Новости мира

Основой для сверхпрочных покрытий и передовой электроники может стать новый материал под названием пента-графен. Его создала международная команда исследователей из США, Китая и Японии.

Обычный графен представляет собой лист из атомов углерода, образующих шестиугольники. В новом материале атомы углерода формируют  пятиугольники, поэтому его назвали пента-графеном. Несмотря на, казалось бы, незначительное отличие в структуре, «пятиугольный» пента-графен имеет собственные уникальные свойства, которыми не обладает «шестиугольный» графен.

Прежде всего, пента-графен имеет экстремальные механические характеристики: он выдерживает нагрев до температуры более 700 градусов Цельсия и при этом сохраняет высокую прочность. Кроме того, при растяжении он расширяется во всех направлениях, в то время как графен ведет себя, как обычный материал и увеличивается в длину, сокращаясь в ширину.

Свойством расширятся во всех направлениях при растяжении обладают только особые материалы — ауксетики. Обычно это полимеры, имеющие отрицательный  коэффициент Пуассона, то есть  отношение поперечного сжатия к продольному растяжению. Подобные свойства могут быть полезны, например, в медицинских приложениях.

Если свернуть пента-графен в трубку, то в отличие от графеновых, такие нанотрубки будут не обычными проводниками, а полупроводниками. Таким образом, пента-графен в сочетании с графеном теоретически позволяет создавать разнообразные неметаллические электронные устройства нового поколения — с низким энергопотреблением, выдерживающие высокие температуры и ударные нагрузки.

Компьютерное моделирование, пишет  CNews.ru, указывает на то, что пента-графен будет механически очень стабилен, то есть сможет сохранять свои уникальные свойства длительное время.

Первый гибридный двигатель для самолета разработан учеными факультета инженерного дела Кембриджского университета совместно с компанией «Боинг». В основу новшества заложен практически тот же принцип, что и в двигатели гибридных автомобилей.

Во время взлета самолет использует обычное топливо, но затем переключается на электрическую энергию, и двигатель начинает работать, как генератор, подзаряжая батареи. Предыдущие попытки создать гибридный самолет сталкивались с тем, что батареи оказывались слишком тяжелыми. Теперь же, когда появилась возможность использовать литиевые батареи, дело сдвинулось с мертвой точки.

Создатели гибридного самолета использовали четырехтактный бескрейцкопфный двигатель, соединив его с электрическим мотором-генератором. Шестнадцать литиевых аккумуляторов были встроены в крылья.  В основу был положен двигатель Хонды.

Первое испытание было проведено на аэродроме Сайвелл.  Одноместный легкий самолет  совершил несколько «прыжков» по взлетной полосе, а затем пролетел на высоте примерно 500 метров. Как сказал руководитель проекта доктор Пол Робертсон газете The Independent, теперь будущее гибридной авиации становится реальным.

Впрочем, до коммерческого использования подобных двигателей еще очень далеко. На сегодняшний день подсчитано, что если в большом пассажирском самолете все двигатели и все горючее заменить электричеством, то он сможет пролететь не больше десяти минут.

Однако ученые продолжают свою работу. Ведь самолеты производят  примерно 2% выбросов углекислого газа, а гибридный двигатель позволяет  использовать на 30% меньше горючего по сравнению с обычным двигателем.

Новый материал, разработанный учёными из Университета Ааалто (Финляндия), основавшими компанию-стартап Canatu, позволяет сделать сенсорный экран из любой поверхности. О гибкости тонкой прозрачной плёнки, обладающей отличной электропроводностью, наглядно говорит простой опыт: она может оборачиваться вокруг провода для наушников, не теряя при этом своих свойств. Лучшие из имевшихся до сих пор сенсорных экранов на это и близко не способны…

Столь уникальные характеристики инновационному материалу придаёт его структура. Он состоит из карбоновых (углеродных) нанотрубкок, усаженных карбоновыми же отростками в виде маленьких шариков. Эти шарики прекрасно передают друг другу электроны, что и даёт отличную электропроводность. В то же время, они могут скользить друг относительно друга, обеспечивая гибкость.

Таким образом, говорится в инфлрмации MIT Technology Review,найдена замена нынешнему основному материалу для покрытия сенсорных экранов — оксида индия-олова, который, при всех своих плюсах, недостаточно гибок. Учёные давно предполагали, что хорошей заменой ему могли бы стать карбоновые нанотрубки, но не могли добиться от них нужной электропроводности. Теперь, усадив трубки шариками, финские учёные решили проблему.

Новый материал, впрочем, тоже не идеален — он не подходит для покрытия очень больших экранов. Зато для смартфонов и планшетов — в самый раз.

