НТИ март 2012 Ч 2 Электроника, Новые материалы

Часть 1

Часть 2

Раздел ЭЛЕКТРОНИКА  продолжает тематику предыдущего раздела.

«Конденсаторы вполне способны заменить литиевые батареи», пишет 13 марта www.nanonewsnet.ru. «Исследователи из Университета Северной Каролины (США) открыли способ, позволяющий поливинилиденфторидовому конденсатору накапливать и быстро отдавать значительно большее количество энергии, чем раньше. С высокой вероятностью эту технику можно будет использовать в качестве аккумуляторов в электромобилях, что радикально снизит стоимость покупки и эксплуатации последних. Конденсаторы имеют дело с раздельно хранящимся в их слоях статическим зарядом электричества, а не с обратимыми химреакциями, как обычные аккумуляторы. А это значит, что для высвобождения накопленной энергии им не нужно ждать осуществления химической реакции, как литий-ионным или свинцово-кислотным батареям. Они могут моментально отдавать весомое количество энергии. Недостатком их до недавнего времени была ограниченная ёмкость — около 10 ватт-часов на килограмм веса.

Некоторое время назад Вивек Ранджан, физик из Университета Северной Каролины, опытным путём обнаружил, что поливинилиденфторид в комбинации с хлортрифторэтиленом могут составлять конденсатор, накапливающий всемеро больше энергии на единицу веса, чем это удавалось любому другому конденсатору. Однако теоретическая природа этого явления оставалась неясной. В исследовании, опубликованном недавно в журнале Physical Review Letters, г-н Ранджан и его коллеги изложили результаты компьютерного моделирования, позволившего выяснить механизм накопления энергии. Учёные пытались уловить, как меняется внутренняя структура полимеров под действием электромагнитного поля. Обычно в таких случаях атомы поляризуются, что позволяет конденсатору накапливать и отдавать энергию. Таким же оказался и механизм работы конденсаторов на поливинилиденфториде, однако все его атомы при этом двигались синхронно, одновременно переходя из неполяризованного в поляризованное состояние и тратя на это весьма малый электрический заряд.

«Обычно переход атомов из неполяризованного в поляризованное состояние — это цепная реакция, начинающаяся в одном месте и заканчивающаяся в другом, — объясняет Вивек Ранджан. — Если нам нужен эффективный конденсатор, это плохо, так как на изменение фазового состояния атомов уходит много энергии, и вы не сможете получить существенный электроток на выходе из системы». При комбинации на базе поливинилиденфторида реакция имеет не цепной, а синхронный характер, что даёт возможность серьёзно повысить заряд, накапливаемый на единицу веса конденсатора. Понимание этого механизма позволяет надеться на обнаружение в ближайшем будущем в качестве хранилищ энергии других конденсаторов, ещё более эффективных. По словам г-на Ранджана, в этом случае можно будет говорить о вытеснении современных аккумуляторов из электромобилей, кои получили бы тогда динамику обычных бензиновых машин.

Напомним, что литий-ионные аккумуляторы современных электромобилей и гибридов плохи именно тем, что из-за медленной отдачи энергии их нужно много: вес батарей одного электроавто обычно составляет сотни килограммов, что одновременно увеличивает расход энергии на движение машины. Кроме того, через шесть лет эксплуатации литиевые аккумуляторы деградируют. При этом стоимость их равна половине цены машины — а значит, каждые 12 лет владения электромобилист тратит вторую цену своего железного коня только на аккумуляторы.

Другой проблемой является катастрофическое падение ёмкости литиевых батарей при температуре от 0 ˚C: в морозы они обеспечивают машине от силы половину нормального запаса хода. Конденсаторы же значительно морозоустойчивее, да и по быстроте отдачи принципиально эффективнее аккумуляторов, ведь они хранят не смеси для обратимой электрохимической реакции, которым ещё нужно время, чтобы прореагировать, а чистую энергию».

«Учёные построили тонкие конденсаторы с ёмкостью батарей», сообщает 16 марта www.membrana.ru. «Опытные образцы накопителей продемонстрировали удельную ёмкость на уровне химических батарей при сохранении удельной мощности как у типичных суперконденсаторов и также высокой живучести. Новаторы из калифорнийского университета в Лос-Анджелесе испытали оригинальный метод получения графеновых электродов для ионисторов и собственно сами суперконденсаторы, построенные по новой технологии. Не первый раз учёные пробуют использовать графен в роли электродов, поскольку потенциально он может обеспечить лучшие характеристики устройства, по сравнению с традиционным активированным углём. Однако, затруднения вызывала подготовка графена и создание электродов с нужной структурой поверхности.

Американцы подошли к решению этой проблемы с неожиданной стороны. Слой оксида графена они нанесли на диск DVD. Далее этот диск поместили в стандартный оптический привод, поддерживающий технологию гравировки рисунков LightScribe. Далее компьютер дал приводу команду нанести на диск рисунок с микроскопическими деталями. Под действием инфракрасного лазера оксид графена восстанавливался и отслаивался тонкими пластами, формируя графеновую сетку, состоящую всего из нескольких углеродных слоёв. Такой ажурный материал авторы работы назвали «гравированный лазером графен» (Laser Scribed Graphene — LSG).

