Броня из нанотрубок
Другим популярным направлением работ, связанных с защитой жизни и здоровья человека от огнестрельного оружия и взрывных устройств, является создание бронежилетов из углеродных нанотрубок с диаметром всего несколько нанометров.
Многостенные нанотрубки представляют собой самый настоящий конструктор: с помощью углеродистых структур можно собирать своеобразные «бусы» — многоуровневую мозаику с хорошей прочностью.
Первые результаты в этом направлении были получены ещё в конце 2007 года — израильские учёные создали уникальный самовосстанавливающийся материал на основе наночастиц дисульфида вольфрама.
Испытания материала показали, что «наноброня» позволит практически полностью решить все проблемы, связанные с разработкой бронежилетов и средств защиты. Нанотрубки, синтезированные учёными, выдержали чудовищное давление — до 250 тонн на квадратный сантиметр. По подсчётам учёных, новый материал оказался не только в два раза легче, но и в четыре раза прочнее устаревших бронежилетов со стальными сменными бронепластинами и в шесть раз прочнее облегчённых кевларовых средств бронезащиты.
«Внедрение этих технологий главным образом связано с объёмами выпуска такого продукта и, как следствие, со стоимостью производства. Бронежилеты — это массовый продукт, и в случае с производством каких-то революционных средств защиты необходимо, чтобы технология изготовления была не запредельно дорогой и адаптированной под массовый выпуск. Чтобы хотя бы приблизиться к серийному выпуску таких изделий, нужно не меньше 10 лет», — отметил в беседе с RT военный эксперт Юрий Лямин.
Что такое графен?
Учёные давно обнаружили, что углерод имеет две основные, но поразительно разные формы:
- графит — мягкий, черный материал в карандашных грифелях;
- алмаз — сверхтвёрдые, блестящие кристаллы в ювелирных изделиях.
Оба эти радикально отличающихся материала состоят из одинаковых атомов углерода. Но атомы внутри них расположены по-разному, и это дает двум формам совершенно разные свойства.
Так что же такое графен? Графен — это один слой графита. Он имеет плоскую кристаллическую решетку, состоящую из взаимосвязанных шестиугольников атомов углерода, плотно связанных между собой. Слои имеют высоту всего в один атом. Поэтому, чтобы получить графен толщиной 1 мм, понадобится стопка примерно из 3 миллионов таких слоёв.
Кристаллическая решетка графена. Фото: Коммерсант
Необычные свойства графена
Что заставило привлечь внимание всего научного мира к ультратонкому слою атомов углерода? Графен оказался чрезвычайно хорошим проводником тепла и электричества. Он также характеризуется низким активным сопротивлением
В этом отношении он является конкурентом меди и кремния.
При комнатной температуре электроны графена демонстрируют беспрецедентную для других материалов подвижность. Высокая скорость их потока, достигающая 1/300 скорости света, открывает интересные возможности их использования в диагностике.
Графен также практически прозрачен — он поглощает 2,3% белого света. Таким образом, его уникальный электрический потенциал идет рука об руку с оптическим. Несмотря на чрезвычайно тонкую структуру, графен в 100 раз прочнее стали. В то же время он сохраняет высокий уровень гибкости (до 20% растяжимости по длине или ширине).
Мембрана с окисленного графена полностью непроницаема для газов и в то же время проницаема для воды. Таким образом, его можно использовать для целей фильтрации. Также следует отметить антимикробные свойства материала.
Графен — что это такое и откуда он взялся
Прорывной характер графена заключается прежде всего в его двумерности. С физической точки зрения, он представляет собой слой отдельных атомов углерода, расположенных в виде шестиугольника, визуально похожего на соты. Таким образом, графен — это аллотропная форма углерода.
Уже в 1940-е гг. XX века Филип Рассел Уоллес разработал теоретическую концепцию создания одноатомной структуры углерода. Однако эта идея долгие годы отвергалась большинством ученых. И только спустя шесть десятилетий его удалось превратить в реальный, ощущаемый материал.
Дуэту Гейм и Новоселов из Манчестерского университета удалось выделить графен из куска графита, перенеся атомы углерода на слой диоксида кремния (SO2) с помощью клейкой ленты. Диоксид кремния играл важную роль в этом процессе, изолируя слой графена с нейтральным электрическим зарядом. В настоящее время этот метод используется только в небольших масштабах для исследовательских целей.
Графен всему голова
Графен, который многие называют революционным материалом XXI столетия, — самый прочный, самый лёгкий и электропроводящий вариант углеродного соединения. Не исключено, что графен, разработанный в лабораторных условиях, в ближайшее время найдёт свое применение не только в элементах питания солнечных батарей или микроэлектронике, но и будет спасать жизни солдат на поле боя.
