ПАРОЛЬ: НАНО
У Прикарпатському національному університеті імені В. Стефаника відкрито другий в Україні після Дніпропетровського університету науково-освітній центр «Наноматеріали в пристроях генерації та накопичення енергії».У цій справі не обійшлося без зарубіжних партнерів.
Американський Фонд цивільних досліджень і розвитку діє з 1962 року. Нині він допомагає багатьом країнам в організації наукових досліджень. Підтримка інновацій саме у сфері нанотехнологій на найближче десятиріччя оголошена в США національною програмою.
Америка відкриває Прикарпаття Науковці Прикарпаття працюють над застосуванням нанотехнологiй у хiмiчних джерелах живлення та молекулярних накопичувачах енергiї. Фiзики створюють своєрiднi суперконденсатори — мiнiатюрнi за розмiрами i гiгантськi за енергоємнiстю. Сировиною для експериментів є звичайний вуглець, один з найпоширеніших у природі хімічних елементів з дивовижними властивостями.
Івано-франківські експериментатори створюють наноматеріали зі шматків речовини, у якій «пробивають» величезну кількість нанопор, у результаті чого утворюється така собі вуглецева «губка» з чітко заданою кількістю порожнин потрібних розмірів. Цих нанопор є стільки, що якби грам речовини розгорнути, то їхня площа сягнула б майже двох тисяч квадратних метрів. До речі, велика поверхня є надзвичайно важливою для ефективної роботи суперконденсатора, оскільки ємність такого пристрою залежить, зокрема, від площі.
За твердженнями науковців, вуглець сам собою є пористим матеріалом, тож як сорбент його використовують у хімії та медицині. Але для створення суперконденсатора вимоги є вищими, оскільки пори завбільшки 1-2 нанометри мають становити близько 40 відсотків їхньої загальної кількості, а це важко спрогнозувати. Крім того, має бути визначена кількість пор розміром до 20 і навіть 300 нанометрів, що будуть каналами, якими доправлятиметься необхідний для роботи конденсатора електроліт.
Перетворення вуглецю в дивовижний пористовуглецевий наноматеріал відбувається в спеціальних печах, у яких під тиском з сировини випаровують воду, доки не отримають продукт із заданими параметрами. Як сировину для експериментів використовують... кісточки абрикосів, вишень, слив.
А сфера застосування суперконденсаторів — широка. Вони можуть в один момент віддати енергію і, наприклад, завести танк. Ці новації вже зацікавили машинобудівників.
Пристрій із наноматеріалів знадобився б і для миттєвого спрацювання катапульти військового літака. У народному господарстві конденсатор, який за своїми параметрами може виконувати близько мільйона зарядно-розрядних циклів, можна було б використовувати також як пристрій для вирівнювання напруги на припливно-відпливних електростанціях.
Як наголошує керівник нового підрозділу, відкриттю наукового центру, бюджет котрого на три наступні роки становитиме 600 тис. доларів, передувала велика праця прикарпатських науковців, у якій чільне місце посідають інноваційні пропозиції та напрацювання у сфері нанотехнологій, зокрема, проректора з наукової роботи університету доктора хімічних наук Івана Миронюка.
Створені прикарпатськими вченими джерела живлення нового покоління за своїми питомими енергетичними параметрами в 1,5–4 рази перевищують світові аналоги. Отже, увага американців є зрозумілою, адже йдеться про значні перспективи в галузі енергетики не лише України, економіка якої є надзвичайно енергозатратною. Такі відкриття створюють нові можливості для поступу людства, для якого енергетика є глобальною проблемою.
Коли прикарпатські вчені подали запит на участь в оголошеному американцями фондом тендері та запропонували свою програму досліджень у сфері нанотехнологій, виявилося, що вони мають 80 конкурентів. У фіналі брали участь чотири ВНЗ — Харківський і Київський технічні й Прикарпатський університети та Дніпропетровська металургійна академія.
Фондовані дослідження найближчим часом полягатимуть у створенні неорганічних порошкових матеріалів з новими властивостями.
Технічний прогрес
і вишнева кісточка Науковці Прикарпатського університету близько 10 років ведуть дослідження в галузі використання наноматеріалів у пристроях генерації та накопичення енергії. Як тут з вишневої кісточки роблять суперконденсатори?
Як відомо, нанометр — це мільйонна частка метра. Неймовірно дрібні частинки речовини, які називають наноматеріалами, не видимі не тільки для людського ока, а навіть для електронного мікроскопа. Прогнозується, що застосування нанотехнологій сприятиме створенню надзвичайно крихітних роботів, які, проникнувши в людський організм, зможуть, приміром, сканувати найдрібніші ділянки мозку. А це дозволить «злити» зчитану в такий спосіб інформацію, яка, за припущеннями, відображатиме індивідуальність конкретної людини, у комп'ютер у вигляді спеціальної програми, щоб, зрештою, дати людині нове життя у віртуальному світі....
