Сохраняй посты, комментируй и ставь оценки
В пять раз прочнее и легче стали, значительно повышает топливную эффективность и производительность в аэрокосмической и автомобильной промышленности.
Когда Иэн Фальконер смотрит на спутанные кучи старых рыболовных сетей, он видит не отходы, а потенциал. Как сообщает The Guardian , новатор из Корнуолла превратил растущую экологическую проблему в процветающий бизнес по переработке отходов, который меняет наше отношение к морским отходам. Его компания OrCA перерабатывает выброшенные пластиковые сети в нити для 3D-печати, создавая новые материалы для самых разных целей: от солнцезащитных очков до деталей мотоциклов.
Ежегодно по всему миру выбрасывается около 1 миллиона тонн пластиковых рыболовных сетей, которые зачастую оказываются на свалках или в океане, представляя угрозу дикой природе и хрупким морским экосистемам. Технология Falconer, включающая измельчение, очистку и плавление нейлона, оставляет менее 3% углеродного следа от производства нового пластика. То, что раньше обходилось рыбакам примерно в 500 фунтов стерлингов за тонну, теперь продаётся по цене до 35 000 фунтов стерлингов за тонну в виде высокопрочной смеси углерод-нейлон, что доказывает, что экологичность и рентабельность могут сосуществовать.
Переработанные материалы, которые он выпускает, уже используются такими глобальными компаниями, как Ford, Mercedes-Benz и L'Oréal, помогая им достигать своих целей в области устойчивого развития и сокращать использование нового пластика. Как объясняет Фальконер, превращение отходов в ресурсы способствует развитию экономики замкнутого цикла и снижает токсичное воздействие выброшенного оборудования на планету .
За пределами Корнуолла Фальконер надеется масштабировать проект по всему миру, отправляя «микрофабрики» внутри контейнеров в порты Африки, Южной Америки и Азии. Каждая из них сможет перерабатывать местные мусорные сетки в ценный материал, помогая прибрежным сообществам и защищая морскую жизнь.
Эта небольшая компания на побережье Корнуолла демонстрирует, чего можно достичь, когда инновации сочетаются с экологической ответственностью. В следующий раз, когда вы задумаетесь об океанских отходах, представьте, что они перерождаются во что-то полезное — символ того, как мы все можем помочь исцелить Землю с помощью творчества, сострадания и разумного дизайна.
Источник: www.onegreenplanet.org
Паучий шёлк, по имеющимся данным, прочнее стали примерно в пять раз, а с помощью генетических изменений шёлк тутового шелкопряда можно сделать ещё крепче.
Теперь одна научная группа заявила, что нашла способ создавать шёлковые волокна с прочностью почти на уровне кевлара, причём без единой синтетической нити.
Главное достижение в том, что новый подход сохраняет естественную структуру волокон и опирается в основном на точно контролируемые температуру и давление.
Согласно недавней работе в журнале Nature Sustainability, нагрев и давление сплавляют волокна в плотный прозрачный материал, чья вязкость при разрыве превосходит кость и почти достигает показателей кевлара.
В сравнении с искусственными аналогами такой материал легче разлагается, что делает его пригодным для экологичных технологий. К тому же "сплавленный шёлк" прозрачен в видимом диапазоне и обладает оптическими свойствами, важными для беспроводных и визуализирующих технологий нового поколения.
Об этом рассказала соавтор исследования и биомедицинский инженер из Университета Тафтса Чунмэй Ли.
Люди начали добывать шёлк из шелкопрядов ещё около 8 500 лет назад. В последние же годы уникальная химическая организация волокон вернула интерес к шёлку как к основе для высокотехнологичных материалов в биомедицине, энергетике, сохранении продуктов и сенсорах.
По словам Ли, всё началось с давней проблемы обработки природных биополимеров. Природный шёлк обладает впечатляющими механическими и функциональными свойствами, однако прежняя обработка требовала медленного и химически насыщенного процесса. Именно он разрушал ту самую иерархическую структуру, что и придаёт шёлку полезные качества.
Ключевое улучшение в том, что новый метод обходится без избытка химии. Исследователи просто выравнивают волокна, прикладывают тепло и давление, и те сплавляются в один этап. Перед этим коммерчески доступные волокна обрабатывают карбонатом натрия, чтобы убрать липкое покрытие, которое выделяет шелкопряд.
Сложность заключалась в поиске оптимальной зоны для горячего прессования. При слишком низких температуре и давлении шёлк становился чересчур вялым, а при слишком высоких становился хрупким или разрушался полностью.
Команда остановилась на диапазоне от 125 до 215 градусов Цельсия и давлении от 1 900 до 9 800 атмосфер. В этих условиях волокна собирались в пучки и сплавлялись, обретая новую форму, по структуре напоминающую дерево. Прочные связи между волокнами распределяют нагрузку по всему материалу, и в итоге получается крепкая твёрдая масса, сохраняющая лучшие свойства натурального шёлка.