Также по теме
Российская армия приняла на вооружение экипировку солдат XXI века
Минобороны России утвердило принятие на вооружение нового комплекта боевой солдатской экипировки «Ратник». Первые комплекты поступят в…
Учёные из Нью-Йоркского университета пришли к выводу, что синтез двухслойного графена позволит сверхпроводник превратить в сверхпрочную защитную ткань и решить главную проблему всех бронежилетов — сочетать сверхпрочность с лёгкостью средств защиты. Разработчики по всему миру смогут отказаться не только от массивных стальных бронепластин, но и в перспективе откажутся от использования пара-арамидного волокна — кевлара.
Эксперименты с давлением на двухслойный графен алмазным стержнем показали, что такой материал гораздо лучше традиционных переносит любые механические повреждения и почти не деформируется.
Уникальные свойства графена помимо снижения массы бронежилета позволят решить и другую важную проблему. В настоящее время облачённый в бронежилет солдат или сотрудник спецподразделения, вне зависимости от класса защиты и типа брони, при попадании пистолетной или винтовочной пули в любом случае получает тяжёлое повреждение — так называемую компрессионную, или заброневую, травму. Новые материалы, по словам учёных, позволят оградить владельца такого снаряжения не только от гибели, но от тяжёлого вреда здоровью.
«Окончательные выводы относительно эффективности таких средств защиты можно будет делать лишь тогда, когда будут готовы первые серийные изделия. Но по своей структуре двухслойный графен, скорее всего, окажется прочнее кевлара и сможет гораздо эффективнее рассеивать энергию от попадания пули», — отметил в интервью RT один из сотрудников российского НИИ.
С выводами учёных согласен и военный эксперт Сергей Иванов. Однако, по его словам, применение графена в бронежилетах будет связано с некоторыми проблемами.
«Прочность такой конструкции объясняется большей скоростью распространения ударных волн в графене — он значительно лучше рассеивает энергию. Но проблема заключается в том, что для остановки пули и снижения заброневого воздействия пока требуется бронелист, состоящий из многих миллионов слоёв графена. Для этого требуется наладить производство этого материала в промышленных масштабах. А до такого решения ещё далеко», — уточнил Иванов.
Безопасен ли графен?
Как относительно новый материал, графен вызывает понятные сомнения в связи с его возможным влиянием на здоровье человека. Есть даже утверждения, что тонкая и легкая структура графена легко проникает в легкие, представляя угрозу, сопоставимую с пылью или даже волокнами асбеста. Китайские исследования даже предполагают, что наночастицы двумерного углерода могут оседать во внутренних органах.
Существует также теоретический риск того, что графен может нанести вред растениям и животным, попадая в поверхностные и грунтовые воды. Мелкие частицы могут оседать на берегах водоемов и повышать уровень жесткости воды.
Однако, согласно современным знаниям, графен нетоксичен и не имеет сродства с опасными веществами. Его количество, а значит и потенциальное воздействие, также крайне низки или даже незначительны. При контакте с кожей не проявляет раздражающих свойств. Международные исследования показывают, что вдыхание также не вызывает неблагоприятных иммунологических реакций.
В научном сообществе существует общий консенсус относительно необходимости дальнейших исследований свойств и применения графена, в том числе его безопасности. Они позволят оптимизировать методы использования инновационного материала с учетом долгосрочного воздействия на человека и окружающую среду.
Перспективный графен — применение в различных отраслях промышленности
Электронные, оптические, тепловые и механические свойства графена открыли двери для многих практических и коммерческих возможностей применения. По мнению экспертов, в ближайшие десятилетия они будут динамично развиваться.
Уже сегодня графен считается преемником кремния в области электроники. Как прозрачный и гибкий проводник он может быть использован для производства фотоэлементов, рулонных экранов и сенсорных панелей, а также светодиодных ламп. Он также значительно увеличивает частоту электромагнитного сигнала, благодаря чему позволяет производить более быстрые транзисторы.
Датчики, изготовленные из графена, также вызывают значительный интерес. Благодаря своей исключительной чувствительности они способны обнаруживать отдельные молекулы опасных веществ. Таким образом, они облегчают мониторинг окружающей среды. Оксид графена, распределенный в воздухе, также обладает способностью удалять радиоактивные загрязнения.
