Применение новых материалов

Содержание

Перспективы применения новых материалов и способы их создания

Современный научно-технический прогресс немыслим без создания новых материалов и технологических процессов, к материалам нового поколения, обладающим высокими эксплуатационными характеристиками, о которых совсем еще недавно можно было только мечтать, относятся сплавы, не имеющие кристаллического строения, названные аморфными, и композиционные материалы.

Создание порошковых материалов, дает возможность не только получения новых особых свойств деталей конструкций, но и позволяет использовать металлические отходы, вторичное сырье, тем самым повысить процент выхода годного металла, а значит, повысить эффективность производства.

Порошковые материалы

Порошковые сплавы представляют собой металлический порошок (железный, из цветных металлов, в некоторых случаях с добавкой графита или других примесей),спрессованный при высоком давлении и подвергнутый спеканию. Такой способ получения порошковых сплавов называется порошковой металлургией.

Порошковые сплавы называет также металлокерамическими ввиду сходства их изготовления с изготовлением керамических изделий.

Порошковые сплавы широко применяют, в различных отраслях машиностроения благодаря высокой экономичности технологии их изготовления (по сравнению с методами литья и штамповки). Особенно эффективны порошковые сплавы на. железной основе как заменителя цветных металлов.

В технологический процесс производства, порошковых сплавов входят:

получение порошков, подготовка шихты, прессование и спекание полученной заготовки, иногда, изделия из порошковых сплавов подвергают дополнительной обработке -калиброванию, горячей допрессовке термической и химико-термической обработке, декоративным и защитным покрытиям.

Порошки получают различными способами: механическим измельчением железной и стальной стружки в шаровых, молотковых и вихревых мельницах: восстановлением из окислов тугоплавких металлов (вольфрам, молибден, железо и др.); распылением жидкого металла сжатым воздухом или паром (алюминия, меди, олова и др.); электролитическим осуждением меди, олова, железа и др.

Порошок подвергают очистке от загрязнений, сушке, дополнительному измельчению, отжигу (для снятия наклепа, улучшения однородности металлов в защитной или восстановительной атмосфере), классификации по размеру (с помощью набора, стандартных сит), смешиванию (в специальных смесителях). Прессование проводят в штампах — пресс-формах. При прессовании происходит механическое сцепление частиц порошка. Спекание представляет собой специальный отжиг спрессованных заготовок, его проводят с целью повышения их механических свойств. При спекании происходит восстановление окислов на металлических частичках и образование прочного металлического контакта, снятие внутренних напряжений и искажений в кристаллической решетке, рекристаллизация, диффузия, В результате спекания мало прочные механические связи между частицами порошка заменяются более прочными межатомными связями. Спекание осуществляют в печах с защитной атмосферой. Температура спекания заготовок, спрессованных из порошка одного металла, составляет примерно 75 % от температуры плавления данного металла. Например, для железа эта температура равна 1100- 12000 С, для меди 800-9000С, для молибдена 2100-2300 0С.

Спекание заготовок из порошков с большой разницей в температурах плавления ведут при температуре, превышающей температуру плавления наиболее легкоплавкого компонента. При спекании образуется жидкая фаза например, температура спекания порошков железа и меди 1100-12000С, меди и олова 700-800 0С . Продолжительность спекания обычно составляет 1-3 ч. Прессование и спекание можно совместить в одну операцию, называемую горячим прессованием. В этом случае применяют более низкое давление, составляющее 5-10% давления обычного прессования и более низкие температуры (на 10-30% ниже температуры спекания холодно-прессованных заготовок). Наиболее распространенными видами брака при спекании являются пережог, плохо пропеченная сердцевина, неравномерная плотность, усадочные макропоры, коробление, трещины, расслоение, несоответствие заданным свойствам и размерам.

Применение порошковых сплавов

В зависимости от назначения порошковые сплавы делят на фрикционные, антифрикционные, плотные, тугоплавкие, электротехнические и твердые сплавы.

Антифрикционные сплавы.Эти сплавы получают из порошков, как черных, так и цветных металлов. При наличии пор, в которых удерживается смазка, и наличие графита, являющегося твердой смазкой, подшипники отличаются малым износом, малым коэффициентом трения, потребляют меньше смазки, хорошо прирабатываются.

Фрикционные сплавы.Эти сплавы, применяемые для тормозных устройств, должны иметь высокий коэффициент трения, обладать износостойкостью, высокой теплопроводностью, хорошей прирабатываемостью.

Плотные сплавы.Эти сплавы, применяемые для деталей машин и измерительного инструмента, получают из порошков железа, стали, меди, бронзы, латуни. В данном случае упрощается технологический процесс, сокращается расход материала, снижается трудоемкость производства.

Тугоплавкие металлы и сплавы.Эти металлы — вольфрам, молибден, титан, и другие, применяемые в виде прутков, проволоки и листа, получают прессованием порошков в холодном состоянием в брикеты, спеканием в атмосфере водорода (вольфрам и молибден) или в вакууме(титан).

Электротехнические сплавы.Эти сплавы, применяемые для электрических контактов, магнитов, сердечников индукционных катушек, получают из порошков, железа, вольфрама, бронзы и графита, железа и никеля, и специальных сплавов.

В последние годы нашли применение порошковые быстрорежущие стали (10Р6М5-МП, Р6М5К5-МП, Р12ФЗ-МП и др.), которым не свойственна карбидная неоднородность, они хорошо шлифуются даже при большом содержании ванадия (3,0-4,0%) и обладают высокими режущими свойствами. Широко применяют порошковые инструментальные твердые сплавы, состоящие из карбидов тугоплавких металлов (WC, TiC, TaC), связанных кобальтом.

Порошки в металлургии применяют для получения специальных сплавов специальных сплавов: жаропрочных на никелевой основе, дисперсно-упрочненных материалов на основе Ni, Al, Ti и Сг. Методом порошковой металлургии получают различные материалы на основе карбидов W, Мо и Zr.

Спеченные алюминиевые сплавы (САС) применяют тогда, когда путем литья и обработки давлением трудно получить соответствующий сплав. Изготовляют ОАО с особыми физическими свойствами. Они содержат большое количество легирующих элементов САС1 (20-30% Si, 5-7%, Ni, остальное Al). Из СAC1 делают детали приборов, работающих в паре со сталью при температуре 20-30 °С, которые требуют сочетания низкого коэффициента линейного расширения и малой теплопроводности. В оптико-механических и других приборах нашли применение высокопрочные порошковые сплавы системы Al-Zn-Mg-Co (ПВ90, ПВ90Т и др.). Эти сплавы обладают высокими механическими свойствами, хорошей обрабатываемостью резанием и релаксационной стойкостью. Изделия из этих сплавов подвергают термической обработке по режимам Т1 и Т2 (искусственное старение, отжиг). Применяют гранулированные специальные сплавы с высоким содержанием Fe, Ni, Co, Мп, Cr, Zn, Ti, V и других элементов, малорастворимых в твердом алюминии. Гранулы — литые частицы диаметром от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров. При литье центробежным способом капли жидкого металла охлаждаются в воде со скоростью 10 4 –106 0С/с, что позволяет получить сильно пересыщенные твердые растворы переходных элементов в алюминий. При последующих технологических нагревах (400 — 450 °С) происходит распад твердого раствора с образованием дисперсных фаз, упрочняющих сплав.

Все более широкое применение получают компактные материалы из порошков углеродистой и легированной стали, бронз, латуней, сплавов алюминия и титана, для изготовления всевозможных шестерен, кулачков, кранов, корпусов подшипников, деталей автоматических передач и других деталей машин. Свойства изделий, полученных из порошков, во многих случаях не уступают свойствам изделий, полученных обычными металлургическими методами. Однако следует учитывать, что с увеличением пористости ухудшаются механические свойства. Например прочность стали ( σв, σо2 ) при пористости выше 3 — 5%, а пластичность и вязкость выше 1 — 2% заметно снижаются. Порошковая металлургия позволяет увеличить коэффициент использования металлов до 0,7-0,9, повысить производительность труда и снизить себестоимость детали по сравнению с обычной технологией, не смотря на более высокую стоимость металлических порошков. Экономическая эффективность достигается благодаря резкому сокращению или полному исключению механической обработки. Порошковые материалы наиболее эффективны в массовом производстве.

Композиционными называют материалы, которые представляют собой соединение высокопрочных, жаропрочных или особо жестких (высокомодульных) тонких волокон и полимерной, металлической или керамической матрицы, в которую эти волокна погружены и которая связывает их в монолитное тело.

Именно такие волокна, из-за, ряда особенностей позволяют материалу обрести рекордные характеристики.

Композиционные материалы по жесткости и удельной прочности, прочности при высокой температуре, сопротивлению усталостному разрушению и другим свойствам, значительно превосходят все известные конструкционные сплавы.Свойства композиционных материалов определяются физико-механическими свойствами компонентов и прочностью связи между ними. Композиционные материалы могут быть двух типов:

а) на металлической основе, основой (матрицей) в которой служат металлы или сплавы;

б) композиционные материалы на неметаллической основе, основой (матрицей) в которой являются полимеры, углеродные или керамические материалы.

