Возвращение в эдем
Мечта о комфорте
Давайте прогуляемся по идеальному городу буду- щего. Точнее, пролетим над ним, ведь по городам будущего обычно перемещаются на летающих автомобилях. Вот и он, подлетает — только не ищите руль: человек за рулем слишком опасен. Как говорили инженеры в ХХI веке, «наши дети смогут не получать права, а наши внуки уже не смогут получить права». Да и беспилотнику не так просто быстро передвигаться в трёх измерениях, лавируя между небоскрёбами, встречными экспрессами, почтовыми и ремонтными дронами. Машина постоянно обменивается информацией с чипами приближающихся дронов и зданий. Все они подключены к общей сети — интернету вещей, превращающему мегаполис в одну большую нейросеть — чувствующую, думающую и работающую на благо людей.
Цифровой сверхразум умного города управляет бесчисленным количеством умных домов, роботов, беспилотников, гаджетов и прочих умных вещей — и ещё большим количеством невидимых глазу существ — нанороботов, заполняющих пространство, подобно микробам.
Пройдёмся пешком, а автомобиль пусть сам ищет парковку на крышах — владеть поумневшим транспортом нет никакой нужды. Как и вообще владеть вещами, ведь изготовить большую их часть ничего не стоит. Заводы-автоматы, подобные огромным 3D-принтерам, распечатывают вещи по цифровым моделям, создаваемым искусственным интеллектом, которому приходят заказы. Стёрлась грань между массовым и индивидуальным производством: принтеру всё равно, сколько копий печатать, поэтому любой продукт кастомизирован под потребности заказчика. Но обычным людям эти заводы и не нужны: дома у каждого стоит матсборщик (тоже далёкий потомок 3D-принтера, название которому дал фантаст Нил Стивенсон), к нему протянута «линия подачи» атомов разных веществ, синтезируемых в термоядерных реакторах. В матсборщике нанороботы собирают из атомов любые нужные вещи — стоит только попросить.
Здесь хорошо гулять. На месте бывших автотрасс разбиты парки, свободного места стало гораздо больше: весь транспорт размером больше велосипеда либо мчится по подземным туннелям, либо парит в небе. И безопасно — уличная преступность сошла на нет, ведь повсюду видеокамеры и системы распознавания лиц. Интеллект города следит за безопасностью и отслеживает аварии, а если кому-то стало плохо, к нему мигом вылетает скорая. Датчики загрязнения контролируют состояние воздуха и воды, мусор убирают дроны.
Умные дома тоже заботятся о своих обитателях, избавляя их от скучных бытовых дел. Холодильник распознаёт продукты и может сам заказывать новые. Стиральная машина сортирует, гладит и складывает вещи. Унитаз и тот поумнел — каждый день проверяет анализы у всех домочадцев, помогая им следить за здоровьем.
А ещё с домом можно разговаривать — в его компьютерной сети живёт умный помощник вроде Алисы, который сопровождает вас всю жизнь, знает, как никто другой, учит, развлекает и помогает во всём. И, быть может, даже любит?
Мы оказались в настоящем раю, где о нас есть кому позаботиться... Но что-то ведь не так, чувствуете? У любого рая есть проблема — скука: непонятно, что в нём делать целую вечность, если все проблемы выживания решены. Есть, впрочем, несколько неплохих ответов: творить, общаться, любить, экспериментировать, учиться, познавать мир и наслаждаться им... На первое время занятия найдутся.
Диалог из будущего
— Мама, пусть уборку делает робот, а то мы опоздаем на спектакль!
— Как можно быть таким роборасистом! Ты даже не представляешь, как давно он мечтает побывать с нами в театре... Да и вообще я внесла твою комнату в список исключений для всех автоматов уборки — научись поддерживать порядок самостоятельно!
Новые материалы для нового мира
Вы когда-нибудь задумывались, почему эпохи древней истории названы по основному используемому материалу: каменный век, бронзовый, железный? Кстати, а наш век какой — всё ещё пластмассовый или уже углепластиковый? Создание новых материалов — один из важнейших подарков, которые наука может преподнести обществу. Рассказываем о необычных подарках, которые приготовили для нас за последние годы российские учёные.
