Разобраться в особенностях строения аморфных и нанокристаллических материалов, современных технологиях их получения и применении в различных сферах смогли мурманчане на открытой лекции физика Олега Севрюкова, организованной 11 мая на площадке Центра современного искусства «21А» Информационным центром по атомной энергии (ИЦАЭ) Мурманска в рамках федерального проекта «Энергия науки».

Олег Севрюков – доцент, кандидат технических наук, преподаватель кафедры «Физические проблемы материаловедения» Института ядерной физики и технологий Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ».

«Известные аморфные материалы – это, как правило, неметаллы. Стекло, янтарь, канифоль, кремнезём, смола и т.д. Они всем нам известны. Главное отличие таких материалов в том, что они обладают неупорядоченной структурой. А вот аморфные металлы, или сплавы, — это экзотика. Они были впервые получены в 40-50-х годах прошлого столетия», — начал своё выступление физик.

К особенностям аморфного состояния сплавов относится отсутствие кристаллической структуры, у них существует только ближний порядок в упаковке атомов. Их свойства практически не зависят от направления их измерения, т.е. твёрдое тело является изотропным. А межатомные расстояния фиксированы и близки расстояниям в кристалле. Эти особенности позволяют металлическим закалённым расплавам обладать высокой прочностью, пластичностью и коррозионной стойкостью.

К тому же, аморфные сплавы являются уникальными магнитными материалами. Они однородны по составу, имеют низкие потери на перемагничивание и малую чувствительность к внешним механическим нагрузкам и при этом высокое электросопротивление. Так, например, удельные потери энергии у трансформаторов из таких материалов в сотни раз меньше, чем у прокатанной поликристаллической ленты.

Благодаря этим исключительным свойствам аморфные материалы находят применение в изготовлении магнитострикционных вибраторов, мощных трансформаторов, преобразователей, магнитных усилителей, модуляторов и фазовращателей, магнитных сепараторов и фильтров, магнитных головок, экранов, магнетометров, сигнальных устройств, термочувствительных элементов и многого другого.

Аморфные сплавы на основе титана и циркония применяются в атомной промышленности, ракетостроении, авиационном и энергетическом машиностроении, автомобильной и медицинской промышленности. Эти сплавы позволяют изготовить прочные дистанционирующие решётки тепловыделяющих сборок для реакторов типа ВВЭР и РБМК, титановые корпуса для радиоэлектронной аппаратуры, фюзеляжи космических аппаратов, лопатки газотурбинных двигателей.

«Аморфные материалы занимают одну часть материаловедения. Есть ещё наноматериалы. На них продолжается большой бум, хотя он уже перешёл в плоскость отдельных промышленных применений. Колоссальный всплеск интереса к наноматериалам объяснялся тем, что мельчайшие частицы позволяют реализовывать новые физические принципы», — пояснил физик.

Область использования наноматериалов не менее обширна. Магнитные наночастицы в медицине применяют в методах избирательного взаимодействия с клеточными структурами для проведения клеточной сепарации, удаления из кровотока одиночных злокачественных клеток, подготовки клеточного материала перед трансплантацией онкологическим больным, а также для отслеживания клеток in vivo. Последнее реализуется в специальных нанодатчиках, способных прилипать к поверхности живых клеток и передавать информацию об их теплофизических свойствах, при этом не повреждая их.

Очень перспективным видится использование углеродных наноматериалов, таких как графен, в качестве будущей основы наноэлектроники и возможной замены кремния в микросхемах. Среди углеродных материалов графен привлекает всё большее внимание в качестве потенциального кандидата для достижения превосходных характеристик аккумуляторов благодаря его выдающимся электрическим свойствам и уникальной двумерной структуре.

По словам эксперта, в ноябре 2017 года компания Samsung заявила, что инженеры успешно синтезировали графеновые элементы, которые благоприятно влияют на работу литий-ионных батарей, повышая их емкость на 45% и увеличивая скорость зарядки в пять раз. Графен в 100 раз эффективнее проводит электричество, чем медь, а передаёт энергию в 140 раз быстрее, чем кремний, что делает его «идеальным материалом для быстрой зарядки».

Перспективны и разработки сверхпроводников для реакторов термоядерного синтеза с оптимизированными токовыми свойствами, а также с повышенной механической прочностью путём наноструктурирования стабилизирующего материала.

«Зачем же нам всё это нужно? Во-первых, это система знаний о мире. Мы изучаем мир, микромир, проводим исследования сред обитания, космических частиц. Но с материаловедением мы находимся ближе к жизни реальной, к сфере материальной, от которой вы никуда не денетесь. Человек должен есть, пить, спать, находиться в какой-то среде, иметь одежду и обувь, мебель, двигаться в пространстве каким-то образом, в конце концов. Значит, нужно что-то, что функционирует и обеспечивает его жизнь. Плюс человеку всегда комфорта хочется. А современные материалы отвечают этим потребностям», — подытожил эксперт.

Проект «Энергия науки» создан сетью ИЦАЭ, чтобы знакомить жителей страны с новейшими научными открытиями и идеями. Лучшие популяризаторы, учёные и научные журналисты из разных регионов рассказывают о самых передовых экспериментах и теориях, открытиях и гипотезах.