Невидимые и сверхпроводящие: ученые создают материалы будущего

МОСКВА, 17 ноя — РИА Новости. На всем протяжении истории человечества освоение новых материалов оказывало ключевое влияние на развитие цивилизации. Природный камень, бронза и железо дали названия целым эпохам. В 20—30-е годы ХХ века наступила эра полимеров, и с тех пор нельзя представить нашу жизнь без пластика и резины. Спустя несколько десятилетий на первый план вышел кремний, который дал импульс современному развитию электроники и цифровых технологий. Сегодня ученые переходят к созданию новейших материалов со свойствами, которые не встречаются в природе. О последних научных достижениях в этой сфере рассказали исследователи из российских университетов, входящих в Проект "5-100".

Материалы с "невозможными" свойствами

Во многих лабораториях мира исследователи работают над созданием "метаматериалов", свойства которых выходят за пределы свойств образующих их компонентов. С физической точки зрения они представляют собой искусственно сформированные и особым образом выстроенные структуры, обладающие недостижимыми в природе электромагнитными или оптическими свойствами.

В перспективе новые материалы позволят добиться невидимости, создать универсальные беспроводные зарядные устройства и системы для хранения информации огромных объемов, управлять свойствами сверхпроводников.

Невидимость, столь популярная в произведениях писателей-фантастов, может относиться не только к оптическим свойствам объектов. Шум, от которого мы защищены, невидим, как и физические удары, которых мы не чувствуем. Современные материалы позволяют добиться "невидимости" для защиты солдат, транспортных средств и многого другого.

В 2020 году Forbes сообщил, что Армейская исследовательская лаборатория США (ARL) финансирует исследования по созданию метаматериалов, которые могут направлять энергию механических волн вокруг объектов, защищая их от взрывов, ударных волн, землетрясений или вибрации. Подобные разработки могут сделать подводную лодку или мост "невидимыми" для механической энергии.

Покрытие-невидимка

Российские ученые придумали, как создать плоское стелс-покрытие, которое может скрывать от радаров и других систем обнаружения любые объекты вытянутой формы (антенны самолетов, мачты кораблей). Результаты были опубликованы в журнале Scientific Reports.

«

"Мы придумали специальное покрытие, основанное на идеальном магнитном дипольном рассеивателе, которое превращает вытянутый металлический объект с электрическим откликом в объект с магнитным откликом. В результате подобный объект становится невидимым", — рассказал один из авторов работы, сотрудник НИТУ "МИСиС" Алексей Башарин.

Для этого ученые подобрали такую структуру "плоского" метаматериала, которая почти не взаимодействует с падающими на нее электромагнитными волнами, "пропуская" их через себя.

Материал представляет собой набор из металлических и диэлектрических наночастиц, которые уложены в повторяющийся узор. Этот "рисунок" устроен таким образом, что скрываемый им предмет перестает взаимодействовать с электрической компонентой света и не рассеивает ее. Благодаря этому можно избежать появления эффектов, которые выдают существование "невидимого" объекта, а также идеально изолировать различные излучатели, к примеру, антенны спутников, расположенные близко друг к другу.

В ближайшее время ученые планируют создать усовершенствованную версию покрытия, которая будет взаимодействовать не только с электрической компонентой электромагнитных волн, но и с их магнитной составляющей. Экспериментальное создание подобных структур, как считает Алексей Башарин, станет большим шагом к созданию идеальной невидимости.

Передача энергии без проводов

Ученые из Университета ИТМО разработали метаматериал, который может передавать энергию беспроводным способом. Он позволит создавать универсальные зарядные устройства для подзарядки сразу же нескольких гаджетов и мелкой электроники одновременно.

Передающий резонатор, созданный из нового метаматериала, может работать на нескольких частотах, обеспечивая подзарядку беспроводных приемников, относящихся к разным стандартам беспроводной передачи энергии. Это происходит благодаря уникальной конструкции резонатора, состоящего из массива параллельных проводников, соединенных друг с другом по краям емкостными элементами.

"У нашего метаматериала много уникальных свойств. Например, у него есть несколько резонансных частот, на которых ближнее магнитное поле имеет равномерное распределение вдоль поверхности резонатора, а электрическое поле сильно подавлено в емкостных элементах структуры. Работая на этих частотах, энергию можно передавать сразу к нескольким приемникам "по воздуху" с помощью ближнего магнитного поля, увеличив эффективность и безопасность системы", — пояснила научный сотрудник Университета ИТМО Полина Капитанова.

Ученые уже создали прототип нового универсального зарядного устройства. Его работу они проверили, подключив светодиодные нагрузки к разным типам беспроводных приемников и разместив их над передающим резонатором на основе метаматериала. Зарядное устройство стабильно передавало энергию на трех различных частотах, снабжая ей все приемные устройства. Результаты были опубликованы в научном журнале Applied Physics Letters.

