Новая эра полностью перерабатываемой электроники: транзистор из наноцеллюлозы
Экспериментируя с наноцеллюлозой, инженеры смогли напечатать рабочий транзистор, который можно полностью переработать на компоненты и использовать их повторно
Это достижение в мире печатной электроники, где проводящие чернила сочетаются с обычными методами печати для создания тонких и гибких электронных схем, стало возможным благодаря экспериментам с наноцеллюлозой. Мы уже видели, как этот широко распространенный материал, получаемый из растений и древесных отходов, может найти применение в усовершенствованных фильтрах для воды, мягких батареях и экологически чистых пластмассах.
Ранее мы также видели, как его можно использовать в качестве подложки для компьютерных микросхем на основе дерева, хотя инженеры Университета Дьюка поставили перед собой более высокие цели, стремясь использовать его потенциал в качестве изоляционного материала для создания еще более экологичных материалов.
«Наноцеллюлоза биоразлагаема и уже много лет используется в промышленности – из нее, к примеру, делают упаковки», — пояснил автор исследования Аарон Франклин. «И хотя люди уже давно знают о ее потенциальных применениях в качестве изолятора в электронике, никто раньше не придумал, как использовать этот материал в чернилах для печати. Это один из ключей к обеспечению работоспособности полностью перерабатываемых устройств», — отметил он.
Франклин и его команда разработали способ включения наноцеллюлозы в чернила для печати, преобразовав ее в кристаллическую форму и добавив немного соли. Полученные в итоге изолирующие диэлектрические чернила были объединены с проводящими чернилами, изготовленными из графена, и полупроводниковыми чернилами из углеродных нанотрубок, чтобы сформировать полностью углеродный транзистор, который можно напечатать на бумажной подложке с помощью аэрозольной струйной печати при комнатной температуре.
В ходе тестирования команда продемонстрировала возможности системы, использовав ее в качестве бумажного датчика лактата и сообщила, что транзистор работает достаточно хорошо, чтобы служить в широком диапазоне применений, оставаясь стабильным в течение шести месяцев.
Процесс рециркуляции транзистора начинается с его погружения в несколько ванн и мягкого воздействия вибрации звуковых волн. Обработка полученного раствора на центрифуге позволяет извлекать углеродные нанотрубки и графен с выходом, близким к 100%, что чрезвычайно удобно для повторного использования в том же процессе печати. Между тем, сама наноцеллюлоза может быть переработана вместе с бумажной подложкой.
Лучше кевлара: ученые создали эластичный и прочный гидрогель, вдохновившись мембраной омара
Изучив брюшную мембрану омара, инженеры воссоздали ее сложную структуру с помошью синтетических волокон, получив очень прочный и гибкий гидрогель
Новый материал является результатом параллельных исследований, одно из которых сосредоточено на продолжающейся разработке гидрогелей под руководством профессора машиностроения Сюаньхэ Чжао. Исследователи из группы Чжао работали над устойчивыми к усталости гидрогелями, которые сделаны из воды и связок полимеров и состоят из ультратонких волокон, выровненных как пучок соломы. Это позволяет им без разрывов переносить повторяющиеся приступы растяжения и скручивания.
Вместе с тем, другая группа ученых Массачусетского технологического института недавно опубликовала исследование, описывающее механические свойства нижней части живота омара. Поперечные сечения этой защитной мембраны формируют листы, сделанные из природного полимера (хитина), которые уложены друг на друга под углом 36 градусов, как у винтовой лестницы. Это так называемая «структура Булигана», и исследователи говорят, что она стала ключом к естественной растяжимости и прочности мембраны.
«Хитин, организованный по принципу структуры Булигана в нижней части живота омара, обладает высокими механическими характеристиками, что побудило нас попытаться воспроизвести аналогичные структуры в синтетических материалах», — рассказал автор исследования Шаотин Линь.
Ученые объединились для воссоздания этой структуры с использованием устойчивых к усталости гидрогелей. Они сформировали ультратонкие нитей диаметром около 800 нанометров, которые были скомпанованы вместе, образуя плоские пленки. Эти пленки затем были сварены в камере с высокой влажностью, а после кристаллизованы в инкубаторе.
Когда все приготовления были сделаны, пять пленок уложили друг на друга под углом 36 градусов, чтобы сформировать спиралевидную структуру, напоминающую мембрану омара. Этот пакет снова был сварен и кристаллизован, чтобы упрочить материал и получить фрагмент гидрогеля размером с небольшой кусок скотча.
Испытания на растяжение показали, что гидрогель столь же устойчив к разрывам и трещинам, как и естественная мембрана. Ученые также сделали несколько надрезов в пленке, чтобы увидеть, как распространяются трещины при растяжении. Оказалось, что общий принцип организации волокон, по-видимому, сдерживает повреждения и минимизирует их. В результате у исследователей получился материал, в 50 раз более устойчивый к усталости, чем обычные нановолокнистые гидрогели.
