Неделимое и сверхпроводящее: ученые создают «материалы будущего»
На протяжении всей истории использование новых материалов оказывало решающее влияние на развитие человеческой цивилизации. Камень, бронза и железо дали названия целым эпохам. 1920-е и 1930-е годы 20-го века ознаменовали эру полимеров, и с тех пор мы не можем представить свою жизнь без пластика и резины.
Спустя несколько десятилетий кремний оказался в центре внимания, что дало импульс современному развитию электронных и цифровых технологий. В настоящее время ученые работают над созданием новых материалов, обладающих свойствами, которых нет в природе. Исследователи из российских вузов, участвующие в проекте «5-100», рассказали о последних научных достижениях в этой области.
Материалы с «невероятными» свойствами
Исследователи во многих лабораториях по всему миру работают над созданием «метаматериалов», материалов, свойства которых превосходят свойства их компонентов. С точки зрения физики, это искусственно созданные и специально сконфигурированные структуры, обладающие электромагнитными и оптическими свойствами, которые не могут быть достигнуты естественным путем.
Эти новые материалы потенциально помогут достичь невидимости, создать универсальные беспроводные зарядные устройства и системы для хранения огромных объемов данных и управлять свойствами сверхпроводников.
Невидимость, столь популярная в научной фантастике, не обязательно относится только к оптическим свойствам объектов. Шум, от которого мы защищены, так же «невидим», как и физические воздействия, которые мы не чувствуем. Современные материалы помогают достичь «невидимости» для защиты солдат, транспортных средств и так далее.
В 2020 году Forbes объявил, что Исследовательская лаборатория армии США (ARL) финансирует исследования по созданию метаматериалов, которые может направлять энергию механических волн вокруг объектов, тем самым защищая их от взрывов, ударных волн, землетрясений и других мощных вибраций. Такое исследование может сделать подводную лодку или мост «невидимыми» для некоторых форм механической энергии.
Невидимая крышка
Российские исследователи изобрели плоскую невидимую крышку, которая может скрыть любой удлиненный объект, такой как антенны самолета или мачту корабля, от радара или других систем обнаружения. Результаты исследования были опубликованы в научных отчетах.
«Мы разработали специальную крышку на основе идеального магнитного дипольного рассеяния, которая превращает удлиненный металлический объект с электрическим откликом в объект с магнитным откликом. В результате такой объект становится невидимым», — Алексей Башарин, один из авторов книги Исследование и исследователь из Национального университета науки и технологий (МИСиС), сказали.
С этой целью исследователи использовали «плоские» метаматериалы, которые почти не взаимодействуют с электромагнитными волнами, позволяя им «проходить».
Этот материал представляет собой набор металлических и диэлектрических наночастиц, образующих повторяющийся узор. Этот узор работает таким образом, что скрываемый им объект перестает взаимодействовать с электрическими элементами света, не рассеивая их. Благодаря этому можно избежать эффектов, которые выдавали бы «невидимый» объект, и идеально изолировать различные передатчики, такие как спутниковые антенны, расположенные близко друг к другу.
В ближайшем будущем исследователи будут стремиться создать усовершенствованную версию крышки, которая будет взаимодействовать не только с электрическими элементами электромагнитных волн, но и с их магнитными компонентами. По мнению Алексея Башарина, экспериментальное создание таких конструкций станет огромным шагом к достижению идеальной невидимости.
Передача энергии по воздуху
Исследователи из Университета ИТМО разработали метаматериал, с помощью которого энергия может передаваться по воздуху одновременно на нескольких частотах, что позволяет создавать универсальные устройства беспроводной зарядки. Новый материал может работать с различными типами беспроводных приемников или передатчиков электричества и представляет собой набор различных проводников, которые расположены по особой схеме и соединены друг с другом с помощью конденсатора.
«Наш материал обладает множеством уникальных свойств, включая обратную частотную дисперсию и несколько резонансных частот с однородным магнитным полем, через которые энергия может передаваться« по воздуху », — поясняет Полина Капитанова из Университета ИТМО.
Исследователи создали прототип нового универсального зарядного устройства, проверив его эффективность, подключив несколько светодиодов к различным типам беспроводных приемников электроэнергии и разместив их над столом с метаматериалом. Устройство устойчиво передавало энергию тремя разными способами, заряжая все подключенные устройства. Результаты исследования был опубликован в журнале Applied Physics Letters.
Управление сверхпроводимостью
Прорыв объявление о создании первого сверхпроводника, активного при комнатной температуре Вызвала большой ажиотаж в 2020 году. Такая технология, по мнению авторов, заменит электрические батареи.