Железобетон из воды и соломы
Оказывается, новые материалы с ценнейшими свойствами можно создать из обычного льда. Взгляд на лёд как на полезный материал особенно актуален для нашей страны, ведь чего-чего, а льда у нас хватает: 80% людей, живущих в арктической зоне, — россияне. О перспективах использования композитного льда «Коту» рассказал химик-неорганик Вячеслав Бузник, академик РАН, исследователь и создатель множества новых материалов. «Конечно, лёд применяют давно-давно — эскимосы и якуты строят с его помощью дома. Но как конструкционный материал он имеет два больших минуса: существует только при минусовых температурах и очень хрупок, не выдерживает больших нагрузок. А нельзя ли сделать его прочнее?
Есть в материаловедении очень модное течение — создание композиционных материалов. Композит сочетает два вещества, при этом ни одно в другом не растворяется, между ними остаётся граница. Наверное, самый распространённый композит — это железобетон, состоя- щий из бетонной матрицы и железных прутьев. А самый модный, углепластик, по сути то же самое, только арматурой там служит углеродное волокно, а матрицей — пластик. Благодаря арматуре полимерно-композиционные материалы получаются более лёгкими, чем металлы и сплавы, трещиностойкими, коррозионно-стойкими, а главное — очень прочными.
Что, если так же использовать лёд? Когда Емельян Пугачёв воевал в оренбургских степях, зимой возводить фортификационные сооружения было особо не из чего. Тогда брали солому или стог сена, обливали водой, и получался прочный материал для строительства укреплений. Если вы возьмёте ледяную балку и проведёте с ней испытания — закрепите концы и начнёте давить в центре, — то, немного деформировавшись, лёд треснет, и балка мгновенно разрушится. Всё из-за микротрещин: возникнув, они быстро распространяются, соединяются в большие трещины, и материал ломается. А в композитных материалах микротрещины доходят до арматуры и на ней заканчиваются.
Но из чего сделать арматуру для льда? Мы испытали больше тысячи материалов и нашли под- ходящие! Они состоят из полимерных волокон, базальтовых или углеродных. Лучший результат мы получили у базальта: волокна из него повышают прочность льда примерно в 8 раз. При этом лёд становится более эластичным, деформируемым; если мы надавим на балку из композитного льда, она начнёт прогибаться, но не сломается. Такой лёд можно ковать, сплющивать. Способность льда деформироваться увеличивается где-то в 15 раз. Армированный лёд создаётся путем послойного нанесения материала, как на 3D-принтере. Каждый слой, пронизанный тонкими базальтовыми нитями, имеет толщину примерно в миллиметр.
Главное применение армированного льда — упрочнение ледовых переправ через реку. На них будут слой за слоем накладывать и замораживать базальтовые нити, а потом по этому мосту поедут автомобили. В Якутске, например, моста через Лену вообще нет: его очень сложно построить из-за вечной мерзлоты. И зимой бабушку-Лену, как её называют, можно пересечь только на автомобиле по ледовой переправе. Но дороги и переправы — это далеко не всё. Другое интересное применение — разгрузочные площадки на необорудованном берегу, когда суда подходят, а причалов нет. И взлётно-посадочные площадки. И ледовые пирсы. И целые ледовые острова!»
Хирургическая нить из паутины
Человек придумал много новых удивительных материалов — сплавы металлов, полимеры, углеродные нанотрубки. Но природа придумала ещё больше, её творческую фантазию не переплюнешь! Да и зачем, когда можно не конкурировать, а сотрудничать — делать новые материалы, используя те, что уже создали живые организмы. Например, паутину.
Из паутины пауков норного вида Linothele fallax в лаборатории SCAMT Университета ИТМО при поддержке программ Минобрнауки России для молодых учёных и гранта РНФ сделали нитки для хирургических операций. Ключевой автор работы — совсем молодая исследова- тельница, студентка магистратуры химико-биологического кластера Университета ИТМО Елизавета Мальцева. «Паутина — очень перспективный полимер, сочетающий превосходные механические и биологические свойства. По прочности и совместимости с биоматериалами она выигрывает даже у коконов шелкопрядов», — рассказала Елизавета «Коту». Понятно, что учёные не просто взяли паутину и отдали хирургам. Из паучьего полимера они сделали совершенно новый материал, который прочно скрепляет рану и исчезает под дей- ствием ферментов организма, когда перестаёт быть нужен. А ещё нитка сигнализирует, когда в рану попадает инфекция.
