隐形和超导：科学家创造未来材料
科技
21:42 2020年11月20日
(更新 21:43 2020年11月20日)
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纵观人类历史，开发掌握新材料对文明的发展产生了重大影响。天然石材、青铜和铁为整个时代命名。在20世纪20-30年代，聚合物时代开始了，从那时起，我们无法想象没有塑料和橡胶的生活。几十年后，硅技术脱颖而出，推动了电子和数字技术的最新发展。如今，科学家们正努力创造具有超自然特性的新型材料。参与"5-100"计划的俄罗斯大学的研究人员介绍了该领域的最新科研成果。
具有“不可能”特性的超材料
© 照片 : MISIS/SERGEY GNUSKOV
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在世界各地的许多实验室，研究人员正在努力创造“超材料”，其特性超出了其组成成分的特性。从物理角度看，是人工合成和以特殊方式建造的结构，具有自然界无法获得的电磁或光学特性。
未来，新材料可以让实现隐形、创建通用无线充电器和大数据存储系统、以及控制超导体的性能成为可能。
在科幻小说作家的作品中广泛流行的隐形，不仅仅指物体的光学特性。无伤害的噪音和我们感觉不到的物理震动也都是隐形的。新材料可以实现“隐形”，以保护士兵、车辆等等。
2020年《福布斯》报道称，美国陆军研究实验室（ARL）正在资助一项研究，以创造可将机械波能量引导到物体周围的超材料，从而保护物体免受爆炸、冲击波、地震或振动的影响。
该项研究成果将可以使潜艇或桥梁对机械能“隐形”。
隐形涂层
俄罗斯科学家找到了如何制造平面隐形涂层的方法，所得到的涂层可以隐藏任何细长物体（飞机天线，船桅），使其不被雷达和其它探测系统发现。研究结果发表在《Scientific Reports》期刊上。
该文章的作者之一，国立研究型技术大学“ MISIS”的员工阿列克谢·巴沙林表示：“我们基于理想的磁偶极子散射体开发出一种特殊的涂层，该涂层能够将细长金属物的电响应转变为磁响应。因此，物体变得不可见。”
为此，科学家选择了这种“平面”超材料结构，该结构几乎不与入落在上面的电磁波相互作用，而是使它们“穿过”自身。
该材料由一组金属和介电纳米颗粒组成，以重复图案排列。该“图案”的设计方式使被隐形的物体不再与光电器件相互作用，而且不会散射。这样可以避免出现“隐形”物体“显形”的效果，并且理想地隔离各种发射器（例如，彼此靠近的卫星天线）。
在不久的将来，科学家计划开发涂层的改进版本，使涂层不仅与电磁波的电成分相互作用，而且还与磁性成分相互作用。阿列克谢·巴沙林表示，这种结构的实验性开发将是实现完美隐形的重要一步。
能量在空中传递
国立研究大学（ITMO）的科学家开发出一种超材料，借助该材料，能量可以同时以几种频率在空中传递，这使得创建通用无线充电器成为可能。新材料可以同时与不同类型的无线接收器或电力发送器一起使用。它是一组导体，以特殊图案铺设，并通过电容器彼此连接。
ITMO的研究员波琳娜·卡皮塔诺娃解释说：“我们的材料具有许多独特的特性，包括反向频率色散和具有均匀磁场的几个谐振频率，因此可以在空中传递能量。”
科学家们已经创建了一种新型通用充电器的原型。他们通过将几个LED连接到不同类型的无线电接收器，并将它们放置在超材料所处的桌子上方来测试其工作。充电器以三种不同的方式稳定地传输能量，并将其提供给所有连接的设备。结果发表在科学期刊《Applied Physics Letters》上。
超导控制
2020年，一项科学成果——创造首个常温超导材料的发表，引起了广泛的反响。文章作者表示，这种技术将能够结束使用电池。
超导体是无电阻导电材料。超导性是20世纪最杰出的发现之一。一些量子计算机的原型机使用超导元件存储信息。超导体还用于产生强大的磁场，例如，在国际实验性热核反应堆ITER的项目中。
托木斯克理工大学（TPU）的科学家们提出了一种新方法，通过改变材料的几何形状-折叠成细管来改变和控制超导材料的特性。在此之前，传统的方法是在材料中引入其它成分，从而导致材料的缺陷增加。
在模拟试验过程中，研究人员发现了一个有趣的效应：在电流的作用下，折叠的材料（铌）改变了循环超导电流的配置。结果，材料同时具有导电和非导电区域，并且这些状态可以通过改变磁场参数来影响。未来，这一发现将使控制超导体的特性成为可能。
正如发表在《Communications Physics》期刊上的文章作者所指出的那样，如果说科学家已经很好地研究了平面结构中铌的超导特性，那么材料在不同几何形状中的特性-当它们卷成管子时，研究还不够深入，也没有预测它们的工具。研究人员给出了用于预测类似特性的模型。
廉价的纳米结构薄膜
© AP PHOTO / ANDY WONG
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另一种现代材料是具有有序纳米级结构的金属膜，它具有独特的特性，使科学家可以控制磁场并反复磁化这些膜。这使得能够创建用于记录和可靠地存储大量信息的系统或磁性纳米颗粒传感器，借助该传感器可以监测患者血液的状态，其颗粒浓度，药物在体内的释放和吸收速率。
在大的表面制造具有相同直径纳米级孔的有序阵列是一项困难且昂贵的任务，至少如果通过在连续膜中制造孔的方式直接解决，乌拉尔联邦大学（UrFU）的科学家选择了一条不同的花费更少的途径，他们建议利用自组装或自组织效应。
这种效应在于应用铝阳极氧化技术以获得多孔表面的轻微修改，从而可以获得具有可控直径的孔，以六角形晶格排列。阳极氧化铝层由非常坚硬的材料组成，化学式为Al2O3，其结晶态被称为刚玉或蓝宝石。孔的自组织过程的结果是获得了蜂窝状的表面，该表面减少了约一百万倍。
具有规则孔的铝基底是四分之一世纪以前开发的。近年来，它一直被用作薄膜生产的基础，包括磁性薄膜，并作为种植金属纳米线的模板。
乌拉尔联邦大学的物理学家与马德里材料科学研究所（西班牙）的研究人员一起，采用一种众所周知的方法，获得了一种具有垂直磁各向异性的独特非晶TbCo膜。这项工作的结果发表在《Nanotechnology》期刊上。
乌拉尔联邦大学（Urfu）固体磁学系高级研究员尼基塔·库列什介绍说：“这种材料是独特的，因为它包含两个磁性子晶格，它们的磁矩指向相反的方向。对于膜的某些成分，当加热或冷却时，其磁性能会发生显著变化。例如，铽或钴的磁矩将占优势，或者它们将几乎相等。在创建磁性记录信息的介质时，此属性特别有用。”
科学家说，具有纳米级孔的磁性膜很有趣，因为它可以让您克服所谓的超顺磁性极限—当存储单元变得如此之小，以至于热振动的能量开始超过磁各向异性的能量。
目前，Urfu已经实施了一个完整的周期，创建了不同涂层成分的纳米穿孔薄膜样品。 包括电化学合成不同孔径或纳米凸起阵列的阳极氧化铝多孔基材，精确控制组成和厚度的薄膜涂层沉积，以及研究所得样品的设备。
在国家“教育”项目框架内实施的“ 5-100”计划旨在帮助俄罗斯大学增强研究潜力，提高在全球教育服务市场中的竞争地位。