«Интуитивно понятно, что когда трещина в материале распространяется через один слой, ей препятствуют соседние слои, в которых волокна расположены под разными углами», — объясняет Лин.
Ученые также провели испытания на ударопрочность, «расстреляв» гидрогель микрочастицами на высокой скорости. Оказалось, что материал неплохо гасит энергию удара и выдерживает до 40 килоджоулей на килограмм вещества.
«Это означает, что 5-миллиметровый стальной шар, выпущенный со скоростью 200 метров в секунду, будет остановлен всего 13 миллиметрами материала», — пояснил автор исследования Дэвид Вейссет. «Может он и не такой прочный, как кевлар (в аналогичных условиях потребуется слой кевлара 1 миллиметр толщиной), но во многих других категориях наш гидрогель уже оставил кевлар позади».
Эластичность — одна из категорий, в которой этот гидрогель превосходит кевлар. Ученые полагают, что это, в сочетании с его превосходной прочностью, однажды позволит использовать новый материал в качестве гибких и прочных искусственных тканей, таких как связки и сухожилия. Это потребует значительного увеличения масштабов процесса изготовления, хотя команда воодушевлена перспективами.
«Чтобы гидрогелевый материал был несущей искусственной тканью, необходимы как прочность, так и деформируемость», — объяснил Линь. «Наш гидрогель легко может достичь и того, и другого в нужной степени».
Новый магниевый сплав сделает радиаторы легче на треть
Новые сплавы, разработанные в сотрудничестве между Российским национальным университетом науки и технологий (НИТУ МИсИС) и LG Electronics, могут найти применение в таких устройствах, как например радиаторы
В прошлом у других магниевых сплавов был по крайней мере один серьезный недостаток: при нагревании на воздухе они воспламенялись. Однако, по словам членов команды NUST, добавление кальция и иттрия к их сплавам дает материалам гораздо более высокую температуру воспламенения — до такой степени, что они, как сообщается, безопасны для использования «в различных гаджетах без ограничений».
Кроме того, в то время как существующие магниевые сплавы обычно содержат дорогие элементы, такие как неодим, лантан и торий, сплавы NUST включают значительно более дешевые альтернативы.
Наименее дорогостоящий из двух сочетает магний с кремнием, цинком и кальцием, что приводит к высокой теплопроводности и средней прочности. Другой, более дорогой, сочетает в себе магний с цинком, иттрием и цирконием, обеспечивая немного более низкую теплопроводность, но более высокую прочность.
До сих пор университет не сообщил, как стоимость сплавов может сравниться со стоимостью традиционных теплоотводящих материалов, таких как чугун, низкоуглеродистая сталь, нержавеющая сталь и алюминий. Однако считается, что использование сплавов «снижает вес теплоотводящих элементов на треть без потери эффективности».
LG уже зарегистрировала патенты на менее дорогой из двух сплавов и на радиатор, сделанный из этого материала.
Просто добавь воды: инженеры создали синтетическую смазку, имитирующую живые хрящи
Новый искусственный материал почти полностью имитируют наши хрящи, обеспечивая отличный уровень смазывания рабочих поверхностей
Хрящ покрывает концы костей в суставах, таких как коленные, позволяя им плавно перемещаться друг относительно друга, не разрушая костную ткань под ними. Он состоит из пористой матрицы коллагеновых волокон, протеогликанов и волокон эластина. Эта матрица поглощает вязкую жидкость, известную как синовиальная жидкость, которая вырабатывается в суставах.
По мере движения сустава соприкасающиеся поверхности хряща постепенно высвобождают эту жидкость, обеспечивая смазку. В то же время абсорбированная жидкость также помогает хрящу противостоять необратимой деформации под действием сил сжатия благодаря гидроупругому эффекту. И хотя исследователи ранее пытались создать искусственный хрящ, они обычно использовали мягкие гидрогели, которые не справляются с такими силами.
Под руководством доктора Сиаваша Солтанахмади из Университета Лидса ученые из этого института и Имперского колледжа Лондона выбрали другой подход. Они по-прежнему используют гидрогель, который может впитывать и выделять смазку — в данном случае воду — но этот гель содержится в пористой поддерживающей матрице из полимера на основе силикона, называемого полидиметилсилоксаном (ПДМС).
Когда гидрогель/полимерный материал подвергается сжимающей силе, полимер позволяет смазочному гелю выдерживать в 14-19 раз большую нагрузку, чем он мог бы сам по себе. Фактически, модуль упругости материала близок к модулю упругости натурального хряща.
«Мы разработали материал для инженерных приложений, который имитирует некоторые из наиболее важных свойств хрящей, и это стало возможным только потому, что мы нашли способ имитировать то, как это делает природа», — признался Солтанахмади. «В инженерии есть много применений для синтетического материала, который является мягким, но может выдерживать большие нагрузки с минимальным износом, например, в подшипниках».
