Под плащом-невидимкой. Учёные создают материалы с необычными свойствами

Без появления новых материалов не было бы ни компьютеров, ни сотовой связи, ни перспективных источников энергии. Рассказываем о наиболее интересных материалах, имеющих необычные свойства.

Твёрдый на свету, мягкий в темноте

Международная группа учёных из Австралии, Бельгии и Германии представила полимер, который меняет свою структуру под воздействием определённого типа освещения. Когда на него воздействуют зелёным светом, он остаётся твёрдым. Стоит свет выключить, химические связи разрушаются и материал становится мягким и текучим. Если включить освещение повторно, он опять затвердевает.

По словам исследователей, их открытие уникально. Оно может найти применение в 3D-печати, когда нужно создать временную опору для сложной конструкции, а по окончании работы удалить её. Для этого достаточно будет отключить свет.

Существуют материалы, открытые достаточно давно, но обладающие такими свойствами, которые и сейчас выглядят фантастическими. К тому же работа над ними продолжается. Это, к примеру, нанотрубки (главное свойство — прочность, когда-нибудь из них соорудят трос для космического лифта), графен (также прочен, кроме того, обладает характеристиками, которые делают его альтернативой кремниевым полупроводникам), аэрогель (очень лёгкий, при этом твёрдый и жаропрочный, едва ли не лучший материал для теплоизоляции), сплавы с эффектом памяти формы (их можно изогнуть, и они сохранят эту форму, пока их не нагреют).

К числу давно предсказанных стоит отнести и материалы с отрицательным коэффициентом преломления — прообраз будущего плаща-невидимки. В далёком 1967 году советский физик Виктор Веселаго опубликовал в журнале «Успехи физических наук» статью, которая тогда показалась ему забавной игрой ума. Он описал материалы, в которых электромагнитные волны могут двигаться необычным образом, будто бы задом наперёд. Это позволяет «укрывать» какую-то часть пространства, делая её невидимой в определённом диапазоне. 

Прошли годы, и учёные смогли сконструировать «материалы Веселаго» (сам он, к сожалению, в прошлом году умер). Их также называют метаматериалами, а их свойства определяются не химическим составом, а структурой. Если говорить просто, то это трёхмерные решётки, сделанные из множества повторяющихся элементов, к примеру, колечек и палочек, расположенных наподобие сот. Они-то и меняют параметры среды. 

Сейчас в лабораториях всего мира идёт работа по созданию метаматериалов с новыми свойствами. Изготовить «плащ-невидимку» в оптическом диапазоне пока не удалось (повторяющиеся элементы должны быть едва ли не наноразмеров), а вот сделать объект «невидимым» в диапазоне микроволн физикам уже по силам.

«Материалы Веселаго» пригодятся не только для маскировки в военном деле. С их помощью можно добиться идеальной шумоизоляции, «укрыть» от землетрясений жилые строения и даже создать сверхнадёжную защиту от радиации. 

Преемник графена

Хорошо иметь ткань, которая не мокнет и не пачкается. Такие материалы называют гидрофобными, они отталкивают воду. Очки, бинокли, стёкла (в том числе для автомобилей), одежда, корпуса смартфонов и планшетов — вот лишь небольшой перечень того, что можно из них сделать. На гидрофобных ступенях не будет накапливаться влага, а значит, зимой не образуется наледь. Это уменьшит количество травм. 

Не менее актуальная для нашей страны проблема — налипание снега и льда на электрические провода. Каждые 3-4 года на значительной части России обледенение проводов ЛЭП вызывает их обрыв. Без света и тепла на многие часы остаются десятки тысяч человек. Поэтому первым делом гидрофобные покрытия найдут (и уже находят) применение в российской электроэнергетике.

Одна из печальных мировых тенденций — загрязнение окружающей среды пластиком. Как известно, в природе на его разложение уходит до 500 лет. Поэтому учёные стремятся найти способ сделать упаковку полностью биоразлагаемой за короткий срок. Происходит это под воздействием солнечного света либо микроорганизмов. 

«Посмотри мой сон». Какие технологии из фильмов скоро станут реальностью? Подробнее

Биодеградируемый пластик, распадающийся на безвредные компоненты, давно появился на рынке. Но в лабораториях продолжают эксперименты по созданию еще более перспективных и дешёвых материалов. В июне группа исследователей из Университета долины Атемаяк (Мексика) предложила альтернативу традиционным пластмассам, разработав пластик на основе сока кактусовых листьев. В почве он разлагается в течение месяца, а в воде — за несколько дней. Более того, оказавшись в океане, такой биопластик станет кормом для морских животных и рыб либо полностью растворится, не причинив природе никакого вреда. 

И напоследок — о новом материале, к созданию которого причастны российские учёные. Речь о борофене, двумерном кристалле, состоящем из атомов бора. Ажиотаж вокруг графена, за получение которого Андрею Гейму и Константину Новосёлову в 2010 году дали Нобелевскую премию, привёл к открытию других двумерных одноатомных материалов. Борофен стал наиболее перспективным из них. Впервые его удалось синтезировать в 2015 году.

Работы вели две независимые научные группы. Одной из них руководил кристаллограф Артём Оганов, профессор Сколтеха, а также заведующий лабораторией МФТИ. С помощью методов компьютерного моделирования наши учёные предложили свой вариант строения листа борофена. Позже его удалось получить экспериментальным путём.

«У борофена есть несколько модификаций. Это один из двумерных материалов с самыми необычными свойствами, — рассказал Артём Оганов АиФ.ru. — Одни модификации являются хорошими проводниками, другие не проводят электричество вовсе. А третьи проводят в только одном направлении, но не в другом. Прикладное применение наверняка найдётся». 

Борофен прочнее графена, он лёгкий и гибкий. Этот материал как будто создан для того, чтобы собирать и накапливать ионы самых разных элементов. А значит, он может стать ключом к созданию батарей нового типа.