Свойства матрицы определяют технологию получения композиционных материалов и такие важные характеристики, как температура эксплуатации, сопротивление усталостному разрушению, плотность и удельная прочность.

Упрочнители (наполнители) равномерно распределены в матрице. По твердости ,прочности и модулю упругости упрочнители, или, как их называют, армирующие компоненты должны значительно превосходить матрицу.

По форме армирующих компонентов композиционные материалы разделяют на:

1) дисперсно-упрочненные, в которых армирующие компоненты присутствуют в виде частиц малого размера:

2) волокнистые, в которых армирующие компоненты представляют собой волокна или пластины.

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы в качестве наполнителей содержат дисперсные частицы тугоплавких фаз — оксидов, нитридов, боридов, карбидов (АlОз, SIO ,SIC и др.).Эти тугоплавкие соединения имеют высокий модуль упругости, низкую плотность, не взаимодействуют с материалом матриц. По сравнению с волокнистыми композиционными материалами, дисперсно-упрочненные обладают большей изотропностью свойств.

Волокнистые композиционные материалы в качестве наполнителей содержат волокна, или нитевидные кристаллы чистых элементов и тугоплавкие соединения (В, С, А1203 и др.), а также проволоку из металлов и сплавов(Мо, W, Be, высокопрочной стали и др.). Волокнистые композиционные материалы обладают значительной анизотропией. Свойства их зависят от схемы армирования. Наибольшая анизотропия наблюдается при армировании вдоль одной оси. При армировании вдоль двух перпендикулярных осей aнизотропии почти не наблюдается.

Аморфные металлы — это металлы и металлические сплавы, у которых отсутствует дальний порядок в расположении атомов. Иногда, их называют металлическими стеклами или некристаллическими сплавами.

Чтобы совершить революцию, мало знать ответ на вопрос «как?», есть еще и вопрос «из чего?». К технологическим революциям это относится в первую очередь. Без появления принципиально новых материалов не было бы ни компьютеров, ни мобильной связи, ни солнечных батарей. Мы выбрали десять материалов, которые должны обеспечить радикальные перемены в ближайшие десятилетия. источник

1 Углеродные нанотрубки: разорвать невозможно

Что это Трубка, собранная из атомов углерода. Длина трубки теоретически ничем не ограничена, хотя на практике вырастить их длиннее 20 сантиметров пока никому не удалось. Но и это очень много по сравнению с масштабом атома (10-10 м).

Что из них можно делать Если верить футурологам, нанотрубки — это наше все. К примеру, они очень-очень-очень прочные. Вся трубка, по сути, является одной молекулой, и разорвать ее крайне сложно. Расчеты показывают, что нить из многослойных нанотрубок толщиной в миллиметр могла бы удержать груз до 15 тонн. Обещают, что когда-нибудь они позволят построить лифт в космос (этот образ уже увековечен в «Смешариках»), а уж про банальные тросы для земных нужд и говорить нечего.

Прочность — это еще не все. Например, теплопроводность нанотрубок вдоль оси почти в десять раз выше, чем у меди. Но при этом в поперечном направлении они задерживают тепло примерно так же, как кирпич или бетон. Еще из этих трубок можно делать аккумуляторы, фильтры для воды, иглы для внутриклеточных инъекций, емкости для хранения водорода и так далее. Если бы будущее имело герб, его стоило бы украсить венками из нанотрубок.

А что сейчас Пока нанотрубки проще найти в лабораториях, чем в коммерческих продуктах. Однако уже появились композитные материалы с их использованием, и, по заявлениям производителей, они прочнее обычных на несколько десятков процентов. Из таких материалов производят детали для спортивных велосипедов и корпуса яхт.

2 Графен: нобелевский углерод

Что это Самое главное, что мы знаем о графене: за его открытие дали Нобелевскую премию, дали ее русским ученым Гейму и Новоселову, эти русские ученые живут в Великобритании и не хотят переезжать в наше Сколково.

По сути, графен — это плоский лист из атомов углерода, первый из открытых двумерных кристаллов, возможность существования которых долгое время вызывала сомнения. Такие кристаллы не могут вырасти из расплава: их скрутит и разорвет тепловыми колебаниями. Но зато плоский лист графена вполне реально оторвать от графита. Причем обыкновенным скотчем, как это сделали нобелевские лауреаты, развлекавшиеся в лаборатории пятничным вечером.

Что можно делать С графеном связывают еще большие надежды, чем с нанотрубками. Великолепные электрические свойства делают его альтернативой кремниевым полупроводникам. Он исключительно прочен на разрыв: теоретически графеновая лента в двести раз прочней стали, так что конструкторам космического лифта будет из чего выбирать. Кроме того, графен обладает прекрасной теплопроводностью и практически прозрачен. Все это открывает путь к созданию гаджетов будущего — например, контактных линз, на которые можно передавать изображение.

Есть и совсем неожиданные разработки. В авторитетнейшем журнале Science был описан такой эксперимент: по одну сторону от графеновой мембраны помещали водку, а далее мембрана пропускала через себя только воду, оставляя с другой стороны крепчающий с каждым часом спирт.

А что сейчас Обещают, что вот-вот на рынке появятся изделия на основе графена. Но пока этот материал используется главным образом в лабораториях.

3 Аэрогель: облегченная материя

Что это Молекулярная губка из диоксида кремния, углерода или иного вещества, очень-очень пористая — микроскопические пустоты могут составлять до 99% ее объема. Плотность аэрогеля — всего несколько килограммов на кубометр, то есть он лишь в 1,5–2 раза тяжелее воздуха и в 300–500 раз легче воды. Несмотря на свою воздушность, аэрогель весьма прочен: небольшой, со спичечный коробок, кусочек выдерживает на себе кирпич.

Что можно делать Это едва ли не лучший материал для теплоизоляции в мире: легкий, достаточно прочный, не поддающийся коррозии и гниению, не горящий в огне и, само собой, не тонущий в воде.

Аэрогель может радикально сократить потери тепла зданиями или, напротив, снизить расходы на кондиционирование воздуха и работу морозильных установок. Легкая и теплая одежда, прозрачные плитки для утепления окон — лишь самые очевидные способы применения подобных материалов.

На основе углеродного аэрогеля можно создавать суперконденсаторы, сочетающие высокую емкость с возможностью выдавать сильный ток при разрядке. А еще аэрогель собираются использовать для адресной доставки лекарств к клеткам и как материал для фильтров.

А что сейчас Аэрогель стоит безумно дорого и потому пока применяется в основном для космических нужд. Речь идет не только о теплоизоляции марсоходов или скафандров — этот материал использовался как ловушка для рассеянных в космическом пространстве пылинок: панели из аэрогеля были установлены на американском аппарате Stardust.

Впрочем, если плитки из аэрогеля не должны быть аккуратными, его стоимость резко падает. Сегодня уже делают куртки с его использованием, причем по вполне доступным ценам (порядка 300 долларов).

4 Сплавы с эффектом памяти: вернуть былую форму

Что это Некоторые металлы демонстрируют странное свойство: их можно изогнуть, и они сохранят эту форму, как и полагается пластичному веществу, но только если их не нагревать. Стоит это сделать, как деталь сама восстанавливает первоначальную конфигурацию. Эффект памяти был обнаружен еще до Второй мировой войны, с тех пор его научились много где применять.

Что можно делать Практически любые предметы, которые должны менять свою форму без вмешательства человека: от втулок до бюстгальтеров, от протезов до автомобилей.

А что сейчас Эти материалы используются во множестве разных изделий, включая самые оригинальные: еще в 1990-х годах был построен первый робот, ноги которого передвигаются именно благодаря эффекту памяти. Сегодня речь идет о том, чтобы сделать эту технологию еще лучше и дешевле.

5 Высокотемпературные сверхпроводники: не терять электричество

Что это При температурах близких к абсолютному нулю некоторые металлы становятся сверхпроводниками, то есть электричество проходит через них безо всякого сопротивления. В последние десятилетия ученым удалось создать материалы, которые становятся сверхпроводниками при высоких температурах. «Высокие» — понятие относительное и означает в данном случае «выше температуры жидкого азота –186 ºС». Но и это уже прогресс.

Что можно делать «…Разработки с применением эффекта сверхпроводимости, особо актуального для наших протяженных территорий. Мы продолжаем терять гигантские объемы энергии при передаче ее по территории страны, гигантские объемы» — так сказал Дмитрий Медведев, обращаясь к Федеральному Собранию в 2009 году. Более прагматичные ученые тут же начали писать заявки на дополнительное финансирование, менее прагматичные — просто ерничать, представляя, как линии электропередачи заливаются жидким азотом для достижения эффекта сверхпроводимости.