К двум одинаковым электродам из LSG исследователи добавили сепаратор-электролит и получили суперконденсаторы с выдающимися данными. «Наше исследование показывает, что новый суперконденсатор на основе графена хранит столько заряда, сколько обычные батареи, но при этом его можно заряжать и разряжать в сотни и тысячи раз быстрее», — заявил один из создателей LSG профессор Ричард Канер (Richard B. Kaner). В новых электродах пути ионов электролита намного короче, чем в активированном угле, а это является одной из предпосылок для высокой пиковой мощности устройства и быстрой зарядки. Кроме того, тесты показали, что LSG обладает весьма большой удельной поверхностью – 1520 м2/г, а ещё — существенно большей, чем у активированного угля, проводимостью (1738 сименс на метр против 10-100 См/м). Последнее свойство, наряду с хорошей механической прочностью LSG, позволило отказаться в конструкции конденсатора от дополнительных связующих и токоприёмников. LSG в новых устройствах работает и как активный материал, и как коллектор тока. Вдобавок, учёные подобрали для своих конденсаторов загущенный полимерный электролит-гель, который заодно выступил в роли клея, скрепляющего слои накопителя вместе и даже в качестве сепаратора. Всё это заметно упростило прибор. Эксперименты с новыми накопителями показали, что они почти не теряют своих выдающихся электрических параметров под механической нагрузкой и что система стабильно ведёт себя при большом числе циклов. Потому американцы считают свою опытную разработку предшественницей ультратонких и гибких систем хранения энергии для портативной электроники».

«Разработан аккумулятор на основе безводных жидких электролитов», инфоримрует 12 марта www.nanonewsnet.ru. «В Sandia National Laboratories (США) изобретены аккумуляторы на безводных жидких электролитах. Они представляют собой обратимые топливные элементы на базе соединений распространённых металлов, таких как медь и железо, с 2-этилгексаноатом и диэтаноламином. Разработка демонстрирует исключительные, ранее не достигавшиеся характеристики энергонакопления. Исследования по этому направлению возглавляет химик Трэвис Андерсон. На базе окислительно-восстановительных обратимых топливных элементов (ОВОТЭ) его команде удалось добиться существенных результатов, применив принципиально новый подход. Вместо традиционных систем на растворах жидких солей металлов создан целый ряд новых безводных жидких смесей на базе переходных металлов, таких как медь, железо, марганец, кобальт, никель и ванадий. Разработчики называют их MetILs (transition-metal-based ionic liquid).

Всего было испробовано около 200 безводных комбинаций катионов, анионов и лигандов на базе различных соединений. При этом пять из них по электрохимической эффективности превосходят даже ферроцен, электрохимическая обратимость которого обычно берётся за эталон.

«Вместо того чтобы растворять соль в растворителе, мы сделали соль, которая сама по себе является растворителем», — поясняет г-н Андерсон. И действительно, одна из самых перспективных смесей для ОВОТЭ — Cu(DEA)6(EHN)2 (где DEA — диэтаналомин, а EHN — 2-этилгексаноат) — состоит только из меди, 2-этилгексаноата и диэтаноламина. Все эти компоненты куда доступнее, чем литий, используемый в самых эффективных современных аккумуляторах. В ходе проведённых экспериментов были получены результаты, втрое более высокие, нежели у ферроцена. В обычном электролите ток выделяется, если реакция идёт в одну сторону, а зарядка аккумулятора происходит, когда она поворачивается в другую. В новых веществах, MetLs, показатель обратимости реакции в несколько раз превышает лучшие из когда-либо достигнутых результатов.

Изготовление нового типа электролитов относительно несложно: соли соответствующих металлов, из которых лучшие результаты пока демонстрирует медь, нагреваются (до комнатных температур) в присутствии определённых комбинаций лигандов, обычно — алифатических аминоспиртов. При этом весь процесс малоэнергозатратен и широко масштабируем, его легко развернуть в промышленных условиях. Следует отметить, что концентрация активных металлов в новых электролитах может быть значительно выше, чем раньше: жидкие электролиты обладают очень высокой вязкостью, и перемешивание активных веществ, приводящее к снижению эффективности обычных аккумуляторов, здесь существенно снижено.

По мнению Трэвиса Андерсона, уже сейчас понятно, что плотность запасания энергии в новых батареях будет по меньшей мере втрое выше, чем у лучших существующих аккумуляторов. Перспективы новых батарей высоко оцениваются как в промышленных накопителях, где с их помощью можно будет запасать не отличающуюся постоянством энергию ветра и солнца, так и в бортовых системах накопления электромобилей».

«Ученые собрали биобатарейку, получающую электричество из света и воды», пишет 14 марта www.nanonewsnet.ru. «Израильские физики изобрели новый вид биобатарейки, которая извлекает электричество из воды, разлагая ее молекулы при помощи белковых молекул, которые растения используют для фотосинтеза, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.

