Новости российской науки. Декабрь 2017

Информационные сообщения

Новости российской науки. Декабрь 2017

Ученые Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) разработали новый экологически чистый композиционный материал, объединяющий свойства дерева и пластика. В его производстве в качестве полимерной матрицы используется полиэтилен, а наполнителем является шелуха гречихи. Изобретение может найти широкое применение в производстве строительных и отделочных материалов, товаров бытового и промышленного назначения. Образцы композита представлены на выставке ВУЗПРОМЭКСПО-2017.

Разработчики отмечают, что нетрадиционный элемент нового материала — шелуха гречихи — возобновляемое сырье, которое пока не находит практического применения. Россия является одним из крупнейших производителей гречневой крупы, отходы которой — шелуха — десятками тонн компактно образуются в местах переработки. Из них ученые предлагают на стандартном оборудовании для переработки термопластов получать новый востребованный материал.

«Полимерные композиты с лигноцеллюлозным (растительным) наполнением — это современный перспективный отделочный и конструкционный материал, который гармонично сочетает достоинства натурального дерева и пластика, — отметил заведующий базовой кафедрой химических и ресурсосберегающих технологий Школы естественных наук ДВФУ Владимир Реутов. — Композит имеет значительные преимущества перед древесиной: устойчив к воздействию влаги и микроорганизмов, просто обрабатывается и пригоден для вторичной переработки. Характеристики продукта сопоставимы с зарубежными аналогами, а самое главное — он не содержит технологических добавок, весьма неоднозначных с экологической точки зрения».

Разработчики отмечают, что из нового композиционного материала можно изготавливать экологически чистые изделия, стойкие в эксплуатации, а также к воздействию окружающей среды. Материал обладает приятной текстурой и натуральным цветом за счет природного красителя из гречневой шелухи.

Коллектив физиков из России, Швеции и США теоретически продемонстрировал крайне необычный оптический эффект: ученым удалось «виртуально» поглотить свет с помощью материала, который не обладает поглощением. Теоретическая находка авторов открывает новые пути к созданию элементов памяти для света. Работа опубликована в журнале Optica.

Поглощение электромагнитного излучения, в том числе света, является одним из основных электромагнитных эффектов. Он связан с превращением электромагнитной энергии внутри непрозрачного материала в тепло или другие виды энергии (например, при возбуждении электронов). Уголь, черная краска или массив углеродных нанотрубок, известный многим под названием Vantablack, выглядят черными потому, что в этих материалах энергия падающего света практически полностью поглощается. Другие же материалы, такие как стекло или кварц, не поглощают свет и потому выглядят прозрачными.

В своей теоретической работе, опубликованной в журнале Optica, ученым удалось нарушить это простое интуитивное представление о поглощающих материалах и заставить структуру из абсолютно прозрачного материала выглядеть идеально поглощающей. Чтобы обойти запрет на поглощение, ученые воспользовались особыми математическими свойствами матрицы рассеяния — функции, которая связывает падающее на систему и рассеянное ей электромагнитное поле. При падении на систему из прозрачного материала пучка света с постоянной во времени интенсивностью система рассеивает весь падающий свет вследствие отсутствия поглощения — это свойство матрицы рассеяния называется унитарностью. Оказалось, однако, что если особым образом менять во времени интенсивность падающего пучка, то унитарность может быть нарушена, по крайней мере на какое-то время. В частности, если увеличивать интенсивность падающего света по экспоненте, вся энергия падающего света будет копиться внутри прозрачного материала и не покидать его. Снаружи при этом такая система будет выглядеть идеально поглощающей.

Чтобы продемонстрировать описанный эффект, авторы рассмотрели тонкий слой прозрачного диэлектрика и рассчитали необходимый для виртуального поглощения профиль интенсивности падающего света. Численные расчеты подтвердили, что при экспоненциальном нарастании интенсивности падающей волны прохождение и отражение от такого слоя полностью отсутствуют: иными словами, слой выглядит идеально поглощающим, несмотря на отсутствие фактического поглощения. Однако, когда экспоненциальное нарастание амплитуды падающей волны прекращается (момент времени t = 0), вся «запертая» внутри слоя энергия начинает покидать его.

«Теоретические результаты, полученные в этой работе, оказались очень контринтуитивными. Думаю, что никто из авторов до начала исследования не мог предположить, что с помощью прозрачной системы можно провернуть такой „фокус“, — комментирует открытие аспирант МФТИ, один из авторов работы, Денис Баранов. — Но сама математика подсказала нам дорогу к этому эффекту, и неизвестно, какие еще необычные явления скрываются за ширмой простой электродинамики».

Результаты, продемонстрированные в этой работе, не только расширяют общие представления о том, каким образом может вести себя свет при взаимодействии с обыкновенными прозрачными материалами, но и открывают дорогу к интересным практическим приложениям. Например, такое накопление света в прозрачной системе может позволить разработать устройства оптической памяти, которые будут без потерь хранить оптическую информацию и высвобождать ее в нужный момент времени.

На кафедре физики твердого тела и наносистем Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» разработан новый метод бесконтактного контроля сверхпроводников. Данный метод, не имеющий аналогов в мире, позволяет регистрировать транспортные характеристики в каждой точке длинных сверхпроводящих лент и эффективно находить в них дефекты. Результаты исследования были опубликованы в журнале “Superconductor Science and Technology”.

В настоящее время в мире активно развиваются различные технологии производства ленточных проводов из высокотемпературных сверхпроводящих материалов. При температуре выше точки кипения жидкого азота (-196 градусов Цельсия) они способны переходить в состояние с нулевым электросопротивлением. Это обстоятельство открывает широкие возможности для применения сверхпроводников в технике, энергетике, медицине.