Новые сверхгибкие тачскрины — не единственное усовершенствование, которое мы можем увидеть в своих смартфонах и планшетах в самое ближайшее время. Как сообщала «Научная Россия», недавно американские учёные смогли существенно повысить эффективность экранов OLED на синих светодиодах. А другая научная команда разработала тонкие прозрачные солнечные батареи, которые можно крепить на те же экраны, и обеспечивать своего электронного друга энергией.

Создать сверхпроводимость при комнатной температуре и объяснить суть этого явления впервые смогла международная команда физиков во главе с учеными из Института Макса Планка в Гамбурге. Ученые с помощью лазерных импульсов заставили отдельные атомы в кристаллической решетке на короткое время смещаться и тем самым поддерживать сверхпроводимость в керамическом проводнике. 

Явление в эксперименте длится всего несколько миллионных долей микросекунды, но понимание принципа сверхпроводимости при комнатной температуре может помочь в создании новых типов сверхпроводников, которые совершат переворот в современной технике. Такие сверхпроводники решат множество современных проблем: позволят создать сверхмощные аккумуляторы для питания энергоемкой техники вроде лазеров или силовых приводов, электродвигатели и генераторы с КПД близким к 100%, новые медицинские приборы, крохотные, но мощные микроволновые излучатели и многое другое.

Создать сверхпроводимость при комнатной температуре долгие годы не удавалось из-за специфических условий, при которых она возникает. Так, один из самых перспективных керамических сверхпроводников YBCO (оксид иттрия-бария-меди) имеет особую структуру: тонкие двойные слои оксида меди чередуются с более толстыми промежуточными слоями, которые содержат барий, медь и кислород. Сверхпроводимость в YBCO возникает при -180 градусов Цельсия в двойных слоях оксида меди, где электроны могут соединиться и формировать так называемые куперовские пары. Эти пары способны создавать «туннель» между разными слоями, то есть проходить через слои, как призраки сквозь стены. Этот квантовый эффект наблюдается только ниже определенной температуры.

В 2013 г. международная команда, работающая в Институте Макса Планка, обнаружила, что кратковременные импульсы ИК-лазера способны на очень короткое время провоцировать сверхпроводимость в YBCO при комнатной температуре. Природу этого явления понять не удавалось, помог лишь самый мощный в мире рентгеновский лазер LCLS (США), который позволяет «видеть» атомную структуру материала и сверхкороткие процессы. С его помощью ученые провели ряд сложных экспериментов и опубликовали результат своего открытия в издании Nature.

Как оказалось, инфракрасный лазерный импульс не только заставляет атомы колебаться, но и меняет их позицию в кристалле, уточняет CNews.ru. В результате двойные слои диоксида меди становятся немного толще — на  2 пикометра или 0,01 диаметра атома. Это в свою очередь увеличивает квантовую связь между двойными слоями до такой степени, что кристалл становится сверхпроводящим при комнатной температуре в течение нескольких пикосекунд.

На иллюстрации сверхпроводимость при комнатной температуре: резонансное возбуждение атомов кислорода вызывает колебания (размытые контуры) между двойными слоями оксида меди (слой — голубой цвет, медь желтая, кислород красный). Лазерный импульс на короткое время выводит атомы из равновесия, расстояние между слоями уменьшается и возникает сверхпроводимость.

К разработке гибридных металлических стёкол для аэрокосмической отрасли, микромеханики и медицины приступает группа учёных НИТУ «МИСиС» (Россия) и Университета Тохоку (Япония) под научным руководством приглашённого профессора Дмитрия Лузгина.

Металлические стёкла – это металлы/сплавы без традиционной кристаллической структуры, по сути, застывшая жидкость, однородный аморфный материал, похожий на классические, «оконные», стёкла. Они получены во второй половине XX века, однако бум исследований начался в конце 90-х прошлого и начале 00-х гг. текущего века, когда были получены массивные отливки, названные объёмными металлическими стеклами.

«Металлические стёкла (метстёкла) обладают в среднем в 2 раза большими прочностью по сравнению с кристаллическими сплавами близкого химического, более высокой коррозионной стойкостью (в т.ч. по отношению к кислотам, морской воде), повышенными твердостью и износостойкостью», – говорит Дмитрий Лузгин.

Это обуславливается тем, что в металлических стёклах нет зёренной кристаллической структуры и т.н. границ зёрен, из которых состоят типичные кристаллические материалы, в частности, металлы, и которые являются точками, с которых начинаются разрушения.

У металлических стекол одна преграда к распространению. Известные на сегодня материалы этого типа обладают низкой пластичностью, особенно в виде макроскопических изделий – то есть плохо гнутся, закручиваются (плохо деформируются).

