Mokslas ir IT

2019.06.01 19:57

Stebuklingos medžiagos: kaip pastatyti aplinkkelį kraujagyslėms ir kada indelyje neliks majonezo likučių

LRT.lt 2019.06.01 19:57

Mokslininkai gana dažnai paskelbia, kad viena ar kita medžiaga sukels tikrą revoliuciją. Vienos medžiagos turėtų padėti sukurti nematomumo apsiaustą, kitos – idealų pomidoro padažo ar majonezo indelį, kuriame niekados neliktų likučių. Dar daugiau – kai kurios medžiagos pačios moka atsikurti ir tarsi yra gyvos.

1907 metais buvo sukurtas bakelitas – pirmasis sintetinis plastikas. Iš pradžių ši medžiaga laikyta tik pigia alternatyva kokybiškoms medžiagoms, tačiau pamažu požiūris keitėsi – plastikas (arba polimerai) tapo dažniausiai naudojama medžiaga daugelyje sričių.

Žmonijos susidomėjimas polimerais gali būti laikomas medžiagotyros mokslo šakos pradžia. Tai yra chemijos ir fizikos mokslus jungianti šaka, kurios vienas iš tikslų – padėti sukurti naujas, šiuolaikinei pramonei tinkamas medžiagas.

Pristatome medžiagas, šiuo metu labiausiai dominančias mokslininkus.

Nuo majonezo indelio iki medicininių stentų

„LiquiGlide“ yra MIT sukurta danga, pasižyminti slidumu ir nuolatiniu drėgnumu. Be to, ši medžiaga turi atsikūrimo savybių, nes skystoji danga padengia ir užpildo bet kokius paviršiaus įbrėžimus ar defektus.

Viena iš tokios dangos panaudojimo sričių yra produktų įpakavimai. Tik įsivaizduokite „LiquiGlide“ padengtą kečupo buteliuką ar majonezo indelį. Kadangi pakuočių turinys negali prikibti prie sienelių, nebėra jokio vargo jį iškratyti.

Danga gali būti naudojama ir medikų. Prisiminkite plėtiklį – stentą. Tai yra nedidelis, išsiplečiantis metalinis tinklelis, kuris, patalpintas arterijoje, neleidžia jai susitraukti. Vis dėlto dėl aterosklerozinių plokštelių sankaupų stentai gali užsikimšti. „LiquiGlide“ danga yra labai slidi, ji padėtų to išvengti.

Naftos pramonė taip pat galėtų išnaudoti šią medžiagą: ja padengus vamzdžių vidų, galima sumažinti trintį ir taip apkarpyti energijos kiekį, kurio reikia naftai pumpuoti.

Tamsiausia kada nors sukurta medžiaga

„Vantablack“ vadinama panašiausiu į juodąją skylę objektu, kokį mums pavyks iš arti pamatyti. Net 99,965 procento ją pasiekiančios šviesos absorbuojanti „Vantablack“ yra tamsiausia medžiaga, kada nors sukurta žmonių. Įdomu tai, jog šia medžiaga padengtas bet koks trimatis objektas tampa toks tamsus, kad beveik neįmanoma įžvelgti jokių paviršiaus ypatybių – jis pradeda atrodyti kaip dvimatis. Pati „Vantablack“ danga iš esmės yra vertikaliai išdėstytų anglies nanovamzdelių „miškas“.

„Vantablack“ medžiagai sugalvota įvairių techninių pritaikymo galimybių. Pavyzdžiui, ji gali būti panaudota kosminių zondų optiniuose instrumentuose. Šviesos triukšmą absorbuojanti medžiaga galėtų padėti aptikti net blankiausius ir tolimiausius astronominius objektus. „Vantablack“ taip pat naudota kuriant prabangius produktus. Kūrėjai akcentuoja estetinį medžiagos efektą, kaip pavyzdys minimas 85 tūkst. eurų kainuojantis šveicarų kompanijos MCT laikrodis.

Baigėsi deimantų laikas

Grafenas yra vadinamas pirmąją pasaulyje dvimate medžiaga. Daugybę metų manyta, kad egzistuoja tik du anglies alotropai: grafitas ir deimantas. Alotropai – tai skirtingos elemento formos, pasižyminčios skirtingomis savybėmis. Pavyzdžiui, grafitas yra minkštas ir juodas, o deimantas – skaidrus ir kietas, tačiau šiuos abu alotropus sudaro anglies atomai, sujungti ryšiais trijuose matmenyse. Grafeną sudaro vienoje plokštumoje sujungti anglies atomai, išsidėstę šešiakampe struktūra.

Nors grafitas yra trijų matmenų molekulė, žinoma, kad ją sudaro glaudžiai susietų anglies atomų sluoksniai, tačiau tarp šių sluoksnių ryšiai yra gerokai silpnesni. Todėl buvo iškelta hipotezė, jog galėtų egzistuoti dvimatė anglies forma, kurioje šie ryšiai tarp sluoksnių yra sutraukyti. Kitais žodžiais tariant, su lipnia juosta nuo grafito bloko nutraukiami anglies atomų sluoksniai, kol lieka vienintelis vieno atomo storio sluoksnis.

Šiuo metu grafenas jau gali būti išgaunamas įvairiais metodais, kurie labiau tinka komercinei gamybai.

Nors grafenas yra pirmoji dvimatė medžiaga, tačiau ne paskutinė. Išgauti dvimačiai germanio (germanenas), silicio (silicenas) ir fosforo (fosforenas) alotropai. Kai kurios neįprastos ir vertingos šių dvimačių medžiagų savybės labai skiriasi nuo trimačių jų atitikmenų ir gali būti labai naudingos.