Растения, бактерии и другие микроорганизмы преобразуют энергию света в питательные вещества при помощи так называемых фотосистем I и II, которые включают в себя несколько десятков отдельных компонентов – белков, жиров и пигментов-хлорофиллов. Первая система захватывает фотоны видимого излучения и преобразует их энергию в свободные электроны, а вторая расщепляет молекулы воды на кислород и водород и использует последний для сборки молекул питательных веществ.

Группа ученых под руководством Итамара Виллнера (Itamar Willner) из Еврейского университета в Иерусалиме (Израиль) искала способы создания источников питания на базе фотосистемы II, для работы которых не требовался какой-либо химический компонент (углекислый газ, катализатор), разрушающийся в процессе использования. Виллнер и его коллеги решили эту проблему при помощи двух «природных» компонентов на полюсах батарейки. Анод – отрицательный полюс устройства – изготовлялся следующим образом. Сначала ученые вырастили колонию сине-зеленых бактерий Mastigocladus laminosus и извлекли молекулы фотосинтезирующих белков из их клеток.

Затем физики изготовили небольшой золотой электрод, поверхность которого была покрыта специальным полимером и к свободным «хвостам» которого прикреплялись молекулы фотосистемы II. Этот полимер исполнял сразу две функции – он удерживал молекулы фотосистемы на месте и являлся «проводом», по которому свободные электроны перетекали на золотой электрод. Положительный полюс – катод – был изготовлен из стеклоуглерода, поверхность которого была покрыта углеродными нанотрубками и ферментом билирубин оксидазой. Это вещество захватывает свободные электроны и использует их для превращения свободного кислорода в молекулы воды. Как объясняют физики, такая реакция препятствует улетучиванию кислорода, который извлекается из молекул воды на аноде.

Авторы статьи собрали экспериментальную биобатарейку и проверили ее работу. Устройство исправно генерировало электрический ток в течение трех часов и продолжало его вырабатывать на протяжении 10 часов, снизив свою эффективность на 10%. По оценкам исследователей, их изобретение преобразовывает примерно 1% энергии света в электричество, что является достаточно средним показателем. Другие фотосинтезирующие аккумуляторы достигают эффективности в 0,2–3,3%. Тем не менее, такие приборы обычно требуют непрерывного добавления катализаторов или дополнительных реагентов и вывода продуктов реакции, что делает их непригодными для промышленного и бытового использования. Исследователи планируют улучшить работу своего изобретения, разработав более эффективные методы «упаковки» и присоединения молекул фотосистемы к отрицательному полюсу биобатареи».

«Промышленники поставили на поток оригинальные светодиодные чипы», сообщает 21 марта www.membrana.ru. «Авторы разработки решили две проблемы, стоящие перед изготовителями светодиодных ламп. Первая – как сделать компактнее и эффективнее трансформатор внутри, а вторая – как добиться более естественного белого излучения с хорошим индексом цветопередачи. Те или иные способы решения этих проблем различные фирмы прекрасно демонстрировали по отдельности, а вот тайваньская компания Epistar справилась с обеими задачами сразу и даже воплотила в серийной продукции – «белых» светодиодных чипах с эффективностью 120 и 150 люмен на ватт, индексом цветопередачи более 85 и цветовой температурой 2700-3000 K. Такие чипы пригодны для изготовления ламп, эквивалентных 60- и 75-ваттным лампам накаливания.

Как сообщает IEEE Spectrum, сейчас Epistar занята наращиванием выпуска первого из этих чипов до миллиона штук в месяц. Данная разработка – развитие выдающегося опытного светодиода, созданного Epistar в конце 2011 года. Он показал КПД в 216 люмен на ватт. По этому параметру с ним потягаются, пожалуй, только диоды-рекордсмены от японской компании Nichia, но зато Epistar называет свой прибор самым эффективным среди «тёпло-белых» (2700 К).

Правда, новый диод установил рекорд при очень малом токе, а под штатной нагрузкой выдал «только» 197 лм/Вт. Но не эффективность сама по себе – изюминка тайваньских новинок. Эти чипы пригодны для создания бытовой лампочки без трансформатора. Достаточно вставить в неё кремниевый выпрямитель для перевода переменного тока из розетки в постоянный, а напряжение понижать не нужно. Максимум тут понадобится ещё схема для сглаживания импульсов тока, чтобы уменьшить мерцание. А трансформатор попросту исчез.

Секрет заключается в новом дизайне LED-чипов. Он предусматривает последовательное соединение на одном кристалле множества маленьких диодов, вместе работающих от напряжения в десятки вольт (есть несколько версий). Четыре таких кристалла соединяются в один чип, а четыре-шесть чипов в одной лампе соединяются так, что требуют для питания уже полного сетевого напряжения. При этом, комбинируя чипы, можно менять уровень этого напряжения (и создавать продукцию для разных рынков).