С каждым годом увеличивается перспектива разработки новых продуктов с использованием графена. Наиболее перспективные направления применения графена:
- современные энергетические сети;
- энергосберегающие источники света;
- полупроводники, используемые в устройствах спинтроники;
- более эффективные антикоррозионные покрытия;
- фильтрация воды для очистки и опреснения;
- оптико-электронные системы связи.
Кроме того, существуют предположения о перспективном использовании графена для производства более легких и прочных конструктивных элементов для автомобилей, самолетов, космических кораблей и устройств. В сочетании с синтетическими материалами (например, резиной) он может быть использован для создания, например, теплопроводящей резины. На основе графена уже была разработана чрезвычайно прочная бумага, способная проводить электричество.
Биосовместимый графен — применение в медицине
Стоит также отметить возможность использования графена в области биомедицины, как в диагностической, так и в терапевтической сферах. В качестве носителя лекарственного средства оксид графена характеризуется высокой биосовместимостью и отличной растворимостью. Таким образом, он позволяет точно дозировать противовоспалительные и противораковые агенты, а также ферменты и минеральные вещества.
Тот факт, что графен отлично проводит тепло, также используется для уничтожения раковых опухолей. Явление термоаблации позволяет использовать накопленное тепло для уменьшения боли в тканях. Уже ведутся работы по производству медицинских аксессуаров и одежды с подогревом.
Листы графена также используются в качестве биосенсоров. Они могут помочь диагностировать рак и неврологические заболевания (например, эпилепсию или болезнь Паркинсона) с помощью портативных устройств. Графеновый зонд, созданный поляками, как ожидается, произведет революцию в исследованиях ЭКГ, позволяя проводить измерения с уровня сердца.
Антибактериальные свойства графена также дают возможность решить кризис, связанный с растущей нечувствительностью бактерий к антибиотикам. На его основе могут быть созданы средства, предназначенные для местного лечения инфекций и дезинфекции ран.
Возможность использования графена в тканевой инженерии выглядит очень многообещающе. Инновационный углеродный каркас чрезвычайно прочен с механической точки зрения. Исследования показывают, что он ускоряет дифференциацию стволовых клеток и способствует более быстрому выздоровлению.
Зачем ученые добавляют в графен куриный помет
После вручения премии вышло больше 130 тыс. научных работ, посвященных графену и его свойствам. Доля таких исследований среди всех остальных выросла с 0,2% в 2010 году до 1% в 2016-м.
В научном сообществе тестирование свойств графена стало почти мемом. Доходит до того, что в графен добавляют куриный помет, чтобы проверить, как это отразится на его качествах.
Всего в мире зарегистрировано более 50 тыс. патентных заявок с упоминанием графена. Больше половины из них принадлежит Китаю, следом идут Южная Корея, США, Япония и Тайвань.
В Китае исследованиями занимаются государственные вузы. В 2013 году здесь создали Инновационный альянс графеновой промышленности, который пророчит Китаю в этой сфере долю в 80% от общемировой.
Кто вкладывается в изучение графена
В остальных странах в графен активно вкладываются коммерческие компании. В Евросоюзе за это отвечает проект Graphene Flagship с инвестициями в €1 млрд . В США — Национальная графеновая ассоциация, в консультативный совет которой входят представители Apple, IBM и Cisco.
В графене заинтересованы гиганты аэрокосмической отрасли: Boeing, Lockheed Martin, Airbus и Thales. Они рассчитывают, что новые материалы позволят им в разы снизить расход топлива — как композиты, которые экономят до 30% горючего в Boeing 787. Электронные корпорации включились в графеновую гонку в надежде, что это принесет им лидерство на рынке смартфонов и аксессуаров к ним.
Почему графеновая революция не произошла
Во-первых, графен очень дорогой. При этом пока нельзя однозначно посчитать, сколько его нужно и для каких целей. Для этого материала нет единой шкалы измерения, так как он может иметь разную структуру — в зависимости от способа получения.
- 1 грамм чистого графена, который используют в электронике, стоит около $28 млрд.
- 1 грамм графена, смешанного с пылью — около $1 тыс.
Во-вторых, массовое производство графена пока не налажено, потому что нет технологий, которые бы позволили бы это: например, сложные электронные устройства с графеном делают вручную. Для графена нужна какая-то подложка — например, кварцевая — которая и определяет свойства конечного продукта. При этом пока еще не совсем понятно, какие именно это должны быть свойства.
Всё в одном
Однако оставаться только лишь средством защиты бронежилеты будут недолго — современные технологии позволят превратить бронежилет в настоящий военный многофункциональный инструмент, совмещающий в себе не только защитные функции, но и средства связи и системы жизнеобеспечения.
Первыми, кто на практике начал тестировать такие устройства, стали российские военные.
