Пусть свет живет для нас

Каждый месяц прошлого года приносил более ста значительных открытий в области материаловедения !!! Томас Эдисон, изобретатель и предприниматель, основатель и администратор лабораторий, которые принесли ему более 1000 патентов по всему миру, сказал: «Я не ошибся, я только что обнаружил 10000 ошибочных решений». Практичная, полностью используемая лампа была изобретена исследовательской группой в лаборатории в Менло-Парке, штат Нью-Джерси (США), под руководством Т.А. Эдисона. Его первая лампочка горела всего 8 минут, но после нескольких месяцев работы в 1879 году им удалось построить лампочку с углеродным волокном, светящимся в течение нескольких десятков часов, а затем увеличить время освещения до более 100 часов. При следующих попытках был выбран японский вид бамбука, чьи обугленные волокна оказались наиболее долговечными. Помещенные в стеклянный пузырь, из которого был откачан воздух, они горели в течение нескольких сотен часов ярким желтым светом. Однако до того, как это было достигнуто, использовалось почти две тысячи различных материалов, которые служили в качестве нити накала. От кокосового волокна, через линию, до волос от бороды - все это требовало огромных усилий. Среди пионеров работ по улучшению луковицы следует также упомянуть англичанина Джозефа Уилсона Свона. Он использовал углеродное волокно в своих луковицах еще в 1850 году. Однако колба, изготовленная таким образом, имела очень низкую долговечность. Только в 1878 году изобретатель получил достаточно удовлетворительные результаты, что он получил патент на свое изобретение - его колба сияла в течение 13,5 часов и имела бамбуковое волокно. Основным отличием в дизайне лампочек, запатентованных Эдисоном и Лебедем, был их постамент. Луковица Лебедя имела байонетное основание, в отличие от эдисоновской нити. По сей день лампочки для бытового использования (там, где они не подвержены ударам) имеют винтовое гнездо (Edison - E27), а, например, у автомобиля - байонетное гнездо (Swan). Патент, который получил JW Swan, заблокировал Эдисона на европейском рынке, на который его продукты могли поступить только после финансового контракта с Swan. В то время в Англии была основана компания под названием «Siemens Edison Swan», которая подписывала свою продукцию под брендом EDISWAN. Это были первые лампочки, пригодные для практического использования. В начале 20-го века вольфрамовые проволоки использовались в луковицах и были заполнены разреженным инертным газом (сначала аргоном, а затем криптоном). Срок службы типичных ламп накаливания в настоящее время составляет около 1000 часов. На протяжении более 100 лет мир освещался вольфрамовыми лампами накаливания, и символ лампочки был принят как карикатура для инноваций всех видов.

Теперь лампочки все чаще заменяются светоизлучающими диодами (светодиодами), которые более эффективны при преобразовании электричества в свет, чем лампы накаливания, и гораздо более долговечны. Диоды впервые появились в 1960 году в качестве контрольных ламп в электрических устройствах. Работа по их постоянному совершенствованию ведется уже почти 60 лет! В настоящее время они обеспечивают освещение зданий, улиц и автомобилей. Мы видим, следовательно, как долго, а следовательно и дорого, процесс изобретения, внедрения и улучшения продуктов.
В настоящее время использование нанотехнологий, или создание структур на уровне атомов и молекул, привело к потоку новых веществ и новых идей о том, как использовать их по-старому лучше и создавать новые вещи, которые никогда не были сделаны раньше. Это то, что некоторые ученые называют «золотым веком» для материалов. Новые металлические сплавы и различные типы композитов заставляют нас иметь дело с материалами, которые запоминают их форму, могут быть отремонтированы или разделены на компоненты. Используя электронные микроскопы, атомно-силовые микроскопы и рентгеновские синхротроны, ученые могут измерять материалы гораздо более детально, чем когда-либо прежде. Благодаря современным доступным компьютерам у нас огромные вычислительные мощности. В настоящее время многие прототипы создаются в виртуальной форме с использованием программного обеспечения задолго до создания физического элемента. Конечно, благодаря компьютерному моделированию вы можете отказаться от реализации проекта на этапе реализации.
Все это значительно ускоряет разработку продукта, а также снижает затраты. Программное обеспечение достаточно сильное, чтобы учитывать, например, нагрузки, напряжения, динамику жидкости, аэродинамику, тепловые условия и многое другое после учета свойств используемых материалов.
Исследователи стремятся заставить ученых вместо того, чтобы искать вещество с желаемыми свойствами для конкретной работы, они могут определить необходимые свойства, и компьютеры предоставят им список подходящих кандидатов. Список основных свойств материала, таких как проводимость, твердость, гибкость и способность поглощать другие химические вещества, должен быть подготовлен.
Инженерия на молекулярном уровне улучшает старые материалы и создает новые. Используя уникальные физические, химические, механические и оптические свойства частиц, они могут быть включены в материалы, чтобы получить новые со значительно улучшенными свойствами.
