Создаваемые в лабораториях новые материалы способны в скором времени преобразит жизнь человечества. О некоторых из них и пойдет речь в этой статье...
На наших глазах происходит настоящая техническая революция: за какой-то десяток лет графен и схожие с ним по строению материалы выбились в лидеры лабораторных исследований. И, надо признать, — по праву! Достаточно сказать, что их толщина не превышает размера атома, то есть порядка нанометра. Даже представить такое сложно. Это как разрезать волос по толщине не пополам и даже не на четыре части, а на… 100 000 тысяч!

Крепкие и гибкие

До начала 2000-х годов исследователи полагали, что получить такого рода материал в стабильной форме невозможно. Всё изменилось в 2004 году, когда наши бывшие соотечественники Андрей Гейн и Константин Новоселов, работающие в Манчестерском университете (Великобритания), взяли кусок графита — а он есть в каждом доме, ведь из него делают грифель карандашей, и стали с помощью скотча снимать с него грифельную крошку слой за слоем. В результате и получился графен! И что любопытно: хотя графен — общепризнанная звезда среди новых материалов, сложностью структуры он не блещет. Графен представляет собой обычные атомы углерода, прижатые боками друг к другу и образующие тонкий слой, похожий на бумажный лист. Однако при всей внешней простоте свойства у него действительно поразительные. Во-первых, он необычайно прочный: при равной массе он в 200 раз крепче стали!
А во-вторых, очень легкий, что, естественно, не может не заинтересовать производителей автомобилей, самолетов и ракет. Правда, всё подряд из него не сделаешь. Всякого рода механические детали — можно, а вот, например корпус лайнера толщиной в атом представить невозможно. Применение графена обещает огромное снижение общего веса летательных аппаратов и, соответственно, топлива. Инженеры соединяют один или несколько слоев графена с другими материалами, например алюминием или углеволокном, что позволяет обогатить конечный продукт дополнительными ценными качествами, например огнеупорностью. Сегодня графен можно обнаружить в лопастях ветряков, так как при столь значительных нагрузках им требуется дополнительная защита от деформации, и с новым материалом продолжительность их эксплуатации сразу возрастает.
Имеются у графена и прочие козыри: так, он — отличный проводник тока, вдобавок прозрачен (пропускает 97,7% света). Отыскать два таких важных свойства в одном материале — большая редкость, ведь поверхность токопроводящих металлов обычно бывает либо матовой, либо светоотражающей, как у железа или меди. Такая прозрачность совершенно необходима для сенсорного экрана мобильного телефона или планшета.

Идеален для накопления электричества

В настоящее время для производства сенсорных экранов используется оксид индия-олова (ITO — Indium tin oxide). Проблема заключается в том, что индии — металл редкий, большинство его месторождений располагается на территориях Китая и Южной Кореи. И если вдруг одна из этих стран по каким-то причинам решит приостановить продажу этого металла, по производству сенсорных экранов будет нанесен страшный удар. Так что внедрение графена гарантирует промышленникам независимость. Рады новому материалу и те, кто заинтересован в разработке эффективных способов накопления электричества. Возьмем конденсатор электронный компонент, предназначенный для накопления электрического заряда. Работает он за счет двух токопроводящих пластин, называемых электродами. Чем больше их поверхность, тем больше электричества способен накопить конденсатор. Внедрение нового материала позволит резко увеличить поверхность путем простого разделения электрода на тысячи крошечных графеновых элементов, собранных воедино. Таким образом можно накапливать огромные количества энергии. Очень удобно, скажем, для подзарядки трамвая. Двадцати секунд вполне хватит, чтобы вагон полностью зарядился и смог проехать до следующей остановки.