Группа рассчитывает, что материал найдёт применение в самых разных областях.
Баллистические испытания подтвердили, что по стойкости к проколу он не уступает армированным углеродным волокном полимерам, которые используют в самолётах и автомобилях. Образцы также вживили мышам и убедились, что материал постепенно разлагается, а значит, подойдёт для временных медицинских имплантов.
В дальнейшем команда хочет сделать этот шёлк более масштабируемым и пригодным для сложных форм, для чего уже ведёт новые исследования. Замысел состоит в том, чтобы привлечь промышленных и коммерческих партнёров, готовых встроить сплавленный шёлк в сенсоры и другую технику.
Ли отметила, что экологичные материалы не обязаны быть слабыми или чисто символической заменой пластику. Некоторые природные материалы прекрасно сконструированы самой природой, и шёлк один из них.
Устойчивость, по её словам, рождается из лучшего дизайна, лучшей обработки и более глубокого понимания того, что уже существует в природе.
Геологи выявили ранее неизвестный материал, который спонтанно образовался во время первого испытания атомной бомбы в 1945 году.
Открытие проливает свет на то, как экстремальные условия ядерного взрыва способны порождать вещества, не встречающиеся ни в природе, ни в лабораториях.
Первое в истории испытание атомной бомбы состоялось 16 июля 1945 года в пустыне штата Нью-Мексико. Тест "Тринити", проведённый в рамках Манхэттенского проекта, представлял собой подрыв плутониевого заряда мощностью около 25 килотонн в тротиловом эквиваленте.
Геолог Лука Бинди из Флорентийского университета входит в группу, опубликовавшую исследование, согласно которому в результате взрыва спонтанно сформировался совершенно новый материал. Ранее это вещество никогда не наблюдалось ни в природных условиях, ни в ходе лабораторных экспериментов.
После взрыва на месте испытания осталась стеклообразная масса, состоящая из расплавленного песка и испарившихся проводов датчиков. Учёные того времени назвали её "тринититом" – в честь самого теста. Десятилетиями этот материал изучали, но его секреты оказались далеко не исчерпаны.
Недавно исследователи обнаружили внутри богатой медью металлической капли, вкраплённой в тринитит, совершенно новое вещество – так называемый "клатрат".
Клатраты отличаются характерной "клеточной" структурой из 12–14-гранных форм, способных захватывать внутри себя другие атомы и молекулы, включая кремний, кальций, медь и железо. Именно эта особенность придаёт клатратам уникальные свойства.
Как рассказал Бинди изданию Scientific American, находка не имеет аналогов:
Это совершенно новый тип клатратного кристалла. Нечто, никогда прежде не встречавшееся ни в природе, ни среди продуктов ядерного взрыва.
Авторы исследования также отметили более широкое значение открытия:
Эта работа показывает, как редкие высокоэнергетические события – ядерные взрывы, удары молний и гиперскоростные столкновения – выступают в роли природных лабораторий, производящих неожиданную кристаллическую материю.
По сути, экстремальные условия создают среду, в которой атомы выстраиваются в конфигурации, недостижимые при обычных температурах и давлениях.
Пока непонятно, имеет ли данный материал полезное применение.
Хрупкий иней на ветвях, кружевные узоры на окнах, дорожные аварии, обрывы линий электропередач и затруднения авиаперелетов — все это про обледенение. Оно бывает следствием снегопадов или ледяных дождей, но это не обязательное условие: если вокруг достаточно влажно и холодно, ледяной слой может появиться прямо из воздуха. Впрочем, защищаться от обледенения человечество умеет: с древних времен лед удаляют механически или топят с помощью нагревания. В XX веке добавился еще один способ: обработка спиртовыми или солевыми растворами с низкой температурой замерзания.
Проблема в том, что все это требует дополнительных ресурсов — и чем ниже температура, тем больше времени и энергии нужно, чтобы полностью освободиться ото льда. Кроме того, ненавистные всем соли остаются на обуви, загрязняют почву и грунтовые воды, а очистка крыльев самолета, например, создает электромагнитные поля, которые мешают навигации. Этих недостатков лишены так называемые пассивные антиобледенительные материалы, сама структура которых затрудняет прикрепление и рост ледяного слоя. Рассказываем, как они устроены и как ученым, которые разрабатывают такие материалы, помогают солнце, перья пингвина и оксид графена.
Лучший вариант — вообще не дать ледяной корке закрепиться на поверхности. Трудность в том, что для этого нужно выполнить два частично противоречащих друг другу требования: с одной стороны, уменьшить адгезию для твердого льда, а с другой — для жидкой воды.
