غیرقابل تجسم و ابررسانایی: دانشمندان “مواد آینده” را ایجاد می کنند

در طول تاریخ ، بهره برداری از مواد جدید تأثیر اساسی در توسعه تمدن بشری داشته است. سنگ ، برنز و آهن نام تمام دوره ها را گذاشته اند. دهه های 1920 و 1930 قرن 20 دوران پلیمرها را رقم زد و از آن زمان ، ما نمی توانیم زندگی خود را بدون پلاستیک و لاستیک تصور کنیم.

چندین دهه بعد ، سیلیکون وارد کانون توجهات شد ، که انگیزه ای برای توسعه مدرن فناوری الکترونیکی و دیجیتال شد. امروزه ، دانشمندان در تلاشند مواد جدیدی تولید کنند که دارای خواصی است که در طبیعت یافت نمی شود. محققان دانشگاه های روسیه درگیر در پروژه “5-100” در مورد آخرین دستاوردهای علمی در این حوزه صحبت کرده اند.

موادی با خصوصیات “غیرممکن”

محققان در بسیاری از آزمایشگاه های سراسر جهان در حال ایجاد “فرامواد” هستند ، موادی که خواص آنها از اجزای آنها فراتر است. از نظر فیزیک ، اینها ساختارهایی مصنوعی و پیکربندی شده خاص هستند که با خصوصیات الکترومغناطیسی و نوری مشخص می شوند و به طور طبیعی نمی توان به آنها دست یافت.

این مواد جدید به طور بالقوه به دستیابی به نامرئی ، ایجاد دستگاه ها و سیستم های شارژ بی سیم جهانی برای ذخیره حجم عظیم داده ها و مدیریت خواص ابررساناها کمک خواهند کرد.

نامرئی بودن ، که در داستان های علمی بسیار مشهور است ، ممکن است لزوماً فقط در مورد ویژگی های نوری اجسام اعمال نشود. سر و صدایی که از آن محافظت می شویم به همان اندازه تأثیرات جسمی که نمی توانیم احساس کنیم “نامرئی” است. مواد مدرن به “ناپیدائی” برای محافظت از سربازان ، وسایل نقلیه و غیره کمک می کنند.

فوربس در سال 2020 اعلام کرد که آزمایشگاه تحقیقات ارتش ایالات متحده (ARL) بودجه تحقیقاتی را برای ایجاد فراموادی قرار می دهد که می تواند انرژی موج مکانیکی را به اطراف اشیا هدایت کند ، بنابراین از آنها در برابر انفجارها ، امواج ضربه ای ، زمین لرزه ها یا سایر لرزش های قدرتمند محافظت می کند. چنین تحقیقاتی می تواند یک زیردریایی یا پلی را برای برخی از اشکال انرژی مکانیکی “نامرئی” کند.

جلد نامرئی

محققان روسی یک پوشش خفیف صاف اختراع کرده اند که می تواند هر جسم کشیده ای مانند آنتن های هواپیما یا دکل کشتی را از رادار یا سایر سیستم های ردیابی پوشانده باشد. نتایج تحقیق در Scientific Reports منتشر شد.

“ما یک پوشش ویژه بر اساس ایده آل پراکندگی دو قطبی مغناطیسی طراحی کرده ایم که یک جسم فلزی کشیده را با پاسخ الکتریکی به جسمی با پاسخ مغناطیسی تبدیل می کند. در نتیجه ، چنین جسمی نامرئی می شود” ، الکسی باشارین ، یکی از نویسندگان این مطالعه و یک محقق در دانشگاه ملی علم و صنعت (MISiS) ، گفت.

به همین منظور ، محققان از فراموادی “مسطح” استفاده کردند که به سختی با امواج الکترومغناطیسی تعامل دارند و به آنها اجازه “عبور” می دهند.

این ماده مجموعه ای از نانوذرات فلزی و دی الکتریک است که به صورت یک الگوی تکرار مرتب شده اند. این الگو به گونه ای کار می کند که جسمی که پنهان می کند ، بدون اینکه آنها را پراکنده کند ، با عناصر الکتریکی نور ارتباط برقرار می کند. با تشکر از این ، می توان از جلوه هایی که شی object “نامرئی” را می دهد جلوگیری کرد و فرستنده های مختلف مانند آنتن های ماهواره ای نزدیک به یکدیگر را کاملا جدا کرد.

