Учёные из Университета Райса, США, разработали технологию подготовки строительных древесностружечных пиломатериалов нового поколения для борьбы с глобальным потеплением. На выходе получается строительная древесина с возможностью поглощать углекислый газ из атмосферы. Технология не перевернёт мир, но сделает его немного чище.

Источник изображения: Pixabay

Сегодня существует множество предложений по извлечению CO₂ из атмосферы и из продуктов горения при промышленном производстве. Некоторые проекты реализованы, и множество стоят в очереди на реализацию. Как правило, все предложения опираются на активную работу средств улавливания и поглощения, что делает их затратными и снижает эффективность. Если наделить строительную древесину свойствами пассивного улавливания атмосферного CO₂, то в итоге это может оказаться достаточно эффективно.

Сверх того, предложенная учёными технология обработки делает древесину прочнее, что позволит ей в ряде случаев заменить бетон и даже сталь. Тем самым можно сократить производство бетона и стальных изделий, что, в свою очередь, снизит вредные выбросы углекислого газа. Более прочная древесина хоть и опосредованно, но положительно повлияет на климатические изменения.

Источник изображения: Rahman et al/Cell Reports 10.1016/j.xcrp.2023.101269

В чём же заключается предложение американских учёных? Во-первых, древесину необходимо освободить от лигнина. Это природный полимер, придающий ей гибкость и окраску. Для этого древесину кипятят в специальном водном растворителе. Во-вторых, древесину с извлечённым лигнином высушивают. На третьем этапе древесина вымачивается в растворе с содержанием микроскопических частичек металлоорганического каркаса Calgary framework 20 (CALF-20) и сушится (выше на фото процесс иллюстрирован по шагам, начиная с левой стороны изображения).

Все освобождённые от лигнина полости в древесине заполняются частичками CALF-20. Это вещество обладает гидрофобными свойствами и не способно поглощать влагу из воздуха, что для строительных материалов является весомым плюсом. В то же время CALF-20 отлично поглощает углекислый газ и именно его присутствие превращает древесину в пассивный поглотитель CO₂ из атмосферы. Попутно это вещество делает древесину намного прочнее.

На следующих этапах учёные будут испытывать улучшенную древесину на прочность и подвергать другим воздействиям, что необходимо для утверждения её на роль строительных материалов в будущем. Возможно, когда-нибудь она начнёт её играть.

Графен представляется волшебным материалом для множества применений в электронике от производства аккумуляторов до выпуска чипов. Одной из таких ниш обещает стать оптоэлектроника. Использование графена в фотоприёмниках может значительно поднять скорость передачи данных, что актуально не только в перспективе для развития сетей 6G, но также в обозримом будущем для вывода оптического трафика на новый уровень пропускной способности.

Источник изображения: Pixabay

Современные фотодетекторы на основе полупроводниковых материалов неплохо справляются со своей ролью преобразовывать падающий свет в электрический сигнал. Однако для полупроводниковых материалов в силу их свойств (определённой ширины запрещённой зоны) есть ограничения. В частности, полупроводниковые фотодетекторы имеют обратную зависимость между полосой пропускания, чувствительностью и потреблением. Проще говоря, работающий на максимальной скорости фотопреобразователь потребует достаточно сильного входного сигнала, что увеличит помехи и потребление.

Графен как полуметалл свободен от таких ограничений полупроводников и обеспечивает широчайший спектр поглощения, включая тетрагерцовый, дальний инфракрасный, средний инфракрасный, ближний инфракрасный, коротковолновый инфракрасный, ультрафиолетовый и видимый. У графена нет запрещённой зоны, и это обеспечивает ему уникальную возможность улавливать электромагнитные волны множества длин, а это путь к сверхширокополосным фотодетекторам.

Также графен обладает высокой подвижностью носителей, что реализуется как сверхбыстрое преобразование фотонов в электрический ток, а высокая теплопроводность обещает максимально снизить потребление фотоприёмников. Наконец, графен совместим с классическими КМОП-техпроцессами производства, что в перспективе обеспечит ему интеграцию в чипы кремниевой фотоники.

Самый быстрый на сегодня фотодетектор создали немецкие разработчики из Центра передовой микроэлектроники Аахена и компании AMO GmBH. Графеновый фотодетектор обладает полосой пропускания свыше 128 ГГц, что в теории обеспечит скорость передачи данных по оптическим каналам со скоростью свыше 180 Гбит/с. Подобного расширения ёмкости каналов связи может потребовать даже развитие сетей 5G, не говоря уже о внедрении сетей 6G к концу текущего десятилетия.