До реалізації таких фантастичних ідей, з якими пов'язують використання нанотехнологій, ясна річ, далеко. Наразі наука робить тільки перші кроки у цьому напрямі, розширюючи сферу застосування нових, отриманих лабораторним шляхом наноматеріалів.
У минулому столітті люди навчилися використовувати в електроніці кремній на рівні мікрона. Це стало поштовхом до мініатюризації приладів, які споживають значно менше енергії та матеріалів. Але навіть мікронна частка кремнію — це надто багато, на ній можуть поміститися десятки тисяч атомів, з яких тільки приповерхневі шари є функціональними. Фізики, технологи, хіміки давно шукали можливостей використати ті атоми речовини, які перебувають всередині і не працюють. Як виявилося, нанотехнології — це не просто спосіб створити мініатюрні пристрої заради зручності. Зміна розміщення атомів у речовині зумовлює зміну властивостей речовини. Ці властивості не є кращими чи гіршими (у фізиці такого поняття немає), але вони є іншими, мають інші характеристики, часом надзвичайно корисні.
Відомо, що атоми на поверхні речовини перебувають в іншому стані, ніж ті, що всередині. Так само поверхня будь-якої речовини є активнішою, але атоми, з яких вона складається, становлять лише соті частки процента в структурі матеріалу, тому не можуть впливати на його загальні властивості. Якщо ж речовина матиме в розрізі 10 нанометрів і менше, то частка приповерхневих атомів становитиме уже понад 50 відсотків, і тоді тому самому матеріалу будуть притаманні цілком інші властивості.
На початку 1990-х удалося отримати в лабораторних умовах перші наноматеріали з вуглецю — нанотрубки та фулерени. Тоді ж з'ясувалося, що їхня міцність в десятки разів перевершує матеріали для військово-промислового комплексу на основі, скажімо, титану, до того ж їхня маса є в багато разів меншою порівняно з металами. За розрахунками учених, якби збудувати міст з вуглецевих нанотрубок між Європою й Америкою, то він не тільки б не завалився під тягарем власної ваги, але й витримав би перехід по ньому.
Ще одна особливість наноматеріалів — їхня величезна поверхня, прихована в незначній кількості речовини. Така властивість знайшла застосування у створенні новітньої військової техніки, зокрема в процесі розробок технології виготовлення літаків-«невидимок», відомих як американський «стелз». Якщо покрити літак наноматеріалом, то промені, послані на нього з радара, розсіюються, поглинаються і не відбиваються. Такого ефекту досягають завдяки величезній поверхні тонкого шару речовини, якою вкрито літак.
До речі, над схожими технологіями працювали й у Радянському Союзі. Слід сказати, що група науковців тоді успішно виконала завдання, створивши матеріал iз заданими параметрами — вкритий спеціальною фарбою лiтак-розвiдник зникав з локаторів військ протиповітряної оборони противника. З того часу розвиток нанотехнологій став пріоритетним напрямом наукової діяльності, зокрема, для Богдана Остафійчука, тепер ректора Прикарпатського університету. Упродовж десятка років він курирує роботу науково-дослiдної лабораторії фізики магнітних плівок, діяльність якої і стала основою для створення центру нанотехнологій цього ВНЗ.
За законами математики За твердженням Андрія Загороднюка, доктора фізико-математичних наук, професора, завідувача кафедри Прикарпатського університету, вища математика вирішує практичні завдання в прагматичному застосуванні, наприклад, у сучасній економіці. Ідеться про функціональний аналіз.
Андрій Загороднюк пояснює: «Математика — це фактично логіка в чистому вигляді. Якщо ми віримо, що світ влаштований розумно, то він існує за законами математики, доведеними до досконалості. Хоча загалом ця наука доволі обширна і все тут довести до завершення неможливо. На цю тему є навіть теорема Геделя «Про неповноту»: хоч би які твердження ми сформулювали, завжди знайдеться те, що неможливо довести. Отже, математика за своєю суттю є необмеженою. А це означає, що пізнання світу також не має меж.
Частина функціонального аналізу досліджує нескінченновимірні простори. Скажімо, пряма — це одновимірний простір, площина — двовимірний. А ми живемо в тривимірному просторі. У геометрії вивчають, скажімо, чотири-, п'ятивимірні простори, а у функціональному аналізі — нескінченновимірні. Для чого ми їх вивчаємо, якщо наша свідомість обмежується трьома вимірами? Парадоксально, але реальні завдання, які виникають, можна описувати моделями на базі нескінченновимірних просторів».