Но чисто теоретически такое вполне осуществимо (только должно пройти немало президентских сроков). Можно представить себе сверхпроводящие ЛЭП, которые доставляют потребителю электроэнергию без потерь на обогрев атмосферы. При этом вместо нагромождения проводов можно использовать тонюсенькую сверхпроводящую проволоку, погруженную в охлаждающее вещество. Для этого хватит небольшой трубы и не нужна будет полоса отчуждения в сотню метров шириной.

Это далеко не единственная и, возможно, даже не главная область применения сверхпроводников. Они позволяют строить мощные электромагниты, которые нужны в томографах и для манипуляций с плазмой в термоядерных реакторах. Если сверхпроводники окажутся еще и не слишком дорогими, их можно будет использовать в экспрессах на магнитной подвеске.

А что сейчас Рекорд пока составляет –163 ºС, исследования продвигаются медленно, полноценной теории нет до сих пор. Это одна из особенностей физики: наука знает, что происходило через секунду после Большого взрыва, но при этом не способна предсказать все свойства обычного материала. Более того, никто не знает и того, возможны ли в принципе сверхпроводники, работающие при комнатной температуре.

6 Стекло с добавками: лазер для всех

Что это Добавление редкоземельных элементов (например, европия) позволяет превратить обычное стекло в активную среду лазера — материал, в котором свет не затухает, а, напротив, усиливается.

Что можно делать Мощные и доступные лазеры, которые можно будет использовать где угодно: хоть при передаче информации, хоть при сварке металла, хоть для термоядерной реакции. Сейчас ученые подбирают все новые добавки, усиливающие нужный эффект.

А что сейчас Стекла с добавками используют при передаче сигналов по оптоволокну. Каждый бит текста с новостного сайта, каждое перемещение героя в онлайн-игре и каждая нота в музыкальном клипе на ютубе — все это преодолело сотни и тысячи километров стеклянных волокон благодаря атомам редкоземельных элементов.

Кстати, в 2010 году одним из лауреатов Государственной премии РФ стал Валентин Гапонцев — физик и самый богатый завкафедрой в России. В начале 1990-х годов Гапонцев разработал и довел до производства лазеры, главный элемент которых представляет оптоволокно с особыми добавками.

7 ДНК-листы: коробочка с белковым замком

Что это ДНК известна прежде всего как носитель наследственной информации. Но нити ДНК можно слеплять друг с другом в плоский лист. И тогда получится новый материал с уникальными свойствами.

Что можно делать Например, из ДНК можно собрать микроскопическую коробочку для доставки лекарств в нужный орган или для охоты за вирусами и раковыми клетками. У этой коробочки будет крышка с замком из молекулы белка, который отпирается, получив нужный химический сигнал.

А что сейчас Уже сформировалось целое направление на стыке материаловедения, нанотехнологий и биологии — ДНК-оригами. Самый свежий пример — разработка Массачусетского технологического института, сотрудники которого собрали «коробку», в которую положили другую знаменитую молекулу, РНК. В такой упаковке она может быть перенесена кровотоком в нужное место без риска быть разрушенной по дороге.

8 Метаматериалы: скроить шапку-невидимку

Что это Есть материалы, для которых не очень важно, из чего они сделаны. Их свойства определяет не химический состав, а структура. Метаматериалы — это двух- или трехмерные решетки сложной формы. Они могут обладать отрицательным коэффициентом преломления, этот эффект предсказал еще в 60-х годах советский физик Виктор Веселаго.

Что можно делать Именно из метаматериалов уже не первый год предлагают делать шапки-невидимки, скрывающие от глаз любой объект: световые волны, подчиняясь внутренней структуре метаматериала, будут огибать его со всех сторон. Британский физик сэр Джон Пендри обещал, что вот-вот появится материал, способный сделать невидимым целый танк.

А что сейчас Прогнозы сбываются чуть медленнее, чем хотелось бы. Полноценная шапка-невидимка пока не сшита, достигнута лишь невидимость в микроволновом диапазоне излучения. Но борьба за невидимость дает свои результаты, иногда самые неожиданные. Например, по аналогии с системой отрицательного преломления света создается комплекс защиты от сейсмических волн. Только вместо отдельных атомов — вкопанные в землю резиновые блоки.

9 Гидрофобные поверхности: украсть идею у лотоса

Что это Заседание президиума Российской академии наук. Серьезные академики, официальная обстановка… И тут трогательное название доклада: «Эффект лотоса». Речь шла о материалах, способных отталкивать воду. «Этот эффект проявляется в том, что при контакте с таким материалом капля воды принимает форму, близкую к шарообразной, и при небольшом наклоне материала по отношению к горизонту капля с поверхности скатывается, захватывая при движении все загрязнения поверхности… Лист лотоса является лишь наиболее изученным и широко упоминаемым объектом. Хотя эффект лотоса в природе наблюдался давно, систематическое исследование этого явления учеными началось не более десяти лет назад, а получать самые разные материалы, обладающие супергидрофобностью, стало возможным лишь в связи с получением наноматериалов и развитием нано- и микротехнологий», — говорилось в докладе члена-корреспондента РАН Людмилы Бойнович.

Что можно делать Очки, бинокли, ветровые стекла, лабораторную посуду, корпуса мобильных телефонов или даже одежду — хорошо иметь ткань, которая и не мокнет, и не пачкается. Более того, на гидрофобных ступеньках не накапливается влага и, следовательно, не образуется наледь. Дворникам и врачам-травматологам зимой работы может поубавиться.

Кстати, российские ученые в деле спасения линий электропередачи больше надеются именно на эффект лотоса, а не на сверхпроводимость: «Очень важное направление применения супергидрофобности в электроэнергетике — борьба с налипанием снега и льда на электрические провода. Хорошо известно из средств массовой информации, что каждые три-четыре года на значительной территории России обледенение проводов вызывает их обрыв, и света и тепла иногда на многие часы лишаются десятки тысяч человек».

А что сейчас В марте 2012 года компания General Electric объявила о том, что создала прототип покрытия, текстура которого на микроуровне повторяет фактуру лепестков лотоса. Такие материалы предназначены для авиации, где борьба с наледью более чем актуальна. О сроках выхода на рынок, впрочем, не сообщается: сначала надо решить ряд проблем, связанных с долговечностью материала.

10 Саморазлагающиеся материалы: как сделать жизнь короткой

Что это Материалы, которые под действием солнечного света или микроорганизмов быстро разлагаются на безвредные компоненты.

Что можно делать Все, что не требует долговечности: пакеты, упаковочную пленку, рекламные плакаты, мешки для мусора, бутылки, то есть все, что годами лежит на наших газонах и плавает в водоемах.

Есть все основания полагать, что лет через десять обычные пакеты в супермаркетах продавать перестанут, на кассе покупателю предложат только пакет, который через несколько недель расползется на мелкие клочья.

А что сейчас Биодеградируемый пластик уже вышел на рынок. Вопрос только в том, как добиться сочетания низкой стоимости, чистоты производства и удобства для потребителя.

Теперь ты знаешь больше 🙂

Метки:изобретения, нано, наука, техника, технология, топ-10, физика, химия, экология

Бионика

Био́ника (от др.-греч. βίον «живущее») — прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, то есть формах живого в природе и их промышленных аналогах.

Различают:

  • биологическую бионику, изучающую процессы, происходящие в биологических системах;
  • теоретическую бионику, которая строит математические модели этих процессов;
  • техническую бионику, применяющую модели теоретической бионики для решения инженерных задач.

Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками: электроникой, навигацией, связью, протезированием (конечностей и органов человека и др. живых существ), морским делом и другими.

Название

Название бионики происходит от древнегреческого слова бион — «ячейка жизни». Изучает бионика биологические системы и процессы с целью применения полученных знаний для решения технических задач. Бионика помогает человеку создавать оригинальные технические системы и технологические процессы на основе идей, найденных и заимствованных у природы.

Биомиметика

В англоязычной и переводной литературе чаще употребляется термин биомиме́тика (от др.-греч. βίος «жизнь» + μίμησις «подражание») в значении — подход к созданию технологических устройств, при котором идея и основные элементы устройства заимствуются из живой природы. Бионика подтверждает, что многие человеческие изобретения имеют аналоги в живой природе, например, застежки «молния» и «липучки» были сделаны на основе строения пера птицы. Бородки пера различных порядков, оснащенные крючками, обеспечивают надежное сцепление.Одним из удачных примеров биомиметики является широко распространенная текстильная застёжка, прототипом которой стали плоды растения репейник, цеплявшиеся за шерсть собаки швейцарского инженера Жоржа де Местраля.

История развития

Идея применения знаний о живой природе для решения инженерных задач принадлежит Леонардо да Винчи, который пытался построить летательный аппарат с машущими крыльями, как у птиц: орнитоптер.