Что касается спектра излучения и индекса цветопередачи, то здесь Epistar применила приём, уже использованный некоторыми компаниями, но по-прежнему редкий. Большая часть нынешних серийных светодиодов генерирует условно белый цвет за счёт смешения лучей от синего светодиода и покрывающего его люминофора, переизлучающего часть энергии в более длинноволновой области. Epistar же создала по описанной выше методике последовательного подключения как синие, так и красные светодиоды. А дальше конструкторы совместили их в одном чипе, словно клетки шахматной доски, дополнив ещё и люминофором. Светодиодная добавка с красного конца спектра позволила сделать суммарный белый цвет теплее, а потери в люминофоре – ниже.

С учётом потерь энергии в начинке лампы и света в матовом рассеивателе новые чипы способны обернуться источниками с тёплым белым спектром и эффективностью 90 люмен на ватт и выше (сферические лампочки) или 123 люмена на ватт и выше (лампочки прожекторного типа)».

Раздел НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ начнем с нанотрубок.

«Тканеподобный материал из углеродных нанотрубок генерирует электричество из воздуха», утверждает  20 марта www.nanonewsnet.ru. «На данный момент в Центре нанотехнологий и молекулярных материалов при университете в Вейк Форесте проходит исследование по разработке уникального материала под названием Power Felt, тканеподобного устройства, которое преобразует окружающее тепло в электрический ток. Сейчас учёными проводится экспертиза изобретения, которое может стать революционной технологией будущего.

Несмотря на то, что материал изготовлен из углеродных нанотрубок, встроенных между пластиковыми волокнами, на ощупь и по внешнему виду он весьма напоминает войлок, ткань, которая известна своими свойствами сохранения тепла. Тем не менее, новый материл гораздо интереснее обычного войлока. Будучи вблизи чего-то тёплого, данный «войлок» может посредством разницы температур сгенерировать электричество. Это означает, что электроэнергия может производиться при помощи простой изоляции чего-либо, будь то человеческое тело или батарея.

«Мы растрачиваем очень много энергии в виде тепла. Поэтому, например, поглощение потерь энергии автомобиля сможет улучшить эффективность использования топлива, обеспечивая электричеством утилитарные системы, такие как радио, кондиционер или система навигации» – говорит исследователь из университета Вейк Форест Кори Хьюитт – «Термоэлектрика на данный момент очень мало развита, поэтому здесь есть широкое поле для новых возможностей». Авторы технологии видят возможность её применения во многих сферах, начиная от аварийных комплектов, где могут заряжаться фонарики и радиоприёмники до зарядки MP-3 плееров и мониторов сердечных сокращений бегунов. Всё это ещё и сократит счета за электричество.

Единственным препятствием на пути к массовому использованию нового материала стала его цена. Термоэлектрическое устройство использует в своём составе весьма эффективный материал под названием теллурид висмута, но исследователи говорят, что его цена может составлять около тысячи долларов за килограмм. Но учёные полагают, что подобно кремнию теллурид висмута можно оптимизировать в плане количество материала, необходимого для разработки устройства и что когда-нибудь термоэлектрическая наклейка на крышку телефона будет стоить всего один доллар. Даже несмотря на высокую цену изобретения, исследователи не теряют надежды на нахождение инвесторов, чтобы запустить Power Felt в коммерческое использование. Возможно, это будет технология, которая станет доступна в течение последующих нескольких лет».

«Инженеры создали пластмассу с управляемой фактурой», пишет 16 марта www.mwmbrana.ru. «Необычный материал может многократно переключаться между совершенно гладкой и шершавой поверхностью, при этом форму и размер элементов рельефа можно регулировать по желанию. Исследователи из университета Дюка представили технологию управления поверхностью полимеров. Авторы работы показали, что с помощью электрического напряжения могут произвольно манипулировать фактурой крупных и изогнутых листов пластмассы. На их поверхности могут возникать либо случайно расположенные складки и кратеры разной формы, либо выровненные складки, кратеры, линии и круги. Размер этих деталей может варьироваться от долей микрометра до миллиметра – всё зависит от уровня приложенного напряжения. Наконец, весь материал можно вернуть к исходному гладкому состоянию. Интересно также, что все преобразования занимают считанные миллисекунды.

Новую технологию учёные назвали динамической электростатической литографией, в противовес уже известной электростатической литографии при которой высокое напряжение, подводимое к полимеру с помощью электродов, формирует на его поверхности рельеф, но только один раз и навсегда. Экспериментаторы из университета Дюка сумели сделать такой процесс обратимым, подбирая правильные параметры воздействия. Это открытие последовало за предыдущей работой той же команды. Тогда инженеры засняли на видео, как под действием высокого напряжения начинают меняться полимеры. При этом наблюдалось формирование микроскопических трещинок, перерастающих в звёздочки, полоски и ямки разной формы.

Эта работа пролила новый свет на процесс разрушения пластмассовой изоляции высоковольтных проводов. Разработчики нового метода говорят, что в перспективе он может привести к появлению перчаток с переменной степенью шероховатости, а они пригодятся, допустим, в скалолазании. Немного фантазируя, можно представить и подобные перчатки с переключаемыми отпечатками пальцев. Другие возможные направления развития технологии – камуфляж, самоочищающиеся поверхности, микропотоковые системы, системы управляемого выпуска лекарств».

