Жить в современном мире страшно: климат меняется, ресурсов не хватает. Спасает только надежда на учёных. Они уже разработали лёгкие и прочные композитные материалы, что привело к снижению расхода топлива и уменьшению выбросов углекислого газа. Изобрели биосовместимые материалы, сулящие появление инновационных имплантатов и лекарственных систем. Открыли графен, который поможет революционизировать электронику и энергетику. Даже из этих примеров понятно, что создание новых материалов — это не просто научный интерес, а необходимость, обеспечивающая устойчивое будущее человечества.
Поговорили с методистами Сириус.Курсов по химии о том, из каких этапов складывается создание материала, зачем менять действующие материалы на новые и при чём здесь искусственный интеллект.
Кто работает вместе с химиками?
В создании материалов, которые применяются в повседневной жизни или промышленности, участвуют самые разные люди: материаловеды, технологи, узкие специалисты в конкретной области. Химики создают лишь основу — определённый химический и фазовый состав, микроструктуру. Для этого они проходят большой путь — от идеи и испытаний до передачи материала на внедрение.
Как именно создаётся новый материал?
На первом этапе учёные-химики изучают литературу по имеющейся проблеме, анализируют существующие материалы. Затем они проводят химический эксперимент: синтезируют соединения (иногда новые) и тестируют их свойства (электро- и теплопроводящие, люминесцентные), проверяют на биосовместимость и много что ещё. Спектр изучаемых свойств зависит от цели.
Дальше наступает этап оптимизации: материалу придают определённую микроструктуру, которая может существенно повлиять на свойства, проводят тестирование в экстремальных условиях.
Также многократно проверяют на воспроизводимость — это помогает понять, всегда ли удастся получить материал по заданным методикам. Обычно на этом этапе химики прекращают свою деятельность и передают наработки технологам, а те уже внедряют материал дальше. Однако многие учёные-химики создают пилотные установки и прототипы устройств, где также тестируют свои новые соединения.
Зачем менять работающие материалы на новые?
Во многих отраслях промышленности налажен процесс создания эффективных материалов. Зачем тогда создавать новые? Разобраться помогут несколько примеров.
В кармане каждого из нас спрятан мобильный телефон, который работает благодаря аккумулятору — сегодня литий-ионному. Однако литий относительно редкий металл, с каждым годом цена на него растёт. Учитывая это, несколько лет назад химики начали создавать металл-ионные аккумуляторы, где в качестве замены рассматривали дешёвый и более распространённый натрий.
Но с ним возникли сложности: натрий больше по размеру и его химические свойства имеют свои особенности.
Поэтому химики проводят многочисленные исследования по поиску, оптимизации состава материалов для электродов и электролита в составе новых аккумуляторов. Многие учёные нашей страны трудятся в этой области. Например, химический факультет МГУ совместно со Сколковским институтом науки и технологий создаёт прототипы таких аккумуляторов, которые в скором будущем будут внедрены в нашу жизнь. Такие аккумуляторы установят в автомобили и электробусы.
Иногда в составе материалов присутствуют вредные и ядовитые вещества. Например, большой прорыв в солнечной энергетике стал возможен благодаря созданию перовскитных солнечных элементов. Однако в их составе есть свинец, соединения которого опасны: работу таких батарей нужно контролировать, со временем они портятся от воздействия солнца. Поэтому химики ищут материалы, которые бы не содержали свинец.
Какие материалы особенно нуждаются в замене?
Ещё один пример, когда нужны новые материалы, — когда старые всё-таки работают плохо. Существующие термоэлектрические материалы, способные переводить разницу потенциалов в разность температур и наоборот, не очень эффективны. На их основе можно создавать бесшумные холодильники, которые не содержат хладагентов и движущихся частей. Но из-за низкой эффективности такие холодильники могут быть лишь небольших размеров, к тому же они довольно дорогие. Вот почему химики в поисках новых соединений, которые обладали бы более эффективными термоэлектрическими свойствами.
Иногда создание материалов обусловлено открытием новых соединений.
Так, в 2010 году Нобелевскую премию по физике присудили за передовые опыты с двумерным материалом — графеном, после чего были обнаружены его уникальные свойства. Графен может использоваться и в микроэлектронике как улучшенная замена кремния, и в качестве сенсора — химического датчика разных молекул, и в других областях.
Сегодня учёные работают над поиском новых материалов для квантовой электроники, где старых просто нет.
Помогает ли химикам ИИ?
Во время создания материалов современные химики активно используют квантово-механические расчёты, искусственный интеллект и машинное обучение в своих исследованиях. Помощь ИИ требуется уже на первом этапе — выборе соединения. Для конкретного применения материала необходимо, чтобы в соединении были уникальные особенности — большие пустоты или каналы, определённые межатомные расстояния. Соединений очень много, их структуры хранятся в специальных базах данных — анализировать каждую невозможно физически. Зато можно задать характеристики и попросить компьютер провести поиск и «протестировать» соединения на пригодность. Когда из сотен тысяч соединений ИИ выберет несколько десятков, их уже можно будет проверить на практике.
Сделать первый шаг на пути к научным открытиям помогут Сириус.Курсы. Прямо сейчас в онлайн-школе открыты четыре программы по химии, а также множество курсов по другим направлениям. Изучайте расписание и запускайте процесс получения новых и полезных знаний!