Для коммерциализации графеновых фотодетекторов компания AMO совместно с учёными создала в Германии компанию Black Semiconductor. Заявлено, что Black Semiconductor представит технологию массового производства гибридных кремний-графеновых фотонных платформ для любой электроники. У компании AMO достаточно наработок в этой сфере, которые она передала Black Semiconductor. Например, ещё в 2018 году AMO показала первый в мире полностью графеновый оптический кабель связи, который может достигать скорости передачи данных 25 Гбит/с на канал. Преобразование электрических сигналов в оптические и обратное преобразование в разъёмах кабеля выполняли графеновые схемы.

Научный и производственный багаж Black Semiconductor и AMO Germany позволили включить их в общеевропейский проект ULTRAPHO (Ultra-fast Graphene Photodetectors FTI) целью которого является революция на рынке фотонных коммуникационных устройств путем вывода на рынок революционной графеновой технологии. Перефразируя давнюю поговорку о том, что памяти много не бывает, можно смело утверждать, что трафика тоже не бывает много. Графен обещает стать тем решением, которое если не решит проблему с пропускной способностью, то хотя бы на годы её отодвинет.

Группа британских учёных открыла существование такой формы льда, которая ещё не обнаруживалась. Этот лёд выглядит как мелкий порошок, но по своим свойствам и структуре больше похож на жидкую воду. На Земле нет естественных условий для образования подобных форм, но в космосе и на холодных лунах планет-гигантов его может быть в избытке. Изучение новой формы льда поможет продвинуться в понимании всех свойств воды, как основы биологической жизни и не только.

Лёд в шаровой мельнице. Источник изображения: Christoph Salzmann

Науке известно 20 форм кристаллического льда и только две формы аморфного льда. В земных условиях повсеместно встречается обычный кристаллический лёд формы I_h и, реже, две других формы кристаллического льда: один только в верхних слоях атмосферы (I_с), а другой в Антарктиде (XI). Две известные аморфные формы льда распространены в космических условиях, где недостаточно тепла для роста кристаллов и такой лёд по структуре напоминает жидкую воду, вот только одна аморфная форма льда имеет плотность ниже плотности воды (0,94 г/см³), а другая — выше (1,13 г/см³). Аморфный лёд с плотностью воды или стекловидная форма воды не был обнаружен, и это не позволяло учёным до конца понять некоторые загадочные состояния воды.

Слева аморфная структура льда, похожая на воду. Справа структура кристаллического льда. Источник изображения: University of Cambridge

Учёные из Университетского колледжа Лондона и Кембриджского университета провели эксперимент, который лежал на поверхности, но почему-то не был поставлен. Они охладили обычный лёд в шаровой мельнице до температуры жидкого гелия и перемололи лёд до состояния порошка с практически полным разрушением кристаллической структуры. На выходе получился лёд с аморфной структурой, как у воды, и, что самое удивительное, плотность такого льда оказалась примерно такой же, как у воды — около 1.

Плотность и структура новой формы льда, которую назвали льдом средней плотности (MDA), была подтверждена спектральным, рентгеновским и другими методами. Также выяснилось, что при кристаллизации, которая запускается после определённого нагрева льда средней плотности, выделяется неожиданно много энергии. Учёные предположили, что благодаря такому свойству многокилометровые залежи подобного льда на ледяных лунах планет-гигантов являются источниками естественных тектонических процессов на этих небесных телах.

Один из авторов исследования сказал: «Существующие модели воды должны быть заново проверены. Они должны быть способны объяснить существование аморфного льда средней плотности. Это может стать отправной точкой для окончательного объяснения свойств жидкой воды».

Учёные научились менять теплопроводность материала с помощью электрических сигналов. Подобное свойство подозревалось у ферроэлектриков, но до сих пор доказывающих это научных работ не было. Группа учёных из Университета штата Огайо смогла доказать, что теплопроводностью можно управлять при комнатной температуре с помощью электрического поля. Фактически речь идёт о создании твердотельных тепловых переключателей, что найдёт множество практических применений.