Ученые создали новый вид пластика с ферментами, которые полностью растворяют тару после использования
Ученые разработали пластик, который безопасно разлагается после использования и не формирует микрочастицы
Подавляющее большинство пластиковых отходов попадает на свалки или, что еще хуже, в окружающую среду. Даже те благонамеренные материалы, которые поддаются биологическому разложению, часто могут разрушаться только до определенного уровня, оставляя микропластичные частицы, которые накапливаются в океане и вызывают проблемы со здоровьем у животных и людей.
Новое решение сосредоточено на ферментах, небольших природных катализаторах, разрушающих органические вещества. По своей конструкции пластик обычно сопротивляется такому виду деградации — в конце концов, вы не хотите, чтобы ваша лапша растворила контейнер до того, как вы успеете ее съесть, верно? Но в последние годы ученые определили бактерии, которые могут поглощать пластик, выделили ферменты, которые они используют для этого, и модифицировали их, чтобы они стали еще эффективнее.
Раньше пластик нужно было специально обрабатывать этими ферментами, чаще всего на специальных заводах. На практике же это означает, что любой мусор, который попадет в окружающую среду, по-прежнему будет отравлять планету. Поэтому в рамках нового исследования ученые разработали способ встраивать небольшие количества ферментов непосредственно в сам пластик, чтобы тот в любом случае разложился на молекулы.
«Если у вас есть фермент лишь на поверхности пластика, он будет действовать очень медленно и неравномерно», — пояснил Тинг Сюй, старший автор исследования. «Вы хотите, чтобы он распределялся повсюду наноскопически, чтобы весь материал в итоге просто развалился на части».
Это, очевидно, создает свои собственные проблемы — мы снова возвращаемся к проблеме потенциального разрушения пластмасс во время хранения или использования. Чтобы избежать этого, исследователи также добавили в пластик защитное средство для ферментов, называемое четырехмономерным статистическим гетерополимером (RHP), которое диспергирует ферменты на расстоянии нескольких нанометров друг от друга.
В результате получается пластик, который остается стабильным при регулярном использовании, но начинает разрушаться только при контакте с компостной почвой или горячей водой. В ходе испытаний команда обнаружила, что замачивание пластика в воде при комнатной температуре в течение трех месяцев не привело к его разрушению — этот процесс запускается только при небольшом повышении температуры.
Они добавили фермент, называемый BC-липазой, в пластик PCL, и еще один, называемый протеиназой K, в пластик PLA. PCL полностью разрушился в течение двух дней при 40 °C, в то время как PLA разложился в течение шести дней при 50 °C. И вместо того, чтобы производить микропластик, материалы разлагаются на безвредную молочную кислоту.
Команда уже подала заявку на патент на новый разлагаемый пластик и основала стартап, чтобы помочь коммерциализировать его.
Как паутина может спасти от дождя и жары
Одежда из паучих нитей смогла бы менять свои свойства, в зависимости от погоды
Шелк люди всегда получали у шелкопрядов, но шелк паукообразных намного прочнее и универсальнее, чем шелк червей.
Вот почему исследователи, например Даршил Шах из Кембриджского университета, пытаются раскрыть секреты того, как пауки производят паутину и как люди могут получить его синтетическую версию.
Объединив целлюлозу с наночастицами кремния, Шах и его коллеги создали «гидрогель», состоящий в основном из воды. Полученные волокна прочны, эластичны и имеют некоторые из наиболее ценных свойств паутины. Если ученые смогут найти способ вплетать эти волокна в одежду, индустрия моды получит новый биоразлагаемый текстиль, производство которого будет менее энергозатратным.
Одно из свойств паутины, которое больше всего интересует Шаха, — это «сверхсжатие». Под воздействием влаги паутина может сжиматься до 50% не теряя натяжения. Материал, имеющий такую способность, можно использовать в «умной одежде», такой как плащ, который становится более плотным и водонепроницаемым во время дождя и, наоборот, легким и дышащим в жаркие солнечные дни.
Почему при тряске более крупные орехи в смесях поднимаются наверх
Этот эффект часто называют эффектом бразильского ореха, который в ореховых смесях всегда оказывается наверху
Если вы потрясете миску с орехами или семечками, то самые крупные из них поднимутся наверх, несмотря на свою большую массу. Это явление известно как эффект бразильского ореха, который, благодаря своим размерам, всегда оказывается наверху. Понимание этого процесса поможет производителям делать более однородные смеси, что особенно важно в фармацевтике.
«Эффект бразильского ореха сложно отследить — он происходит внутри смесей», — говорит ученый-визуализатор Пармеш Гаджар из Манчестерского университета в Англии. С помощью рентгеновской компьютерной томографии Гаджар и его коллеги изучили особенности движения арахиса и бразильских орехов в трясущейся коробке, создав первые трехмерные видеоролики — эффект бразильского ореха в действии:
Бразильские орехи имеют продолговатую форму и, попав в контейнер, они легли горизонтально. Но когда коробка тряслась, столкновения приводили к тому, что орехи принимали вертикальное положение. Это открывало путь вниз более мелкому арахису — он проваливался в щели и накапливался внизу, поднимая тем самым бразильские орехи вверх.
Свежие комментарии