«О новом экзотическом материале для создания гибких прозрачных электродов» рассказывает 26 марта www.nanonewsnet.ru. «Международная команда исследователей при поддержке Национальной ускорительной лаборатории SLAC (США) продемонстрировала ультратонкие листы экзотического материала, который сохраняет прозрачность и высокую проводимость даже после тысячекратного сгибания, складывания и сминания подобно бумаге. Результат этой работы важен уже потому, что открывает перед целым классом необычных материалов, называемых топологическими изоляторами, возможные области их практического применения: гибкие прозрачные электроды для солнечных батарей, сенсоров и оптических коммуникаторов.

Итак, получены и всесторонне исследованы образцы материала, в котором одноатомные слои висмута и селена чередуются, образуя пятислойную структурную единицу (юнит). Селеновые связи между отдельными юнитами слабы, что обеспечивает высокую эластичность и долговечность. Неожиданно оказалось, что новый материал обладает ещё и свойствами так называемого топологического изолятора (несмотря на то что поверхность материала является проводником, внутри объёма он изолятор). Правда, потенциал топологических изоляторов в фундаментальных исследованиях и практических применениях до сих пор не был определён. Поскольку в структуре сульфида висмута доминируют атомы поверхностного слоя, материал является исключительно хорошим электрическим проводником, не хуже золота.

Однако, в отличие от золота, селенид висмута прозрачен для инфракрасного света, воспринимаемого нами как тепло. В то время как около половины всей солнечной энергии, достигающей земли, приходит в форме инфракрасного излучения, сегодня практически нет солнечных батарей, способных реально абсорбировать и конвертировать этот свет в электричество (на массовом рынке их нет вовсе). Прозрачные электроды на поверхности большинства фотогальванических ячеек или не пропускают ИК-излучение, или слишком хрупки, или обладают недостаточной проводимостью. Таким образом, новый материал стал неожиданным решением этой давней проблемы, способным существенно расширить спектр абсорбируемого фотогальваническими ячейками солнечного света и, следовательно, повысить их общую эффективность. ИК-импульсы используются для переноса телефонных звонков и данных в оптоволоконных сетях — а значит, селенид висмута может найти применение и в телекоммуникационном оборудовании. Кроме того, материал мог бы быть полезен при изготовлении более качественных ИК-сенсоров для научного оборудования и аэрокосмических систем.

Топологические изоляторы теоретически предсказаны в 2004 году; первый образец такого материала — теллурид ртути, экспериментально полученный в 2006 году, проявлял свойства топологического изолятора только при очень низких температурах. Затем последовали другие примеры подобных материалов — и вот наконец в SLAC получили селенид висмута, который проявляет свойства топологического изолятора при комнатной температуре».

«Просто добавь воды: надуться до объема» предлагает нам 28 марта  www.popmech.ru. «Когда цветочный бутон раскрывается, лепестки его расходятся за счет разного увеличения вбирающих воду клеток в разных его участках. Этот же принцип использовали и американские разработчики, создавшие полимер, который при добавлении воды из плоского становится объемным. Для получения нужного материала работающие под руководством профессоров Райана Хейворда (Ryan Hayward) и Кристиана Сантангело (Christian Santangelo) ученые использовали метод фотолитографии.

На нужные участки плоской подложки был нанесен тонкий слой полимера, после чего ее обработали ультрафиолетовым излучением. Те участки подложки, которые были закрыты от него полимером, легко вбирали воду и заметно увеличивали объем при ее появлении. В других же, тех, что попали под воздействие ультрафиолета, прошла реакция с образованием перекрестных сшивок между молекулами полимера, так что они при появлении воды менять объем оказались практически неспособны. При заранее продуманном распределении тех и других участков неравномерное увеличение их размеров может создавать определенную нужную трехмерную форму.

Пока что авторам, демонстрируя возможности своего подхода, удалось получить таким путем из плоских простейшие трехмерные фигуры – такие, как сферы, «седла» или конусы. Однако в дальнейшем этот набор будет, несомненно, расширяться, тем более что технология обещает массу полезных возможностей в целом ряде областей».

«Ученые создали самовосстанавливающийся гидрогель», пишет 6 марта www.nanonewsnet.ru. «Ученые создали самовосстанавливающийся гидрогель – полимер, чьи молекулы при разрезании куска геля вновь соединяются друг с другом в считанные секунды, что может быть полезно в медицине, в частности, при создании «заплат» для поврежденных тканей, говорится в статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Гидрогель – материал, способный поглощать большое количество воды. Он представляет собой цепочку молекул, которые формируют гибкий желеобразный материал, напоминающий мягкие ткани человеческого тела – кожу, мышцы и сухожилия. Группа под руководством Шайни Варгхесе (Shyni Varghese) из университета Калифорнии в Сан-Диего (США) смогла создать новую разновидность гидрогеля, молекулы которого способны самостоятельно соединиться после разделения. Для этого ученые присоединили к молекулам полимера специальные «пальцы» – боковые цепи молекул, которые выглядят как пальцы руки. «Способность к самовосстановлению – одно из важнейших качеств живых тканей, которое позволяет им выдерживать повторяющиеся повреждения.

