Ссылки для упрощенного доступа

logo-print

Удивительные материалы и технологии, существующие уже сегодня, полностью изменят наш мир завтра

Рикардо Хаусман, гарвардский профессор и директор Международного центра развития, рассуждает в свежем номере Scientific American о том, что многие технологические прорывы прошлого были связаны с энергетикой: люди искали способы извлекать и направлять как можно больше энергии на движение техники. Теперь же, пишет Хаусман, настало время революций, связанных не столько с моторами, сколько с информацией: высокие технологии в первую очередь отличаются максимальной концентрацией мысли, вложенной в единицу массы конечного продукта. С этим сложно спорить, глядя на предметы, которые вот-вот выйдут из лабораторий в производство: они становятся все умнее, сложнее и одновременно миниатюрнее и легче.

Рассасывающаяся электроника
Первые электронные приборы делались будто на века, а современная техника начинает ломаться сразу, как только заканчивается гарантия. В ближайшем будущем, вероятно, эта тенденция краткосрочности достигнет апогея, и техника будет не просто ломаться, а переставать работать и буквально растворяться, проработав заданное время. Это будет не только бытовая электроника, разлагающаяся в почве, но и, например, сенсоры загрязнения, которые, отработав свой срок, будут растворяться в водоемах.

Во-первых, это позволит перестать захламлять планету, ведь современная техника из металла и пластика ежегодно выходит из строя и морально устаревает, попадает на свалки, где не разлагается веками и даже тысячелетиями. Только в США ежедневно на свалки отправляется больше 400 тысяч мобильных телефонов (то есть больше 150 миллионов в год). Временная электроника будет разлагаться, подобно пищевым отходам.

Биоразлагаемая интегральная плата во время растворения водой | Фото: Beckman Institute, University of Illinois and Tufts University | John Rogers

Биоразлагаемая интегральная плата во время растворения водой | Фото: Beckman Institute, University of Illinois and Tufts University | John Rogers

Во-вторых, миниатюрная временная электроника произведет революцию в медицине: мизерные девайсы можно будет запускать под кожу, в кровоток или желудочно-кишечный тракт, где они будут работать заданное время, а затем рассасываться как послеоперационные швы из биоразлагаемых ниток.

Над созданием электроники, которая исчезает, отработав отпущенное инженерами время, трудятся во многих лабораториях мира. Доктор Джон Роджерс и его коллеги из Университета Иллинойса в Урбана-Кампейн создали такие временные датчики температуры, солнечные батареи, миниатюрные цифровые видеокамеры, которые полностью разлагаются с течением времени. От немедленного разрушения устройства спасает многослойная медленно растворимая упаковка: чем больше этих слоев, тем дольше срок жизни гаджета. Пока максимальный срок работы приборов – несколько недель, и Роджерс с коллегами работают над тем, чтобы продлить этот срок до нескольких лет.

Биоразлагаемые медицинские приборы обладают некоторыми полезными свойствами, например, они могут испускать тепло, предотвращая воспаление после операций. Также они могут стимулировать заживление ран и переломов. Что важно, эти приборы не требуют внешнего источника питания, поскольку в них используется оксид цинка в качестве пьезоэлемента, который выдает электричество при сжатии и другом механическом воздействии.

Съедобное из несъедобного
Реальность такова, что нам не хватает еды на всех: из семи миллиардов человек, населяющих землю, немногим меньше миллиарда (925 миллионов) в большей или меньшей степени голодают. Причем дальше будет только хуже, ведь население растет, запросы его тоже увеличиваются, а ресурсы истощаются.
Один из способов решить эту проблему состоит в том, чтобы делать еду из традиционно несъедобного сырья.
Команда доктора Персиваля Чжана из Виргинского технологического колледжа придумала способ делать крахмал из целлюлозы. Собственно, эту реакцию в желудках всех травоядных проворачивают специальные бактерии. Доктор Чжан разработал экологичную нанотехнологию, которая позволяет делать то же самое в промышленных масштабах, так чтобы буквально из сена, очищенных кукурузных початков и даже опилок можно было делать съедобный крахмал.
С помощью ферментов, напыленных на наночастицы, целлюлоза превращается в амилозу (волокна, которые не перевариваются, но полезны для работы кишечника) и глюкозу.
Технология описана в свежем номере Proceedings of the National Academy of Sciences.