«Задача, которая стоит перед объединённой исследовательской группой, это повысить пластичность и вязкость разрушения объёмных металлических стёкол, сделав их более устойчивыми к разрушению при деформации. Наши предыдущие исследования показали, что определённых результатов можно достичь совершенствованием состава самого стекла.

Однако недавно мы обнаружили, что гораздо удобнее произвести новый класс материалов, т.н. материалы-гибриды. Это двухфазные соединения типа металлическое стекло-металлический кристалл, металлическое стекло-полимер, металлическое стекло – квазикристалл. В этом случае материал сочетает свойства и металлического стекла с его прочностью, твердостью и износостойкостью, и пластичность металлического кристалла или полимера. Если мы комбинируем металлическое стекло и полимер, то получаем дополнительно такие свойства, как меньший вес материала и, соответственно, его большую удельную прочность», – рассказывает Лузгин.

Усилия группы учёных из порядка 30 специалистов будут сконцентрированы, в первую очередь, на лёгких металлах с высокой удельной прочностью, в частности, на сплавах титана и магния, уточняет strf.ru. Они попытаются уйти от использования дорогих материалов в составе, что в конечном итоге позволит решить ещё один вопрос на пути массового внедрения металлических стёкол, это проблема их высокой стоимости. По словам, Лузгина с активизацией интереса к данному классу материалов в 90-х гг. поначалу в его составе использовались палладий, лантан, цирконий, что существенно увеличивало стоимость конечной продукции, влияя на ход исследований в области и замедляя применение данных материалов.

Обладая большими потерями на трение и, как следствие, повышенным механическим износом, зубчатая передача не может похвастаться высоким КПД. Но если заменить шестерни магнитами, можно покончить с этим раз и навсегда. Именно та и поступили ученые Мадридского университета имени Карлоса III (Испания), предложившие свою инновационную систему.

Сплавы ниобий-титан и ниобий-олово являются основными сверхпроводниками, используемыми в устройствах с использованием эффекта магнитной левитации («магнитной подушки»). Испанцы создали коробку передач, которая не нуждается в смазочных жидкостях и лишена износа за счет использования эффекта магнитной подушки благодаря постоянным магнитам, используемым вместо шестерней.

В магнитной коробке передач отсутствует непосредственный контакт деталей, а для переключения используются силы магнитного притяжения и отталкивания вместо зубьев шестерни, износ которых является основной причиной выхода механизмов из строя. Инженеры, уточняет Popmech.ru, сконструировали два прототипа: один для аэрокосмической отрасли, который работает при криогенных температурах и в условиях невесомости, а второй — для машиностроения и наземного транспорта, который функционирует в естественных условиях.

Специалисты Волгоградского государственного аграрного университета и Волгоградского государственного технического университета разработали аппарат, позволяющий порезать плоды и овощи на тонкие ломтики с наименьшими потерями и минимальными затратами энергии. Эффект достигается за счет зигзагообразной режущей плоскости, на которой ножи расположены под углом друг к другу. Его можно использовать и на промышленных предприятиях, и в индивидуальных хозяйствах.

Сейчас в пищевой промышленности применяют дисковые и барабанные измельчители. И те, и другие разрушают ткань плода, он истекает соком, теряет витамины, срез получается неровный. Волгоградские исследователи разработали аппарат, режущая поверхность которого имеет вид равнобедренного треугольника, на котором горизонтально закреплены ножи, сдвинутые по вертикали относительно друг друга (на рисунке). Благодаря такой конструкции, яблоко или картофелина контактирует в одной плоскости не более чем с двумя ножами, образующими симметричную пару на противоположных сторонах зигзагообразной поверхности, и теряет в 2.5–3 раза меньше сока.

Новая ломтерезка позволяет сберечь не только яблочный сок, но и энергию. Исследователи сконструировали испытательный стенд, позволяющий измерять все характеристики резания плодов. Оказалось, что десять ножей, расположенных в одной плоскости, режут яблоко со средним усилием 245 Н, а при зигзагообразном расположении достаточно 120 Н. На усилие, необходимое для разрезания яблока, влияют скорость процесса, угол скольжения ножа и сдвиг ножей по вертикали относительно друг друга. Ломтерезка позволяет регулировать эти параметры. Оптимальным оказался сдвиг на 2 мм, соответственно, такой толщины получаются ломтики.

Производительность ломтикового измельчителя составляет до 5000 кг/час, а энергоемкость процесса снижается на 25–30%.