Появление кибернетики, рассматривающей общие принципы управления и связи в живых организмах и машинах, стало стимулом для более широкого изучения строения и функций живых систем с целью выяснения их общности с техническими системами, а также использования полученных сведений о живых организмах для создания новых приборов, механизмов, материалов и т. п.

Основные направления работ

Основные направления работ по бионике охватывают следующие проблемы:

  • изучение нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток (нейронов) и нейронных сетей для дальнейшего совершенствования вычислительной техники и разработки новых элементов и устройств автоматики и телемеханики (нейробионика);
  • исследование органов чувств и других воспринимающих систем живых организмов с целью разработки новых датчиков и систем обнаружения;
  • изучение принципов ориентации, локации и навигации у различных животных для использования этих принципов в технике;
  • исследование морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических и научных идей.

Моделирование живых организмов

Создание модели в бионике — это половина дела. Для решения конкретной практической задачи необходима не только проверка наличия интересующих практику свойств модели, но и разработка методов расчёта заранее заданных технических характеристик устройства, разработка методов синтеза, обеспечивающих достижение требуемых в задаче показателей.

И поэтому многие бионические модели, до того как получают техническое воплощение, начинают свою жизнь на компьютере. Строится математическое описание модели. По ней составляется компьютерная программа — бионическая модель. На такой компьютерной модели можно за короткое время обработать различные параметры и устранить конструктивные недостатки.

Именно так, на основе программного моделирования, как правило, проводят анализ динамики функционирования модели; что же касается специального технического построения модели, то такие работы являются, несомненно, важными, но их целевая нагрузка другая. Главное в них — изыскание лучшей экспериментальной технологической основы, на которой эффективнее и точнее всего можно воссоздать необходимые свойства модели. Накопленный в бионике практический опыт неформализованного «размытого» моделирования чрезвычайно сложных систем имеет общенаучное значение. Огромное число её эвристических методов, совершенно необходимых в работах такого рода, уже сейчас получило широкое распространение для решения важных задач оптимального управления, экспериментальной и технической физики, экономических задач, задач конструирования многоступенчатых разветвлённых систем связи и т. п.

> Архитектурно-строительная бионика Основная статья: Архитектурная бионика

Нейробионика

Нейробионика изучает работу мозга, исследует механизмы памяти. Интенсивно изучаются органы чувств животных, внутренние механизмы реакции на окружающую среду и у животных, и у растений. Основными направлениями нейробионики являются изучение физиологии нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток-нейронов и нейронных сетей. Это даёт возможность совершенствовать и развивать архитектуру электронной и вычислительной техники. Существуют теории, утверждающие, что развитие нейробионики было основанием создания искусственного интеллекта.

> Примечания

  1. «Нанотехнологии. Азбука для всех.» М.: «Физ.-мат. лит.», 2007

Литература

  • Моделирование в биологии, пер. с англ., под ред. Н. А. Бернштейна, М., 1963.
  • Парин В. В., Баевский Р. М. Кибернетика в медицине и физиологии, М., 1963.
  • Вопросы бионики. Сб. ст., отв. ред. М. Г. Гаазе-Рапопорт, М., 1967.
  • Мартека В. Бионика, пер. с англ., М., 1967.
  • Крайзмер Л. П., Сочивко В. П. Бионика, 2-е изд., М., 1968.
  • Брайнес С. Н., Свечинский В. Б. Проблемы нейрокибернетики и нейробионики, М., 1968.
  • Литинецкий И. Б. Беседы о бионике. — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1968. — 592 с. — 50 000 экз.
  • Библиографический указатель по бионике, М., 1965.
  • Игнатьев М. Б. Артоника // Статья в словаре-справочнике «Системный анализ и принятие решений»изд. Высшая школа, М., 2004.
  • Мюллер Т. Биомиметика: National Geographic Россия, май 2008, с. 112—135.
  • Lakhmi C. Jain; N.M. Martin Fusion of Neural Networks, Fuzzy Systems and Genetic Algorithms: Industrial Applications. — CRC Press, CRC Press LLC, 1998
  • Емельянов В. В., Курейчик В. В., Курейчик В. Н. Теория и практика эволюционного моделирования. — М: Физматлит, 2003.
  • Архитектурная бионика. Под редакцией Ю. С. Лебедева.-М.:Стройиздат, 1990. 269с.
  • Васильков Г. В. Эволюционная теория жизненного цикла механических систем. Теория сооружений. — М.: Издательство ЛКИ, 2008. 320 с.
  • Липов А. Н. У истоков современной бионики. Био-морфологическое формообразование в искусственной среде // Полигнозис. № 1-2. 2010. Ч. 1-2. С. 126-136.
  • Липов А. Н. У истоков современной бионики. Био-морфологическое формообразование в искусственной среде // Полигнозис. № 3. 2010. Ч. 3. С 80-91.

Ссылки

  • Бионика // Большая советская энциклопедия : / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
  • Бионика
В этой статье или разделе имеется список источников или внешних ссылок, но источники отдельных утверждений остаются неясными из-за отсутствия сносок. Утверждения, не подкреплённые источниками, могут быть поставлены под сомнение и удалены. Вы можете улучшить статью, внеся более точные указания на источники.

Бионика и кибернетика были названы двумя сторонами одной медали. Оба используют модели живых систем. Бионика, чтобы найти новые идеи для полезных искусственных машин и систем, а кибернетика, чтобы искать объяснение поведения живых существ.

Таким образом, бионика отличается от биоинженерии (или биотехнологии), которая заключается в использовании живых организмов для выполнения определенных промышленных задач, таких как выращивание дрожжей на нефти для получения пищевых белков, использование микроорганизмов, способных концентрировать металлы из низкосортных руд и переваривание отходов бактериями в биохимических батареях для подачи электрической энергии.

Мимикрия природы — старая идея. Многие изобретатели моделировали машины на примере животных на протяжении веков. Копирование с натуры имеет явные преимущества. Большинство живых существ, находящихся сейчас на Земле, являются продуктом двух миллиардов лет эволюции, и конструирование машин для работы в среде, напоминающей среду обитания живых существ, может извлечь выгоду из этого огромного опыта. Хотя самым простым способом можно считать прямое подражание природе. Это часто трудно, если не невозможно, среди прочих причин из-за различий в масштабе. Исследователи бионики обнаружили, что более выгодно понимать принципы того, почему вещи именно так работают в природе.

Захват на основе модели щупалец осьминога

Следующим шагом является обобщения поиска вдохновения от природы. Живые существа можно изучать с нескольких точек зрения. Животная мышца является эффективным механическим двигателем; солнечная энергия накапливается в химической форме растениями с почти 100-процентной эффективностью; передача информации в нервной системе более сложна, чем на крупнейших телефонных станциях. Решение проблем человеческим мозгом намного превосходит возможности самых мощных суперкомпьютеров. Они иллюстрируют две основные области исследований бионики — обработку информации и преобразование, и хранение энергии.

Общая схема информационной сети живых организмов следующая: ощущения окружающей среды воспринимаются органами чувств и затем кодируются в сигналы, которые передаются нервами в центры обработки и запоминания мозга. Например, ямки гадюки подсемейства Crotalinae (включая гремучих змей) имеют термочувствительный механизм, расположенный в углублении между ноздрями и глазами. Этот орган настолько чувствителен, что может обнаружить мышь на расстоянии нескольких метров. Хотя существуют гораздо более чувствительные искусственные инфракрасные детекторы, бионика все же может извлечь выгоду из изучения гадюк. Во-первых, было бы интересно и потенциально полезно понять принцип преобразования энергии, происходящего в инфракрасной ямке гремучей змеи, а также процесс, посредством которого нервы стимулируются в отсутствие усиливающего механизма. Еще один яркий пример — орган обоняния шелковой моли Bombyx mori. Самец может обнаружить химическое вещество, выделяемое самкой, в количестве всего нескольких молекул.

В проводнике, таком как телефонный провод, сигнал ослабляется, когда он проходит вдоль провода, и усилители должны быть размещены через определенные промежутки времени, чтобы усилить его. Это не относится к нервному аксону животного: нервный импульс, исходящий от органов чувств, не ослабевает при движении вдоль аксона. Этот импульс может распространяться только в одном направлении. Эти свойства делают нервный аксон способным к логическим операциям. В 1960 году было разработано полупроводниковое устройство, называемое нейристором, способное распространять сигнал в одном направлении без затухания и способное выполнять числовые и логические операции. Нейрористорный компьютер, вдохновленный естественной моделью, имитирует динамическое поведение естественных нейронных информационных сетей; каждая схема может служить последовательно для различных операций способом, аналогичным нервной системе.

