Новые материалы: прочнее, легче, тверже

«Прозрачный алюминий»

Поклонникам сериала «Стар трек» этот термин, конечно, знаком – «прозрачный алюминий», из которого делали окна космических кораблей. Фантастика осуществилась... почти, ибо новый материал на основе алюминия действительно применяют в качестве бронестекла. Но это не алюминий, а его сложное соединение – оксинитрид, то есть керамика. Его запатентовали в 1985 году под маркой ALON в США, выпускают для окон бронетехники, а через год он возник в сериале «Star Trek IV». И в другом фантастическом фильме, «Мир юрского периода», он появился как материал прозрачной оболочки для защиты специальной сферы для туристов.

«Прозрачный алюминий» в четыре раза прочнее закаленного стекла, кроме как в качестве брони он применяется как подложка в полупроводниковых приборах Изготовление его сложно и дорого, один квадратный метр стоит 15-23 тыс. долларов. Казалось бы, исходные компоненты, алюминий, кислород и азот, дешевы и распространены, но вот технология их соединения в чистый оксинитрид и обуславливает его немалую стоимость. До сих пор его получали путем прессования порошка оксинитрида алюминия, затем его спекали под давлением (горячее прессование). Для получения готового прочного прозрачного материала его подвергают еще и полировке.

В июле российские ученые из нескольких институтов сообщили о разработанной ими новой технологии получения оксинитрида алюминия. Метод этот называется спарк-плазменным спеканием, его суть в том, что, как и при горячем прессовании, на материал одновременно воздействуют давлением и температурой, при этом ток для нагрева пропускают и через пресс-форму, и через уплотняемый образец, ведя нагрев в скоростном импульсном режиме.

Так получается ALON – прозрачный керамический материал, превосходящий такие широко применяемые стекла как плавленый кварц, лейкосапфир и шпинели.

 «Прозрачный алюминий»

Если прозрачной керамикой в общем никого не удивить, ALON – лишь лучший из известных материалов, то прозрачная древесина – это действительно невидаль. Кто-то, возможно, рассудит, что в наш век композиционных материалов древесина свое отслужила... и глубоко ошибется. Во-первых, потому что древесина – это тоже своего рода композит, только природный. Во-вторых, древесина остается по сей день непревзойденным конструкционным материалом, особенно там, где соприкасается с человеком: жилье, мебель. Во вторую мировую войну древесина в основном в виде авиационной фанеры с успехом применялась в самолетостроении всех противников, ее вытеснение дюралюминием связано с тем, что металлы более технологичны.

Прозрачная древесина

В Швеции создана прозрачная древесина, для этого научились удалять из древесины лигнин, после чего она полностью обесцвечивалась, и далее добавляли органическое стекло. Полученный материал прозрачен, может быть получен в больших количествах, хорошо поддается обработке, по свойствам мало отличается от обычного дерева. В перспективе прозрачная древесина сможет заменить обычное стекло, например, оконное.

Третье измерение

Наш мир трехмерен, материалы в нем – тоже. Поэтому создание не так давно двухмерного материала графена, состоящего из слоя атомов углерода, стало крупным открытием (Нобелевская премия 2010 года по физике Гейму и Новоселову). Причем не только для теоретиков, графен благодаря своей структуре обладает выдающимися свойствами и уже находит применение в самых разных областях, от электрохимии до медицины. Но технике нужны трехмерные материалы, а все попытки сделать массивный графен или заканчивались неудачей, или полученные материалы были несравнимы с исходным графеном. И вот в Массачусетском технологическом институте осуществлен прорыв в третье измерение. Правда, пока речь идет скорее о математической модели нового материала. Оказалось, что определенное воздействие температуры и давления на графен способно привести к формированию ячеистой объемной структуры с уникальными свойствами. Новый, трехмерный графен должен быть в 20 раз легче и в 10 раз прочнее стали. Его пористость, обусловленная структурой, отнюдь не является недостатком. Напротив именно пористые материалы весьма перспективны как катализаторы, фильтры, электроды аккумуляторов, теплоизоляторы. В перспективе можно представить создание материала легче воздуха, который будет плавать в атмосфере.

Трехмерный графен (модель)

Более того, оказывается возможным создавать методами 3D-печати материалы с подобной структурой, но на основе не экзотичного графена, а на основе известных сплавов или полимеров, и причем тоже с высочайшими характеристиками.

