеличения до 108 ГПа.

3. Вюртцитный нитрид бора - твердость до 114 ГПа

Вюрцитная кристаллическая структура обеспечивает высокие показатели твердости данному материалу. При локальных структурных модификациях, во время приложения нагрузки конкретного типа, связи между атомами в решетке вещества перераспределяются. В этот момент качественная твердость материала становится больше на 78 %.

Лонсдейлит является аллотропной модификацией углерода и отличается явной схожестью с алмазом. Обнаружен твердый природный материал был в метеоритном кратере, образовавшись из графита – одного из компонентов метеорита, однако рекордной степенью прочности он не обладал.

Учеными было доказано еще в 2009 году, что отсутствие примесей способно обеспечить твердость, превышающую твердость алмаза. Высокие показатели твердости способны обеспечиваться в этом случае, как и в случае с вюртцитным нитридом бора.

Полимеризованный фуллерит считается в наше время самым твердым материалом, известным науке. Это структурированный молекулярный кристалл, узлы которого состоят из целых молекул, а не из отдельных атомов.

Твердость фуллерита составляет до 310 ГПа, и он способен поцарапать алмазную поверхность, как обычный пластик. Как видите, алмаз это больше не самый твёрдый природный материал в мире, науке доступны более твердые соединения.

Пока это самые твердые материалы на Земле, известные науке. Вполне возможно, в скором времени нас ждут новые открытия и прорыв в области химии/физики, что позволит добиться более высокой твердости.