Источник изображения: Pixabay

Для создания теории тепловых коммутаторов учёные воспользовались давно предсказанной квазичастицей ферроном. Эта квазичастица переносит в материале одновременно тепло (полученную из окружающей среды энергию) и поляризацию. Ферроны волнообразно перемещаются в материале среди колеблющихся атомов кристаллической решётки. И если раньше считалось, что внешнее электрическое поле не воздействует на колебания атомов в решётке, то новое исследование и новая теория доказали, что комплексное воздействие внешнего электрического поля на поляризацию и «вихляние» ферронов вместе с воздействием на колебание атомов в решётке приводит к эффекту переключаемого переноса тепла.

«Мы выяснили, что изменение положения этих атомов и изменение характера колебаний должно переносить тепло, и поэтому внешнее поле, изменяющее эти колебания, должно влиять на теплопроводность, — заявляют исследователи. — Люди склонны думать, что вибрации атомов — это само собой разумеющийся факт, которые не реагируют на электрическое или магнитное поле. А мы говорим, что на них можно воздействовать электрическим полем».

В экспериментах с таким ферроэлектриком (в советской литературе — сегнетоэлектриком), как цирконат-титанат свинца теория и измерения совпали — при приложении электрического поля и без него разница в теплопроводности составила 2 %. Для практического применения — это ничто, хотя как подтверждение теории результат достаточный.

В дальнейшем учёные намерены найти такой материал для переключения теплопроводности, который бы менял её по электрическому сигналу хотя бы на 15 % или около того. Подобные материалы нашли бы применение в солнечной энергетике и в других областях, например, для охлаждения электроники в космических аппаратах, где с этим всегда очень непросто. В любом случае, это исследование финансируют американские военные, а они не спешат делиться нюансами будущего использования этого исследования.

Российские учёные из МИСиС совместно с коллегами из Южной Кореи разобрались с процессами, которые мешали дальнейшей миниатюризации полупроводниковых приборов и, в частности, изготовлению всё меньших по размеру светодиодов. Исследование позволит наладить выпуск micro-LED с ещё более высокими плотностью пикселей и разрешением без увеличения потребления и с минимальным браком.

Источник изображения: НИТУ МИСИС

Статья о работе вышла в журнале Alloys and compounds. В целом учёные исследовали техпроцессы производства электронных приборов (транзисторов и светодиодов) из так называемых широкозонных полупроводников. Эффективные светодиоды с синим излучением, например, можно изготовить только из таких материалов. Однако индустрия столкнулась с тем, что дальнейшая миниатюризация упирается в ряд проблем. Чем меньше светодиоды и транзисторы, тем ниже эффективность их работы и тем менее стабильны рабочие характеристики.

Российские учёные совместно с коллегами из университета Корё в Сеуле изучили проблему падения эффективности при миниатюризации micro-LED, используемых, например, в производстве плоскопанельных дисплеев и связали её с дефектами, образующимися на боковых стенках структуры материалов. Для этого учёные вырастили образцы micro-LED методом осаждения металлорганических соединений из газообразной фазы с диаметрами от 100 до 10 мкм.

Значительное падение интенсивности излучения началось с образцов диаметром менее 30 мкм. Учёные предположили, что в этом виновато накопление дефектов поверхности материала, на котором был изготовлен светодиод, и объёмных дефектов на стенках самих светодиодов. Чем меньше диаметр «пикселя», тем сильнее дефекты влияют на характеристики светодиодов и тем сильнее снижают их эффективность. К транзисторам из широкозонных полупроводников это тоже относится.

Серией экспериментов эта теория была подтверждена и предложены методы по смягчению проблемы. Так, учёные рекомендовали изменить технологию травления подложки, чтобы минимизировать возникновение поверхностных дефектов, увеличить температуру отжига с 700 ˚C до 900 ˚C и задействовать процесс пассивации, чтобы закрыть поверхность материала защитным слоем и предотвратить «паразитную» рекомбинацию, в ходе которой фотоны не излучаются, а энергия рассеивается в материале.

Дальнейшая работа будет направлена на более детальное изучение влияния предложенных методов решения проблемы на эффективность светодиодов micro-LED и широкозонных полупроводников в целом. Больше подробностей можно найти в пресс-релизе на сайте НИТУ МИСиС.

