VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Введение

Химия и материаловедение играют большую роль в жизни людей. Материал – это вещество или предметы, идущие на изготовление чего-либо. От них зависит будущее человека, поскольку новый материал дает широкие возможности и не только в одной отрасли. Поиск и в конечном итоге результат, т.е. изготовление нового, осуществляют непосредственный прогресс, тем более в XXI веке возрастает важность решения подобной проблемы. А основные запасы часто используемых материалов (например: железо, медь, цинк, олово, золото, серебро и т.д.), при нынешних масштабах добычи, иссякнут практически в течение столетия, что за историю всего земного шара покажется моментальным.

И потому очень важно раскрыть все возможности химии и материаловедения в различных отраслях. Они помогут преобразить наш мир красками, улучшить экологию, создать новые лекарства, медикаменты и приборы, и просто сделать жизнь проще и комфортнее.

Но перед нами стоит ряд нерешенных вопросов, на некоторые из которых мы можем дать на сегодняшний день лишь поверхностный ответ. Рассмотрим некоторые пару из них: За какими материалами стоит будущее? Какими свойствами они должны обладать?

1 Возможности и разработки химии в создании новых материалов1.1 Существует ли материал XXI века?

Уже давно не секрет, что вещество может иметь две структуры, примером тому служат алмаз и графит. Таким же свойством обладает и железо, в результате чего сталь закаливается. Тем не менее, существуют и не железные сплавы, которые содержат подобное свойство, однако оно отличается. Отличие его в том, что материал обладает памятью формы. В этом случае изменение кристалла одной структуры в другую осуществляется так, что внешняя форма кристалла запоминается, и тогда его можно согнуть, и он разогнется лишь при нагревании. Именно такая память может стать одним из ведущих качеств, необходимых в различных отраслях. Материалом обладающим памятью форм является также металлическое стекло. Оно то прочное, как сталь, то пластичное, как полимерные материалы, способно пропустить ток и обладает высокой коррозионной стойкостью. В соответствии с его ролью такой материал нужно было бы назвать «материалом XXI века», если бы не хрупкость. Такое стекло заняло бы достойное место в медицине (имплантаты), радио и электротехнике. С нынешними материалами приходится чем-то жертвовать. Образцами того может служить еще целое множество материалов.

Так существует ли материал XXI века на самом деле? Определенного ответа на поставленный вопрос не существует. Поскольку век только начинается, нельзя с совершенной уверенностью дать ответ. Возможно, это металлическое стекло, силикон, или, быть может, композиционные материалы….

1.2 Композиционные материалы

Требования XXI века и будущего упираются в создание новой технологии композиционных материалов на основе углеродных волокон, способных выдерживать высокие температуры. Речь идет даже не о повседневной обычной жизни на Земле, а о космосе, где требуются двигатели и более незначительные детали, как кромки крыльев, которые выдерживают температуру в 4000°C, обладать прочностью до 200 МПа и плотностью около 2 г/см3. Аналогично можно рассмотреть необходимые характеристики и для авиации. В основном композиционные материалы получают путем пропитки каркаса из волокон наполнителя расплавом металла под высоким давлением и температурой, с дальнейшей прессовкой и прокаткой. Но также применяются и методы порошковой металлургии.

По общему мнению, свойства, которыми обладают композиты, получить тяжело и применяемым путем использования углеродных волокон нельзя ограничиваться. Нужно искать другие способы создания композиционных материалов с подобными качествами.

1.3 Тверже алмаза

Алмаз уже давно не является самым твердым материалом, его твердость составляет порядка 150 гигапаскалей. В отличие, например от фуллеритов, которые занимают лидирующие позиции в перечне самых твердых материалов.

Первое место получил ультратвердый фуллерит, твердость которого от 150 до 300 ГПа. Способ получения такого материала был открыт российскими учеными. Они предложили добавить к смеси реагентов сероуглерод, который является катализатором в синтезе фуллерита. Именно за счет такого добавления стало возможным получить столь ультратвердый материал при достаточно малом давлении – 8 ГПа. Раньше все попытки получить подобный фуллерит заканчивались неудачей, так как его синтез без потусторонних веществ был возможен только при давлении в 13 ГПа, а так же требовался нагрев свыше 830°C.

Использование материала в промышленных масштабах пока невозможно. Это обусловлено тем, что создание большого количества трехмерного материала требует высокого давления от 13ГПа. По сути, проблема заключается не просто в создании подобного давления, а его создания в достаточно большом объеме, что не позволяет современная техника.

1.4 Умный материал

Настраиваемая химическая реакция и регенерация уже существует. Речь идет о самовосстанавливающемся пластике, который необходим в медицине и в различной технике (военной, морской, автомобильной). Ранее он был способен «заживить» лишь микроскопические трещины и отверстия, но благодаря разработкам ученых США, «умный» пластик восстановится от пулевого ранения примерно за 20 минут. Минус заключается в том, что возобновление происходит с потерей прочности не более 38%.

Если же разработки пойдут дальше, то можно будет говорить о совершенстве животного тела. Так как все царапины и раны зарастут сами без шрамов и под контролем времени заживления. А что если тот же эффект можно будет проделать и с внутренними органами? Или даже с костями и хрящами? Тогда живое существо смогло бы жить чуть ли не вечно. Поскольку можно дойти до того, что просто не будет омертвевших клеток внутри организма, и о распространенных болезнях связанных именно с таким типом клеток, можно было бы забыть.