«За рубежом для нарезки яблок тонкими ломтиками используют узкоспециализированные машины, которые могут измельчать одновременно только 1 плод, причем их цена превышает 400 тысяч руб. Наш прибор за один рабочий цикл, то есть за несколько секунд, разрезает до 12 кг яблок, а себестоимость его составила 31 тыс. рублей», – пояснил один из авторов изобретения, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Общественное питание, процессы и аппараты пищевых производств» Никита Лебедь.

Работу исследователей, особо отмечает strf.ru, поддержал Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Человеческий мозг гораздо энергоэффективнее в процессе интерпретации мира, визуальном восприятии пространства или распознавании речи, чем любая компьютерная система. Именно поэтому ученые экспериментируют с так называемыми «нейроморфными» микрочипами. Они имеют свои сети искусственных нейронов, которые «общаются» с помощью электрических импульсов, и могут даже автоматически перепрограммировать себя, чтобы адаптироваться к новым условиям.

Подобный нейроморфный чип впервые покинул пределы лабораторного стола и взмыл в небо на крошечном беспилотнике, который весит всего 93 грамма. Экспериментальная микросхема с 576 кремниевыми нейронами обрабатывала данные с оптических, ультразвуковых и инфракрасных датчиков дрона и смогла продемонстрировать свои уникальные способности. Анализ работы чипа показал, что беспилотник научился «узнавать» и запоминать места, в которых он уже был, причем его обучение происходит буквально на лету. Чип весит 18 грамм, его мощность — 50 милливатт.

Экспериментальный беспилотник построен по индивидуальному проекту американской компанией AeroVironment, а испытания организованы Агентством перспективных оборонных проектов (DARPA) Министерства обороны США, сообщает CNews.ru, ссылаясь на MIT Technology Review.

Уникальная прочность графена может пригодиться для защиты космических аппаратов от микрометеоритов, а также в бронежилетах. Это доказали ученые из Университета Райса (США). В опытах они показали, что слой углерода толщиной в один атом рассеивает энергию удара в 8−10 раз лучше, чем сталь такой же толщины.

В ходе экспериментов исследователи обстреливали крошечными сферами диоксида кремния многослойные графеновые мембраны толщиной от 10 до 100 нм (это от 30 до 300 слоев графена). Мембраны были изготовлены классическим механическим способом: снятием хлопьев графена с кусков  пиролитического графита.

Чтобы проверить устойчивость графена на столь малых образцах, использовалось не обычное огнестрельное оружие, а специальная техника. Лазерный луч испарял тонкую золотую пленку толщиной  50 нм, в итоге взрывообразное расширение газа ускоряло крохотную кремниевую «пулю»  до огромной скорости в 3 км/с.

Анализ результатов обстрела показал, что листы графена в месте попадания «пули» вытягиваются в конус и распространяют энергию удара вдоль линий кристаллической решетки, то есть по самым устойчивым к разрыву направлениям. В случае пробития, вдоль этих линий появляются трещины, которые распространяются по кругу на некоторое расстояние от места попадания. Также графен направляет часть кинетической энергии обратно в «пулю», таким образом, листы углерода  рассеивают энергию удара намного эффективнее стали.

Уникальные защитные свойства графена похожи на те, что наблюдаются у керамической брони, отмечает CNews.ru. Она также активно поглощает энергию удара за счет разрушения высокопрочной молекулярной решетки. Возможно, комбинация керамики и графена поможет в будущем создать сверхпрочную легкую броню, например для бронежилетов, которые при весе 1-2 кг будут защищать от бронебойных винтовочных пуль.

Выпуск шин принципиально новой конструкции, которым не страшны проколы, начала компания Michelin.

Tweel (от английского Tyre — «шина», и Wheel — «колесо») — это инновационная разработка, представляющая собой цельное колесо, способное заменить собой и колесный диск, и пневматическую шину. Главное преимущество такой конструкции в том, что колесо не требует подкачки, не боится проколов, стойкое к повреждениям и имеет долгий эксплуатационный срок. Инженеры Michelin утверждают, что сцепление с поверхности дороги у новинки не уступает традиционным покрышкам.

Колесо Tweel, сообщает «WordlessTech», состоит из ступицы, эластичных полиуретановых спиц и стального двухслойного внешнего обода. Диаметр колесного диска составляет 83 сантиметра, а глубина протектора — 3,5 мм, при этом колесо способно выдерживать нагрузку до двух тонн.

Модель для коммерческого транспорта уже поступила в продажу в США, но Michelin имеет грандиозные планы и намеревается расширять модельный ряд.

Остается только надеяться, что полиуретановые спицы не будут терять эластичность при низких температурах и не начнут рассыпаться суровой зимой. К тому же, утверждают скептики, спицы могут забиваться снегом, который, превратившись в лед, не позволит им эффективно выполнять роль демпфера.