Легкий пневматический робот

Другой вопрос, представляющий интерес для бионики, заключается в том, как живая система использует информацию. В меняющихся обстоятельствах люди оценивают альтернативные варианты действий. Каждая ситуация как-то напоминает ситуацию, пережитую раньше. «Распознавание образов», важный элемент человеческой деятельности, имеет значение для бионики. Одним из способов создания искусственной машины, способной распознавать образы, является использование процессов обучения. Экспериментальные версии такой машины были разработаны. Они учатся, устанавливать и изменять соединения между большим количеством возможных альтернативных маршрутов в сети путей. Это обучение, однако, все еще зачаточно и далеко от человека.

Первое существенное различие между существующими электронными компьютерами и человеческим мозгом заключается в том, как организована их память. Как в памяти живого существа, так и в машине, основная проблема заключается в извлечении информации после ее сохранения.

Метод, используемый компьютерами, называется «адресация». Память компьютера можно сравнить с большой стойкой с «голубями», каждая из которых имеет определенный номер или адрес (местоположение). Можно найти определенную часть информации, если известен адрес, то есть номер почтового ящика. Человеческая память работает совсем по-другому, используя ассоциацию данных. Информация извлекается в соответствии с ее содержанием, а не по искусственно добавленному внешнему адресу. Эта разница качественная, а также количественная. Искусственные запоминающие устройства теперь строятся с использованием ассоциативных принципов, и в этой области есть большой потенциал.

Бионическая рука

Второе основное различие между электронными компьютерами и человеческим мозгом заключается в способе обращения с информацией. Компьютер обрабатывает точные данные. Люди принимают нечеткие данные и выполняют операции, которые не являются особо строгими. Кроме того, компьютеры выполняют только очень простые элементарные операции, производя сложные результаты, выполняя огромное количество таких простых операций с очень высокой скоростью. Напротив, человеческий мозг работает с низкой скоростью, но параллельно, а не последовательно, производя несколько одновременных результатов.

В живом мире энергия хранится в форме химических соединений; его использование всегда сопровождается химическими реакциями. Солнечная энергия накапливается растениями посредством сложных химических процессов. Энергия мышечного движения происходит от химических изменений. Свет, излучаемый такими живыми организмами, как грибы, светлячки и некоторые рыбы, имеет химическое происхождение. В каждом случае преобразование энергии является удивительно эффективным по сравнению с тепловыми двигателями.

Начинается понимание того, как эти превращения происходят в живом материале, и сложной роли природы, которую играют живые мембраны. Возможно, некоторые из ограничений молекулярной сложности и хрупкости можно было бы преодолеть в искусственных машинах с искусственной энергией и добиться лучших результатов, чем в натуральных мембранах.

Метаматериалы, графен, бионика. Новые материалы и технологии стремятся в бой

Ускоренные темпы технологического развития меняют природу ведения военных действий, при этом всё больше сил и средств направляется на научные исследования и разработки, целью которых является создание новых продвинутых материалов и их применение в оборонной сфере.
Возможность создания материала с отрицательным углом преломления предсказал еще в 1967 году советский физик Виктор Веселаго, но только сейчас появляются первые образцы реальных структур с такими свойствами. Благодаря отрицательному углу преломления, лучи света огибают объект, делая его невидимым. Таким образом, наблюдатель замечает лишь то, что происходит за спиной надевшего «чудесный» плащ.
Чтобы получить преимущество на поле боя, современные вооруженные силы обращаются к таким потенциально прорывным возможностям, как например, продвинутая нательная защита и броня для транспортных средств, нанотехнологии. инновационный камуфляж, новые электрические устройства, супераккумуляторы и «интеллектуальная» или реактивная защита платформ и личного состава. Военные системы становятся всё более сложными, разрабатываются и изготавливаются новые продвинутые многофункциональные материалы и материалы двойного назначения, семимильными шагами идет миниатюризация сверхпрочной и гибкой электроники.
В качестве примеров можно привести перспективные самовосстанавливающиеся материалы, продвинутые композиционные материалы, функциональную керамику, электрохромные материалы, «киберзащитные» материалы, реагирующие на электромагнитные помехи. Они, как ожидается, станут основой прорывных технологий, которые бесповоротно изменять поле боя и природу будущих военных действий.
Продвинутые материалы следующего поколения, например, метаматериалы, графен и углеродные нанотрубки, вызывают огромный интерес и привлекают солидные инвестиции, поскольку они имеют свойства и функциональности, которые не встречаются в природе, и подходят для оборонных сфер и задач, выполняемых в экстремальном или враждебном пространстве. В нанотехнологиях используются материалы нанометрового масштаба (10-9) с тем, чтобы можно было видоизменять структуры на атомном и молекулярном уровнях и создавать различные ткани, устройства или системы. Эти материалы являются очень перспективным направлением и в будущем смогут оказать серьезное влияние на боевую эффективность.
Метаматериалы
Прежде чем продолжить, дадим определение метаматериалам. Метаматериал — композиционный материал, свойства которого обусловлены не столько свойствами составляющих его элементов, сколько искусственно созданной периодической структурой. Они представляют собой искусственно сформированные и особым образом структурированные среды, обладающие электромагнитными или акустическими свойствами, сложнодостижимыми технологически, либо не встречающимися в природе.
Kymeta Corporation, дочерняя фирма патентной компании Intellectual Ventures, в 2016 году вышла на оборонный рынок с антенной из метаматериала mTenna. По словам директора компании Натана Кундца, переносная антенна в виде приемопередающей антенны весит около 18 кг и потребляет 10 Вт. Оборудование для метаматериальных антенн по размерам примерно равно книге или нетбуку, не имеет движущихся частей, и изготавливается таким же способом как ЖК-мониторы или экраны смартфонов с использованием технологии тонкопленочных транзисторов.
Метаматериалы состоят из субволновых микроструктур, то есть структур, чьи размеры меньше длины волны излучения, которым они должны управлять. Эти структуры могут быть изготовлены из немагнитных материалов, например, меди, и вытравлены на фибергласовой подложке печатной платы.
Могут быть созданы метаматериалы для взаимодействия с основными компонентами электромагнитных волн — диэлектрической проницаемостью и магнитной проницаемостью. По словам Паблоса Хольмана, изобретателя из Intellectual Ventures, антенны, созданные по технологии метаматериалов, могут со временем вытеснить вышки сотовой связи, наземные телефонные линии и коаксиальные и оптоволоконные кабели.
Традиционные антенны настраиваются на перехват управляемой энергии конкретной длины волны, которая возбуждает электроны в антенне, генерируя электрические токи. В свою очередь, эти кодированные сигналы могут быть интерпретированы как информация.
Современные антенные системы громоздки, поскольку для разных частот необходим свой тип антенны. В случае же с антеннами из метаматериалов поверхностный слой позволяет изменять направление изгиба электромагнитных волн. Метаматериалы показывают как отрицательную диэлектрическую, так и отрицательную магнитную проницаемости и, следовательно, имеют отрицательный коэффициент преломления. Этот отрицательный коэффициент преломления, не обнаруженный ни в одном природном материале, определяет изменение электромагнитных волн при пересечении границы двух разных сред. Таким образом, приемник метаматериальной антенны может настраиваться электронным образом для приема различных частот, в связи с чем у разработчиков появляется возможность достичь широкополосности и уменьшить размеры антенных элементов.
Метаматериалы внутри таких антенн компонуются в плоскую матрицу плотно упакованных отдельных ячеек (очень похоже на размещение пикселей экрана телевизора) с еще одной плоской матрицей параллельных прямоугольных волноводов, а также модулем, контролирующим излучение волны посредством программного обеспечения и позволяющим антенне определить направление излучения.
Хольман пояснил, что самый простой способ понять достоинства метаматериальных антенн — взглянуть поближе на физические апертуры антенны и надежность интернет-соединений на кораблях, самолетах, беспилотниках и других движущихся систем.
«Каждый новый спутник связи, выводимый на орбиту в наши дни, — продолжил Хольман, — имеет пропускную способность больше, чем имела группировка спутников еще несколько лет назад. У нас имеется огромный потенциал беспроводной связи в этих спутниковых сетях, но единственный способ связаться с ними — взять спутниковую тарелку, которая имеет большие размеры, большой вес и затратна в установке и обслуживании. Имея антенну на основе метаматериалов, мы сможем сделать плоскую панель, которая сможет управлять лучом и нацеливаться прямо на спутник.
«Пятьдесят процентов времени физически управляемая антенна не ориентирована на спутник и вы фактически находитесь в офлайне, — сказал Хольман. — Поэтому метаматериальная антенна может быть особенно полезной в морском контексте, ведь для направления на спутник тарелка управляется физически, поскольку судно часто меняет курс и постоянно раскачивается на волнах».
В настоящее время идет бурное развитие технологии беспилотных платформ с бионическими свойствами. Например, АПА Razor (масштабная модель на фото внизу) и АПА Velox (вверху) подражают естественным движениям животных или растений, что великолепно подходит для разведывательных и скрытных задач
Бионика
Разработка новых материалов идет также в направлении создания гибких многофункциональных систем со сложными формами. Здесь важную роль играет прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы. Бионика (в западной литературе биомиметика) помогает человеку создавать оригинальные технические системы и технологические процессы на основе идей, найденных и заимствованных у природы.
Научно-исследовательский центр проблем подводной войны ВМС США испытывает минно-поисковый автономный подводный аппарат (АПА), в котором используются бионические принципы. имитирующие движения морских обитателей. Аппарат Razor длиной 3 метра могут переносить двое человек. Его электроника координирует работу четырех машущих крыльев и двух гребных винтов в кормовой части. Маховые движения имитируют движения некоторых животных, например, птиц и черепах. Это позволяет АПА зависать, выполнять точное маневрирование на небольших скоростях и развивать высокие скорости. Подобная маневренность позволяет также аппарату Razor легко менять положение в пространстве и плавать вокруг объектов для получения их трехмерного изображения.
Научно-исследовательское управление ВМС США финансирует разработку компанией Pliant Energy Systems прототипа опционально автономного подводного аппарата Velox, в котором вместо гребных винтов использована система мультистабильных, нелинейных, похожих на лист изгибаемой бумаги плавников, которые генерируют повторяющиеся волнообразные движения похожие на движения ската. Аппарат преобразует движения электроактивных, волнообразных, гибких полимерных плавников с планарной гиперболической геометрией в поступательное движение, свободно перемещаясь под водой, в волнах прибоя, в песке, над морской и наземной растительностью, по скользким камням или льду.
По мнению представителя компании Pliant Energy Systems, волнообразное движение вперед не позволяет запутаться в густой растительности, поскольку нет вращающихся частей, при этом растениям и осадочным породам наносится минимальный ущерб. Малошумный аппарат, питающийся от литий-ионного аккумулятора, может улучшать свою плавучесть, чтобы удерживать свое положение подо льдом, при этом он может управляться дистанционно. К его основным задачам относятся: коммуникационные, включая GPS, WiFi, радио- или спутниковые каналы; разведывательные и сбора информации; поисково-спасательные; и сканирование и идентификация мин.
Развитие нанотехнологий и микроструктур также весьма важно в бионических технологиях, вдохновение для которых берется из живой природы с целью имитации физических процессов или оптимизации производства новых материалов.