Чтобы материал был водоотталкивающим (гидрофобным), его поверхность текстурируют на микро- и наноуровне, оставляя между твердой и жидкой фазами воздушную подушку. Благодаря этому вода быстро скатывается с поверхности, и зачастую лед просто не успевает образоваться. К тому же воздушная подушка замедляет и процесс замерзания.
Однако, если идет снегопад или часть воды уже успела замерзнуть, на первый план выходит снижение адгезии льда. И далеко не каждый хороший гидрофобный материал оказывается также хорошим «ледофобным»: частицы льда могут застревать в текстурах, и в итоге сцепление с поверхностью, наоборот, улучшается.Однозначно определить, насколько ледофобным (или, наоборот, ледофильным) будет новый материал, можно только экспериментально. Например, группа физиков из Гонконгского Городского Университета показала, что хорошими ледофобными свойствами обладают текстуры с одинокими неразветвленными столбиками, расположенными на расстоянии 100 микрометров и более. Капли воды отскакивают от такой поверхности, кусочки льда в ней тоже не застревают.
А другая группа китайских физиков из университета Худжоу отдельно рассмотрела, как рельеф поверхности влияет на потоки ветра, которые обдувают, например, крылья самолета. Ученые нашли оптимальный способ текстурирования, который не «гасит» воздушные потоки, а наоборот направляет их, чтобы эффективно сдувать воду и лед, а также препятствовать образованию новых кристаллов льда. Этот метод позволяет снизить массу льда на крыльях самолета на 40 процентов без использования нагревания.
К сожалению, практически все подобные материалы отличаются плохой стабильностью. Микро- и нанотекстуры всегда хрупкие, а условия эксплуатации у них суровые: перепады температур, загрязнения, механическая нагрузка при очищении льда. Чтобы продлить жизнь материалов, ученые идут на ухищрения — например, используют несколько уровней текстур, пряча более хрупкие между более прочными, а также добавляют сверху жидкий лубрикант. В 2025 году группа китайских материаловедов создала гидрофобный и ледофобный материал на основе полиуретана, который может самовосстанавливаться благодаря образованию подвижных связей в полимере.
Впрочем, текстуры — не единственный способ задержать обледенение поверхности. С другой стороны к проблеме в 2019 году подошли американские физики под руководством Сушанта Ананда (Sushant Anand) из Университета Иллинойса в Чикаго. Они наносили на поверхность слои циклогексана и циклооктана — гидрофобных углеводородов с температурами плавления от 5 до 15 oC. При температуре 0oC и чуть выше они остаются твердым, поэтому слой получается гораздо стабильнее, чем слой жидкого лубриканта. При этом близость фазового перехода заставляет материал работать своеобразным «тепловым депо»: поглощать тепло и сохранять его, не рассеивая и не пропуская дальше. В литературе такой подход закрепился под термином «Phase-switching materials», или PSL-материалы.
Когда капля воды конденсируется на поверхности материала, этот процесс сопровождается выделением тепла — из-за этого температура в месте конденсации в первый момент немного выше, чем вокруг него. Чтобы вода замерзла, нужно сначала отвести полученное тепло. PSL-материалы не позволяют этому произойти, и температура остается достаточно высокой, чтобы вода не замерзала. Кроме того, эксперимент Ананда и его коллег показал, что поверхность материала вокруг капли слегка подтаивала. Это дополнительно снижало сцепление, делая каплю подвижней. В итоге скорость образования ледяной корки уменьшилась в триста раз. Покрытие выдерживало до 15 циклов замерзания-оттаивания, а обновить его можно очень быстро: достаточно нанести новый слой.
Благодаря своей доступности и стабильности PSL-материалы быстро завоевали популярность. Например, в прошлом году китайские ученые разработали антиобледенительный материал для дорожного покрытия. К обыкновенному асфальту они добавили 5 процентов PSL-материала, а также соль, которая снижает уже температуру плавления воды. Соль добавляли непосредственно в асфальтовую массу, а не насыпали сверху. Тестирование подтвердило, что две добавки действуют синергетически. «Тепловое депо» от PSL-материала сдерживает образование ледяной корки в первые минуты. За это время соль успевает продиффундировать к поверхности и раствориться. Температура плавления раствора понижается, и образование ледяной корки вновь откладывается. В итоге удается сдерживать обледенение, не загрязняя все вокруг большим количеством соли.
Правда, подобные материалы эффективны только в не очень холодном воздухе (до -15 оС), когда главный механизм намокания поверхности — конденсация. При сильных морозах или, например, под ледяным дождем эффект быстро сходит на ноль.
Эксперименты показывают, что даже самые эффективные материалы могут только замедлить обледенение. Совсем остановить этот процесс невозможно, особенно при сильных морозах, но можно пойти иным путем: заставить ледяную корку вырасти дефектной и отвалиться самостоятельно. Звучит сложно, но на пористой поверхности ледяной слой почти всегда получается с изъянами.