Природа в очередной раз подсказала путь к открытию. Учёные из Кентского университета в Кентербери, Англия, использовали белок под названием талин для создания нового амортизирующего материала, способного без разрушения останавливать летящие со сверхзвуковой скоростью снаряды. Такой материал найдёт применение в бронежилетах, на транспорте, а также в авиации и космонавтике. И носимой электронике такая защита тоже не помешала бы.

Источник изображения: Wikimedia / Nathan Boor & Kurt Groover of Aimed Research

В составе живых клеток белок талин служит «естественным амортизатором». Его структура на молекулярном уровне демонстрирует способность разворачиваться при растяжении после ударного воздействия и после рассеяния ударной энергии снова сворачиваться в первоначальную форму. Иными словами, белок в целом не разрушается и может многократно выполнять задачу амортизатора, чего не скажешь об обычных материалах, используемых, например, в бронежилетах.

На основе талина британские учёные создали амортизирующий материал TSAM (Talin Shock Absorbing Material). Для этого к нему добавили другие ингредиенты и провели полимеризацию. Процесс сохранил основные амортизирующие свойства талина. Для проверки этого материал TSAM подвергся бомбардировке базальтовыми частицами размером около 60 мкм — это чуть меньше диаметра человеческого волоса, а затем по нему на скорости 1500 м/с ударили частицами большего размера из алюминия. Во всех случаях удар был полностью поглощён, а сами частицы в процессе не были разрушены.

Серия проведённых экспериментов лишь показала потенциал разработки, поэтому говорить об остановке пушечного снаряда пока преждевременно. Тем не менее, надежда на появление нового амортизирующего материала есть, и она вдохновит не только военных, но также космонавтов и даже нас с вами, которым неубиваемость смартфонов важна не просто в виде шутки о «бессмертной» Nokia, но очень пригодилась бы в повседневной жизни.

Немецкие учёные намерены создать полупроводник, который в шутку можно назвать транзистором Шрёдингера. В некотором роде он одновременно и есть, и его нет, что по духу близко к знаменитому мысленному эксперименту с котом, который и жив, и мёртв в один и тот же момент времени.

Источник изображения: TUM

Если говорить предметно и серьёзно, то группа исследователей из Мюнхенского технического университета (TUM) открыла материал, который в зависимости от температуры демонстрирует либо n-, либо p-проводимость, либо вообще выключается.

Как известно, простейшим полупроводниковым прибором является диод. Этот электронный прибор проводит ток в одном направлении, что обусловлено его структурой — объединением двух полупроводниковых материалов с разной проводимостью. Материал с электронной проводимостью (n-типа) получается при легировании кремния фосфором, мышьяком или сурьмой, что добавляет ему свободные электроны, а легирование бором, алюминием и галлием связывает свободные электроны и превращает материал в полупроводник с дырочной проводимостью (p-типа).

Созданный за 12 лет немецкими учёными материал Ag₁₈Cu₃Te₁₁Cl₃ из элементов серебра, меди, теллура и хлора демонстрирует n- или p-проводимость без какого-либо легирования, что обещает круто изменить подход при производстве полупроводников. Чтобы сделать np-переход или, по-простому, диод, в новом материале достаточно создать перепад температур в несколько градусов. Что важно, перепад рабочих температур лежит в диапазоне комнатных, а это означает готовность к немедленному практическому применению.

Материал обеспечивает n-проводимость при температуре 22 °C и p-проводимость при температуре 35 °C. Если убрать разность температур, то диода на этом месте как электронного прибора не станет. Создадим разность температур, диод снова появится. С транзистором на переходах из такого материала будет та же история. Равномерный прогрев (или остывание) выключат его из электронной схемы, а градиент температур вернёт в схему. При этом физически транзистор всё время будет оставаться на одном и том же месте.

Учёные пока не готовы говорить об идеях реализации электроники на предложенных принципах, но видят в этом скрытый и наверняка огромный потенциал.

Миниатюризация устройств уменьшает доступный объём для обычных средств для отвода тепла, тогда как тепловыделение растёт по мере увеличения мощности компонентов. Проблему принято решать с помощью ряда плёночных теплоотводов, которые имеют ограничения. Например, они отводят тепло только в плоскости плёнки. Учёные из Сколтеха создали нанокомпозит, который отводит тепло во всех возможных направлениях, что снижает риск перегрева.

