4. Применение
нанокомпозитных материалов
Нанокомпозиты благодаря своим впечатляющим физическим и химическим характеристикам способны принести пользу в самых разных сферах производства, электроники и даже медицины.
Например, исследователям, занимающимся нанокомпозитами, удалось изобрести метод создания анодов из кремниевых наносфер и углеродных наночастиц для литиевых элементов питания. Аноды, изготовленные из кремниево-углеродного нанокомпозита, намного более плотно прилегают к литиевому электролиту, уменьшая вследствие этого время зарядки или разрядки устройства.
Особое место в разработке нанокомпозитных материалов занимает графен. Недавно было установлено, что добавление графена к эпоксидным композитам приводит к увеличению жесткости и прочности материала по сравнению с композитами, содержащими углеродные нанотрубки. Графен лучше соединяется с эпоксидным полимером, более эффективно проникая в структуру композита. Нанокомпозиты на основе графена можно использовать при производстве компонентов авиатехники, которые должны оставаться одновременно легкими и устойчивыми к физическому воздействию.
Нанокомпозиты на основе полимерных матриц и нанотрубок способны изменять свою электрическую проводимость за счет смещения нанотрубок относительно друг друга под влиянием внешних факторов. Это свойство можно применить для создания микроскопических сенсоров, определяющих интенсивность механического воздействия за сверхкороткие промежутки времени.
Ученые также надеются, что нанокомпозиты помогут ускорить восстановление структуры поврежденных костей, если вдоль них установить направляющие рост и регенерацию тканей костей шарниры, сделанные из полимерного нанокомпозита, содержащего нанотрубки. А в 2012 другая группа исследователей предложила использовать нанокомпозиты в стоматологии для восстановления зубной эмали. Есть уверенность и в том, что если соединить магнитные частицы с флуоресцирующими частицами, появится возможность получить материал, которому присущи оба эффекта. За счет магнитных качеств такого нанокомпозита можно быстрее и проще обнаружить опасные образования в организме, а во время оперативного вмешательства подсветка облегчит работу хирургам.
Нанокомпозиты, содержащие частицы оксида циркония и обладающего отличными каталитическими свойствами, по мнению синтезировавших их ученых из Ирана, пригодятся не только в фармакологии и медицине, но и в процессе очистки объектов окружающей среды от органических загрязнителей, а также для их переработки в безопасные материалы ("зеленая химия").
В автомобильной промышленности из нанокомпозитных материалов можно изготавливать различные элементы интерьера, электронного оборудования, систем безопасности, шин, модулей двигателей автомобилей. Это позволит снизить общий вес конструкции, сократить выбросы углекислого газа, увеличив помимо того и эффективность самого двигателя, снизить износ деталей и частей корпуса, повысить прочность автомобильного кузова и надежность бортовой электроники.
Исследование применений показало,
что наноструктурированные наполнители пластиков, такие как модифицированные
монтмориллониты (наноглины), позволяют уменьшить массу и снизить затраты по
сравнению с большим количеством традиционного наполнителя. К числу
дополнительных преимуществ относятся: улучшение механических свойств,
устойчивость к образованию царапин, улучшение барьерных свойств, огнестойкости
и более простая обработка.
5. Метаматериалы
Метаматериал - композиционный материал, свойства которого обусловлены не столько свойствами составляющих его элементов, сколько искусственно созданной периодической структурой.
Смело можно сказать, что создавать что-то новое - в человеческой природе. Метаматериалы - это полностью искусственные устройства, обладающие свойствами, которых в природе попросту нет. Они состоят из упорядоченных наноэлементов, например наноэлектрических цепей. Строгая организация усиливает свойства отдельных элементов и позволяет метаматериалам проявлять их в макромире.
Метаматериалы синтезируются внедрением в исходный природный материал различных периодических структур с различными
геометрическими формами, которые модифицируют диэлектрическую и магнитную восприимчивости исходного материала. В результате метаматериалы проявляют ряд уникальных электромагнитных, оптических, акустических, механических и других свойств.
Таким образом, первая 10-микрометровая двухмерная "шапка-невидимка" была создана именно с помощью метаматериала на основе наноколец золота и оргстекла. Наноэлементы "шапки" расположены таким образом, что свет, падающий на ее поверхность, огибает материал по контуру и выходит с противоположной стороны без искажения. Поэтому для наблюдателя и "шапка", и предмет в ней невидимы
В последнее время появились сообщения из ряда научных центров, что Сделан ещё один шаг к созданию плаща-невидимки, который позволял бы сделать невидимым закрываемый им объект.
Исследователями из Шотландии был сделан важный шаг в деле создания гибких метаматериалов, способных экранировать объект от падающего света: ими разработан материал, получивший название "Метафлекс".
Долгое время исследование возможности создания гибких метаматериалов, способных экранировать объект от световых волн, что было по большей части теоретическим. Однако, наконец, учёным из университета Сент-Эндрюс и удалось воплотить свои теоретические идеи на практике.
При создании гибких метаматериалов возникают две проблемы: первая - это то, что мета-атомы должны быть достаточно малыми, чтобы взаимодействовать со светом, вторая - метаматериалы обычно выращиваются на жёстких основах и освободить их от этих основ сложно, чтобы использовать отдельно.