در آینده نزدیک ، محققان به دنبال ایجاد یک نسخه پیشرفته از پوشش هستند ، که نه تنها با عناصر الکتریکی امواج الکترومغناطیسی تعامل دارد ، بلکه با اجزای مغناطیسی آنها نیز تعامل دارد. الكسی باشارین معتقد است كه ایجاد آزمایشی چنین ساختارهایی به گامی عظیم در جهت دستیابی به كاملاً نامرئی تبدیل خواهد شد.

انتقال انرژی از طریق هوا

محققان دانشگاه ITMO فراموادی را طراحی کرده اند که از طریق آن انرژی می تواند به طور همزمان از طریق چندین فرکانس از طریق هوا منتقل شود که به ایجاد دستگاه های شارژ بی سیم جهانی کمک می کند. این ماده جدید می تواند با انواع گیرنده های بی سیم یا فرستنده های برق کار کند و مجموعه ای از انواع رساناها است که به صورت الگویی خاص مرتب شده و با یک کندانسور به یکدیگر متصل می شوند.

Polina Kapitanova از دانشگاه ITMO توضیح می دهد: “مواد ما دارای ویژگی های منحصر به فرد بسیاری است ، از جمله پراکندگی فرکانس معکوس و چندین فرکانس تشدید با یک میدان مغناطیسی یکنواخت که از طریق آن می توان انرژی را” از طریق هوا “منتقل کرد.

محققان با تهیه چندین دیود ساطع کننده نور در انواع مختلف گیرنده های بی سیم برق و قرار دادن آنها روی میز با فراماده ، نمونه اولیه دستگاه شارژ جهانی جدید را ایجاد کرده اند. دستگاه به طور پیوسته از سه طریق مختلف انرژی را انتقال می داد و همه دستگاه های متصل را شارژ می کرد. نتایج این تحقیق در Applied Physics Letters منتشر شد.

مدیریت ابررسانایی

اعلامیه مهم ایجاد اولین ابررسانا فعال در دمای اتاق در سال 2020 سر و صدای زیادی به پا کرد. به گفته نویسندگان ، چنین فناوری جایگزین باتری های برقی خواهد شد.

ابررساناها موادی هستند که قادر به انتقال برق بدون مقاومت هستند. ابررسانایی یکی از برجسته ترین کشفیات قرن بیستم محسوب می شود. در حال حاضر نمونه های اولیه رایانه کوانتومی با استفاده از عناصر ابررسانا برای ذخیره داده وجود دارد. ابررساناها همچنین برای ایجاد یک میدان مغناطیسی قدرتمند مانند راکتور آزمایشگاهی بین المللی حرارتی استفاده می شوند.

محققان از دانشگاه پلی تکنیک تومسک ابزاری جدید برای اندازه گیری و کنترل خصوصیات مواد ابررسانا با استفاده از تغییر هندسه آن ، یعنی غلتاندن آن برای تشکیل یک لوله نازک ، ارائه داده اند. قبل از این ، افزودن آلیاژها و نقص ها روش سنتی کنترل خصوصیات آن بود.

محققان هنگام مدل سازی این ماده ، متوجه اثر خاصی شدند: هنگام قرار گرفتن در معرض مدارهای الکتریکی ، پیکربندی ابر جریان های در حال چرخش مواد نورد شده (نیوبیم) تغییر کرد. در نتیجه ، این ماده به طور همزمان دارای عناصر رسانا و غیر رسانا است و تغییر پارامترهای میدان های مغناطیسی می تواند بر این تأثیرات تأثیر بگذارد. این کشف می تواند به طور بالقوه امکان مدیریت خواص ابررسانا را فراهم کند.

همانطور که توسط نویسندگان مقاله ، در فیزیک ارتباطات منتشر شده است ، خواص ابررسانایی نیوبیوم به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته است ، در حالی که خصوصیات آن با هندسه متفاوت – هنگامی که به لوله منتقل می شود – به اندازه کافی تحقیق نشده است. ابزاری برای پیش بینی چنین خصوصیاتی هنوز وجود ندارد. محققان مدل های جدیدی را برای پیش بینی چنین خواصی ارائه داده اند.

فیلم های ساختاری نانو با قیمت مناسب

یکی دیگر از مواد مدرن – فیلم های فلزی با ساختارهای نانومتری مرتب – با ویژگی های منحصر به فردی مشخص می شود که به محققان اجازه می دهد میدان های مغناطیسی را کنترل کرده و مغناطش آنها را معکوس کنند. این امکان ایجاد سیستم هایی برای ضبط و ذخیره قابل اعتماد مقدار زیادی از داده ها را فراهم می کند. این ماده همچنین برای حسگرهای نانوذره مغناطیسی که می تواند خون بیماران ، غلظت ذرات موجود در آن و همچنین میزان دفع یا جذب دارو را کنترل کند ، استفاده می شود.

