Материалы с необычными свойствами

Ассортимент материалов различного назначения постоянно расширяется. В последние десятилетия создана естественнонаучная база для разработки принципиально новых материалов. Это сверхпрочные материалы, термостойкие материалы, материалы, обладающие памятью, и целый ряд других. Трудно не только описать, но и перечислить все виды современных материалов с уникальными свойствами. В этом параграфе мы упомянем лишь о некоторых из них.

Нитинол представляет собой никель-титановый сплав (55% Ti и 45% Ni), обладающий свойством сохранять первоначальную форму. Иногда его называют металлом, обладающим памятью. Нитинол способен сохранять первоначальную форму даже после холодного формования и термической обработки. Для него характерны также термоупругость и высокая коррозийная стойкость. Нитиноловые изделия применяют в боевых самолетах для соединения различных трубопроводов, доступ к которым ограничен. Нитиноловые муфты использовали на станции “Мир” для монтажа двигателя для корректировки орбиты. Множество разнообразных трубопроводов проложено на бескрайних просторах нашей планеты. Это газопроводы, нефтепроводы, водопроводы, бензопроводы. Газо-, нефте- и бензопроводы заполнены легковоспламеняющимися веществами, представляющими повышенную пожароопасность. В связи с этим при их ремонте нельзя применять сварку и все восстановительные работы приходится выполнять при помощи резьбовых соединений и крепежного материала. Задача значительно упрощается с применением нитиноловых муфт, которые срабатывают при пропускании через них относительно небольшого тока, при этом не требуется открытого огня.

В последнее время все чаще применяются водопроводы из оцинкованных труб. При сварке таких труб цинковое покрытие разрушается. С помощью нитиноловых муфт можно надежно соединить водопроводные трубы, не повреждая их. Однако широкое внедрение таких муфт сдерживает их высокая стоимость.

Нитиноловые муфты, фиксаторы, спирали находят применение в медицине. Очевидно, в ближайшем будущем станут известны многие другие применения этого замечательного материала.

Жидкие кристаллы – жидкости, обладающие анизотропией свойств, связанных с упорядоченной ориентацией молекул. Благодаря сильной зависимости свойств жидкого кристалла от внешних воздействий они находят разнообразное применение в технике в температурных датчиках, индикаторных устройствах, модуляторах света и т.д. Привычными стали жидкокристаллические индикаторы приборов, калькуляторов, компьютеров. На мировым рынке дисплейных технологий жидкокристаллические устройства уступают только кинескопам. А по экономичности потребления энергии в дисплеях с относительно небольшой площадью экрана они не имеют конкурентов.

Жидкокристаллическое вещество состоит из органических молекул с преимущественной упорядоченной ориентацией в одном или двух направлениях. Такое вещество обладает текучестью как жидкость, кристаллическая упорядоченность молекул подтверждается оптическими свойствами. Различают три основных типа жидких кристаллов:

· нематические (молекулы параллельны, но сдвинуты относительно друг друга на произвольные расстояния);

· смектические (многослойная относительно упорядоченная структура в виде плоскостей);

· холестерические (похожи на нематические, но отличаются дополнительным закручиванием молекул в направлении, перпендикулярном их длинным осям).

Под действием даже очень слабого электрического поля равновесие ориентированных молекул нарушается, при этом изменяются оптические свойства жидкокристаллического вещества (например, оно из прозрачного состояния переходит в светонепроницаемое).

Фуллерены – разновидность многоатомных молекул углерода. Фуллерены были синтезированы в 1985 г., они являются третьей аллотропной формой углерода (ранее были известны графит и алмаз). Молекулы фуллеренов содержат большое количество атомов углерода и представляют собой замкнутые каркасные структуры. Так, молекула из 60 атомов углерода С₆₀ представляет собой усеченный икосаэдр (представьте себе футбольный мяч). Синтезированы не только сферические молекулы, но и эллипсоидальные, трубчатые и молекулы других конфигураций.

Фуллерены имеют исключительно высокую удельную емкость по водороду. В результате присоединения водорода по ненасыщенным двойным связям углерода при высоких давлениях и температуре можно осуществлять модификацию фуллеренов, что представляет практический интерес при создании перспективных аккумуляторов водорода.

Из молекул фуллеренов можно создавать материалы невиданной прочности, элементы компьютеров XXI века, получать сита, способные разделять отдельные атомы по размерам. Фуллерены запатентованы в качестве предшественников алмазов и алмазных покрытий, производство которых из фуллеренов энергетически более выгодно, чем из графита. Перспективно использование фуллеренов для упрочнения поверхностей металлов за счет внедрения карбидных частиц в матрицу металла. Возможно использование фуллеренов как биологически активных соединений. Широкомасштабное использование фуллеренов в значительной степени будет определяться их доступностью. Для использования фуллеренов в медицинских целях необходимо оценить степень их токсичности.

Уникальными свойствами обладает монослой атомов углерода – графен, полученный в 2004 г. Носители зарядов в графене обладают высокой подвижностью при комнатной температуре, благодаря чему в перспективе графен сможет заменить кремний в интегральных микросхемах.

Контрольные вопросы

1 Какие материалы издавна используются человеком и считаются традиционными? Опишите применение этих материалов в современных технологиях.

2 Какое химическое сырье производят из древесины?

3 Какова особенность стекла как материала? В чем заключаются новые свойства современного стекла?

4 Что такое полимеры? Какие природные полимеры Вы знаете?

5 Какими свойствами обладают эластомеры? Где они применяются?

6 Какие синтетические ткани Вы знаете? Какова область применения синтетических тканей?

7 Какие методы применяются для продления срока службы древесины?

8 Как защищают металлы от коррозии?

9 Какими свойствами обладают полупроводники? Приведите примеры собственных и примесных полупроводников.

10 Каким основным свойством обладает p-n переход? Где он используется?

11 В чем Вы видите привлекательность использования сверхпроводников? Почему практическое применение сверхпроводников затруднено?

12 Из каких материалов изготавливают современные накопители информации?

13 Каковы свойства жидких кристаллов? Где применяются жидкокристаллические материалы?

14 Каковы перспективы использования фуллеренов и графена?