Татаркина Аксинья
ученица 9 «Г» класса
МОУ СШ №32 «Эврика-развитие»
г. Волжский
Новые технологии и жизнь: Новые конструкционные материалы
Наш мир бурно меняется и для дальнейшего обеспечения комфортных условий жизни, а также планомерного развития безусловно важно улучшать качество того, из чего состоит все на этой планете, изобретенное человеком. Согласно общему определению, конструкционные материалы — это материалы, из которых изготавливаются различные конструкции, детали машин, элементы сооружений, воспринимающих силовую нагрузку. Определяющими параметрами таких материалов являются механические свойства, что отличает их от других технических материалов. Они представляют собой симбиоз существующего сырья и передовых идей по его улучшению. Наверняка, нам всем знакомы такие понятия, как пластик, металлы, стекло. Жизнь современного человека невозможно представить без них. Инновации в этой сфере -основополагающее звено будущего.
На данный момент мы можем разделить все эти субстанции по техническим критериям на:
- материалы с повышенной прочностью
- материалы, имеющие отличительные технологические возможности
- долговечные материалы
- упругие конструкционные материалы
- неплотные материалы
- материалы устойчивые к природным воздействиям
- материалы, имеющие высокую прочность
Усовершенствование показателей, влияющих на распределение, объективно необходимо для технического прогресса в нашей стране и за ее пределами.
В запрос потребителей входят:
- повышение удельных механических свойств (прочность, упругость и т.п. в расчете на единицу массы или удельного веса), что должно обеспечивать снижение массы изделий и затрат на их эксплуатацию;
- повышение сопротивляемости материала воздействию рабочей среды (температуры, агрессивности среды, радиационному и пучковому излучению и т.п.);
- повышение долговечности (ресурса службы) материала и его надежности в эксплуатации.
В настоящее время уже созданы такие новаторские решения, как углеродные нанотрубки, графен, фуллерен и другие (подробнее разберем далее), которые используются:
- для информационных технологий (оптические и магнитные запоминающие системы, электронные приборы, дисплеи);
- для транспортных средств (автомобилестроение, аэрокосмическая техника, железнодорожный и водный транспорт);
- для тепло- и электроэнергетики (электростанции, системы накопления и распределения энергии, системы хранения и транспортировки топлива, системы для возобновления энергии);
- для станкоинструментальной промышленности;
- для медицинской техники (хирургический инструмент, протезы, имплантаты);
- строительные материалы.
Далее поговорим более детально о новых, но уже применяемых разработках, которые наиболее перспективны, на мой взгляд. На самом деле, понятие «новый» относительно. Многие из приведённых ниже материалов существуют давно, но не имели достаточную комплектацию и совершенство для полноценного выхода на рынок.
1.Графен
Андрей Гейм и Константин Новосёлов получили Нобелевскую премию за открытие графена в 2010 г. Графен является двумерным кристаллом, состоящим из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решётку. Его теоретическое исследование началось задолго до получения реальных образцов материала, поскольку из графена можно собрать трёхмерный кристалл графита. По оценкам, графен обладает большой механической жёсткостью и рекордно большой теплопроводностью. Он обладает в 100 раз более высокой электропроводностью, чем кремний, используемый сегодня в солнечных батареях. Высокая подвижность носителей заряда, которая оказывается максимальной среди всех известных материалов (при той же толщине), делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах. Испанский суперкар GTA Spano полностью сделан из графена. Графеновый поролон может стать самым теплопроводимым материалом в мире.