ایجاد یک پیکره مرتب از حفره های نانو اندازه با قطر یکسان در یک سطح بزرگ یک کار پیچیده و طاقت فرساست – حداقل اگر مستقیماً با سوراخ کردن یک فیلم جامد انجام شود. محققان دانشگاه فدرال اورال مسیر دیگری متفاوت و کم تقاضا را دنبال کردند و پیشنهاد کردند که از اثرات خودآرایی و سازماندهی خود استفاده شود.

این اثر در فن آوری آنودایزینگ آلومینیوم برای سطوح متخلخل مشاهده می شود اما با یک تغییر کوچک ، به صورت یک شبکه شش ضلعی مرتب شده است ، که اجازه می دهد تا روزنه هایی با قطر کنترل شده خوب داشته باشید. لایه آلومینیوم آنودایز شده از ماده ای کاملاً محکم تشکیل شده است که فرمول شیمیایی آن Al2O3 است. این ماده ، وقتی متبلور می شود ، به عنوان سنگ فرش یا یاقوت کبود شناخته می شود. خود سازمان دهی منافذ سطحی ایجاد می کند که شباهتی به لانه زنبوری ندارد که تقریباً یک میلیون بار جمع شده است.

یک لایه پایه آلومینیومی با منافذ مرتب شده یک ربع قرن پیش ساخته شده است و در سالهای اخیر به عنوان پایه ای برای استفاده از فیلم ها ، از جمله مغناطیسی ، و همچنین به عنوان الگویی برای رشد نانوسیم های فلزی مورد استفاده قرار گرفته است.

فیزیکدانان دانشگاه فدرال اورال ، به طور مشترک با انستیتوی علوم مواد در مادرید ، اسپانیا ، یک فیلم آمورف منحصر به فرد ، TbCo ، با ناهمسانگردی مغناطیسی عمود با استفاده از یک روش معمول به دست آوردند. نتایج تحقیقات آنها در فناوری نانو منتشر شد.

“این ماده به گونه ای غیرمعمول است که دارای دو زیرشبکه مغناطیسی است که گشتاورهای مغناطیسی آنها به خلاف جهت معکوس هدایت می شوند. فیلمهایی که دارای ترکیب خاصی هستند هنگام گرم شدن یا سرد شدن دارای ویژگیهای مغناطیسی قابل توجهی متفاوت خواهند بود. به عنوان مثال ، ما یا غلبه مغناطیسی را مشاهده می کنیم لحظه تربیوم یا کبالت ، یا تقریباً برابر خواهند بود. این ویژگی ممکن است به ویژه هنگام ایجاد محیط برای ضبط مغناطیسی بسیار مفید باشد “، نیکیتا کولش ، کارشناس ارشد تحقیق در بخش مغناطیس جامدات از دانشگاه فدرال اورال ، گفت.

این فیلم مغناطیسی با حفره های نانومتری قابل توجه است به این معنی که ابزاری را برای عبور از به اصطلاح حد فوق العاده مغناطیسی فراهم می کند ، هنگامی که اندازه یک بایت بسیار کوچک می شود انرژی ارتعاشات گرمایی شروع به غلبه بر ناهمسانگردی مغناطیسی می کند ، محققان

در حال حاضر ، این دانشگاه یک چرخه کامل از ایجاد نمونه های فیلم نانو سوراخ شده با یک ترکیب پوشش متفاوت را اجرا کرده و همچنین سنتز الکتروشیمیایی لایه های پایه متخلخل آلومینیوم آنودایز شده با قطر سوراخ های مختلف یا یک مجموعه از برآمدگی های نانو اندازه را انجام داده است. . این دانشگاه همچنین رسوب فیلم و پوشش را با کنترل دقیق روی ترکیب و عرض انجام می دهد و دارای تجهیزات لازم برای مطالعه نمونه های بدست آمده است.

پروژه “5-100” به عنوان بخشی از پروژه ملی “آموزش” انجام می شود و هدف آن ارتقا the قابلیت های تحقیقاتی دانشگاه های روسیه و تقویت رقابت آنها در بازار جهانی خدمات آموزشی است.