Вчені з Харкова створили новий тривимірний матеріал на основі вуглецю, який може створити сенсацію в світі водневих автомобілів і електроніки майбутнього. Як повідомив один з найпрестижніших в світі журналів із фізики Physical Review Letters, харківські вчені Ніна Крайнюкова з Фізико-технічного інституту низьких температур НАН України і Євген Зубарєв з Фізико-технічного факультету ХПІ відкрили і протестували нову модифікацію вуглецевого волокна. Вони охрестили її "вуглецеві соти", – повідомляє ЛІГА.net.
Йдеться про ще одну форму вуглецю, такий як графіт, алмаз, графен, пояснює завідувач лабораторією Інституту теоретичної фізики ім. Боголюбова Сергій Шарапов. "Здорово, що вчені донесли свої результати до всього світу. Далі тільки час може показати, чи піде технологія в індустрію", – припускає він.
Як скоро нова технологія піде у виробництво? "На цьому етапі говорити про швидке комерційне застосування ще рано, ми зробили тільки перший крок", – повідомила ЛІГА.net Ніна Крайнюкова. Подальша робота над новою водневою формою буде проходити в кооперації із зарубіжними вченими. "Їх технічна база для досліджень набагато вища від нашої", – зазначає вона.
Як з'явилися "соти"?
Вуглецеві соти здатні зберігати велику кількість газу і рідини в своїй тривимірній структурі. Їх можна використовувати як легке, енергоефективне паливне сховище, "паливний бак для водню", пояснюють в Physical Review Letters.
Євген Зубарєв з ХПІ розповів виданню, що працював над електронним мікроскопом, який дозволив Крайнюковій вивчати структуру з'єднань вуглецю з дуже високим, практично атомарним розширенням. Колега привернула його до проекту десять років тому. Довгий час про технології ніхто не згадував.
Тепер в українських сотах можна зберігати не тільки мед... але і водень
"Крайнюкова спочатку працювала над властивостями абсорбції інертних газів (криптон, аргон) і побачила, що плівки волокна, які синтезуються, мають дуже високу ємність. Це було дивно", – згадує Зубарєв.
Його оцінка збігається з припущенням американського видання: ця технологія може стати рішенням для зберігання водню. Проблема, над якою в світі давно ламають голову. Зберігання водневого палива обходиться дорого, більш того, в ряді випадків це ще й небезпечно.
Водень замість бензину
Застосування української технології в сфері водневого транспорту може зацікавити зарубіжних інвесторів, вважає директор департаменту розвитку дорожнього ринку і автомобільних перевезень Мінінфраструктури Роман Хміль. "Електродвигуни уряд Сінгапуру недавно визнало екологічно шкідливими, плюс вони неекономно. Еквівалент споживання – 10 л на 100 км, що гірше гібридів. А ось водневі двигуни дуже перспективні", – зазначає він.
"Ефективне зберігання і транспортування водневого газу залишаються ключовими перешкодами для його використання як поновлюване джерело палива", – пишуть експерти Physical Review Letters. Міністерство енергетики США не перший рік намагається підштовхнути вчених до розробок, які дозволять знизити витрати на покупку і експлуатацію автомобілів на базі водневого двигуна.
Американське міністерство навіть запустило окрему програму в рамках ініціативи U.S. DRIVE Partnership (співтовариство держструктур, галузевих організацій в сфері енергетики та автомобілебудування). Воно представляє інтереси таких гігантів, як Fiat Chrysler Automotive, Ford Motor, General Motors, Tesla Motors. Основне завдання – до 2020 року автомобілі, які використовують водневе паливо, повинні стати порівнянні з капітальними і операційними витратами з традиційними транспортними засобами. Намічений американцями орієнтир – 1 Кв/год роботи мотора з використанням гідрогену (водню) як автомобільного палива повинен коштувати $10.
Пристрій чинного автомобіля, що працює на водні. Звертає на себе увагу розмір балонів з воднем. джерело: New York Times
Один з перших в світі серійних автомобілів на водні в кінці 2014 року випустила японська Toyota. Це був седан Mirai ("майбутнє"). Уряд Країни висхідного сонця до 2020 року збирається збільшити кількість таких автомобілів в 100 разів – до 40 000. Зараз їх кількість на дорогах вимірюється сотнями. Для їх обслуговування в Японії вже запустили близько 80 водневих заправок.