Прозрачная броня применяется не только для баллистической защиты людей и транспортных средств. Она также идеально подходит для защиты электроники, стекол высокоэнергетических лазеров, упрочненных систем формирования изображения, лицевых защитных масок, БЛА, а также других платформ чувствительных к массе
Научно-исследовательская лаборатория ВМС США разрабатывает прозрачную полимерную защиту, которая имеет слоистую микроструктуру подобную хитиновому панцирю ракообразных, но изготавливается из пластических материалов. Это позволяет материалу оставаться конформным в широком диапазоне температур и нагрузок, что позволяет применять его для защиты личного состава, стационарных платформ, транспортных средств и летательных аппаратов.
По мнению Яса Сангхеры, руководителя направления оптических материалов и устройств в этой лаборатории, имеющаяся на рынке защита, как правило, изготавливается из пластика трех видов и не может на все сто процентов противостоять 9-мм пуле, отстреливаемой с 1-2 метров и летящей со скоростью 335 м/с.
Прозрачная броня разработки этой лаборатории позволяет уменьшить массу на 40% при сохранении баллистической целостности и поглощает на 68% процентов больше энергии пули. Сангхера пояснил, что броня могла бы прекрасно подойти для нескольких военных применений, например, машин с противоминной защитой, плавающих бронемашин, машин снабжения и окон кабин летательных аппаратов.
По словам Сангхеры, его лаборатория намерена на основе уже имеющихся разработок создать легкую конформную прозрачную броню с многоударными характеристиками и достичь снижения массы более чем на 20%, что обеспечит защиту от винтовочных пуль калибра 7,62×39 мм.
Управление перспективных оборонных исследований DARPA также разрабатывает прозрачную броню «Шпинель» (Spinel), имеющую уникальные свойства. Этот материал отличается превосходными многоударными характеристиками, высокой твердостью и эрозионной стойкостью, повышенным сопротивлением к внешним факторам; он пропускает средневолновое инфракрасное излучение более широкого диапазона, что повышает возможности устройств ночного видения (возможность видеть объекты за стеклянными поверхностями), а кроме того весит в два раза меньше традиционного пуленепробиваемого стекла.
Эта деятельность входит в программу DARPA под названием Atoms to Product (А2Р) в рамках которой «разрабатываются технологии и процессы, необходимые для сборки нанометровых частиц (размерами близкими размерам атомов) в системы, компоненты или материалы, по меньшей мере, миллиметрового масштаба».
По словам руководителя программы А2Р в DARPA Джона Мэйна, за последние восемь лет Управление добилось уменьшения толщины базовой прозрачной брони примерно с 18 см до 6 см при сохранении ее прочностных характеристик. Она состоит из множества различных слоев, «не все из них керамические и не все из них пластик или стекло», которые приклеиваются к материалу-подложке для предотвращения трещинообразования. «Вы должны думать о ней как о защитной системе, а не как о монолитном куске материала».
Стекла из «Шпинели» были изготовлены для установки на опытные образцы грузовиков FMTV (Family of Medium Tactical Vehicles — семейство войсковых транспортных средств средней грузоподъёмности) американской армии для оценки Научно-исследовательским бронетанковым центром.
В рамках программы А2Р Управление DARPA выдало компании Voxtel, работающей совместно с Институтом наноматериалов и микроэлектроники штатат Орегон, контракт стоимостью 5,9 миллиона долларов на исследование процессов производства, масштабируемых от нано- до макроуровня. Этот бионический проект включает разработку синтетического клеящего вещества, который копирует возможности ящерицы геккон.
«На подошвах геккона имеется что-то подобное маленьким волоскам… длиной примерно 100 микрон, которые буйно ветвятся. На конце каждой небольшой ветви имеется крошечная нанопластина размером примерно 10 нанометров. При контакте со стеной или потолком эти пластины позволяют геккону приклеиваться к стене или потолку».
Мэйн сказал, что производители никогда не могли повторить эти возможности, поскольку не могли создать разветвляющиеся наноструктуры.
«Компания Voxtel разрабатывает технологии производства, которые позволяют копировать подобную биологическую структуру и поймать эти биологические качества. Она использует углеродные нанотрубки действительно по-новому, это позволяет создавать сложные 3Д-структуры и использовать их очень оригинальными способами, не обязательно как структуры, а другими, более изобретательными способами».
Voxtel хочет разработать продвинутые аддитивные методики производства, которые позволят получать «материалы, которые сами собираются в функционально законченные блоки, затем собирающиеся в сложные гетерогенные системы». Эти методики будут базироваться на имитации найденных в природе простых генетических кодов и общих химических реакций, которые позволяют молекулам самособираться с атомного уровня в крупные структуры способные сами снабжать себя энергией.
«Мы хотим разработать продвинутый клеящий материал повторного действия. Мы хотели бы получить материал со свойствами эпоксидного клея, но без его одноразовости и загрязнения поверхности, — заметил Мэйн. — Прелесть материала а-ля геккон в том, что он не оставляет следов и действует мгновенно».
К другим быстро развивающимся продвинутым материалам относятся ультратонкие материалы, например, графен и углеродные нанотрубки, имеющие такие структурные, тепловые, электрические и оптические свойства, которые в корне изменят современное боевое пространство.

Прозрачные окна из «Шпинели» были изготовлены для опытных образцов грузовых автомобилей FMTV американской армии
Графен
Хотя углеродные нанотрубки имеют хороший потенциал применения в электронных и камуфляжных системах, а также в биолого-медицинской сфере, графен «более интересен, так как предлагает, по крайней мере на бумаге, больше возможностей», — заметил Джузеппе Даквино, представитель Европейского оборонного агентства (ЕОА).
Графен — это сверхтонкий наноматериал, образованный слоем атомов углерода толщиной в один атом. Легкий и прочный графен обладает рекордно большими теплопроводностью и электропроводимостью. Оборонная промышленность внимательно изучает возможность применения графена в тех приложениях, в которых необходима его прочность, гибкость и сопротивление высоким температурам, например, в боевых задачах, выполняемых в экстремальных условиях.
Даквино сказал, что графен «по меньшей мере, в теории, является материалом будущего. Причина, почему сейчас ведется столь много интересных дебатов, заключается в том, что после стольких лет исследований в гражданском секторе стало очевидным, что он реально изменит боевые сценарии».
«Перечислю только некоторые возможности: гибкая электроника, энергосистемы, баллистическая защита, камуфляж, фильтры/мембраны, материалы с высоким теплорассеянием, биомедицинские приложения и сенсоры. Это, по сути, основные технологические направления».
В декабре 2017 года ЕОА начало годичное исследование возможных перспективных направлений применения графена в военной сфере и его влияния на европейскую оборонную промышленность. Эти работы возглавил испанский Фонд технических исследований и инноваций, с которым сотрудничают Университет Картахены и британская компания Cambridge Nanomaterial Technology Ltd. В мае 2018 года состоялся семинар исследователей и экспертов по графену, где были определена дорожная карта по его применению в оборонной сфере.
По данным ЕОА, «среди материалов, которые способны коренным образом изменить оборонные возможности в следующем десятилетии, графен находится в приоритетном списке. Легкий, гибкий, прочнее стали в 200 раз, а его электропроводность просто невероятна (лучше чем у кремния), так же как и его теплопроводность».
В ЕОА также отметили, что графен имеет замечательные свойства в области «управления сигнатурами». То есть он может быть использован для производства «радиопоглощающих покрытий, что превратит военные машины, самолеты, подводные лодки и надводные суда в почти необнаруживаемые объекты. Все это делает графен чрезвычайно привлекательным материалом не только для гражданской промышленности, но также для военных приложений, наземных, воздушных и морских».

