Графен
Ну заглянуть-то не вопрос. Ученые пишут статьи, публикуют их не только в научных журналах, но и популяризируют, а об особо интересных разработках, например – о новом мобильнике с экраном из пленочного графена, прошитом металловолокнами – уже давно знают все, кто интересуется подобными вещами, из прессы. Такой мобильник можно ронять и бить экраном, и даже трещин не будет. Из подобных материалов можно делать космические скафандры.
Что такое графен
Графен – уникален как материал и чрезвычайно разнообразен по свойствам. Получают графен из обыкновенного графита. И так же, как и графит, графен состоит из одних только атомов углерода. В одном миллиметре графита содержится более трех миллионов слоев графена.
Разница состоит в кристаллической структуре, у графита она трехмерная, а у графена – двумерная. Шестиугольная структура в виде сот, углеродные атомы в которой распределены в идеальном порядке. Толщина кристалла графена – страшно подумать – 0,3 нанометра (один нанометр – это одна миллионная доля миллиметра).
Свойства графена
Графен имеет электропроводность лучшую, чем металлы. Намного лучшую, чем медь. По сравнению со сталью графен прочнее в десять раз, а по массе легче в 6 раз. Практически светопрозрачный материал, поглощает не более 2% спектра. Плотность такова, что даже легкие газы, вроде гелия и водорода, не проходят сквозь слой графена.
Солнечная батарея, изготовленная из графена, имеет толщину бумажного листа. Красочные материалы, в основе которых порошок известняка и графен, придадут фасадам зданий защитные свойства, которые позволят не бояться атмосферный воздействий, любых перепадов температур. При эксплуатации в экстремальных условиях износ строений будет минимальным!
Увы, дифирамбы графену немного вянут от следующего пакета информации – не все так просто. Есть проблема возможного урона окружающей природе. Оказывается, графен может изменять свои свойства под действием воды. В реках и озерах его частицы могут оказать пагубное воздействие на биосферу, и эта проблема пока не решена.
В перспективе графен будет широко применяться в таких отраслях, как медицина – суперпрочные имплантаты, электроника – светопрозрачные покрытия мониторов, проводники и многое другое. Наверное, космонавтика. Электропроводящие пластмассы, вечные супертонкие контейнеры для герметичного хранения продуктов, новые электрические аккумуляторы на графеновой пудре. Уникальные по прочности конструкции, тросы, кабеля и балочные элементы зданий в сочетании с классическими строительными материалами позволят создавать сооружения, поражающие воображение.
Производство графена сложно, и для строительства этот материал пока еще чрезвычайно дорог, и использовался мало, в чрезвычайно дорогих и сложных проектах. Возможно, ситуация в скором будущем изменится, так как в настоящее время проводятся исследования возможности производства графена химическим путем. Вопрос в цене, и если ученым удастся этот вопрос решить… то сферу строительных материалов ждут перемены. Будет ли это процессом, близким к эволюционному, или нас ждет настоящая графеновая революция… поживем, увидим.
Искусственная паутина
Загадочное природное явление – паутина обыкновенная – поражает людей необычностью свойств с древних времен. С одной стороны – невероятная прочность при малой толщине нити. Если посчитать, то выясняется, что сталь далеко не так крепка и надежна, как паутина, просто никакого сравнения.
Паутина имеет не только уникальную прочность, есть еще одно свойство, не менее интересное – паутина сохраняет натяжение в экстремальных условиях, когда окружающая среда крайне агрессивна. Это свойство – не провисать – исследовали ученые во Франции и Великобритании.
Паутинная нить существует в двух абсолютно противоположных фазах – имеет свойство одновременно сжиматься, как жидкости, и растягиваться, как твердые тела. Именно это состояние делает паутину в три раза прочнее самых прочных созданных человеком синтетических нитей, например, нейлона. Данное открытие, как считают ученые, может совершить прорыв не только в науке, но и в технологиях, в частности, в строительных.
Один из секретов паутины был раскрыт. Клейкое вещество, находящееся на паутинных нитках, предназначено природой не только для ловли мух. Как оказалось, у этой паучьей слюны имеется и другая функция. Данный клей работает по типу самосжимающейся пружины, когда воздействия – ветра – нет, клеевые капли сматывают в себя паутину, как в клубок, а при увеличении нагрузок – отпускают, тонко регулируя стабильность поверхностного натяжения паутины.
Жидкая нитка была воссоздана лабораторно. Новый биотехнологический материал – искусственная паутина – был создан из тончайших пластиковых проводов и склеивающего вещества на основе масла. Поведение синтетической паутины, как конструкции, не отличается от настоящей.
Разработчики идеи утверждают, что волокна синтетической паутины возможно сделать практически из любого материала. Перспективы созданной человеком по природному образцу паутины – на настоящее время развитие микротехнологий и реверсивные микродвигатели, а что значат для строительства сверхлегкие волокна с прочностью стали, как для производства новых стройматериалов, так и для развития технологий… никакой фантастике не снилось.
Строительные материалы будущего
Эта сфера развивается постоянно, поэтому если вы работаете в строительной отрасли или смежных с ней, вы непременно должны знать о новых строительных материалах. Хотя бы для того, чтобы постоянно оставаться «в теме». Уже сейчас с помощью экстраполяции можно представить себе, какие стройматериалы и технологические решения станут востребованы при строительстве зданий. Предлагаем вам небольшой обзор наиболее перспективных из них.
