Технологии и материалы

Каждый, кто пьет кофе с молоком или сливками из маленьких контейнеров, хоть раз да проливал его содержимое на стол или себе на одежду. Не исключено, что именно такой неудачный жизненный опыт побудил Марту Велльнер и Иоахима Ульриха из Галле-Виттенбергского университета Мартина Лютера разработать твердые капсулы из молока.

Вероятно, нет другого химического элемента, который доставил бы человечеству столько хлопот. Запасы молекулярного азота N₂ огромны — это основной компонент воздуха, его содержание в земной атмосфере превышает 78%. Над каждым квадратным километром земной поверхности находится столько азота, что из него можно получить до 10 млн тонн аммиака. Но людям нужен не молекулярный азот, а химически связанный, в составе различных соединений. Над этой задачей химики бьются вот уже второй век.

Исследователи из Китая разработали элегантное решение, позволяющее превратить ржавые стальные изделия в идеальные электроды для калий-ионных источников питания. Особенность метода заключается в том, что ржавчину не удаляют, а превращают в сетчатую структуру, способную запасать ионы калия. Электропроводность и стабильность новых электродов во время повторяющихся циклов «зарядка/разрядка» обеспечиваются образованным на них покрытием из восстановленного оксида графена.

Начало ядерно-космической эры стало своеобразным триумфом материаловедения: обуздание стихии ядерного ядра и проникновение за пределы Земли были задачами, которые прежде человечество никогда не решало. Поэтому для создания соответствующих устройств понадобились невиданные ранее материалы, в том числе и полученные из таких веществ, которые были известны считаному числу химиков и казались никому не нужными. Но чтобы их можно было использовать, потребовалось выяснить свойства новых веществ, найти средства воздействия на них. История циркония служит прекрасной иллюстрацией того, как исследователи сумели решить подобного рода задачи.

Если первой химической реакцией, которую начал использовать человек, было горение, то второй такой реакцией стало брожение. С тех пор люди изобрели множество самых разнообразных спиртосодержащих напитков. В наши дни в винном отделе крупного магазина в глазах пестрит от множества бутылок, начиная дешевыми ординарными винами и заканчивая коллекционными марочными. Чем же различаются эти вина? Для поэта вино — дар богов, а для химика — водный раствор этилового спирта, сахар и немного примесей, содержание которых составляет порой сотые доли процента. Но именно эти примеси и придают винам особо тонкий вкус и аромат.

Про черные графитовые нанотрубки знают многие. Однако подобные структуры можно делать также из других материалов. Перспективен в этом плане предок сверхтвердого абразива — гексагональный нитрид бора со структурой как у графита. Это вещество дает белые нанотрубки — легкие, прочные, жесткие и с высокой теплопроводностью, только объемы производства пока что малы и могут обеспечить только нужды исследователей. Тем не менее уже наметились некоторые интересные области применения.

Откуда произошло слово «бор» и что такое бура? Кто открыл бор? В каком виде бор встречается в природе? Как получают бор? Сколько бора содержится в живых организмах и какова его роль? С какими продуктами человек потребляет бор? Какие последствия будут при недостатке или переизбытке бора? Как бор действует на насекомых? Как бор используют в металлургии? Что такое эльбор? Что такое карбид бора и где его используют? Чем интересны бороводороды? Боразан — топливо будущего? Что такое борное регулирование? Как бором лечат рак? Есть ли бор на Марсе и что это может значить?

Компьютер манипулирует потоками электронов с помощью так называемых логических побитовых операций. Фактически это правила, по которым изменяется информация, записанная электрическими полями. А можно ли аналогичным образом манипулировать не информацией, но непосредственно преобразовывать вещество – перемещать его объемные частицы с места на место, проводить с ними химические реакции?

Недалек тот час, когда появятся новые устройства, следящие за состоянием организма, еще более компактные, удобные, чем,например, фитнес-трекеры. Собственно, они уже есть, и недавно мы рассказывали читателям о том, как они передают информацию с поверхности тела или даже из глубины его. А теперь поговорим о материалах, из которых сделаны эти устройства — от гибкой биосовместимой оболочки и микрокапиллярных систем до биохимических сенсоров и гибкой электроники, оперативно передающей результаты анализа на смартфон или планшет.

Илон Маск обещал через четыре года вывести на рынок устройство для прямой передачи информации из мозга, альтернативу речевой коммуникации. Насколько это серьезно?

Зубная эмаль — уникальный композитный материал, созданный природой. Она достаточно жесткая, чтобы зубы могли измельчать и перетирать все виды пищи, и при этом прочная. Многие пытались получить синтетический материал с подобными свойствами, но повторить инженерное решение природы пока никому не удавалось. После многочисленных проб и ошибок исследователи из США и Южной Кореи все же создали материал, который можно назвать точной копией прочнейшей биологической ткани.

Можно ли с помощью микроскопа разглядеть атом, отличить его от другого атома, проследить за разрушением или образованием химической связи и увидеть, как одна молекула превращается в другую? Да, если это не простой микроскоп, а атомно-силовой. А можно и не ограничиваться наблюдением. Мы живем в то время, когда атомно-силовой микроскоп перестал быть просто окном в микромир. Сегодня этот прибор можно использовать для перемещения атомов, разрушения химических связей, изучения предела растяжения одиночных молекул — и даже для исследования генома человека.

В повседневной жизни мы постоянно имеем дело с кристаллами — соль и сахар есть в каждом доме. Однако нас не интересует строение этих кристаллов, и мы спокойно растворяем их в супе или кофе. В пущинском Институте белка РАН кристаллизуют биомолекулы для изучения их пространственной структуры. Это непростая задача: получение кристаллов молекулы белка или РНК балансирует на грани науки и искусства, а информация, которую можно получить с помощью таких кристаллов, чрезвычайно важна: структура биомолекул — ключ к их тайнам.

Ровно семьдесят лет назад, в 1947 году, произошло историческое событие, которое определило дальнейшее развитие цивилизации вплоть до ее современного состояния — с компьютерами, сотовыми телефонами, Интернетом, в общем, со всем тем, что называют технической основой информационного общества. Это событие — изготовление первого точечного транзистора. Его собрали американские физики Уолтер Браттейн и Джон Бардин, работавшие в компании «Bell Telephone Laboratories». Подложкой послужил не привычный сегодня кремний, а германий.

Создание сплава подобно кулинарному искусству — надо в должной последовательности и пропорции соединить основные компоненты, а также приправы. Если пренебречь мелочами, блюдо не получится. А вот как, например, приготовить нержавеющую сталь нового поколения? Многие металлурги считают, что без азота тут не обойтись.

В новой работе химики-синтетики и химики-технологи из Массачусетского технологического института создали новую систему, которая существенно экономит время, уходящее на оптимизацию реакции.