Процесс спекания методом горячего прессования (вверху) Научно исследовательская лаборатория ВМС США использует для создания прозрачной керамики «Шпинель». Порошок сжимается в вакууме для получения прозрачности. Полученный материал (внизу) может быть подобно драгоценным камням отшлифован и отполирован
С этой целью американская армия изучает применение графена для транспортных средств и защитных предметов одежды. По мнению инженера Эмиля Сандоз-Росадо из Лаборатории военных исследований армии США (ARL), этот материал имеет превосходные механические свойства, один атомный слой графена в 10 раз жестче и более чем в 30 раз прочнее такого же слоя коммерческого баллистического волокна. «Потолок для графена очень высок. Это одна из причин, почему несколько рабочих групп в ARL проявили интерес к нему, ведь его конструктивные характеристики с точки зрения бронирования весьма перспективны.
Впрочем, есть и довольно большие сложности. Одна из них — масштабирование материала; армии необходимы защитные материалы, которые могли бы закрыть танки, автомобили и солдат. «Нам необходимо много больше. В общем и целом, речь идет о порядка миллиона и более слоев, в которых на данный момент мы нуждаемся».
Сандоз-Росадо рассказал, что графен может быть получен одним или двумя способами, либо за счет процесса отшелушивания, когда высококачественный графит разделяется на отдельные атомные слои, или выращивания одиночного атомного слоя графена на медной фольге. Этот процесс хорошо освоен лабораториями, занимающимися производством высококачественного графена. «Он не вполне совершенен, но довольно близок к этому. Однако, сегодня пора говорить уже не об одном атомном слое, нам необходим полноценный продукт». Как следствие, недавно была запущена программа по разработке непрерывных процессов производства графена в промышленных масштабах.
«Идет ли речь об углеродных нанотрубках или о графене, вы должны учитывать специфические требования, которым необходимо соответствовать», — предостерег Даквино, отметив, что официальное описание характеристик новых продвинутых материалов, стандартизация точных процессов создания новых материалов, воспроизводимость этих процессов, технологичность всей цепочки (от фундаментальных исследований до производства демонстрационных и опытных образцов) нуждаются в тщательном изучении и обосновании, когда речь идет об использовании в военных платформах таких прорывных материалов, как графен и углеродные нанотрубки.
«Это не только исследования, потому что, в конце концов, вам необходимо быть уверенным, что определенный материал получил официальное описание и после этого вам надо быть уверенным, что он сможет производиться по определенному процессу. Это не так то просто, поскольку процесс изготовления может меняться, качество произведенного продукта может различаться в зависимости от процесса, поэтому процесс должен быть повторен несколько раз».
По словам Сандоз-Росадо, ARL работала с производителями графена на предмет оценки класса качества выпускаемого продукта и возможность его масштабирования. Хотя пока не ясно, имеют ли непрерывные процессы, находящиеся в начале своего становления, бизнес-модель, соответствующие мощности и могут ли они дать необходимое качество.
Даквино отметил, что прогресс в компьютерном моделировании и квантовых вычислениях мог бы ускорить исследования и разработку, а также развитие методов производства продвинутых материалов в ближайшем будущем. «С автоматизированным проектированием и моделированием материалов можно смоделировать многие вещи: можно будет смоделировать характеристики материалов и даже процессы производства. Вы даже можете создать виртуальную реальность, где по сути можно рассматривать различные этапы создания материала».
Даквино также сказал, что продвинутое компьютерное моделирование и методы виртуальной реальности обеспечивают преимущество за счет создания «интегрированной системы, в которой вы можете моделировать конкретный материал и видеть, может ли этот материал быть применен в определенных условиях». Радикально изменить здесь положение дел могли бы квантовые вычисления.
«В будущем я вижу еще больше интереса к новым способам производства, новым путям создания новых материалов и новым процессам производства за счет компьютерного моделирования, поскольку огромные вычислительные мощности потенциально можно получить только при задействовании квантовых компьютеров».
По словам Даквино, одни применения графена технологически более отработаны, а другие менее. Например, керамические композиционные материалы с матричным основанием могут быть улучшены за счет интеграции графеновых пластинок, которые усиливают материал и повышают его механическое сопротивление, одновременно снижая его массу. «Если мы говорим, например, о композитах, — продолжил Даквино, — или в самых общих чертах о материалах, усиленных за счет добавления графена, то мы получим реальные материалы и реальные процессы их массового производства если не завтра, но может быть в ближайшие пять лет».
«Вот почему графен так интерес для систем баллистической защиты. Не потому, что графен может быть использован в качестве брони. Но если вы в броне используете графен в качестве усиливающего материала, то она может стать прочнее даже кевлара».
Приоритетные направления, например, автономные системы и сенсоры, а также военные сферы с высоким риском, например, подводная, космическая и кибернетическая, больше всего зависят от новых продвинутых материалов и сопряжения нано- и микротехнологий с биотехнологиями, «стелс»-материалами, реакционноспособными материалами и системами генерации и аккумулирования энергии.
Метаматериалы и нанотехнологии, например, графен и углеродные нанотрубки, сегодня переживают бурное развитие. В этих новых технологиях военные ищут новые возможности, изучают пути их применения и потенциальные барьеры, поскольку вынуждены балансировать между потребностями современного поля боя и долгосрочными исследовательскими целями.

Будущее идет к нам. Аппарат Velox компании Pliant Energy Systems
По материалам сайтов:
www.nationaldefensemagazine.org
www.metamaterial.com
metamaterialscenter.com
science.howstuffworks.com
www.kymetacorp.com
www.pliantenergy.com
www.darpa.mil
voxtel-inc.com
www.eda.europa.eu
www.facebook.com
habr.com
www.wikipedia.org
ru.wikipedia.org
pinterest.com
eandt.theiet.org

Доклад на тему физика и техника. пожалуйста помогите

Физика и техника. Физика стоит также у истоков революционных преобразований во всех областях техники. На основе ее достижений перестраиваются энергетика, связь, транспорт, строительство, промыш­ленное и сельскохозяйственное производство. Энергетика. Революция в энерге­тике вызвана возникновением атом­ной энергетики. Запасы энергии, хранящиеся в атомном топливе, намного превосходят запасы энергии в еще не израсходованном обычном топливе. Уголь, нефть и природный газ в наши дни превратились в уни­кальное сырье для большой химии. Сжигать их в больших количест­вах — значит наносить непоправи­мый ущерб этой важной области современного производства. По­этому весьма важно использовать для энергетических целей атомное топливо (уран, торий). Тепловые электростанции оказывают неустра­нимое опасное воздействие на окружающую среду, выбрасывая уг­лекислый газ. В то же время атом­ные электростанции при должном уровне контроля могут быть бе­зопасны. Термоядерные электростанции в будущем навсегда избавят челове­чество от заботы об источниках энергии. Как мы уже знаем, научные основы атомной и термоядерной энергетики целиком опираются на достижения физики атомных ядер. Создание материалов с заданны­ми свойствами привело к изменениям в строительстве. Техника будущего будет создаваться в значительной степени не из готовых природных материалов, которые уже в наши дни не могут сделать ее достаточно надежной и долговечной, а из синтетических материалов с наперед заданными свойствами. В создании таких материалов наряду с боль­шой химией все возрастающую роль будут играть физические мето­ды воздействия на вещество (элек­тронные, ионные и лазерные пучки; сверхсильные магнитные поля; сверх­высокие давления и температуры; ультразвук и т. п.). В них заложена возможность получения материалов с предельными характеристиками и создания принципиально новых ме­тодов обработки вещества, корен­ным образом изменяющих современ­ную технологию. Автоматизация производства. Предстоит огромная работа по созданию комплексно-автоматизиро­ванных производств, включающих в себя гибкие автоматические ли­нии, промышленные роботы, управ­ляемые микрокомпьютерами, а так­же разнообразную электронную контрольно-измерительную аппара­туру. Научные основы этой техники органически связаны с радиоэлектро­никой, физикой твердого тела, физи­кой атомного ядра и рядом других разделов современной физики. Физика и информатика. Физика вносит решающий вклад в создание современной вычислительной техни­ки, представляющей собой мате­риальную основу информатики. Все поколения электронных вычислитель­ных машин (на вакуумных лампах, полупроводниках и интегральных схемах), созданные до наших дней, родилась в современных лабораториях. Современная физика открывает новые перспективы для дальнейшей миниатюризации, увеличения быстродействия и надежности вычислительных машин. Применение лазеров и развивающейся на их основе голографии таит в себе огромные резервы для совершенствования вычислительной техники.