Графен
Если цена на графен будет сопоставима с ценами на традиционные стройматериалы, в строительстве можно ожидать настоящую графеновую революцию.
«Римский» бетон
Здания и сооружения Древнего Рима смогли простоять в течение очень долгого времени, поэтому строительные материалы, изготовленные по схожим принципам, сегодня в фокусе внимания ученых. Исследователи из Калифорнийского университета сделали прорыв, раскрыв секрет долгой жизни строений Древнего Рима. Оказывается древнеримские строители использовали особый рецепт для приготовления бетона.
Но «римский» бетон не только прочнее, чем его современный собрат, он также и экологичнее. Как известно, при изготовлении портландцемента ингредиенты нагревают до температуры более 1400 градусов по Цельсию, что способствует массированному выделению углекислого газа. Согласно некоторым подсчетам, это дает до 7% от всех мировых выбросов углерода. А вот «римский» бетон не нуждается в таком нагреве, а это означает, что новый материал прочнее и экологичнее традиционного аналога.
«Зеленый» бетон
Но исследователи из Массачусетского технологического института пошли дальше и разработали технологию, которая предполагает полностью исключить цемент из бетона! Ученые кафедры гражданской и экологической инженерии предложили выпускать так называемый «зеленый» бетон, который для производства бетонной смеси использует такие органические материалы, как кости, ракушки, морские губки, и т.д.
Другая разработка, претендующая на звание «зеленый бетон», создана командой специалистов одного из Университетов Малайзии. Они пошли другим путем и типичные для производства бетона компоненты дополнили переработанным строительным мусором. В итоге получается дешевый и при этом экологичный материал, выполняющий свою функцию не хуже классического аналога.
Справедливости ради нужно отметить, что подобные технологии производства бетона из строительных отходов появляются повсеместно, но мало какая из них доходит до коммерческого использования. Кажется, малайцы подошли к этому ближе всех.
Синтетическая паутина
Паутина является одним из самых впечатляющих и загадочных материалов в мире природы. Чрезвычайно высокая прочность ее при сравнительно малом весе делают этот материал крепче и надежнее стали. Исследователи давно хотели создать синтетическую версию паутины, но до сих пор все попытки были обречены.
Команда из Массачусетского технологического института использовала 3D-печать для создания синтетической паутины, чтобы больше узнать об её структуре. Исследователи считают, что это следующий шаг на пути к созданию ее полноценной искусственной версии. Но работы здесь только начинается.
Химики построили стену из графеновых кирпичей
Hongsheng Yang Steptoe et al., / Advanced Functional Materials, 2019
Китайские ученые создали прочный и упругий метаматериал из графенового аэрогеля. Спрессовав кирпичи из геля восстановленого оксида графена, исследователи получили материал, который выдержал сжимающее давление в 47 мегапаскалей, деформации больше 97 процентов, обладал высокой электрической проводимостью и устойчивостью к температурам до 750 градусов Цельсия. Авторы статьи, опубликованной в Advanced Functional Materials, утверждают, что количество составляющих частей метаматериала не имеет верхнего предела и он может служить строительным материалом для масштабных сооружений.
Графен представляет собой слой решетки шестиугольников из атомов углерода. Особый интерес вещество представляет благодаря примечательным физическим свойствам, в том числе исключительной механической прочностью.
В 2012 году ученым удалось синтезировать графеновый аэрогель — трехмерную пористую структуру, в которой гексагональные плоскости непрерывно соединены ковалентными связями. Практическое применение аэрогелей ограничено, так как их плотность, от которой напрямую зависят механические свойства материала, очень низкая. Прессовка порошков из подобных структур приводит к деформациям графеновых листов, разрушению структуры и ухудшению упругости материала.
Лянти Цюй (Liangti Qu) и его коллеги из Пекинского технологического института нашли способ расширить применение графеновых аэрогелей — они создали и протестировали относительно крупные (десятки сантиметров) бруски из аэрогеля. На первом этапе синтеза исследователи интенсивно перемешивали оксид графена в воде, чтобы образовалась пена с большим количеством микропузырьков воздуха. Затем оксид графена восстановили и образовался гель с пузырьками до ста микрометров. Наконец, для формирования соединительных каналов, пронизывающих материал, авторы работы сначала заморозили, а затем расплавили гель. Полученные кирпичи из геля соединяли друг с другом и прессовали. Благодаря капиллярным силам, которые стремились уменьшить зазоры между кирпичами и части конструкции надежно скреплялись. После того, как изделию дали высохнуть на воздухе, химики провели испытания механической прочности, проводимости и термической устойчивости метаматериала.
Сжатие графеновых материалов с анизотропной структурой, полученных обычными методами (вверху), схематиченое описание этапов получения аэрогеля и СЭМ-изображения структуры геля до (d) и после (f) сжатия.
Hongsheng Yang Steptoe et al., / Advanced Functional Materials, 2019
Этапы создания «стены» из графенового аэрогеля и ее механические свойства.
Hongsheng Yang Steptoe et al., / Advanced Functional Materials, 2019