Эта нить — тоже композит, созданный из двух материалов. Первый — обычная паутина. А вто- рой — углеродные точки: открытый в середине нулевых материал, состоящий из наночастиц углерода размером порядка 10 нанометров.
Материалы из углерода — это не только каменный уголь, алмаз и графит. Есть также наноматериалы, состоящие из очень маленьких, но удивительно прочных кристаллов. Такие как графен толщиной в одну молекулу, а ещё нанотрубки диаметром в несколько десятков молекул, а ещё фуллерен — выпуклые многогранники из десятков или сотен молекул углерода, похожие на футбольный мяч. А ещё углеродные точки. Их несложно синтезировать, они нетоксичны для организма и постепенно выводятся из него. Углеродные точки умеют флуоресцировать, то есть светятся в ответ на стимуляцию светом.
Благодаря этому свойству они широко применяются биологами для визуализации процессов внутри организма, химиками — для определения скорости химических реакций, инженерами — в микроэлектронике и солнечных батареях, врачами — для точечной доставки лекарств. В хирургических «паучьих» нитках углеродные точки показывают, нет ли заражения на месте шва. Если есть, они перестают светиться красным в ответ на синюю подсветку — значит, пора принимать меры!
Теплолюбивые сверхпроводники
За последние шесть лет был открыт целый класс сверхпроводников, которые работают при почти комнатной температуре (и всё ещё огромном давлении, правда). Мировой прогресс в этой области был бы не таким быстрым, если бы не исследования группы профессора Сколтеха Артёма Оганова, создателя метода расчёта и предсказания свойств новых веществ и материалов (программа USPEX), одного из самых известных участников программы мегагрантов Минобрнауки России.
Артём рассказал «Коту», что сверхпроводники, которые работают при комнатной температуре и нормальном давлении, теоретически возможны и их поиск ведётся очень интенсивно. «Сверхпроводимость была открыта в 1911 году при температурах ниже 4,2 К (градусов Кельвина, примерно −269 °C), то есть близких к абсолютному нолю. Позже были обнаружены вещества, которые обладают сверхпроводимостью при чуть больших температурах, но сфера их использования всё равно оставалась довольно узкой. Зато в 1980-х произошёл настоящий прорыв. Был открыт класс сверхпроводников — купраты (сложные оксиды, содержащие медь), у которых температура сверхпроводимости достигает 125 К. При большом давлении эту температуру удалось повысить до 166 К.
В 2014 году китайские учёные предсказали, что при давлении порядка 2 млн атмосфер и очень высокой температуре необычный, но стабильный в этих условиях гидрид серы H3S должен обладать сверхпроводимостью. Это предсказание годом позже блестяще подтвердили экспе- рименты. Затем были открыты ещё более интересные высокотемпературные сверхпроводни- ки-гидриды, такие как гидриды тория (ThН10), иттрия (YН6 и YН9) и лантана (LaН10). Последний пока является рекордсменом: становится проводником при −20 °C. Ещё не комнатная, но вполне привычная зимняя температура. Проблема в том, что все эти соединения существуют только при очень высоком давлении — от миллиона и более атмосфер.
Думаю, в ближайшее время мы научимся получать проводники при комнатной температуре под тем же сверхвысоким давлением. Однако создать такое давление технологически тяжелее, чем охладить вещество до 4 К. Поэтому новый класс сверхпроводников, вероятно, будет использоваться только в очень узких областях — например, в сверхчувствительных датчиках. Значение этих работ в том, что они доказали саму возможность сверхпроводимости при обычной температуре. Ведь ещё совсем недавно учёные в этом сомневались. К тому же эти соединения могут подсказать, как создать комнатную сверхпроводимость при нормальном давлении. Сейчас мы лучше представляем перспективные направления поиска. В частности, стала понятна связь между сверхпроводимостью и положением элемента в таблице Менделеева.
Я не уверен, что именно гидриды станут искомыми комнатными сверхпроводниками, — при нормальном давлении из них будет улетучиваться водород. Может, это будут бариды, карбиды, борокарбиды? Будущее покажет. История изучения сверхпроводимости полна неожиданных открытий, и вполне возможно, будет найден новый класс соединений, который станет таким же большим сюрпризом, как в своё время сама сверхпроводимость. Если удастся добиться сверхпроводимости при нормальных температуре и давлении, это послужит основой новой технологической революции».