Это можно проследить на примере батареи.
В зависимости от состава электролита и конструкции электродов мы можем выделить батареи: свинцово-кислотные, NiCd, NiMH, Li-ion, Li-poly. Наибольшие успехи и развитие достигнуты за последние два.
Li-ion - литий-ионный аккумулятор, в котором один из электродов выполнен из пористого углерода, а другой - из оксидов металлов. Электролит химически образует комплекс с солями лития, растворенными в смеси органических растворителей. Литий-полимерный аккумулятор, в свою очередь, является вариантом литий-ионного аккумулятора, в котором жидкий электролит заменен твердым полимерным электролитом. Исследователи стремятся к тому, чтобы такая батарея имела максимально возможную емкость, быстро заряжалась, была легкой, имела любую форму и, конечно, что не менее важно, была как можно дешевле.
Насколько дорог этот материал, среди прочего тот факт, что аккумуляторы для электромобиля составляют около 30% от общей стоимости автомобиля. В настоящее время стоимость 1 кВт-ч варьируется от 400 до 500 долларов. Ожидается, что когда цена за 1 кВт-ч упадет до 100 долларов, электромобили станут основным направлением в автомобильной промышленности.
Продолжается работа над технологиями, которые позволят вам заряжать батареи не в течение нескольких часов, а в течение нескольких десятков минут. Прототипы таких батарей теперь доступны.
Путем распыления графита на поверхности анода была получена литий-ионная батарея, которая может быть заряжена до 50% от полной емкости всего за пять минут (батарея емкостью 3000 миллих часов, стандартная батарея для смартфонов).
Во втором примере быстрая зарядка аккумулятора - путем введения алюминия в электроды. Аккумулятор можно полностью зарядить всего за одну минуту. Аккумуляторы, в которых анод содержит алюминий, а катод молекулы графита можно заряжать 7500 раз (в то время как в случае литий-ионных аккумуляторов это можно сделать около тысячи раз). К сожалению, из-за небольшой емкости они даже не подходят для установки на смартфоны. Теперь лампочки все чаще заменяются светоизлучающими диодами (светодиодами), которые более эффективны при преобразовании электричества в свет, чем лампы накаливания, и гораздо более долговечны
В случае третьей технологии, обеспечивающей быструю загрузку, использовался пирит , железный минерал иногда назывался золотом дураков, потому что цвет иллюзии напоминал золото. Введение пиритовых электродов классическим способом обеспечивает быструю зарядку батареи, но после выполнения нескольких таких операций она не подходит для дальнейшего использования. Так, были использованы наночастицы пирита (FeS2). При зарядке батарей ионы лития встречают на своем пути наночастицы пирита (около 4,5 нм); затем происходит реакция, которая приводит к образованию сульфида лития. Когда батарея разряжается, происходит обратный процесс, и частицы FeS2 снова появляются в электроде. Такой процесс можно повторять любое количество раз, перезаряжая батарею каждый раз в течение нескольких секунд. Секрет заключается в том, что частицы пирита настолько малы, что ионы лития могут свободно проникать в них и осаждают из них атом железа, создавая место для сульфида лития. Экспериментальная батарея, созданная учеными, содержит около 50 миллионов наночастиц пирита. Этот путь еще долгий, чтобы начать производство, но проведенные исследования позволяют лучше понять химические процессы, которые происходят внутри литий-ионных аккумуляторов во время их зарядки и разрядки. И это может привести к открытию новых физико-химических явлений на уровне наночастиц, что позволит в будущем создавать батареи следующего поколения с очень большой емкостью, которые, в свою очередь, смогут заряжаться в течение нескольких секунд и повторять этот процесс много тысяч раз.
Четвертый пример - литий-ионная батарея с электродами, подверженными воздействию водорода. Испытания показали, что благодаря новым электродам время зарядки аккумулятора можно сократить примерно на 40%. Исследователи использовали электроды из графена в батареях и обнаружили, что под воздействием водорода они становятся более гибкими и могут производить больше электричества. На поверхности электродов образуются небольшие зазоры, благодаря которым ионы лития могут гораздо легче перемещаться между ними, что приводит к большей эффективности батареи. Результаты проведенной работы дают надежду на то, что в скором времени мы сможем пользоваться батареями следующих поколений, установленных не только в портативном оборудовании, но и в автомобильной промышленности, или для хранения энергии из возобновляемых источников.
В то же время производители все чаще вынуждены брать на себя ответственность за весь жизненный цикл продукции. Это включает в себя обязательство учитывать все воздействия, связанные с воздействием на окружающую среду и здоровье, от добычи сырья до производства, распределения и, в конечном итоге, переработки или утилизации. По мере того, как материалы становятся все более сложными, их становится все труднее «контролировать».