Гангрена как суперклей и диагностика рака
Оксфордские химики придумали, как извлечь пользу из гангрены, точнее, из ее возбудителя, β-гемолитического стрептококка (S. pyogenes).
Белок, который удалось получить ученым с помощью генной инженерии из культуры этих бактерий, может служить суперклеем, к тому же способным находить раковые клетки в организме. Белок FbaB микроб использует для того, чтобы проникнуть в клетку. Ученые разделили белок на две составные части (два пептида): малую частицу – “объект шпионажа” (SpyTag) и большую – “шпион-ловец” (SpyCatcher). Прочнейшее химическое склеивание происходит, когда две частицы встречаются. Эти две частицы можно прикрепить к другим белкам организма человека, которые, встречаясь, склеивались бы друг с другом. Так, например, к одному белку можно прикрепить специальную метку, а другой сделать “клейким” к белкам раковых клеток. На этом их свойстве может быть основана ранняя диагностика самых разных болезней, в том числе и раковых клеток, у которых есть специфические белки.

Умные материалы
Это сложные, как правило, многослойные материалы, которые способны менять свои свойства в разных условиях. Часто на их создание вдохновляют более сложные аналоги из живой природы.
Представьте себе белый тент, который отражает свет в сухую солнечную погоду, а во время дождя становится прозрачным и водоотталкивающим. Или самоувлажняющиеся контактные линзы, или “умные” трубы, диаметр которых меняется в зависимости от потока жидкости, который нужно пропустить, или окружающих факторов.

Исследователи из Гарвардского университета и Гарвардского колледжа техники и прикладных наук (SEAS) сконструировали материал, прозрачность и смачиваемость которого меняется в зависимости от внешних условий.
Результаты их работы опубликованы в Nature Materials.
Поверхность материала покрыта жидкой пленкой, которая, в зависимости от размера пор, либо проникает глубже внутрь пористого слоя, находящегося под жидкостью, либо выталкивается наружу. В свою очередь, размер пор зависит от внешнего воздействия. Например, при растяжении поры увеличиваются. В обычном состоянии материал гладкий, плоский и прозрачный, и капли воды или масла с него легко скатываются. Но при растягивании он становится шероховатым, что позволяет удерживать влагу на его поверхности. На языке физиков это называется переменной гидрофобностью: одна и та же поверхность отталкивает или удерживает капли влаги, в зависимости от условий.

Этот принцип позволяет менять и другие свойства, зависящие от топографии поверхности. Например, липкость (или, выражаясь научно, адгезия). Материал при этом может реагировать не только на механическое воздействие, но и на свет, температуру, магнитное поле и химические сигналы.

Последний выпуск журнала Scientific American рассказывает про несколько уже созданных материалов будущего, таких как гибкий цемент, киберсталь и растительный пластик.

Гибкий цемент удобен для быстрого строительства: рабочим достаточно раскатать рулон этого материала, полить водой, и он застывает не хуже обычного цемента.

Киберсталь – ультралегкий и ультракрепкий сплав, необходимый, например, в посадочных устройствах обычных самолетов и корпусах передовой военной авиации. Он не только прочнее и легче существующих аналогов, но в нем нет ядовитого кадмия, который добавляют в современные титановые и стальные сплавы. Этот футуристический материал ученые составили с помощью компьютерной программы, которая просчитывает химические и термодинамические свойства потенциальных соединений.

Растительный пластик – еще одно спасение для экологии планеты. Его делают тайваньские химики из лигнина – полимера, который содержится в клеточных стенках растений. Пленка из лигнина заменяет пластик и имеет перед ним ряд преимуществ: не только разлагается в почве за считаные дни (пластиковая бутылка пролежит в земле в среднем лет триста), но также не содержит бисфенол А – токсичное вещество, которое добавляют в пластиковые изделия, чтобы придать им твердость.

Ну, и в завершение обзора футуристических материалов посмотрите ролик про чудо-жидкость, которая, как водоотталкивающая пропитка для обуви, легко наносится на что угодно, быстро сохнет и не дает прилипать вообще ничему. Гостья из будущего, короче говоря:

Показать комментарии

XS
SM
MD
LG