Врученная в 2010 году Андрею Гейму и Константину Новоселову Нобелевская премия за эксперименты над графеном — одним из самых популярных сейчас «чудо-материалов» — ещё больше подогрела интерес научного сообщества к поискам решений в области новых материалов.
Например, трое выпускников из университетов Токио, Цукубы и Карнеги-Меллон предлагают использовать в качестве проекционного экрана мыльную плёнку, а точнее, пленку коллоидного раствора. Они обнаружили, что под воздействием ультразвуковых волн можно менять оптические свойства плёнки. Направляя на коллоидную плёнку ультразвук той или иной частоты, возможно сделать плёнку более или менее прозрачной или изменить её отражающие свойства. В качестве примера исследователи показали линейный 3D-экран: проектор светит через две поставленных последовательно рамки с мыльной плёнкой, которые быстро поочередно меняют свою прозрачность, тем самым создавая эффект объёмности изображения. Разумеется, это пока лишь прототип, и вряд ли использование мыльной плёнки как таковой найдёт себе применение, однако полупрозрачный материал с контролируемыми оптическими свойствами, который может быть разработан на основе этого проекта, был бы весьма востребован.
Инженеры из Массачусетского технологического института пошли по обратному пути:
они разработали «идеальное стекло», которое не только абсолютно прозрачно, но и отталкивает воду.
Новое стекло практически не создает бликов, даже его освещают под большим углом, не запотевает и не пачкается. Такие свойства стеклу придают нано-конусы, которыми усеяна его поверхность.
Они составляют 200 нанометров в основании и 1000 нанометров в высоту и наносятся на стекло с помощью довольно сложной технологии, позаимствованной из области полупроводников. На стекло наносится несколько слоев нано-материалов, включая слой фоторезиста, который подсвечивается сеткой и удаляется с помощью травления. Инженеры уже подали заявку на патент. Однако основная ценность как раз не в методе изготовления, а в самой идее. Например, если в будущем получится упростить процесс, то можно будет наносить эту нано-текстуру на полимеры или пластик с помощью пресса, который будет «продавливать» нано-конусы прямо на поверхности материала.
Пока неясно, насколько устойчивыми к внешним воздействиям будут такие нано-конусы на поверхности стекла. Ученые утверждают, что они точно выдерживают падение капель дождя и попадание несомых ветров частиц пыльцы, а также прикосновение пальца. Судя по таким лаконичным заявлениям, вряд ли в ближайшее время супер-стекло можно будет поставить на автомобиль или мобильный телефон, однако его выдающиеся оптические свойства и «самоочищаемость» делают его идеальным вариантом для использования в солнечных батареях.
По утрам и вечерам, когда солнечные лучи падают на Землю под большим углом, почти 50% солнечной энергии, поступающей на солнечные батареи отражается от стекла. Использование нано-стекла может значительно повысить их эффективность.
Разработка водоотталкивающих материалов сейчас идёт весьма активно. Другая группа исследователей из того же Массачусетского технологического института исследовала возможные решения для проблемы засорения топливных линий, а в результат разработала материал под название LiquiGlide, который, как считают создатели, идеально подходит для покрытия внутренних поверхностей пищевых контейнеров, например бутылок для соусов. Они считают, что это позволит существенно снизить количество пищевых отходов, ежедневно выбрасываемых на помойку и просто облегчить «вытряхивание» соусов из бутылок. Фирма NeverWet утверждает, что разработала покрытие, которое защищает любые материалы от влаги, обледенения и корозии, благодаря беспрецедентно большому углу контакта капель воды с обработанной поверхностью: 165 градусов, против 116 градусов у самого известного водооталкивающего средства Scotchguard. К сожалению, такого рода проекты в основном коммерческие, поэтому их создатели неохотно раскрывают научную составляющую — как именно работают эти средства и работают ли вообще, пока неизвестно.
В поисках новых материалов учёные часто обращаются к природе.
Собственно, идея с нано-конусами на стекле вдохновлена листами лотоса, которые отталкивают воду по такому же принципу. Один из наиболее перспективных природных материалов — шёлк. Тысячи лет нити из коконов шелковичных червей используются для производства ткани. Исследователи активно пытаются придумать, как использовать шёлк для производства твердых материалов, например, пластика. Шелковый пластик был бы абсолютно безвреден для окружающей среды, легок и прочен. Однако отдельные шелковые нити недостаточно прочны для такой задачи. С другой стороны, известно, что паутина по прочности превосходит сталь такого же сечения. Но в отличие от шелковичных червей, пауки не способны производить паутину в промышленных количествах, к тому же они агрессивны. Ученые из университета Вайоминга пытаются решить эту проблему с помощью генетики.
Используя генетическую технологию PiggyBac, они вывели шелковичных червей, обладающих химерным белком с элементами белка паука. Благодаря этому
Если такой червь покажет отсутствие генетических заболеваний на протяжении поколений, и если учёным удастся уверить общественность, что генно-модифицированные насекомые не нанесут непоправимого ущерба экосистеме, то такой «паучий» шёлк позволит создавать очень лёгкие и прочные ткани, которыми в первую очередь заинтересуется оборонная промышленность.
Однако по-настоящему учёных взбудоражило только получение силицина.
Силицен — это кремниевый аналог графена.
Так же, как и графен, силицен представляет из себя сетку из шестиугольных ячеек толщиной в один атом, только вместо атомов углерода — атомы кремния. Теоретически существование силицена было предсказано давно, однако только весной 2012 года физики смогли получить настоящий силицен, распылив кремнивый пар на серебрянный субстрат. Впрочем, его пока невозможно использовать, это послужило лишь доказательством того, что его можно получить. Как минимум четыре группы ученых сейчас изучают возможности «вырастить» силицен на непроводящей поверхности.
Силицен может стать альтернативой графену для создания электроники. Он обладает похожими свойствами по проводимости, однако, в отличие от графена, у него достаточно широкая для использования в полупроводниках запрещённая зона. К тому же современные платы основаны на кремнии — это обеспечит лучшую совместимость. Если удастся наладить производство силицена, то, возможно, откроются немало уникальных свойств этого материала, как сейчас происходит с графеном.
В то время как основанные на кремнии полупроводники постепенно подходят к пределам своих возможностей, разработки нано-материалов могут стать ключевым звеном в следующей технической революции. Вычислительные и производственные технологии развиваются быстрее, чем появляются новые материалы с новыми свойствами, которые могли бы воплотить текущий потенциал науки. Сейчас наблюдается тенденция концентрации на долговременных инновациях, которые обеспечивают не экстенсивное, а интенсивное развитие технологий — но понадобится еще как минимум пять-десять лет, прежде чем действительно новые материалы — будь то нано-материалы или природные структуры.