Источник изображения: Сколтех

«Учёные Сколтеха разработали самособирающийся 3D-нанокомпозит, отличающийся высокой теплопроводностью в плоскости и из плоскости пленки материала, высоким удельным электрическим сопротивлением и высокой гидрофобностью. Эти свойства открывают широкие возможности для использования нового материала при создании материалов интерфейса в электронике для систем теплоотвода. Статья с описанием свойств композита и возможностей по масштабированию производства опубликована в журнале Polymers», — сказано в пресс-релизе организации.

В основе предложенного нанокомпозита лежит аэрогель из нитрида бора (BN) и поливинилового спирта (ПВС) с высокими показателями теплопроводности, стабильности и гидрофобности. По сути, это упорядоченный наполнитель внутри полимерной матрицы. Наполнителем служит нитрид бора, который переносит тепло в тепловых каналах, образованных в поливиниловом спирте.

Улучшенные термические свойства нанокомпозита дополняются рядом других важных преимуществ: высоким удельным электрическим сопротивлением и высокой гидрофобностью. Защита от воды и короткого замыкания — это непременное условие для длительной и надёжной работы электронных устройств.

По мнению учёных, полученные результаты могут быть положены в основу при разработке 3D- и 2D-композитов с новыми схемами отвода тепла. С учетом уже достигнутого в лабораториях результата исследователи намерены вскоре подготовить патентную заявку.

Исследователи из МГУ и Сколтеха синтезировали из ядовитого сорняка — борщевика Сосновского высококачественный углеродный материал для анодов натрий-ионных батарей. Работа отмечена публикацией в журнале Batteries. Материал пока уступает по ряду характеристик лучшим вариантам анодов, но в перспективе утилизации «зловредного» растения в России может иметь особую важность.

Источник изображения: Павел Одинев / Сколтех

Согласно прогнозам учёных, если не бороться с борщевиком, то к середине столетия им зарастёт вся европейская часть России. Его завезли в центральную Россию с Кавказа в ходе сельскохозяйственного эксперимента, чтобы кормить скот, но идея не прижилась. А сам борщевик Сосновского не только прижился, но, за неимением достойных конкурентов, начал быстро распространяться и вытеснять другие культуры.

Строго говоря, для анодов перспективных безлитиевых натрий-ионных батарей подходит целый спектр органики, которую тем или иным способом превращают в твёрдый углерод. Использовать для этого борщевик учёные предложили как вариант, ведущий за собой сбор и утилизацию этого сорного и опасного растения.

«Мы подумали: а здорово было бы одновременно избавиться от этого гадостного сорняка и получить что-то полезное взамен, — рассказывает соавтор статьи Зоя Бобылёва из Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова. — Твёрдый углерод, который используется в анодах натрий-ионных аккумуляторов, можно производить из любой биомассы: скорлупы орехов, отходов бумажного производства и проч., но вот борщевик никто ещё не пробовал. А оказалось, что он неплохо подходит».

Учёные использовали три техпроцесса для получения углеродного анода из борщевика: простой отжиг при температуре 1300 °C в бескислородной атмосфере, предварительная промывка в кислотах для вымывания металлических примесей и последующий отжиг и, наконец, отвар в закрытом реакторе с водой, что позволило получить углеродосодержащие сферы очень малого размера. Выяснилось, что удельная ёмкость материала во всех трёх случаях получалась сходной, а наивысшая кулоновская эффективность достигается во втором случае.

«Изготовленный учёными из МГУ и Сколтеха твёрдый углерод из борщевика продемонстрировал кулоновскую эффективность 87 %, что ставит его в один ряд с лучшими материалами этого класса, полученными из другого сырья. По второму ключевому показателю, удельной ёмкости, он уступает материалам-лидерам — 260 против 300 мА•ч/г — но в целом конкурентоспособен», — говорится в пресс-релизе Сколтеха.

В будущем учёные планируют увеличить показатель удельной ёмкости анодного материала из борщевика. По этому параметру он вряд ли догонит характеристики анодов литийсодержащих батарей, но натрий-ионные батареи любят не за высокую ёмкость в пересчёте на вес аккумулятора, а за относительную дешевизну и простоту утилизации. Возможно, и борщевику найдётся место в будущей зелёной энергетике.

Новое исследование индийских учёных доказывает, что прозрачная древесина может стать экологически чистой и технически совершенной альтернативой сначала пластику, а затем и стеклу. Она пригодна для производства прозрачной упаковки, оконных и даже лобовых стёкол автомобилей. Технология изготовления прозрачной древесины созрела для выхода в свет и это может произойти довольно быстро.