Один из основателей российских Сил специальных операций и первый командир спецподразделения ССО МО РФ Олег Мартьянов ещё в начале 2017 года сообщил, что бронежилет для российских спецназовцев будет сочетать в себе целый ряд вспомогательных устройств. И первые решения, связанные с объединением систем и подсистем в единый боевой комплект, успешно опробованы при разработке и производстве комплекта боевой экипировки «Ратник».
- Комплект боевой экипировки «Ратник»
Гендиректор ЦНИИТОЧМАШ Дмитрий Семизоров отметил, что этот спецкомплект для российских военных является одним из самых безопасных в мире. «У нас есть информация по воздействию на эту экипировку в рамках реального применения: не было зафиксировано ни одного случая пробития средств индивидуальной бронезащиты — ни шлемов, ни бронежилетов», — подчеркнул Семизоров.
«Нет принципиальной разницы в том, какой именно материал использовать для защиты солдата. Создать универсальное устройство очень трудно. Проще сделать выбор в пользу модульной конструкции, чтобы бронежилет был отдельно, модуль связи — отдельно. Можно интегрировать в бронежилет и медицинский модуль с обеззараживающим веществом, но главная проблема будет состоять в том, как собрать всё необходимое в единую конструкцию», — пояснил в интервью RT главный редактор журнала «Экспорт вооружений» Андрей Фролов.
Вместе с тем все эксперты сходятся во мнении, что внедрение принципиально новых материалов обязательно изменит характер боевых действий. И не исключено, что за средствами защиты будет подтянуто и стрелковое вооружение.
Где уже используют графен?
Сейчас графен успешно применяют в электронике. Самый массовый продукт — это пауэрбанк: производители обещают, что сам он заряжается за 20 минут, а топовый смартфон заряжает наполовину за полчаса.
Существуют также графеновые куртки и платья. Последние, в частности, оснащены светодиодами, которые реагируют на дыхание и температуру тела, меняя цвет.
Теннисные ракетки с графеном весят до 300 грамм меньше, чем обычные, при той же силе удара.
Наконец, машинное масло с графеном призвано снизить износ двигателя.
С помощью графена можно лечить рак
Есть и еще одно свойство графена: он биосовместим, то есть взаимодействует с живыми клетками. Ученые обещают, что материал поможет диагностировать и лечить рак. Это делают с помощью чипа с графеном, который придает повышенную чувствительность. На поверхность чипа высаживают раковые клетки и тестируют на них различные лекарства.
Такие чипы можно использовать и для тестирования других лекарств, а также — определения биомаркеров: иммуноглобулина, ДНК, нейрональных биорецепторов.
Производство графена
С 2014 года графен производится в больших масштабах для коммерческих целей. Новые микромеханические технологии позволили значительно снизить стоимость материала. В настоящее время его ведущими производителями являются США и Китай, где находятся значительные количества дешевого аморфного графита.
Графен премиум-качества, необходимый для электроники, должен быть произведен из графита достаточно высокого качества. Для этого необходимы плоские, упорядоченные кристаллы специальной обработки. Соответственно, цена материала при этом выше.
Корейским ученым удалось разработать эффективный и экономичный способ производства графена путем химического осаждения из паровой фазы (CVD). Недостатком этого решения является более низкое качество материала и более высокая частота дефектов. Однако для некоторых областей применения это не является проблемой.
Поляки также внесли свой вклад в разработку инновационных методов производства графена. Институт технологии электронных материалов в Варшаве имеет патент на производство материала из карбида кремния. В 2015 году ученые из Лодзинского университета разработали прорывную технологию HGSM, позволяющую производить высококачественные широкоформатные листы из жидкой фазы.
Жидкая броня
Но броня из нанотрубок стала не единственным образцом защиты, созданным с применением новых материалов, так и не вышедшим на уровень серийного производства. Один из таких проектов — специальный геленаполненный бронежилет, разработанный британской компанией Bae Systems, который должен был заменить традиционные бронежилеты с арамидным волокном.
Суть идеи была проста: уже состоящие на вооружении армии и специальных подразделений кевларовые бронежилеты для повышения надёжности предполагалось пропитать специальным составом.
В основе геля для пропитки арамидного волокна лежала неньютоновская жидкость — неоднородный состав со сложной молекулярной структурой.
По словам представителей Bae Systems, во время исследований объединение двух материалов обеспечило превосходную свободу движения и уменьшило общую толщину бронежилета до 45%.
Но, кроме лабораторного тестирования и создания экспериментального изделия, никаких результатов промышленного производства и регулярного применения британские учёные не представили.