- Углеродные нанотрубки
Углеродные нанотрубки представляют собой цилиндрические молекулы, изготовленные из свернутых листов графена. Это самые жесткие и прочные материалы, которые были синтезированы. Они имеют уникальные электрические и тепловые свойства. Эти нанотрубки могут иметь множество применений, от электроники до материаловедения. история углеродных нанотрубок восходит к началу 1950-х годов (когда два российских ученых опубликовали четкие изображения углеродных трубок с 50 нанометрами), большая часть научной и популярной литературы посвящена японскому физику Сумио Иидзиме за открытие полого нанометрового размера трубы, состоящие из графитового углерода. В 1991 году он написал статью, описывающую многостенные углеродные нанотрубки, что послужило основанием для интенсивных исследований углеродных наноструктур. с точки зрения модуля упругости и прочности на разрыв, углеродные нанотрубки являются самыми жесткими и прочными материалами, которые синтезируются. Этот вид силы происходит от чрезвычайно сильной формы молекулярного взаимодействия между отдельными атомами углерода. Электроуглеродные нанотрубки обладают исключительной электропроводностью. Они либо металлические, либо полупроводниковые, и эти свойства не зависят от того, свернута ли трубка ниже или выше плоскости графена. Электрические свойства остаются неизменными для нанотрубки и ее зеркального отражения. Теоретически, металлические нанотрубки могут нести в 1000 раз больше плотности электрического тока, чем металлы, такие как медь. Оптико-углеродные нанотрубки обладают полезными свойствами фотолюминесценции, оптического поглощения и спектроскопии комбинационного рассеяния света. Термические - углеродные нанотрубки обладают уникальными термическими свойствами, которые делают их особенными для разработки новых материалов. На самом деле их теплопроводность намного лучше, чем у алмазов. В тканевой инженерии они могут использоваться в качестве строительных лесов для роста костей. В будущем эти нанотрубки могут использоваться для различных целей: их можно использовать для лечения рака, мониторинга окружающей среды, накопления энергии, плоских дисплеев, конструкций самолетов, радаров и космических аппаратов. Потенциальные риски для здоровья не являются причиной для тревоги, но компании, работающие с углеродными нанотрубками, должны принять некоторые меры предосторожности, чтобы избежать воздействия. В 2013 году Национальный институт безопасности и гигиены труда опубликовал отчет с подробным описанием рисков и рекомендованных пределов воздействия для углеродных нановолокон и нанотрубок. В 2016 году Европейский Союз установил правила коммерциализации одностенных углеродных нанотрубок (до 10 метрических тонн). Много исследований было проведено в той же области, особенно в последние пару лет. Например, в 2019 году ученые открыли новый способ физического измерения углеродных нанотрубок. Другая группа исследователей продемонстрировала 16-разрядный микропроцессор, состоящий из 14 000 углеродных нанотрубок. В 2018 году исследователи создали большое количество нетронутых одностенных нанотрубок в оттенках радуги. Это может найти применение в средствах для нанесения покрытий для новых типов солнечных элементов или технологий с сенсорным экраном. В 2017 году ученые обнаружили, что усовершенствованные одностенные углеродные нанотрубки могут предложить более эффективный и устойчивый способ очистки и очистки воды, чем традиционные промышленные материалы, такие как силиконовые гели.
В.Н.Половинкин, засл. деятель науки РФ, д.т.н., проф.: «Разработка и использование инновационных конструкционных материалов - определяющая тенденция и парадигма в современном военном кораблестроении. Даже самое гениальное конструкторское решение лимитируется характеристиками и возможностями конструкционных материалов.»
По словам академика Е.Н.Каблова: «Многолетняя отечественная и зарубежная практика показывает, что более 80% инновационных, прорывных разработок в ведущих отраслях промышленности и других секторах экономики базируется на внедрении новых материалов и технологий». Совершенствование тактико-технических характеристик практически всех изделий вооружения и военной техники во многом определяется свойствами применяемых материалов и сплавов.
Я полностью солидарна с мнением экспертов в этой сфере. Исходя из исследований, которые были проведены, я могу сделать вывод об огромном значении модификаций углерода как материала будущего. Я думаю, именно на них будет строится вся дальнейшая инженерия новых материалов. В итоге, создание новых конструкционных материалов-основа основ и самая перспективная сфера развития современного мира!
Источники