Тысячелистник с супервозможностями

Помимо графена, существуют схожие материалы, получившие общее название «2D» по той простой причине, что все они практически плоские. Есть в загашнике инженеров-конструкторов и другие материалы, как изоляционные, так и полупроводниковые, в форме тонюсеньких гибких листов. Соединяя их слоями наподобие тысячелистников, можно получать самые разнообразные комбинации с удивительными качествами. Иными словами, открывается путь к новой отрасли промышленности — гибкой электронике. Представь тонкий лист экрана, который можно свернуть и засунуть себе в карман. Или одежду с электронными сенсорными панелями. Ручные часы пропадут за ненадобностью: зачем их носить, если достаточно поднять руку и взглянуть на дисплей рукава с цифрами точного времени? А тут еще и целый ряд других полезных датчиков: один измеряет интенсивность твоей физической активности, второй — пульс и давление, третий — уровень кислорода в крови, четвертый — еще что-нибудь. Звучит как научная фантастика, однако можно смело заключать пари, что гибкая электроника войдет в нашу жизнь гораздо раньше, чем кажется.

Волноотражатели

Идея создания материалов, с помощью которых можно было бы управлять световыми волнами, будоражит умы ученых уже давно. Метаматериалы превращают эту идею в реальность. На первый взгляд, в них нет ничего революционного: при их создании используются всем хорошо известные медь, серебро, золото, сталь, бетон… Однако хитроумно отлаженная структура метаматериала, (она высчитывается на компьютере) позволяет управлять таким параметром, как показатель преломления, иначе говоря — ловить световые волны и заставлять их двигаться в требуемом направлении.


Плащ-невидимка становится реальностью

Одним из самых удивительных применений такого рода материалов станет, безусловно, мантия-невидимка, наподобие той, которой пользовался Гарри Поттер и его друзья. Концепция ее создания принадлежит английскому исследователю Джону Пендри. В 2006 году он доказал, что любой предмет можно сделать невидимым, если отвести в сторону падающие на него световые лучи. Логично: если лучи не достигают поверхности объекта, то и увидеть ничего невозможно. В теории всё ясно и просто, а на практике как всегда значительно сложнее. На сегодняшний день самый крупный успех достигнут коллективом исследователей Калифорнийского университета в Беркли (США): в 2015 году они соткали свое волшебное «покрывало» и покрыли им небольшой предмет с тремя буграми шириной 40 микрометров. При освещении объекта инфракрасными лучами (их волны имеют ту же природу, что и лучи видимого света) создавалась иллюзия, что поверхность предмета абсолютно плоская и никаких выпуклостей нет и в помине. Размеры лабиринта для увода волны в сторону зависят от ее длины.
Длина волны — это расстояние между двумя ее вершинами или двумя подошвами (самыми низкими точками). Длина световых лучей колеблется от 400 до 700 нанометров, поэтому и лабиринт для них требуется столь же крошечный, иначе ничего не получится. Изготовить такой лабиринт чрезвычайно сложно. Совсем другое дело, если длина волн достаточно большая. Так, у сейсмических волн, возникающих при землетрясении, она порядка метра. Вот группа французских специалистов из Национального центра научных исследований и занялась разработкой проекта защиты жилых объектов от землетрясений. Согласно их выводам, установка бетонных свай в определенных точках позволяет почти полностью увести в сторону сейсмические волны. Что и доказал проведенный эксперимент в естественных условиях: с подъемного крана на специальным образом подготовленную площадку был сброшен груз 17 тонн, в итоге 80% ударных волн, сравнимых с сейсмическими, удалось сбить с курса. А значит, появилась возможность создавать защитные зоны вокруг отдельных объектов, например, школ и больниц, с тем, чтобы в случае землетрясения скрытая под землей система пустот и бетонных свай отводила сейсмические волны в сторону.

Спастись от цунами

Разумеется, чтобы реализовать описанные выше антисейсмические меры, требуется пространство для установки свай. К сожалению, не всегда его можно отыскать. Однако исследователи не унывают, полагая, что аналогичный эффект достижим и с помощью, скажем, ветряков и даже деревьев.
Точно так же обеспечивается защита прибрежных территорий от цунами. Вбитые в морское дно бетонные сваи заставляют часть волн изменить направление своего движения, — что опять-таки продемонстрировал эксперимент в природных условиях. Обнадеживающая новость. Значит, есть шанс не допустить в будущем повторения таких страшных трагедий, какая произошла в Японии в 2011 году на атомной электростанции «Фукусима-1».