Источник изображения: Anish M. Chathoth

«Прозрачная древесина как материал может заменить экологически вредные пластмассы на основе нефти, такие как полипропилен, поливинилхлорид (ПВХ), акрил, полиэтилен и т.д.», — сказал Продьют Дхар (Prodyut Dhar), доцент школы биохимической инженерии Индийского технологического института и автор опубликованного в издании Science of The Total Environment исследования.

Прозрачная древесина была открыта в 1992 году немецким ученым Зигфридом Финком в процессе побочного продукта его научной работы. Суть открытия заключается в том, что из древесины убирается такой биополимер природного происхождения, как лигнин, а вместо него вводится тот или иной прозрачный пластиковый материал. Подобная операция ухудшает экологические свойства прозрачной древесины, но если сравнивать её с чистым пластиком, то негативный эффект будет намного-намного меньше.

«Пластик используется в качестве замены стекла, которое [по природе] хрупкое. Однако прозрачная древесина является ещё лучшей альтернативой с экологической точки зрения, как показал наш анализ жизненного цикла [нового материала]», — сказал Дхар.

С экологической и экономической точки зрения прозрачная древесина уже сегодня может являться наилучшей альтернативой пластику, который практически не разлагается в природе и которого, по данным ООН, сегодня в мире выбрасывается до 400 млн т ежегодно. Если говорить о замене стекла, то прозрачная древесина в пять раз лучше сохраняет тепло, что даёт экономию энергии. К тому же она не бьётся и гибкая, что даёт простор в архитектурных решениях.

«Прозрачная древесина в основном создается с использованием тонких срезов древесины и обладает хорошей прочностью, как и обычная древесина, но имеет меньший вес. Возможность придания ей многочисленных и улучшенных свойств путем включения специализированных материалов делает её уникальным биоматериалом для разнообразных применений», о чём авторы исследования рассказали в одном из интервью.

До проведённого исследования общепринятым методом создания прозрачной древесины была замена лигнина на метакрилатные полимеры. Индийские учёные воспользовались для удаления лигнина хлоритом натрия и затем пропитали её специальным эпоксидным составом. Предложенный метод, как утверждается, имеет намного меньшее воздействие на окружающую среду. Технология эта лучше, чем производство полиэтилена, но по экологичности пока уступает производству стекла. Учёные уверены, что со временем они придумают эффективную технологию для производства древесины для замены стекла, что изменит представление о строительстве и даже производстве экранов для смартфонов.

Для прорывов на научном фронте в области полупроводников, связи 6G, материаловедения и фармацевтики необходимы установки, создающие запредельные магнитные поля. Все последние рекорды в сфере достижения сильнейших магнитных полей принадлежат США. Часть из них Китай уже смог побить, остальные намерен превзойти в будущем. В частности, в Китае приступили к строительству комплекса для установки самого мощного в мире импульсного магнита.

Источник изображения: Pixabay

Следует сказать, что совсем недавно китайская установка по генерации стабильного магнитного поля выдала рекордный результат, создав поле с индукцией 45,22 Тл. Предыдущий рекорд 23 года удерживала американская Национальная лаборатория сильного магнитного поля, создавшая установку с постоянным магнитным полем 45 Тл. Рекорд по созданию импульсного магнитного поля принадлежит Лос-Аламосской национальной лаборатории США, установка которой создаёт импульсное магнитное поле с индукцией 100,75 Тл, что в 1,5–4 млн раз сильнее магнитного поля Земли.

Китайские учёные вознамерились создать инструмент для получения импульсного магнитного поля индукцией 110 Тл. Установку начали строить в Ухане, планируя ввести проект в строй через пять лет. Инвестиции в объект составят порядка 2 млрд юаней или около $281 млн.

Создание подобных сверхмощных магнитов — это нетривиальная задача во всех смыслах. Необходимы как мощнейшая локальная система подачи электричества мощностью от нескольких гигаватт, так и возможность воплотить эту энергию в магнитный импульс и при этом не сжечь установку. В 2018 году японские исследователи попытались установить абсолютный рекорд по созданию импульсного магнитного поля силой 1200 Тл. Если верить китайским источникам, эксперимент завершился разрушением не только установки, но и самой лаборатории, где она была установлена.