Причина — в разнице плотности льда и воды.
Дело в том, что, как и конденсация в примере выше, замерзание идет с выделением тепла. Если снаружи достаточно холодно, а поры материала достаточно объемные, то процесс образования ледяной корки идет сверху вниз. В какой-то момент жидкая вода в порах оказывается погребена под слоем уже затвердевшего льда. Когда, наконец, и эта вода превращается в лед, в порах для него не хватает места — как в трубах, из которых не успели слить воду перед холодным сезоном. В результате по всему слою возникает напряжение.
Наращивать это напряжение научились канадские материаловеды под руководством Энн Китциг. Правильную структуру и размер пор ученые подсмотрели у пингвинов Гумбольдта (Spheniscus humboldti). Эти птицы много времени проводят в ледяной воде, но их оперение никогда не замерзает.
Чтобы воспроизвести текстуру перьев, ученые сплели из проволоки сетку, обработали ее лазером и горячим углекислым газом, таким образом придав дополнительную гидрофобность. Получился сетчатый материал с порами размером от 7 до 15 микрометров. При замерзании воды каждая пора становится центром образования микротрещин, а их взаимное расположение помогает трещинам расти и расширяться. В результате ледяной слой теряет целостность и отваливается.
Пингвинья сеть отлично стряхивала лед при -20 oC в аэротрубе, с помощью которой ученые имитировали условия эксплуатации крыльев самолета. Однако такие материалы хорошо подойдут и для использования на земле и даже на воде — например, для деталей арктических ледоколов. Температура и пути намокания почти не влияют на их эффективность.
Еще один способ стряхивания льда — использование вибраций. Иногда их создают искусственно, например, добавляя пьезоэлектрик, однако часто вибрации возникают сами собой. Группа китайских материаловедов из нанкинского Университета Аэронавтики и Астронавтики разработала пористое покрытие из полидиметилсилоксана, которое лучше всего подходят для такой очистки. Форма пор усиливает вибрации в материале, благодаря этому трещины расширяются, а сам материал при этом остается стабильным.
Еще один способ избавиться ото льда — растопить его. Материалы, которые используют для этой цели солнечную энергию, называют фототермальными. На практике этот подход чаще всего комбинируется с каким-то другим: например, с гидрофобными текстурами или добавками солей-депрессантов. Проблема в том, что зимнее солнце светит неярко, а поглощение у белого снега и льда низкое. Поэтому существенного результата достичь непросто.
Чтобы эффективнее поглощать свет и переводить его в тепло, используют разные материалы: от обыкновенной сажи и биоугля и других углеродных материалов до плазмонных частиц на основе золота. При этом не рассеиваться драгоценному теплу помогает дополнительное текстурирование. Например, китайские материаловеды из Университета Дунхуа использовали массивы параллельно расположенных нанотрубок, которые напоминают текстуру шерсти полярного медведя. Получился гидрофобный материал, поверхность которого за несколько минут нагревалась до 98 оС без дополнительных источников энергии. При такой температуре ледяная корка существовать не может, да и жидкая вода быстро испаряется с поверхности.
Проблем у фототермальных материалов две: высокая цена и плохая стабильность. Полностью избавиться от первой вряд ли когда-то получится, но со второй ученые уже понемногу справляются.
Например, китайские материаловеды из северо-восточного университета в Шэньяне использовали два уровня текстур. Более крупные и прочные пирамиды дают небольшой гидрофобный эффект и выполняют функцию брони, а между ними прячется более хрупкое фототермальное покрытие на основе модифицированного оксида графена. В итоге материал успешно выдержал не только абразивные нагрузки, но и обработку щелочью, а его поверхность быстро нагревалась до 76 оС с помощью одного лишь солнечного света.
Большая часть упомянутых материалов — совсем новые разработки, которые пока не вышли за пределы лабораторий. Некоторые разновидности антиобледенительных материалов уже выходят на рынок — например, гидрофобное покрытие с добавками депрессантов от американской компании Microphase Coatings. Другим упомянутым разработкам это только предстоит.Однако уже сейчас понятно, что эффективность ледофобных покрытий будет зависеть от погодных условий: для влажных и не очень морозных зим хорошо подойдут PSL покрытия, для солнечных — фототермальные. А вот разные виды текстурирования и «пингвинья сетка» будут работать более-менее везде. Имеет значение и цена. Например, при всей элегантности и эффективности золотых плазмонных частиц, они останутся слишком дорогими для дорожных покрытий.
Тем не менее, для каждой задачи можно подобрать материал, который позволит не только топить и счищать лед грубой силой, но и обманывать его, используя законы физики и химии.