Grafenas yra itin hidrofobiškas, todėl jį galima panaudoti kuriant vandeniui atsparias medžiagas. Grafenas yra puikus laidininkas, leidžiantis ant lanksčių medžiagų išspausdinti plonas, lankstomas el. grandines. Tai leistų gaminti lanksčius saulės elementus ir net išmaniąsias pakuotes.

Lengvos plytos

Net 150 iš aerogelių pagamintų plytų svertų ne daugiau kaip 4 kilogramus. Vienas iš gelių pavyzdžių yra pyragą dengiantis želė sluoksnis, kuris, nors atrodo pakankamai tvirtas, iš tiesų gali būti sudarytas beveik vien tik iš vandens. Likusią dalį sudaro želatina, suformuojanti molekulinį narvą primenančią struktūrą, galinčią įkalinti vandenį ir suteikti jam stabilumo.

Aerogelis yra panašus, tačiau jį sudaro ne vanduo, o dujos (dažniausiai oras), užimančios didžiąją dalį medžiagos tūrio. Daugumą aerogelių sudaro bent 95 procentai dujų, nors įmanoma, kad oras užimtų net 99,98 procento viso medžiagos tūrio. Mažytės dalelės kito sudėtinio elemento pakanka, kad aerogelis pasižymėtų kietosios medžiagos savybėmis.

Dažniausiai aerogelis yra gaminamas iš kvarco (silicio dioksido), tačiau jis taip pat gali būti pagamintas iš kitų metalų oksidų, anglies, polimerų ir net grafeno. Panaudojus pastarąjį, aerogelis gali būti net 7 kartus lengvesnis už orą.

Blizgantis vandenilis

Mes visi žinome, kad vandenilis yra dujos, tačiau Harvardo universiteto mokslininkai atrado ir kitą šio gausiai visatoje paplitusio elemento pusę. Dujinį vandenilį vis labiau slegiant tarp deimantų viršūnėlių, jis virsta tvirta juodos spalvos medžiaga. Galiausiai pasiekus 495 gigapaskalių slėgį (didesnį, nei vyrauja Žemės branduolyje), vandenilis pasiekia ne tik kietąją agregatinę būseną, tačiau tampa blizgiu ir laidžiu elektrai. Tai yra metalams būdingos savybės.

Tam tikra prasme tai nebuvo didelė staigmena, nors norint tai patvirtinti eksperimentu, prireikė įveikti nemažai sudėtingų inžinerinių iššūkių. Vandenilis yra vienintelis ne metalas periodinės elementų lentelės IA grupėje (šarminių metalų), todėl metalinio vandenilio egzistavimas buvo nuspėtas dar 1935 metais.

Mokslininkai mano, kad metalinis vandenilis superlaidininko savybėmis galėtų pasižymėti kambario temperatūros sąlygomis, o tai leistų užtikrinti daug efektyvesnį elektros energijos perdavimą. Be to, ši medžiaga galėtų praversti ir astronautikoje, kaip didelio tankio raketinis kuras.

Atauga tarsi oda

Atsikuriančios medžiagos kuriamos tam, kad prireikus galėtų save suremontuoti pačios.

Vidiniai atsikūrimo metodai kliaunasi ne paviršinių mikroįtrūkimų taisymu, tačiau medžiagos remontu daug smulkesniame, molekuliniame, lygmenyje. Kadangi plastiko pažeidimus dažnai sukelia cheminiai pokyčiai, galima numanyti, kad, apgręžus ardančią cheminę reakciją, taip pat galima atstatyti ir atkurti. Tiesa, norint pradėti vidinį atsistatymą, gali prireikti papildomo įsikišimo, įžiebiančio reikalingą cheminę reakciją. Pavyzdžiui, atsikūrimo procesui pradėti gali prireikti medžiagą pakaitinti.

Išorinio atsikūrimo metodai yra visai kitokie. Yra keli būdai, galintys užtikrinti medžiagos pasitaisymą be jokio žmogaus įsikišimo. Plastiko vientisumui pavojų keliantys mikroįtrūkimai išskiria cheminius junginius, kurie suformuoja naują plastiką. Taip įtrūkimai yra užpildomi nauju plastiku, o produkto struktūrą išsaugoma.

Gaminimo metu į plastiką integruojamos mažytės kapsulės su atkuriamąja medžiaga. Atsiradus mikroįtrūkimams, šie pažeidžia kapsules ir leidžia atkuriamajai medžiagai susimaišyti su plastike esančiu katalizatoriumi. Prasidėjusi cheminė reakcija suformuoja naują plastiką, užpildantį atsiradusį įtrūkimą.

Medžiagos – kvantiniams kompiuteriams

Tradiciškai silicio pagrindo elektroniniai prietaisai gaminami graviruojant ir chemiškai modifikuojant silicio plokšteles. Visgi Warwicko universiteto mokslininkai mano, jog tam yra alternatyva, kuri leistų sukurti itin stiprias ir lanksčias elektronines grandines.

Nors geriausiai žinoma dvimatė medžiaga yra grafenas, tačiau universitete heterostruktūrai kurti panaudotos dvi kitos medžiagos. Sluoksniuojant molibdeno diselenidą (MoSe2) ir volframo diselenidą (WSe2), buvo sukurta stipria fotoliuminescencija pasižyminti medžiaga, potencialiai tinkanti optoelektroniniam pritaikymui.

Viena pagrindinių šių dvisluoksnių heterostruktūrų panaudojimo sričių yra daug žadanti kvantinė kompiuterija.