Управление сверхпроводимостью

В 2020 году широкий резонанс вызвало научное достижение, связанное с заявлением о создании первого сверхпроводника, активного при комнатных температурах. Такого рода технологии, по словам авторов, позволят отказаться от использования электрических батарей.

Сверхпроводники — это материалы, способные проводить электричество без сопротивления. Сверхпроводимость входит в число наиболее выдающихся открытий XX века. Существуют прототипы квантовых компьютеров, использующие сверхпроводниковые элементы для хранения информации. Сверхпроводники также используют для создания мощного магнитного поля, к примеру, в проекте Международного экспериментального термоядерного реактора ITER.

Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) предложили новый инструмент изменения и управления свойствами сверхпроводящих материалов за счет изменения геометрии материала — сворачивания в тонкую трубочку. До этого традиционным способом контролирования свойств было введение дополнительных примесей в материал, добавление дефектов.

В процессе моделирования исследователи обнаружили интересный эффект: под действием электрического тока в свернутом виде у материала (ниобия) изменяется конфигурация циркулирующих сверхпроводящих токов. В результате у материала одновременно существуют проводящие и непроводящие участки, и на эти состояния можно влиять, меняя параметры магнитного поля. В перспективе это открытие позволит управлять свойствами сверхпроводников.

Как отмечают авторы статьи, опубликованной в журнале Communications Physics, если сверхпроводящие свойства ниобия в плоской структуре уже хорошо изучены, то свойства материала при другой геометрии — когда они свернуты в трубочку — не изучены достаточно, при этом не существует инструмента для их прогнозирования. Исследователи предложили модели для подобного прогнозирования свойств.

Недорогие наноструктурные пленки

Еще одни современный материал — металлические пленки с упорядоченной наноразмерной структурой — обладает уникальными свойствами, которые позволяют ученым контролировать магнитные поля и перемагничивать эти пленки. Это дает возможность создавать системы для записи и надежного хранения огромных объемов информации или сенсоры магнитных наночастиц, с помощью которых можно отслеживать состояние крови пациента, концентрацию в ней частиц, скорость высвобождения и усвоения лекарственного препарата в организме.

Создание упорядоченного массива наноразмерных отверстий с одинаковым диаметром на большой площади — задача сложная и затратная, во всяком случае, если решать ее напрямую, создавая отверстия в сплошной пленке. Ученые Уральского федерального университета (УрФУ) пошли по другому, менее затратному пути и предложили использовать эффект самосборки или самоорганизации.

Этот эффект заключается в применении технологии анодирования алюминия для получения пористых поверхностей с небольшой модификацией, позволяющей получать отверстия с хорошо контролируемым диаметром, упорядоченные в гексагональную решетку. Анодированный слой алюминия состоит из очень твердого материала с химической формулой Al₂O₃, который в кристаллическом состоянии известен как корунд или сапфир. В результате процесса самоорганизации пор получается поверхность, напоминающая пчелиные соты, уменьшенные приблизительно в миллион раз.

Подложку из алюминия с упорядоченными порами разработали еще четверть века назад. В последние годы ее используют как основу для нанесения пленок, в том числе магнитных, и как шаблон для выращивания металлических нанопроводов.

Физики УрФУ совместно с исследователями Института материаловедения Мадрида (Испания) при помощи известного метода получили уникальную аморфную пленку TbCo с перпендикулярной магнитной анизотропией. Результаты работы представлены в журнале Nanotechnology

«

"Необычен этот материал тем, что в нем присутствуют две магнитные подрешетки, магнитные моменты которых направлены в противоположные стороны. Для определенных составов пленки при ее нагреве или охлаждении будут существенно изменяться ее магнитные свойства. Например, будет доминировать магнитный момент тербия, кобальта, либо они окажутся практически равными. Это свойство может оказаться особенно полезно при создании сред для магнитной записи информации", — рассказал старший научный сотрудник отдела магнетизма твердых тел УрФУ Никита Кулеш.

Магнитная пленка с наноразмерными отверстиями интересна тем, что позволяет преодолеть так называемый суперпарамагнитный предел — когда размер бита становится настолько мал, что энергия тепловых колебаний начинает преобладать над энергией магнитной анизотропии, сообщили ученые.

На данный момент в УрФУ реализован полный цикл создания наноперфорированных пленочных образцов разных составов покрытия. В том числе осуществляется электрохимический синтез пористых подложек анодированного алюминия с различным диаметром отверстий или массивом наноразмерных выпуклостей, проводится осаждение пленочных покрытий с прецизионным контролем состава и толщины, а также имеется оборудование для исследования полученных образцов.

Проект "5-100", реализуемый в рамках национального проекта "Образование", призван способствовать наращиванию научно-исследовательского потенциала российских университетов, укреплению их конкурентных позиций на глобальном рынке образовательных услуг.