Ленточные проводники представляют собой сложный композит, состоящий из слоя высокотемпературного материала и набора тонких (порядка нескольких нанометров) промежуточных слоев, нанесенных на гибкую металлическую подложку. Все слои закрыты серебряным и медным покрытием. В силу сложности технологических процессов, используемых при производстве, транспортные свойства таких композитов — то есть, способность переносить электрический ток без диссипации энергии (из-за нулевого сопротивления) — сильно неоднородны по длине проводников. Именно это обстоятельство требует задействовать бесконтактный контроль транспортных характеристик у длинных (более 100 м) сверхпроводящих лент.

В лаборатории сверхпроводимости и магнитных явлений Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ был успешно опробован уникальный метод данного контроля характеристик ленточных композитов. Он основан на прецизионном измерении пространственного распределения магнитного поля от намагниченной сверхпроводящей ленты с последующим определением дефектов ленты, а также областей с пониженными транспортными характеристиками.

«Разработанный метод широко применяется нами как в исследовательских целях, связанных с изучением причин возникновения дефектов в сверхпроводящих лентах, так при решении практических задач — например, выбора однородных участков лент для их последующего использованиях в реальных устройствах. В нашей лаборатории продолжают модернизировать экспериментальную методику, чтобы расширить возможности и повысить качество тестирования. В недалеком будущем тестирование сверхпроводящих лент будет проводиться при наличии магнитного поля, транспортного тока и различных температурах. Функционал разработанной методики даст дополнительные уникальные возможности как исследователям, так и технологам», — считает один из авторов исследования, профессор кафедры физики твердого тела и наносистем НИЯУ МИФИ Игорь Руднев.

Ученые из Уральского федерального университета (УрФУ, Екатеринбург) совместно с коллегами из МГУ имени М.В. Ломоносова впервые установили температуру, при которой одностенные углеродные нанотрубки становятся сверхпроводниками, а также они нашли способ сделать эту температуру выше. Это открывает перспективы нового применения сверхпроводящих материалов. Работа опубликована в научном журнале Carbon.

Сверхпроводимость — основа высоких технологий. Материалы со способностью проводить электрический ток абсолютно без потерь благодаря полному отсутствию электрического сопротивления используются в циклотронах, поездах на магнитной подушке, линиях электропередач, сверхчувствительных магнитометрах (приборах для измерения магнитного поля Земли). Однако основная проблема сверхпроводимости состоит в том, что она проявляется в материалах при температуре, которая лишь немного выше абсолютного нуля (-273°C). Сверхпроводимость в условиях ближе к -200°C уже считается достижением. Рекорд поставил замороженный под колоссальным давлением сероводород, который становится сверхпроводником при -70°C.

«Сверхпроводимость при комнатной температуре — мечта человечества, — отмечает доктор Чи Хо Вонг, постдок Уральского федерального университета и соавтор работы. — Например, представьте, что ваш мобильный телефон больше не нужно дозаряжать, и ток сможет бежать без потерь почти вечно».

Способность углерода образовывать плоские листы графена толщиной в один атом (так выглядят отдельные «слои» графита) давно привлекает внимание ученых. Если представить, что такой однослойный лист скручен в трубочку, мы получим новую интересную структуру — одностенную углеродную нанотрубку (ОУНТ). Такие структуры очень прочны на разрыв, необычным образом преломляют свет и могут использоваться во множестве областей — от электроники до биомедицины. В стенки таких нанотрубок можно помещать различные атомы, которые будут изменять их свойства, — в том числе, проводимость. Она может зависеть от того, как ориентированы шестиугольники, которые составляют слой углерода, чем наполнена трубка, какие дополнительные атомы других элементов вставлены в ее структуру или присоединены снаружи.

Одностенные углеродные нанотрубки активно изучаются как перспективные сверхпроводники. Но они имеют диаметр всего 4 ангстрема (ангстрем — десятая доля нанометра), то есть, близки к одномерным материалам. В них при температурах вблизи абсолютного нуля образуются пары электронов, называемые куперовскими. Тонкие одномерные структуры препятствуют прохождению куперовских пар и сверхпроводимость не наблюдается.

«Нами была поставлена задача изменить одномерную структуру с целью повышения температуры сверхпроводящего перехода» — комментирует Анатолий Зацепин, руководитель научно-исследовательской лаборатории Физико-технологического института УрФУ. Оказалось, что если укладывать ОУНТ в стопки, то куперовские пары стабилизируются, и можно получить сверхпроводник».

Однако сверхпроводимость даже у таких стопок возникает при достаточно низкой температуре — всего на 15 градусов выше абсолютного нуля.

Физики нашли решение этой проблемы. Они добавили внутрь одностенных углеродных нанотрубок «провод» из цепочки атомов углерода толщиной всего в один атом. Эта цепочка сама по себе не образовывает связей с атомами в составе трубки, но при этом трубка меняет геометрию, сжимаясь и изгибаясь.

Когда ученые УрФУ изменили форму внутренней углеродной цепочки с прямой на зигзагообразную, им удалось поднять температуру перехода в состояние сверхпроводимости на 45 градусов. Чтобы добиться наилучшего эффекта, углы этих зигзагов рассчитали математически, и эти предсказания оказались верными.

«Никто в мире не мог успешно рассчитать температуру сверхпроводимости одностенной углеродной нанотрубки с 2001 года, — поясняет доктор Чи Хо Вонг. — Но нам это удалось сделать в 2017 году. Мы вставили углеродную цепочку внутрь углеродной нанотрубки для того, чтобы понять, как это влияет на сверхпроводимость».

Данная работа выполнена в лаборатории «Физика функциональных материалов углеродной микро- и оптоэлектроники» УрФУ в сотрудничестве с учеными Физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.

• < Назад
• Вперед >