Нобелевские лауреаты по химии

Результаты исследований показывают, что ископаемое углеводородное сырье содержит промышленно ценные количества иттрия, лантанидов, ванадия  и других редких металлов, стоимость  которых соизмерима со стоимостью самого сырья. Например, в татарской нефти  содержится до 700 г/т ванадия, который  является ценным, но и весьма токсичным  веществом. При извлечении его из нефти решаются одновременно две  задачи: добывается нужный для многих целей металл и предотвращается  загрязнение окружающей среды.

Некоторые специалисты убеждены: редкие металлы - будущее новой техники. На пороге тысячелетий современная  цивилизация переходит из железного  века в новый - век легких и надежных материалов, содержащих редкие металлы.

Термостойкие  материалы

Повышение скорости химических процессов и эффективности работы многих аппаратов, двигателей и т.п. достигается при высокой температуре, поэтому создание термостойких материалов - одна из важнейших задач развития современных химических технологий и машиностроения.

К настоящему времени разработаны  перспективные способы изготовления термостойких материалов: имплантация  ионов, плазменный синтез, плавление  и кристаллизация в отсутствие гравитации, напыление на поликристаллические  и аморфные поверхности и др. Для  изменения локальных химических и физических свойств материалов применяется лазерная технология. Сфокусированный  луч мощного импульсного лазера способен кратковременно создавать  чрезвычайно высокую локальную  температуру - вплоть до 10000 К. В точке  фокусировки лазерного луча изменяются физические и химические свойства поверхностного слоя.

С применением современных  технологий получены, например, нитрид кремния Si3N4 и силицид вольфрама WSi2 - термостойкие материалы для  микроэлектроники. Нитрид кремния обладает превосходными электроизолирующими  свойствами даже при небольшой толщине  слоя - менее 0,2 мкм. Силицид вольфрама  отличается весьма малым электрическим  сопротивлением. Из этих материалов напыляются тонкопленочные элементы интегральных схем.

Представляет практический интерес способ синтеза новых  керамических материалов для изготовления, например, цельнокерамического блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания. Этот способ заключается в отливке кремнийсодержащего полимера в форму с последующим превращением его в термостойкий и прочный карбид или нитрид кремния. Современные графитоволокнистые материалы способны выдерживать температуру до 2000 °С. Новые технологии позволяют синтезировать более термостойкие материалы.

Нитинол

Нитинол представляет собой никель - титановый сплав (55% Ti, 45% Ni), обладающий необычным свойством - сохранять первоначальную форму. Поэтому иногда его называют запоминающим металлом. Такое свойство нитинола сохраняется даже после его холодного формования и термической обработки. Для него характерны сверх- и термоупругость, высокая коррозионная и эрозионная стойкость.

Вначале нитиноловые изделия служили преимущественно для военных целей - с их помощью в боевых самолетах соединяли различные трубопроводы, доступ к которым ограничен. Соединение производилось муфтой, свободно надевавшейся на концы соединяемых трубок. После пропускания электрического тока муфту нагревали примерно на 30 °С, после чего она, охлаждаясь, принимала первоначальную форму с меньшим диаметром, плотно прилегая к концам трубок. Уникальную конструкцию с помощью нитиноловых муфт удалось собрать в космосе при корректировке орбиты станции «Мир».

Нитиноловые фиксаторы, муфты, спирали находят применение в медицине. С помощью нитиноловых фиксаторов эффективнее соединяются сломанные кости. Благодаря памяти формы нитиноловая муфта лучше фиксируется в десне, предохраняя места сочленений от перегрузок. Нитинол, обладая способностью упруго деформироваться на 8-10%, плавно воспринимает нагрузку, подобно живому зубу, и в результате меньше травмирует десну. Нитиноловая спираль способна восстановить сечение пораженного той или иной болезнью сосуда в организме человека. При внедрении нитиноловых деталей происходит более эффективное заживление ран - ведь помимо замечательных механических свойств нитинол еще и биологически инертен.

Вне всякого сомнения, нитинол найдет более широкое применение: при ремонте газо- нефте- и газопроводов, а также при решении других задач.

Оптические материалы

Прогресс в развитии световолоконной индустрии во многом определился технологической возможностью изготовления высокопрочной кварцевой нити путем химической конденсации паровой фазы. Толщина полученной таким образом кварцевой нити со стеклянным покрытием составляет примерно 0,1 толщины человеческого волоса. Совершенствование технологии изготовления кварцевых нитей позволило менее чем за десятилетний срок примерно в 100 раз сократить потери светового потока. Из новых оптических материалов, например, таких, как фторидные стекла, можно получить еще более прозрачные волокна. Волоконная оптика открывает чрезвычайно большие возможности для передачи огромного объема информации на большие расстояния. Уже сегодня многие телефонные станции, телевидение с успехом пользуются волоконно-оптической связью.