1.5 Волокна и волокнистые материалы

Волокна и волокнистые материалы давным-давно заняли мировой рынок. Из века в век меняются тенденции в их развитии, которые позволяют оптимизировать функциональные характеристики все возможного назначения. Сейчас идет эра «умного текстиля», которая имеет два направления. Первое – колоритное, обладающее, например, необычными цветовыми эффектами. Второе – интеллектуальное. Это означает создание и освоение новых текстильных технологий, предполагающих огромный набор новых свойств. Данное направление в первую очередь направленно на военных. «Умная ткань» должна уметь «отслеживать» сердцебиение и общее самочувствие солдата, локализовать раны, самоочищаться, поддерживать необходимую температуру тела, быть легкой и удобной, заменять бронежилет, включать в себя небольшую систему связи. Сегодня ведущую роль в попытке создания подобного комплекта играют нанотехнологии. Таким образом, происходит развитие традиционных волокон, с дальнейшей их модификацией, и внедрение принципиально новых химических волокнистых материалов – «умный текстиль».

1.6 Углеродный аэрогель

Углеродный аэрогель лишен недостатков своих предшественников состоящих либо из графена, либо из углеродных нанотрубок. Он сочетает в себе и первый, и второй ингредиент. Отличие его в том, что он особо низкой плотности, твердости и теплопроводности, имеет высокую способность восстанавливать форму, т.е. эластичность.

Аэрогели по прочности схожи с твердыми телами, а по прочности с газом. Один из лучших примеров кварцевого аэрогеля имеет плотность примерно 2 мг/см3. Еще одно качество аэрогеля, это – пористость. Благодаря ему в 2006 году удалось собрать и доставить на Землю образцы межпланетной пыли.

Если рассматривать старые образцы аэрогеля, то недостатком их являлась хрупкость. Таким минусом обладали аэрогели из кварца и из некоторых оксидов металлов и углерода, все они при повторных нагрузках растрескивались. Но создание углеродного материала (аэрогеля) исключило подобную хрупкость и непрактичность.

Кроме качества упругости углеродный аэрогель, состоящий из графена и углеродных нанотрубок, обладает электропроводностью. А свойство абсорбирования жидкостей может послужить для ликвидации разливов нефти и очищения воды от органических веществ. Так его можно сравнить с губкой, которая как впитывает, так и выводит жидкость, а остаток веществ удаляется в результате испарения.

Поскольку углерод обладает различными формами и настолько же разнообразными свойствами, то можно ожидать новых открытий в этой области.

1.7 Германен

Создание германена или, как его назвали сами ученые «двоюродный брат графена» предсказывали еще в 2009 году. Но только в 2014 году удалось получить нужный материал.

Так же как и другие двумерные материалы, например графен и силицен, германен получают путем осаждения отдельных атомов на подложку при высоких температурах в вакууме. Подложка может быть разной, главное чтобы оставалась характерная ячеистая структура двумерного материала.

В качестве эксперимента сначала решили использовать серебро, так как оно является подложкой для получения силицена. Однако для получения германена такая подложка не подошла. В качестве другого материала было предложено золото, с которым эксперимент завершился удачно. Плюсом подобной находки является то, что золото по сравнению с платиной, которую предложили применять в Китае, гораздо дешевле. А если слои германена в будущем получится наращивать на тончайшую золотую подложку, то это дополнительно удешевит процесс производства и партии выпускаемого материала значительно увеличатся.

Заключение

Потребность людей заключается в создании и применение перспективных конструкций и изделий с «удобными» параметрами, такими как: неисчерпаемость ресурса, прочность и пластичность, жароустойчивость и морозостойкость, легкость, самовосстановление, легкость регулирования. В настоящее время внедрение новых материалов имеет большое значение, в том числе для окружающей среды. Потому что, они должны быть менее токсичными и обладать свойством саморазложения.

Разработка принципиально новых химических технологий послужит причиной образования нового поколения продуктов с большим количеством различных свойств, которые приведут в конечном итоге к появлению их во многих отраслях промышленности, в т.ч. здравоохранении, ракетостроении, электронике, энергетике, связи.

Список используемой литературы

1 Copyright: Новые материалы как перспективная химическая продукция [Электронный документ] URL: http://www.chem.msu.ru/rus/journals/membranes/3/puti_tx6.htm

2 Евразийский Химический Рынок: Умный текстиль [Электронный документ] URL: http://www.polymery.ru/letter.php?n_id=1339&cat_id=3

3 Доронин, Ф. Нанометр, Нанотехнологическое Сообщество: Самовосстанавливающийся пластик [Электронный документ] URL: http://www.nanometer.ru/2014/05/19/polymer_414488.html

4 Доронин, Ф. Нанометр, Нанотехнологическое Сообщество: Аэрогель из графена и углеродных нанотрубок лишен недостатков своих предшественников [Электронный документ] URL: http://www.nanometer.ru/2013/07/17/grafen_332974.html

5 Доронин, Ф. Нанометр, Нанотехнологическое Сообщество: Разработан новый метод синтеза ультратвердого фуллерита [Электронный документ] URL: http://www.nanometer.ru/2014/09/12/ultratverdij_fullerit_415442.html

6 Доронин, Ф. Нанометр, Нанотехнологическое Сообщество: Ученые создали графеноподобный материал из германия – германен [Электронный документ] URL: http://www.nanometer.ru/2014/09/14/grafen_415479.html

 

10

 

Код для цитирования: Скопировать