Ще одна компанія, яка вірить в водень, – корейська Hyndai. Її Tucson Fuel Cell почав продаватися в Штатах в 2014 році. Активних продажів виробник так і не дочекався. У США (переважно в Каліфорнії) всього близько 20 водневих заправок. А максимальна ємність балона дозволяє проїхати без дозаправки трохи більше 400 км. Якщо з'явиться можливість брати на борт більше водню, пробіг виросте, що зменшить кількість дозаправок.
Коли смартфон можна буде зігнути удвічі?
Існує ще одна широка сфера застосування для відкриття українських вчених. Це мікроелектроніка. "Якщо заповнити "соти" різними металами і неметалами, спектр електричних і магнітних властивостей буде дуже широким", – розповідає Ніна Крайнюкова.
На Всесвітньому мобільному конгресі 2016-го в Барселоні під графенові технології відводився окремий павільйон. Виробники представили прототипи пристроїв на основі вуглецевих сполук. Зараз графен вже можна додавати в композитні матеріали (в пластик, гуму) для посилення міцності виробів електроніки або ж для збільшення теплопровідності.
Але це тільки початок. Мрія виробників електроніки – отримання рівномірного сталого шару графену і застосування його в комерційних масштабах. Графен нарешті дозволить змінити зовнішній вигляд сучасних смартфонів, планшетів, переносної електроніки. Вуглецевий акумулятор буде в сотні разів компактніше і тонше, екрани стануть гнучкими і міцними.
Над технологіями застосування графена в електроніці щосили працюють команди вчених по всьому світу. Україна – не виняток. Нещодавно стало відомо, що американська компанія American Graphite Technologies Inc. продовжила контракт з командою вчених Харківського фізико-технічного інституту ще мінімум на півроку. Ось уже кілька років вони працюють над технологією, яка дозволить робити 3D-друк деталей з використанням графена. Фінансують проект американці, результати досліджень не розкривають. У разі успіху розробників все інтелектуальні права на інновацію залишаються за американською компанією.
"Сьогодні наше завдання – з точки зору науки знайти фізичні рішення, які дозволяють створити технологію графенового (або, ширше, нановуглецевого) 3D-друку. Бажано на нановуглецеві матеріали, вже сьогодні виробленому і наявному у вільному продажі", – розповідає ЛІГА.net про основну ідею проекту його куратор – науковий співробітник інституту Дмитро Виноградов. Простіше кажучи, вчені хочуть, щоб вуглецевий 3D-принтер працював так само просто, як і пристрій, що використовує в якості матеріалу пластик. За словами Виноградова, така друк відкриває необмежені можливості для застосування – гаджети, мобільні телефони, побутова електроніка.
Безпритульні
Живучи в одному місті, прогресивні вчені Ніна Крайнюкова і Дмитро Виноградов, що працюють над вуглецевими технологіями майбутнього, не знайомі одне з одним. Інші українські фізики, судячи з жвавого обговорення публікації в мережі Facebook, дізналися про відкриття харків'ян з американського журналу. Роману Хмілю з Мінінфраструктури розповів про вуглецевих сотах журналіст ЛІГА.net.
Що це означає? В Україні фактично немає наукового співтовариства, в якому б були присутні різні представники держави. Уряд не розвиває науковий піар, наукові об'єднання. "Велика проблема нашої науки – вона тотально відірвана від реальності і бізнесу, – вважає керуючий партнер фонду Chernovetskyi Investment Group Андрій Криворчук. – Створити щось масове в подібному вакуумі фізично неможливо".
Вчений-фізик в уявленні багатьох українців – непоказний пенсіонер в потертому радянському костюмі. Нікому не цікаво вміст його портфеля або робочого столу. А там може бути все що завгодно, в тому числі розробки стратегічної важливості. Зате іноземці знають ціну українській науці краще нас. Як показує практика, місцевим дослідникам досить просто доброго ставлення і відчуття затребуваності, щоб робити проекти для іноземних спонсорів. Причому за дуже скромні гроші.
Головні теми