Коммерчески доступные строительные изделия, поверхности которых были обогащены наночастицами диоксида титана, например самоочищающееся стекло или фасады, которые содержат добавку фотохимически активных наночастиц диоксида титана (TiO2), не так уж велики.
Согласно исследованиям, проведенным британскими учеными из Кембриджского университета, наночастицы диоксида титана не только эффективно реагируют с грязью на фасадах или стеклянных панелях, разрушая ее и оставляя стеклянную посуду всегда чистой, но также хорошо реагируют с химическими примесями, находящимися в воздухе. УФ-излучение активирует наночастицы диоксида титана, которые при контакте с оксидом азота (NO2), содержащимся в воздухе, инициируют реакцию превращения NO2 в азотистую кислоту - азотную кислоту (III), HNO2 - в газ [1] , Как показали исследования, активированный TiO2 генерирует не только азотную кислоту, но также кислород, гидроксил и летучие органические загрязнители (ЛОС).
В свою очередь, наночастицы ZnO и CuO (используемые в качестве пигмента в краске) ​​в морской среде эффективно предотвращают загрязнение структуры и могут быть успешно использованы при производстве противообрастающих красок. В то же время ученые обнаружили, что наноматериалы, используемые в качестве компонентов противообрастающих красок, оказывают вредное воздействие на эмбрион морских ежей, которые под воздействием наночастиц становятся более восприимчивыми к токсинам. Это первое исследование, предполагающее, что наночастицы могут действовать как сенсибилизаторы к определенным химическим веществам. Эти вещества используются, например, при лечении рака, так что раковые клетки более чувствительны к химиотерапевтическим агентам. Оказалось, что в клетках морских ежей аналогично работают каналы наноцинков и наномедицинских каналов, которые обычно служат для откачки токсинов.
Известный нам наносеребро обладает эффективными бактериальными, вирусными и фунгицидными свойствами. Его использование растет в медицине, косметике, потребительских товарах (бытовая техника) и промышленности.
Эффективность наносеребра как биоцида против патогенных патогенов хорошо документирована, поэтому его используют в медицине, например, в качестве компонента повязок и повязок. Другое применение - его использование в системах очистки воды и воздуха, в косметике, моющих средствах и в слоях, покрывающих игрушки и бытовую технику. По словам исследователей, использование «чудодейственного» материала набирало обороты среди прочего в результате отсутствия доказательств возможности появления устойчивых микроорганизмов.
Мы также можем найти информацию о том, что чрезмерное воздействие на часто встречающиеся бактерии молекул наносеребра приводит к их адаптации и развитию. Это может иметь далеко идущие последствия для будущего использования серебра в качестве антибактериального средства. В одном из экспериментов было обнаружено, что наносеребро эффективно подавляет кишечную палочку, но его присутствие вызвало неожиданное появление, адаптацию и быстрый рост других видов бактерий (Bacillus spp.). В ходе исследования была обнаружена естественная способность Bacillus spp. Обойти цитотоксические свойства наносеребра. Адаптации включали как противодействие небольшим нарушениям окислительно-восстановительного баланса клеток, так и летальные уровни стимуляции АФК наносеребром.
В свою очередь, согласно другим научным исследованиям, наносеребро может проникать в кожу и вызывать ее повреждение. Серебро само по себе не представляет опасности, но серебро может быть им. Серебро как металл не представляет никакой опасности, но если оно распадается на наночастицы, они приобретают настолько малый размер, что могут проникать через клеточную стенку. Если наносеребро проникает в клетки человека, оно может их изменить и привести к образованию вредных свободных радикалов. Кроме того, вы можете видеть, что есть изменения в форме и количестве белков. Исследователи подчеркивают, что образование значительного количества свободных радикалов в организме связано с серьезными заболеваниями, такими как болезнь Альцгеймера и Паркинсона.
Дискуссия по нанотехнологиям продолжается. Наночастицы, нанослои и наноматериалы уже освоили практически всю отрасль. Исследователи говорят, что они не знают, какие долговременные последствия использования материалов с нано-версией у нас будут. Относительно мало известно об их влиянии на наше здоровье или окружающую среду, особенно при использовании в более высоких концентрациях.
Это не меняет того факта, что каждое открытие первоначально казалось опасным, неизвестным и несло нежелательные последствия для человечества. Многие изобретения были высмеяны; при виде исследователей-ученых они постучали по голове. Однако мы уже достигли этапа развития науки, от которого мы не можем отказаться, отсутствие поиска новых решений. И когда мы думаем, что нанотехнологии не совсем безопасны, это может быть необязательно, и неизвестно, в каком направлении они нас поведут, давайте посмотрим на освещение, окружающее нас в те серые зимние дни, и подумаем о первой лампочке, которая закурила всего 8 минут. , Кто знает, что они скажут о сегодняшних открытиях, пусть люди живут этим 200 лет.

[1] Азотная кислота (III) оказывает очень негативное влияние на организм и может привести к мутации ДНК.