Перед биоинженерами постоянно вставал один и тот же вопрос: возможно ли самовосстановление в синтетических материалах, таких как гидрогель. Преимущества открытия заключается в возможности использовать материал в медицине и инженерии», – заявляет Варгхесе. Это не первый самовосстанавливающийся материал. В 2008 году британские ученые разработали композитные материалы для обшивки самолетов, способные к восстановлению своей структуры. В 2009 году группа ученых из университета Южного Миссисипи создала полимерный материал, способный «заглаживать» трещины или царапины под действием солнечного света. Группа Варгхесе создала компьютерную модель геля, которая показала, что способность этого вещества к самовосстановлению зависит исключительно от длины «пальцев». Исследователи обнаружили, что колебания в уровне кислотности приводят к изменению состояния частиц полимера: при высоком содержании кислоты (низкий уровень pH) волокна соединяются, в то время как в щелочной среде (при повышении уровня pH) они разделяются. Ученые несколько раз повторяли эксперимент в кислой среде, и каждый раз молекулы объединялись.

К примеру, две цилиндрических частицы геля мгновенно прилипали друг к другу в растворе кислоты. Участница исследования Амея Пхадке (Ameya Phadke) из университета Калифорнии в Сан-Диего отмечает, что гидрогель сохраняет свою силу и гибкость в кислотной среде, схожей с желудочной. Это делает его идеальным средством для лечения желудочно-кишечных заболеваний. Как отмечают исследователи, применение этого материала возможно во многих областях, гидрогель может входить в состав различных веществ, включая промышленные герметики, самовосстанавливающийся пластик и медицинские нити. Подобный материал также может быть полезен для решения проблем энергосбережения и при переработке материалов, где самовосстанавливающиеся гели могут сократить промышленные и потребительские расходы.

Кроме того, скорость самовосстановления под влиянием кислот позволяют использовать гидрогель для устранения утечек в контейнерах, содержащих агрессивные кислоты. Для проверки этой гипотезы Варгхесе и коллеги проделали на дне пластикового контейнера отверстие и восстановили сосуд, загерметизировав его при помощи гидрогеля. В будущем исследователи надеются провести испытания материала в более крупных масштабах. Ученые рассчитывают разработать другие виды гидрогеля, которые бы могли самостоятельно восстанавливаться при разных уровнях pH».

«Одежда будущего: начинка впечатлит любого», уверяет 20 марта www.nanonewsnet.ru. «Прошли сотни тысяч лет с тех пор, как наши предки начали кутаться в звериные шкуры, чтобы спастись от холода. Сама по себе одежда за это время изменилась несильно. Конечно, сшита она аккуратнее, применяются новые синтетические материалы, а модельеры находят множество стилистических решений. Однако до сих пор теплоизоляционные качества одежды в основном зависят от ее толщины, а прочность, вес, практичность и долговечность никак не сочетаются с впечатляющими достижениями современной науки и техники. К счастью, ученые все чаще обращают внимание и на одежду, которой приходится пользоваться каждому из нас.

Свойства на заказ

На острие «одежного прогресса» стоят не кутюрье, а военные. В октябре прошлого года компания Advanced Fabric Technologies объявила об успешной апробации новой технологии пряжи под названием HEI, которая позволит производить ткани с любыми, какие только придут в голову, свойствами. Изначально технология была предназначена для производства противобаллистических жилетов, защищающих солдат от пуль и осколков.

Уникальная ткань не только защищает от травм, но и имеет противовоспалительные и обеззараживающие свойства. В настоящее время ведется разработка встроенной в структуру ткани системы выпуска кровоостанавливающих и обезболивающих веществ. Такая одежда еще до наложения повязки простерилизует рану и остановит кровь, вылечит отеки, натертости и т.п.

С помощью технологии HEI можно сделать ткань, проводящую электричество, всегда благоухающие свежестью кроссовки и т.д. Возможно, военные проекты наконец-то избавят нас от вечного дискомфорта, когда после морозной улицы приходится потеть в магазине или мучиться от того, что «в куртке жарко, без нее – холодно». Летом 2011 года Пентагон объявил конкурс на разработку долгожданной универсальной одежды: охлаждающей в жару и согревающей в мороз. Добиться этого выдающегося результата планируется с помощью технологии биметаллического термостата. На волокна ткани наносятся наночастицы двух металлов, реагирующих на изменение температуры. При падении температуры один металл сокращается меньше, чем другой, в итоге внутри волокна ткани раскручивается металлическая спираль – диаметр волокна увеличивается, поры в ткани закрываются и сберегают тепло. В жару происходит обратный процесс: спираль сжимается, поры расширяются и эффективно отводят тепло тела.