Кстати, установка-рекордсмен в Лос-Аламосской национальной лаборатории США опирается на соленоид из уникального композита, созданного в России. Сверхпрочный высокопроводящий нанокомпозит медь-ниобий разработан в Курчатовском институте совместно с ВНИИ неорганических материалов им. А. А. Бочвара. Пойдут ли по тому же пути китайские учёные, не уточняется. В любом случае это станет достижением, даже если рекорд не будет поставлен. Согласно китайским источникам, для работы на будущей установке уже устанавливается очередность на проведение экспериментов.

Исследователи из Корнеллского инженерного колледжа смогли на основе обычной, слегка модернизированной микроволновой печи показать возможность создания полупроводниковых материалов для выпуска нового поколения чипов. Эксперимент проводился на обычной бытовой микроволновке по заказу компании TSMC. В дальнейшем этот тайваньский чипмейкер может внедрить предложенный техпроцесс при производстве 2-нм чипов.

Источник изображения: Ryan Young/Cornell University

Для подготовки полупроводниковых материалов к производству по мере снижения масштаба технологических норм необходимо всё более сильное легирование кристаллического кремния. Но кремний не резиновый, и по мере насыщения сторонними добавками кристаллическая структура искажается до риска разрушения. При этом процесс легирования сопровождается отжигом — нагревом смесей до очень высоких температур, чтобы добавленное вещество, в частности фосфор, равномерно распределилось по кремнию.

С определённого момента в кремний нельзя привычным образом вместить ещё больше фосфора, что требуется для повышения электронной проводимости для более мелких масштабов. Обычное нагревание не позволяет создавать однородные смеси и говорить о стабильности таких полупроводников нельзя.

«Нам нужны концентрации фосфора, превышающие его равновесную растворимость в кремнии. Это противоречит природе, — сказал один из авторов исследования. — Кристалл кремния расширяется, вызывая огромную деформацию и делая его потенциально бесполезным для электроники».

В своё время специалисты TSMC предположили, что для активации избыточных легирующих элементов можно использовать микроволны, но, как и в бытовых микроволновых печах, которые иногда неравномерно нагревают пищу, предыдущие микроволновые печи для отжига создавали «стоячие волны», что мешало последовательной активации легирующих элементов. Поэтому TSMC в сотрудничестве с учёными Корнеллского инженерного колледжа модифицировали микроволновую печь, чтобы выборочно контролировать место возникновения стоячих волн. Такая точность позволяет правильно активировать легирующие элементы без чрезмерного нагрева или повреждения кремниевого кристалла.

Сделанное открытие может быть использовано для производства полупроводниковых материалов и электроники примерно к 2025 году, утверждают разработчики, которые также оформили два патента на изобретение.

«В настоящее время несколько производителей выпускают полупроводниковые материалы размером 3 нанометра, — заявляют авторы. — Этот новый микроволновый подход потенциально может позволить ведущим производителям, таким как TSMC и Samsung, снизить масштаб производства до 2 нанометров».

На Луне, Марсе и где-нибудь далеко в космосе людям наверняка понадобится вещь, которая осталась на Земле. С собой на борту корабля нельзя привезти всё. Производство придётся осваивать на новом месте, используя любые подручные материалы и, прежде всего, всё, что есть в шаговой доступности, а это камни и грунт на поверхности далёких планет. Но чтобы это стало возможным эксперименты надо проводить на Земле уже сейчас.

Источник изображения: Washington State University

Инженеры из Университета штата Вашингтон (WSU) продемонстрировали возможность производства образцов деталей и инструментов из смеси титана и искусственной марсианской пыли. Пыль была представлена смесью из земных минералов, благо учёные имеют образцы марсианской породы в виде метеоритов и в целом поверхность Марса неплохо изучена, хотя образцы грунта с Красной планеты на Землю пока не были доставлены.

Учёные создавали смеси с разным содержанием «марсианской» пыли от 5 % до 100 % и подвергали их обработке нагревом до 2000 °C. Расплавленную смесь вливали в формы и после остывания проводили комплексные испытания образцов.

Выяснилось, что оптимальным с точки зрения твёрдости является 5-процентное содержание реголита в смеси с титаном. Детали из такого состава получаются в два раза твёрже, чем из чистого титана. Смесь исключительно из реголита оказалась непрочной и неоднородной, но её вполне можно использовать для облицовки зданий на поверхности Марса для защиты от радиации.