Ранее уже были разработаны метаматериалы, экранирующие в терагерцовом и ближнем инфракрасном диапазонах, но видимый свет обладает меньшей длиной волны, что осложняет задачу его экранировки. Крошечные мета-атомы, способные взаимодействовать с видимым светом, ранее удавалось создавать только на гладких и твёрдых поверхностях, что делало их непригодным для использования в гибких метаматериалах.
Достижением группы под руководством доктора Андреа Ди Фалько стала разработка технологии, позволяющая отделять мета-атомы от жёсткой подложки. Полученный материал и был назван ими "Метафлекс".
Другое применение метаматериалов - это так называемые суперлинзы. Они состоят из искусственного материала, имеющего отрицательный коэффициент преломления. Суперлинзы позволяют фокусировать свет на участке меньше длины волны, открывая тем самым новые горизонты в оптической микроскопии: они позволят непосредственно наблюдать биологические макромолекулы (ДНК и белки) и создавать еще более миниатюрные компьютерные чипы. Акустические аналоги суперлинз позволят в будущем улучшить качество УЗИ-диагностики.
Джон Пендри и его коллеги утверждают, что в материалах с отрицательным показателем преломления можно преодолеть дифракционный предел разрешения обычной оптики. В правой среде пространство изображений линзы нетождественно самому предмету, так как оно формируется без затухающих волн. В левой среде затухающие волны не затухают, даже наоборот - их амплитуда увеличивается при удалении волны от предмета, поэтому изображение формируется с участием затухающих волн, что может позволить получать изображения с лучшим, чем дифракционный предел,разрешением.
Первая экспериментально продемонстрированная суперлинза с отрицательным показателем преломления имела разрешение в три раза лучше дифракционного предела. Эксперимент проводился с микроволновыми частотами . А в 2005 году суперлинза была реализована в оптическом диапазоне. Это была линза, которая не используюет негативную рефракцию, однако для усиления затухающих волн использовался тонкий слой серебра.
Последние достижения в создании суперлинз представлены в обзоре. Для создания суперлинзы используются чередующиеся нанесенные на подложку слои серебра и фторида магния, на которых затем нарезалась нанорешётка. В результате создавалась трёхмерная композиционная структура с отрицательным показателем преломления в ближней инфракрасной области. Во втором случае, метаматериал создавался с помощью нанопроволок, которые электрохимически выращивались на пористой поверхности оксида алюминия.
В начале 2007 г. было заявлено о создании метаматериала с отрицательным показателем преломления в видимой области.
Физик Костас Сукулис из Лаборатории Эймса и
Университета штата Айова вместе со Стефаном Линденом, Мартином Вегенером и
Гуннаром Доллингом из Университета Карлсруэ в Германии сумели создать
метаматериал с показателем преломления -0,6 для красного света с длиной волны
780 нм. (До этого мировой рекорд длины волны излучения, которое удалось
"завернуть" при помощи метаматериала, составлял 1400 нм; это уже не
видимый, а инфракрасный свет.) Для начала ученые взяли лист стекла и нанесли на
него тонкий слой серебра, затем слой фторида магния, затем снова слой серебра;
таким образом, был получен "сэндвич" с фторидом толщиной всего 100
нм. После этого ученые при помощи стандартной технологии травления проделали в
этом "сэндвиче" множество крохотных квадратных отверстий (шириной
всего 100 нм, гораздо меньше длины волны красного света); в результате
получилась решетчатая структура, напоминающая рыбацкую сеть. Затем они
пропустили через полученный материал луч красного света и измерили показатель
преломления, который составил -0,6.
Заключение
Интерес к нанокомпозитам и присущим им уникальным свойствам растет экспоненциально. При невероятно малых их размерах законы квантовой механики точнее описывают поведение отдельных наночастиц, замещая классическую ньютоновскую физику, в которой закономерности гравитации, оптики и ускорения представляют собой статистические соотношения. По мере уменьшения структур упорядоченных атомов до столь малых размеров, свойства материалов переходят в свойства атомов и молекул на поверхности частиц, которые часто поразительно отличаются от свойств относительно массивных частиц материалов.
Метаматериалы - это новое понятие, обозначающее материал, структура которого определенным образом упорядочена для того, чтобы взаимодействовать с электромагнитным излучением. При помощи метаматериалов становится возможным создание устройств с такими характеристиками, которые долгое время казались просто недостижимыми, например наноскопов, аналогов микроскопов, но с разрешением в несколько нанометров; нанокомпонент для оптических компьютеров. В ближайшем будущем метаматериалы будут применяться, например, для создания компактных антенн мобильных телефонов, для дистанционного обнаружения оружия под одеждой, наконец, в медицинской технике для улучшения чувствительности томографов и создания нового поколения аппаратуры, позволяющей производить трехмерное сканирование тела при помощи терагерцового излучения, тем самым не нанося вреда тканям в отличие от рентгеновских аппаратов.
За метаматериалами - будущее наук.
Список использованных источников
. Балабанов, В.И.: Нанотехнологии. Наука будущего. - М.: Эксмо, 2008.
. Михайлов М.Д.: Современные проблемы материаловедения. Нанокомпозитные материалы.- СПб., 2010
. http://www.slideshare.net/nanoweek/ss-9392067
. http://www.infuture.ru/article/6426
. http://nano-edu.ulsu.ru/