А пока ученые трудятся над прорывной тканью, людям, страдающим от жары или холода, приходится использовать одежду, выполняющую роль тепловых аккумуляторов. Например, компания Arctic Heat выпускает различные типы одежды, которая содержит специальный экологически чистый биоразлагаемый гель, способный накапливать холод. Высокотехнологичные жилеты, напульсники на запястья, шарфы, шапки и т.д. перед надеванием нужно поместить в холодильник, где замерзший гель накопит холод. Затем в течение некоторого времени одежда с замерзшим гелем будет охлаждать тело, пропуская к коже строго дозированное количество холода и отводя влагу.

Подобные жилеты широко используются в австралийской и американской армиях, а также спортсменами, но могут помочь и обезумевшим от 40-градусной жары горожанам. Если подержать жилет Arctic Heat в ледяной воде в течение 5–10 минут, он останется холодным около 1 часа. Если заморозить жилет на 2 часа, он обеспечит прохладу на 1–2 часа.

На почти 90% транспортных средств американского контингента в Ираке и Афганистане используется и «моторизованная» версия подобного жилета – Microclimate Cooling System (MCS). Этот жилет охлаждается водой: с помощью 6-кг радиатора с вентилятором и насосом, которые питаются от бортовой сети транспорта. Водители и пилоты в восторге от MCS, который спасает даже от 50-градусной жары.

В настоящее время Пентагон работает над созданием облегченной носимой модификации весом 3–4 кг. Правда, на разработку легкого охлаждающего жилета, по мнению ученых, понадобится не менее 10 лет из-за требования обеспечить длительную автономную работу. Компания Novonic борется не с жарой, а холодом. Немецкие ученые разработали технологию вплетения в ткань тонких проводов, которые нагреваются, если пропустить через них ток. Если холод станет слишком сильным, достаточно нажать кнопку и куртка или жилет Novonic почти мгновенно нагреется до выбранной температуры в 34 или 42 градуса Цельсия.

Одежда Novonic питается от аккумулятора весом менее 200 граммов, емкостью 2200 мА/ч и с безопасным напряжением в 7,4 В. Один заряд аккумулятора обеспечивает 6 циклов обогрева по 20 минут каждый, а светодиод позволяет определить текущий уровень тепла и состояние заряда аккумулятора. Надо отметить, что несмотря на добавление электронных компонент, одежду с технологией Novonic можно стирать в обычных стиральных машинах. Под маркой warmX выпускается аналогичное белье с подогревом.

Так, майка warmX оснащена аккумулятором и тонкими, вплетенными в натуральную ткань посеребренными полиамидными волокнами. Они формируют две зоны нагрева над почками, которые, как известно, очень боятся холода, и в районе шеи. WarmX выпускает не только «электромайки», но и колготки, и комбинезоны. За счет тесного прилегания данной одежды к телу для обогрева не требуется много энергии. стати, стоит такая майка 40 евро, комбинезон – 270 евро.

Умная одежда

Идея интегрировать электронику в ткань возникла достаточно давно, но только развитие нанотехнологий позволило ее реализовать. Кроме того, появилась необходимость транслировать движения человека в виртуальную реальность – так появилась одежда будущего, выполняющая совершенно новую функцию. В январе 2012 года компания STMicroelectronics представила костюм iNEMO, который с высокой точностью сканирует сложные движения тела и переводит их в цифровую модель. Облегающий тело костюм iNEMO можно применять для обучения, компьютерных игр и совершенно новых приложений дополненной реальности – например, онлайн-соревнования с чемпионом мира по бегу. Костюм оснащен несколькими датчиками размером всего 13×13×2 мм, которые фиксируют наклон тела с точностью до 0,5 градусов, и уже через 15 миллисекунд виртуальный двойник повторяет даже очень сложные движения. Костюм основан на 32-битных микроконтроллерах STM32, которые управляют не только датчиками движения по 9 осям, но и датчиками давления, температуры и т.д. В начале этого года Пентагон начал проект по разработке «умного» белья, которое сможет контролировать состояние здоровья солдат. Планируется вплести в ткань сеть электронных датчиков для контроля частоты сердечных сокращений, дыхания, активности, температуры тела и его положения в пространстве. На поле боя эта технология позволит командирам обнаружить, что кто-то ранен, а в мирной жизни люди смогут непрерывно следить за состоянием здоровья – собственного и членов семьи.

Важный шаг к разработке «умной» одежды сделали в сентябре 2011 года ученые из Центра нанотехнологий НАСА. Они научились сплетать медные волокна толщиной в 1 мм и соединять их с тканью одежды. Новый гибкий материал может объединять различные электронные компоненты и даже хранить информацию более 100 дней. Плотность хранения данных в новом материале зависит от количества точек пересечения медных проводов. Если уменьшить расстояние между проводниками до 50 нм, на кусочке ткани 1х1 см можно создать 10 млрд точек пересечения, что позволит создать накопитель информации емкостью 10 Гб. Электронной текстиль, сделанный специалистами НАСА, легко интегрируется с различными датчиками, микропроцессорами и аккумуляторами.