Подтверждение концепции вдохновило учёных на дальнейшую работу, в ходе которой они будут испытывать смесь «марсианской» пыли с другими материалами, чтобы собрать данные о возможном спектре материалов и их характеристиках, которые астронавты смогут повторить на Луне, Марсе или в других местах.

Группа учёных из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) в Сиднее, Австралия, испытала прототип управляемых жидкостью искусственных мышц из силиконовых трубочек. Одежда с вплетёнными в неё «мышцами» будет востребована в широком спектре отраслей.

Источник изображения: Nature

Использовать для работы мышц жидкость, по словам авторов, было решено по причине наиболее быстрого отклика на команды. Предложенные ранее искусственные мышцы с активацией от электрического или теплового воздействия показали относительно низкую скорость реакции. В то же время использование жидкости усложняет процессы изготовления умных тканей и одежды. Важно не только правильно уложить проводящие жидкость каналы, но также не допустить протечек.

Исследователи провели серию экспериментов по созданию вплетённых в ткани искусственных мышц с жидким наполнением. Работа свободно доступна в издании Nature по ссылке. Более того, исследователи продумали последовательность промышленных операций для массового производства подобных «мышц» и ткани на её основе как в виде отдельных встраиваемых участков, так пошив одежды целиком из умного материала.

Идея заключается в том, чтобы оплетать каждое искусственное мышечное волокно спиралью. Спираль не позволит волокну раздуваться в шарик, ограничивая его только продольными сжатием и растяжением. Учёные провели эксперименты для силиконовых волокон с внешним диаметром 0,5 мм. Для практического использования необходимо создать волокна с внешним диаметром менее 0,1 мм. Но для этого предстоит провести ещё ряд научных работ.

Исследователи из НИТУ «МИСиС» разработали технологию печати постоянных магнитов из магнитотвёрдых материалов на 3D-принтере. Метод даёт возможность производить магниты сложной формы с заданными свойствами, что сегодня крайне трудно. Технология найдёт применение при производстве постоянных магнитов как для обычной бытовой техники, так и для высокотехнологичной электроники.

Источник изображения: НИТУ «МИСиС»

«3D-печать магнитов — совершенно новая область не только в нашей стране, но и в мире. В настоящее время научные коллективы, которые умеют печатать магниты, можно пересчитать по пальцам. Мы успешно движемся вперед, к разработке новых импортозамещающих технологий 3D-печати практически любого металломатричного мультиматериала, который можно изготовить в виде порошка и который имеет температуру плавления до 3500 °C», — рассказал руководитель лаборатории «Катализ углеводородов» НИТУ «МИСИС» Александр Громов.

Традиционно промышленное производство магнитов включает множество сложных технологических процессов от выплавки до дробления, прессования, спекания, механической обработки, намагничивания и последующего нанесения защитного покрытия. Нетрудно представить, что изготовление магнитов сложной формы многократно усложняет техпроцесс. Спекание лазером магнитотвёрдых порошков в модель произвольной формы стало бы удобным решением, которое позволило бы, например, исключить из технологических операций такие этапы, как прессование, спекание и последующую механическую обработку и, в целом, примерно на треть упростило бы производство.

Учёные давно ищут возможность использовать аддитивную печать для изготовления постоянных магнитов, для чего требуется исследовать как микро-, так и макроструктуры магнитных моделей. Исследователи всего мира фактически находятся в начале пути к промышленной 3D-печати постоянных магнитов, и работа российских учёных прошла по самому переднему краю исследований.

В основе предложенного технологического процесса печати лежит «порошок с частицами сферической формы на основе неодима, железа и бора с незначительным содержанием празеодима, кобальта, титана и циркония», как поясняется в пресс-релизе НИТУ «МИСИС». Учёные установили, «что при печати на стальной подложке, мощность лазера 150–200 Вт и скорость сканирования 300–700 мм/с обеспечивают оптимальные условия производства магнита с минимальным количеством дефектов структуры». Подчёркивается, что время создания таким образом магнитов сократилось более чем в три раза по сравнению с традиционной промышленной технологией спекания.

Следует сказать, что работа исследователей пока носит лабораторный характер, но в будущем предложенный метод может стать основой для технологий получения эффективных постоянных магнитов любой геометрической формы.