Ученые победили природу: эти материалы прочнее стали и алмазов
Сверхтвердые, сверхлегкие, сверхпрочные — искусственные материалы, которые еще недавно казались фантастикой, сегодня работают в наших станках, ядерных реакторах и используются в микроэлектронике. Но что делает подобные структуры настолько исключительными и почему одни уже перебрались в категорию массовых, а другие пока остаются скорее теорией? Разбираемся на наиболее показательных примерах.
Синтетические алмазы
«Синтетические, или искусственные, алмазы (англ. laboratory-grown diamonds) — это алмазы, получаемые в результате искусственного процесса, в отличие от натуральных алмазов, создаваемых в результате геологических процессов», — говорится в определении.
Вместе с тем уточняется: более 90% алмазов, которые сегодня используют в промышленных областях, — синтетические. И неспроста. Их свойства, в первую очередь связанные с «исключительной твердостью», дают о себе знать. Для понимания: недавно ученые создали алмаз, показавший твердость 155 гигапаскалей и сохранявший термическую стабильность до 1100 градусов Цельсия. Природные алмазы, как правило, отличаются твердостью 70—100 гигапаскалей и выдерживают температуры до 700 градусов Цельсия.
Впрочем, экономические причины также играют роль. На формирование природного алмаза уходят стони миллионов лет. Процесс их добычи и огранки также требует как средств, так и времени. С синтетическими, особенно на нынешних этапах производства, подобных проблем нет: репликация дешевле и идет быстрее.
Выделяют три основных метода производства синтетических алмазов. Первый — самый распространенный — с использованием многотонных прессов, развивающих давление до 5—6 ППа, и высокой температуры (до 1500 градусов по Цельсию). Сперва готовится небольшой затравочный кристалл, вокруг которого засыпается углерод в графитовой форме. Все это помещают в пресс при указанной температуре. Под воздействием графит распадается на атомы углерода, которые присоединяются к кристаллу, увеличивая их общие размеры. Готовый алмаз извлекают из пресса спустя несколько дней.
Еще один метод, CVD, предполагает химическое осаждение из газовой фазы. Третья вариация более редкая, но и, видимо, филигранная: формирование наноразмерных алмазов идет при помощи ударной волны от взрывчатки.
Важно: искусственные алмазы состоят из тех же атомов углерода, что и природные. У них такая же кристаллическая структура, что и у природных алмазов. При этом многие искусственные камни отличаются повышенной твердостью, устойчивостью к износу и теплопроводностью.
Как конкретно их применяют в деле (если не брать в расчет ювелирные изделия)?
- В строительстве и машиностроении — для создания режущих, сверлильных инструментов. Последние позволяют обрабатывать бетон, гранит, металлы, стекло.
- Синтетические алмазы используются для создания абразивных кругов, паст и порошков и дают высокую точность обработки в таких сферах, как микроэлектроника, оптика.
- Благодаря теплопроводным свойствам алмазы применяются при производстве полупроводников — то есть там, где нужно быстрое рассеивание тепла.
- Как оптические элементы в лазерных установках, а также при разработке элементов для спутников, зондов и другого оборудования, работающего в космосе.
Карбид бора
Этот искусственно созданный человеком материал (впервые — в конце XIX века) получают через нагревание бора с углеродом (сажей) при температурах выше 1600 градусов Цельсия. Зачем? Так материал получает уникальные свойства: высокую твердость, устойчивость к излучению, способность к поглощению нейтронов.
Давайте упростим: в жизни карбид бора, как правило, представляет собой серо-черные блестящие кристаллы, которые с чем-то впоследствии миксуют. При этом материал на самом деле во многом уникальный. Например, у него низкая плотность (он легче алюминия) и высокая химическая инертность — другими словами, карбид бора почти не реагирует с другими веществами даже при повышенных температурах.
По твердости — хотя точнее сказать: по способности сопротивляться царапанью — карбид бора, как утверждают, входит в тройку самых устойчивых из всех промышленных материалов в мире. Уступая, опять же, только описанным выше алмазам. Хотя по параметру баллистической стойкости на единицу массы карбид — едва ли не лидер в мире.
Благодаря последнему материал зачастую используют при производстве брони — причем самой разной. Как для личного состава, в пластинах бронежилетов, так и в военной технике. Опять же: сочетание высокой твердости и малой массы карбида позволяет эффективно приостанавливать бронебойные пули и осколки.
Еще одна неочевидная сфера применения материала — ядерная отрасль. Бор выступает мощным поглотителем нейтронов, особенно изотопов В-10. Поэтому его позволяется использовать при разработке стержней регулирования реакторов, защитных элементов.
Графен
Созданный вручную углеродный материал, обладающий — правда, в некоторой степени теоретически — просто удивительными свойствами. Графен открыли в 2004 году, Нобелевскую премию исследователям вручили в 2010-м.
При толщине всего в один атом и при всей кажущейся тонкости графен является одним из самых прочных из известных науке материалов. Некоторые исследователи и вовсе называют его самым прочным, превосходящим по этому параметру как сталь, так и алмазы.
Но у него наблюдаются и другие свойства. Так, графен имеет отличные теплопроводность, гибкость и упругость, и при этом материал на 97% прозрачный. Это позволяет использовать его в электронике. Например, уже сегодня во внешних аккумуляторах (пауэрбанках), заряжающихся всего за 20—30 минут и обещающих полностью восполнить энергию флагманского смартфона примерно за это же время.
Еще одна область — продвинутый спортинвентарь. Например, существует теннисные ракетки, которые за счет графена весят до 300 граммов меньше обычных, но при этом отличаются той же силой удара. Машинное масло с графеном, как утверждается, способно снизить износ двигателей.
Будущее применение графена, по мнению части исследователей, может включать гибкую электронику, умную одежду, еще более эффективные солнечные батареи, системы опреснения воды. Графен обладает свойством биосовместимости — может взаимодействовать с живыми клетками. Это, как уточняют специалисты, поможет в диагностировании и даже лечении заболеваний, справиться с которыми пока сложно. В том числе рака.
Почему в таком случае в самом начале главы упоминаются «теоретические свойства» материала? Главным образом потому, что его массовое производство до сих пор, спустя более 20 лет после открытия, не налажено и назвать точные сроки кто-то вряд ли решится. Все из-за того, что имеющиеся методы получения графена, как правило, объединяет сразу несколько отягчающих факторов: сложность, энергозатратность, малый выход и нестабильное качество материала.
Кроме того, графен очень дорогой — особенно тот, что применяется в электронике и/или поставляется в чистом виде. Источники говорят о сотнях миллионов, а иногда и миллиардах долларов. С примесями (например, пылью) ценник скромнее — и тем не менее.
Есть о чем рассказать? Пишите в наш телеграм-бот. Это анонимно и быстро
Перепечатка текста и фотографий Onlíner без разрешения редакции запрещена. ga@onliner.by