Современная химическая технология сыграла важную роль и при создании материалов для оптических устройств  переключения, усиления и хранения оптических сигналов. Оптические устройства оперируют в новых временных  масштабах обработки световых сигналов. Например, оптический переключатель  срабатывает за одну миллионную миллионной доли секунды. В современных оптических устройствах используются ниобат лития и арсенид галлия-алюминия. Органические стереоизомеры, жидкие кристаллы и полиацетилены обладают лучшими оптическими свойствами, чем ниобат лития, и являются весьма перспективными материалами для новых оптических устройств.

Материалы диссоциации  металлоорганических соединений

При термической диссоциации  ряда металлоорганических соединений получаются чистые металлы различной  твердой формы, обладающие уникальными  свойствами. К металлоорганическим  соединениям относятся:

- карбонилы: Mo(CO)6, Fe(CO)5, Ni(CO)4;

- ацетилацетонаты металлов: Pd(C5H702)2, Pt(C5H702)2,Ru(C5H702)3;

- дикарбонилацетонат родия: Rh(C5H702)2 (C0)2 и др.

Этим соединениям в  газообразном состоянии присуща  высокая летучесть. Они разлагаются  при нагревании до 100 - 150 °С. В результате термической диссоциации можно  получить чистую металлическую фазу в различных конденсированных формах: высокодисперсные порошки, металлические  вискерсы, беспористые тонкопленочные материалы, ячеистые металлоны, металлические волокна и бумага.

Высокодисперсные порошки  состоят из частиц малых размеров (до 1 - 3 мкм) и используются для производства металлокерамики - композиций металлов с оксидами, нитридами, боридами, синтезируемых  методом порошковой металлургии. Металлические  порошки, например железа и никеля, обладающие магнитными свойствами, применяются  в радиоэлектронике и электротехнике.

Металлические вискерсы - нитевидные кристаллы диаметром 0,5-2,0 мкм и длиной 5-50 мкм. Для них характерна высокая прочность, примерно в 10 раз превышающая прочность самых высококачественных сталей, высокая устойчивость к окислению и необычные магнитные свойства. Подобные кристаллы формируются на активных центрах подложки, где в парамагнитных кластерах образуется своеобразная ступенчатая монокристаллическая структура.

Беспористые тонкопленочные материалы отличаются высокой плотностью упаковки атомов. По величине отражения света они приближаются к серебру. Беспористое тонкопленочное покрытие толщиной около 90 мкм надежно защищает металл от коррозии даже в самой агрессивной среде. Их коррозионная стойкость примерно в 5 раз выше, чем, например, гальванических покрытий.

Ячеистые металлы образуются при осаждении металла в результате проникновения паров металлорганических соединений в поры другого материала, где формируется ячеистая металлическая  структура.

Металлизированные волокна  и бумага обладают уникальными механическими, теплофизическими и электропроводными  свойствами. В будущем они найдут широкое применение.

Тонкопленочные  материалы для накопителей информации

Любая современная вычислительная машина, в том числе и персональный компьютер, содержит накопитель информации - запоминающее устройство, способное  накапливать и хранить большой  объем информации. Большинство накопителей  информации базируется на магнитной  записи в накопителях информации на подвижном магнитном носителе, где основное - это накопление информации, важным параметром является поверхностная  информационная плотность записи, определяемая количеством информации, приходящейся на единицу площади поверхности рабочего слоя носителя информации.

Изготовление современных  магнитных накопителей большой  емкости основано на применении тонкопленочных материалов. Благодаря применению новых  магнитных материалов и в результате совершенствования технологии изготовления всех тонкопленочных элементов магнитного накопителя за относительно короткий срок поверхностная плотность записи информации увеличилась в пять раз: в 1998 г. она составляла примерно 12 Гбит/дюйм2, а в 2000 г. - около 100 Гбит/дюйм2.

Запись с высокой поверхностной  плотностью осуществляется на носитель, рабочий слой которого формируется  из тонкопленочного кобальтсодержащего материала. Высокую плотность записи можно реализовать только с помощью  преобразователей, тонкопленочный материал магнитопровода которых характеризуется большой магнитной индукцией насыщения и высокой магнитной проницаемостью.

Для воспроизведения записанной с высокой плотностью информации применяется высокочувствительный тонкопленочный элемент, электрическое  сопротивление которого изменяется в магнитном поле. Такой элемент  называется магниторезистивным. Он напыляется из высокопроницаемого магнитного материала, например пермаллоя. Относительное  изменение электрического сопротивления  пермаллоевого элемента в магнитном поле составляет около 2%. Эта величина экспериментальных исследований последнего десятилетия, может достигать (например, в многослойных тонкопленочных материалах, однослойных гранулированных пленках и других материалах) десятков процентов, поэтому их называют материалами со сверхгигантским магнетосопротивлением.

Таким образом, с применением  тонкопленочных магнитных материалов при изготовлении накопителей информации большой емкости уже реализована  довольно высокая плотность записи информации. При модернизации таких  накопителей и внедрении новых  материалов следует ожидать дальнейшего  увеличения информационной плотности, что весьма важно для развития современных технических средств  записи, накопления и хранения информации.