Еще легче

Именно такие параметры как плотность и прочность являются объектом усилий материаловедов всего мира. Плотность воздуха составляет 1,2 мг/куб. см, а легчайшие материалы уже достигли на порядок меньшей плотности. Так, разработанный в Германии аэрографит с плотностью 0,2 мг/куб. см, является действительно графитом, то есть углеродом. Его легкость обусловлена структурой из микроскопических графитовых трубок (нанотрубок). Еще легче разработанный в Китае графеновый аэрогель, состоящий также из углерода, но в форме двухмерного графена.

Строить дирижабли, наполненные вместо гелия сверхлегким аэрогелем, вроде пока не собираются, но, тем не менее, польза от таких материалов ожидается немалая. Состоящих в основном из пустоты и легчайшего каркаса, такой материал способен поглощать огромное количество разных веществ, например, органическое вещество почти в тысячу раз большего объема, чем он сам, то есть является уникальным чистящим и фильтрующим веществом. Такие вещества необходимы для ликвидации больших промышленных загрязнений, разлива нефти. Огромная внутренняя поверхность позволяет использовать сверхлегкие материалы как носители катализаторов, а также электроды аккумуляторов и топливных элементов.

Создаются сверхлегкие материалы и на металлической основе,. Они имеют структуру пены или ячеистой конструкции. Известный как «Microlattice» материал аэрокосмической фирмы Boeing на 99% состоит из воздуха,  он достаточно прочен и отлично защищает от шума и вибрации.

Но самым легким из всех существующих является, скорее всего, микрорешетчатый материал, созданный в Калифорнии по заказу военного ведомства, его плотность равна 0.9 мг/куб. см, он на 99,99% состоит из пустоты. А микрорешетка состоит из полых никель-фосфорных трубок, он прекрасно поглощает энергию и способен восстановить форму после 50% деформации.

Еще прочнее

А самым прочным и твердым из всех материалов является недавно полученный в Венском университете карбин (carbyne) – это модификация алмаза, причем вычислили ее задолго до того, как синтезировали. Такова предыстория многих новейших материалов: их сначала предсказывают, а потом долгое время бьются над технологиями получения, иногда безуспешно.

Карбин состоит из одномерных цепочек атомов углерода, слабо связанных друг с другом, что и обуславливало его нестабильность. Одноатомную карбиновую нить длиной в 14 нанометров удавалось поддерживать в стабильном состоянии не более суток. Австрийские ученые применили оригинальный графеновый «термос», внутри которого и осуществлялся синтез нового вещества. Причем, будучи синтезированным, карбин остается в виде тонких нитей в графеновой оболочке, примерно как кабель в изоляции. О применении этого материала говорить пока рано, но его рекордные свойства (удельная жесткость вдвое выше, чем у графена, твердость выше, чем у алмаза) подсказывают интереснейшие варианты его применения.

Как видим, основой множества современных материалов является углерод, это и уголь, и сажа, и алмаз, всего более десятка разных модификаций, кристаллических и аморфных. Среди них имеется одна, достаточно таинственная – лонсдейлит, он же гексагональный алмаз. О его свойствах ученые спорят, есть самые разные точки зрения, известно сообщение китайских и американских ученых о том, что твердость лонсдейлита должна быть на 58% выше, чем у алмаза. Однако это предположение большинство физиков отвергает. По последним данным, австралийские ученые разработали технологию получения таинственного вещества сжатием графита в алмазной наковальне. На земле лонсдейлит был обнаружен в остатках метеоритов (Каньон-Дьябло, Тунгуска). Предполагается, что он, как и алмаз, формируется в момент столкновения космического тела с землей при развитии одновременно огромных давлений и температур.

Особые свойства

По мере развития техники возникают и новые требования к материалам для изготовления этой техники. Мы все более удаляемся от классических сплавов, бетонов, пластмасс и керамик, распространенных в ХХ-м веке. Появился новый класс – метаматериалы, искусственные материалы, которые могут управлять электромагнитным излучением в разных диапазонах волн. Например, менять структуру волн, скрывать объекты... Это материалы будущего, обладающие принципиально новыми свойствами.

Вот пример – в Австралии создан метаматериал, способный динамически отражать инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Наряду с радиацией он является фактором риска для космонавтов, особенно находящихся в открытом космосе. Тонкая пленка из наночастиц реагирует на облучение и отражает световые волны определённой длины.

А в Мичиганском университете создан метаматериал, меняющий свою мягкость и твердость в зависимости от механического давления. В перспективе это защита от травм при авариях на транспорте.