По схожему пути пошли ученые из Университета Каглиари (Италия), которые нашли способ создать электропроводящие хлопковые волокна, причем на базе этой технологии можно создать основной компонент электроники: транзистор. Для создания хлопкового транзистора итальянские ученые используют затвор из хлопкового волокна, покрытого смесью золотых наночастиц и проводящего полимера. Затем волокна хлопка покрывают полупроводниковым материалом, а электродами служат две крохотные капельки серебра. Переключение транзистора производится с помощью изменения напряжения на затворе. Невооруженным глазом отличить обычные хлопковые нити от «электронных» невозможно, при этом из хлопковых транзисторов можно сплетать микросхемы различного назначения. Достоинством «плетеной электроники» является создание ткани-микросхемы, которая способна самостоятельно выполнять различные вычислительные операции.

Что это означает на практике? Прежде всего, майку-меддиагност, пиджак-смартфон, куртку-ноутбук и т.п. Мощность таких устройств будет намного меньше, чем у традиционных девайсов, но зато они будут удобнее в использовании и возьмут на себя множество новых функций, вроде автоматического вызова экстренных служб или непрерывного контроля условий окружающей среды, например, на предмет токсинов. Скорый технологический рывок в области одежды неминуем. К сожалению, неблагоприятная экология требует все больше данных об окружающей среде и собственном здоровье, чтобы не прозевать серьезную опасность. К тому же, климат все более непредсказуем, и утром все проще ошибиться с выбором одежды. Ну а о путешествиях и речи нет: много электроники и вещей на любую погоду не возьмешь, так что «умная» одежда наверняка найдет своего покупателя».

Продолжение следует

Алфавитный указатель: 

Рубрики: 

Комментарии

Re: НТИ март 2012 Ч 2 Электроника, Новые материалы

«Конденсаторы вполне способны заменить литиевые батареи», пишет 13 марта www.nanonewsnet.ru. «Исследователи из Университета Северной Каролины (США) открыли способ, позволяющий поливинилиденфторидовому конденсатору накапливать и быстро отдавать значительно большее количество энергии, чем раньше.

Оригинал здесь: http://news.ncsu.edu/releases/ranjanprl/

К сожалению, оригинал технической статьи недоступен в бесплатном доступе. Если у кого есть подписка, можно поискать здесь: Phys. Rev. Lett. 108, 087802 (2012) [5 pages] (http://prl.aps.org/abstract/PRL/v108/i8/e087802)

Честно говоря, заметка оставляет странное впечатление. Супер-конденсаторы известны достаточно давно и используют в качестве электродов проводящие материалы. При этом PVDF – хорошо известный в электрохимии диэлектрик и широко используется как в супер-конденсаторах, так и в литий-ионных аккумуляторах. Фторопласт тоже известен как отличный диэлектрик. Разумеется, какое-то количество энергии можно запасти на диэлектрике, но мизерное. Если ребята нашли способ запасать большой заряд на этих материалах – полный респект, но верится с трудом.

Кроме того, чисто по-американски, неплохой результат представляется в качестве революционного: энергия порядка 70 Вт*ч/кг вовсе не является экстремально высокой (Литий-ионные аккумуляторы выдают до 250 Вт*ч/кг в малых призматических версиях с полимерным корпусом и до 100 250 Вт*ч/кг для аккумуляторов гибридных авто).

Хотя, разумеется, заявленный результат для супер-конденсаторов является исключительно хорошим. Попробую все же поискать статью на работе. Если кто-нибудь имеет доступ к статьям Phys. Rev. Lett. – не откажите прислать.

Кстати, в порядке патриотической гордости: «предлагается новая технология создания аккумуляторов электрической энергии на основе конденсатора из наноструктурированного диэлектрика, с удельной емкостью 1.6 МДж/кг и неограниченным количеством циклов перезарядки» (http://www.ivanov-portal.ru/nano/.3131....0.0.0.html). Оригинал еще не прочитал, но звучит более, чем заманчиво. По существу же – опять диэлектрический конденсатор!!!

(при чтении не удивляйтесь опечатке в названии статьи: вместо «БиОэлектронный аккумулятор» следует читать «Биэлектронный аккумулятор»).

«Промышленники поставили на поток оригинальные светодиодные чипы», сообщает 21 марта www.membrana.ru.

Довольно много красивых технических подробностей можно найти на сайте компании: http://www.epistar.com.tw/_english/10_technology/00_detail.php?TID=3

В принципе – нормальная хорошая инженерная работа. Здесь любопытны, скорее, методические элементы:

1 Тримминг. Простенько и аккуратно. И действительно, если нарисовать простую ФМ системы, то трансформатор сразу захочется как-нибудь убрать. При этом ответ практически сразу выскакивает, например, из ФОС: именно так поступают в фотовольтаике, получая на выходе модуля от 24 В до 240 В при напряжении на первичной ячейке 0,25 – 1,3 В.

2 Вторичные проблемы и их важность. Начав с диода 216 Люмен/Ватт, они закончили светильником 90 Люмен/Ватт. Тоже, конечно, неплохо, но уже явное не то!

Subscribe to Comments for "НТИ март 2012 Ч 2 Электроника, Новые материалы"