Напишите, пожалуйста,примеры про шесть главных направлений производства. 1)электронизация 2)комплексная автоматизация 3)перестройка энергитического хозяйства 4)производство новых материалов 5)ускоренное развитие биотехнологий. 6) космизация ПОЖАЛУЙСТА ОЧЕНЬ НУЖНО.

1) Электронизация — в основе данного процесса находится наукоёмкая отрасль машиностроения — электроника, продукцией которой являются: электронные бытовые изделия, средства связи, электронные компоненты, компьютеры и программное обеспечение
2) Комплексная автоматизация — используя данное направление производства можно создавать заводы-автоматы, где всю основную работу осуществляют компьютеры, а в обязанности рабочих входит лишь настройка и регулировка машин и приборов, наблюдение за их работой, смена запасных деталей и ремонт
3) Перестройка энергетического хозяйства — здесь подразумевается переход на альтернативные источники энергии, когда работа электростанций осуществляется с помощью неисчерпаемых источников энергии — ветра, солнца, приливов и отливов, геотермальных источников. Сегодня во многих странах мира уже применяются такие виды энергии.
4) Производство новых материалов — замена традиционных материалов на новые, с нужными качествами. Например, пропилен, стекловолокно, стеклопластик, углепластик, пенобетон. Себестоимость новых материалов ниже, чем традиционных.
5) Ускоренное развитие биотехнологий — качественно новый подход в использовании новых технологий севооборота, органических отходов и биологических методов борьбы с вредителями. Главный акцент делается на использование генной и клеточной инженерии при которой открывается возможность создавать совершенно новые (быстродействующие, засухо-, морозо– и болезнеустойчивые сорта культурных растений. Отбор по генетическим признакам наиболее продуктивных пород домашних животных, что позволит обеспечить питанием быстрорастущее население Земли
6) Космизация — включает в себя создание ракетной техники и космических аппаратов, работа которых, способствует наблюдению за погодой, за возникновением очагов пожаров, заторов на реках, перемещением шельфовых льдов. С помощью спутников на Земле функционируют: телевидение, навигация, сотовая связь, интернет и др.

Технологии материалов

В направлении «Технологии материалов» вам предстоит придумывать, моделировать и создавать новые материалы для самых разных конструкций и функциональных применений, вещества, из которых эти материалы будут состоять, а также современные методы изготовления материалов, их обработки, исследования их свойств и структуры, выявления дефектов в материалах, возникающих в ходе их эксплуатации. При этом вам нужно будет учитывать и моделировать структуру веществ и материалов, физические процессы, порождающие полезные свойства и характеристики материалов, принимать во внимание доступность и стоимость сырья, из которого материалы производятся, особенности технологических процессов их производства и многое другое.

Решение этих проблем и создание успешных проектных решений потребует от вас смелости инженерной и научной мысли, оригинальных идей, способности сопоставлять структуру материалов с их свойствами, детального понимания условий эксплуатации материалов, способности быстро понимать и осваивать новые знания по химии, физике, биологии, математике.

Хотите знать об отрасли больше? Смотрите выступление основателя компании HYDROP Марины Росс.

Кем можно стать в сфере «Технологии материалов»:

Профессионалы этого направления востребованы в микроэлектронике, химической промышленности, нефтепереработке, нефтехимии, строительной индустрии, энергетике, авиастроении, биотехнологической индустрии, медицине и фармацевтике.

Они работают в таких компаниях, как Роснано, Сибур, Росатом, Ренова и во множестве небольших высокотехнологичных фирм.

Будущее – за стройматериалами из отходов

Наука и строительные технологии шагают вперед семимильными шагами. Учеными во всем мире движет стремление решить сразу две проблемы: утилизация промышленных отходов и обеспечение дешевым и экологичным строительным материалом. И кое-что в этом направлении у них уже получилось. Например, стали реальностью пенопласт из древесины, фасадный материал из рисовой шелухи. Об этих и других ноу-хау – в нашем обзоре.

Команда голландских исследователей три года назад изобрела биоцемент, способный к самостоятельному восстановлению. Ученые додумались использовать специальные бактерии, которые «затягивают» трещины в бетоне. Для этого они предложили традиционный цемент соединять с бактериальной массой и капсулами лактата кальция. Когда со временем в бетоне появятся трещины, в них рано или поздно просочится вода и «активирует» бактерии, питанием для которых служит лактат кальция. Поедая его, бактерии выработают кальцит, который заполнит все разломы и трещины.

На данный момент здание, которое способно ремонтировать само себя, уже реально существует – это спасательная станция на озере. Ученые записали видео, в котором делятся радостью от того, что их идея действительно работает. Они пронаблюдали, как бактерии вырабатывают известняк для ремонта стен дома.

«Древесная пена» — инновационный материал, который получил премию GreenTec-2015 в категории «Строительство и Жизнь».

Древесину измельчают до состояния вязкой массы. Затем ее вспенивают за счет добавления газа. Отвердение и застывание происходит благодаря природным веществам, содержащимся в древесине. Получается очень легкий экологичный материал, который может быть сформирован как в толстые твердые панели, так и тонкие гибкие пласты. Готовый пенопласт из древесины с легкостью можно распиливать на куски нужного размера.

Материал на основе древесины – хорошее решение для теплоизоляции дома. В сравнении с ДСП и древесноволокнистой шерстью, пена высокоустойчива к влажности и механическим нагрузкам.

ECOR – еще один инновационный материал, разработанный американской компанией Noble Environmental Technologies. Он представляет собой древесноволокнистую плиту (ДВП), спрессованную из отходов волокна при высокой температуре.

Новый материал сертифицирован Министерством сельского хозяйства США как 100% переработанный биопродукт на основе целлюлозы. Источником сырья для ECOR может служить старый картон, газеты, офисная бумага, древесные стружки, шелуха кофе, кокоса, овса, а также остаточные сельхозволокна, включая навоз от крупного рогатого скота.

Выглядит новый «зеленый» строительный материал как гофрированный картон. Конечно, по структуре и свойствам ECOR похож на другие продукты своей категории – гипсокартон, композиты, ДСП. Но его преимущество в том, что он на 75% легче, чем обычные панели. Изобретатели утверждают, что гофрокартон из отходов целлюлозы может быть применен для строительства, изготовления мебели, элементов дизайна интерьера, для производства товаров широкого потребления, упаковки, вывесок.

Биокомпозитный армированный фасадный материал Resysta – продукт американской компании Resysta North America Inc. – тоже отвечает всем современным экологическим требованиям.

Больше чем на половину он состоит из рисовой шелухи, почти на четверть – из поваренной соли и на 18% — из минерального масла. Как утверждают производители, Resysta устойчив к воздействию влаги, соленой воды и ультрафиолета. Панели из нового фасадного материала выглядят «под тропическую древесину» и не требуют специального ухода. Они могут быть подвергнуты любой обработке, причем, из-за высокой прочности, появление трещин и сколов исключено. Кроме основного назначения, материал идеально подходит для производства уличной мебели, палуб для яхт и покрытий открытых террас. Его можно использовать для открытых бассейнов, ведь Resysta не страшна плесень и грибки.

В производстве керамики тоже существуют новые технологии. Например, испанская компания Flexbrick выпустила одноименный гибкий строительный материал. Он представляет собой сплетенные между собой стальной проволокой блоки из обожженной глины. Современный строительный материал открывает безграничные перспективы для архитекторов и дизайнеров – гибкие керамические листы подходят для создания конструкций любой кривизны.

Изменяя только один показатель – толщину керамических блоков, Flexbrick может использоваться в качестве покрытия для кровли, пола, стен, фасадов, сводов, а также для различных ландшафтных работ, укрепления склонов, элементов уличной архитектуры или дорожного покрытия.

Еще один новый керамический материал умеет накапливать тепло и отдавать его при небольшом сжатии. Сотрудники Токийского университета сообщают, что изобретенная ими термочувствительная керамика может собирать тепловую энергию солнца, использовать электрический ток, а также энергию фактически любых устройств с движущимися частями.

Недавно мы писали об экологичных кирпичах и других инновационных разработках ученых. Выгодны ли нетрадиционные технологии строительства – узнаете из этой статьи. А наши форумчане в этом не сомневаются, и строят дома из соломы и керамзита и горячо обсуждают жилье из органического сырья на FORUMHOUSE.