Сверхпроводники — это материалы, способные проводить электричество без сопротивления. Сверхпроводимость считается одним из самых выдающихся открытий 20 века. Уже существуют прототипы квантовых компьютеров, использующие сверхпроводящие элементы для хранения данных. Сверхпроводники также используются для создания мощного магнитного поля, например, в Международном термоядерном экспериментальном реакторе.
Исследователи из Томского политехнического университета предложили новый инструмент для измерения и контроля свойств сверхпроводящих материалов путем изменения его геометрии, то есть сворачивания его в тонкую трубку. До этого добавление сплавов и дефектов было традиционным методом контроля его свойств.
При моделировании материала исследователи заметили специфический эффект: при воздействии электрических цепей конфигурация циркулирующих сверхтоков свернутого материала (ниобия) претерпевала изменения. В результате материал одновременно имеет проводящие и непроводящие элементы, и изменение параметров магнитных полей может повлиять на эти эффекты. Это открытие потенциально может позволить управлять свойствами сверхпроводника.
Как отмечают авторы статьи, опубликовано в Общениеs Физика, сверхпроводящие свойства ниобия хорошо изучены, тогда как его свойства с другой геометрией — когда он свернут в трубку — изучены недостаточно. Инструмент для прогнозирования таких свойств еще не существует. Исследователи предложили новые модели для прогнозирования таких свойств.
Доступные наноструктурированные пленки
Другой современный материал — металлические пленки с упорядоченной наноразмерной структурой — характеризуются уникальными свойствами, которые позволяют исследователям управлять магнитными полями и изменять их намагниченность. Это позволяет создавать системы для записи и надежного хранения огромных объемов данных. Этот материал также используется для датчиков магнитных наночастиц, которые могут контролировать кровь пациентов, концентрацию содержащихся в ней частиц, а также скорость выведения или абсорбции лекарства.
Создание упорядоченного корпуса наноразмерных отверстий одинакового диаметра на большой поверхности — сложная и ответственная задача — по крайней мере, если она выполняется непосредственно путем перфорирования твердой пленки. Исследователи из Уральского федерального университета пошли по другому, менее требовательному пути и предложили использовать эффекты самосборки и самоорганизации.
Эффект наблюдается в технологии анодирования алюминия для пористых поверхностей, но с небольшой модификацией, выполненной в виде гексагональной решетки, что позволяет создавать отверстия с хорошо контролируемым диаметром. Слой анодированного алюминия состоит из высокопрочного материала с химической формулой Al2O3. Этот материал после кристаллизации известен как корунд или сапфир. Самоорганизация пор создает поверхность, похожую на соты, уменьшенные примерно в миллион раз.
Базовый слой алюминия с упорядоченными порами был разработан четверть века назад и в последние годы используется в качестве основы для нанесения пленок, в том числе магнитных, а также в качестве шаблона для выращивания металлических нанопроволок.
Физики из Уральского федерального университета совместно с Институтом материаловедения в Мадриде, Испания, получили уникальную аморфную пленку TbCo с перпендикулярной магнитной анизотропией с помощью общепринятой методики. Результаты их исследования были опубликованы в журнале «Нанотехнологии».
«Этот материал необычен тем, что он обладает двумя магнитными подрешетками, магнитные моменты которых направлены в противоположные стороны. Пленки с определенным составом будут иметь существенно разные магнитные характеристики при нагревании или охлаждении. Например, мы наблюдаем преобладание магнитного поля. момент тербия или кобальта, или они будут практически равны. Это свойство может быть особенно полезно при создании сред для магнитной записи », — сказал старший научный сотрудник кафедры магнетизма твердых тел Уральского федерального университета Никита Кулеш.
Магнитная пленка с наноразмерными отверстиями примечательна тем, что позволяет преодолеть так называемый суперпарамагнитный предел, когда размер байта становится настолько маленьким, что энергия тепловых колебаний начинает преобладать над энергией магнитной анизотропии. исследователи.
На данный момент в университете реализован полный цикл создания образцов наноперфорированных пленок с различным составом покрытий, а также осуществляется электрохимический синтез пористых базовых слоев из анодированного алюминия с разным диаметром отверстий или корпуса наноразмерных выступов. . Также вуз осуществляет напыление пленок и покрытий с точным контролем состава и ширины и располагает оборудованием для изучения полученных образцов.
Проект «5-100» реализуется в рамках национального проекта «Образование» и направлен на содействие расширению исследовательских возможностей российских университетов и усиление их конкурентоспособности на мировом рынке образовательных услуг.
В нашем Telegram‑канале, и группе ВК вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
Похожие статьи
ДРУГИЕ НОВОСТИ
