Больше не придётся точить ножи: российские учёные открыли новый материал
Что может быть обыденней, чем заточка ножей на кухне? Каждый уважающий себя хозяин время от времени занимается этим. Однако, наточить хорошее, годное лезвие — занятие отнюдь не простое: как минимум, нужны знания и подходящего качества клинок.
И, поверьте, такие проблемы встречаются не только на кухне. Разнообразные промышленные инструменты периодически также нуждаются в заточке. Да и требования к качеству клинков куда выше: необходимо, чтобы лезвия с самого начала были сделаны хорошо — не тупились, были прочными, но в то же время достаточно гибкими (иначе они просто сломаются).
Обычные люди, работники промышленности, различные компании — все они заинтересованы в качественных, острых инструментах идеально подходящих для их целей.
Как же добиться желаемого результата? Например, можно экспериментировать и создавать новые сплавы. Однако, не всё так просто. Во-первых, сейчас тяжело придумать что-то новое и при этом востребованное. А во-вторых, еще сложнее убедить производителей в том, что новый материал будет им коммерчески выгоден. Не секрет, что в промышленной продукции далеко не всегда используют материалы с наилучшими качествами, а уж тем более такие, которые давали бы своеобразный «избыток» качества. Всё упирается в скорость окупаемости — ничего личного, просто бизнес.
Но что если подойти к проблеме с другой стороны, поискать принципиально иное решение? Возможно, повысить качество материала реально на атомарном уровне? Именно такую идею предложили ученые из Государственного университета Комсомольска-на-Амуре. Удалось ли им улучшить клинки и другие инструменты с помощью нанотехнологий? Давайте разбираться.
Что такое атомарно-силовой подход и зачем он нужен?
Чтобы понять смысл идеи амурских самородков, в начале необходимо уяснить принцип, который они положили в основу своей разработки.
Атомарно-силовой подход при проектировании покрытий — это проектировочный подход, в котором для получения нужных физических свойств промышленники проектируют поверхность покрытия на уровне атомов.
Однако не достаточно просто составить схему атомов на желаемом покрытии, его ещё нужно еще изготовить. Это вторая составляющая атомарно-силового подхода — сделать само покрытие.
Какие преимущества у этой затеи? Ключевое — возможность филигранно манипулировать свойствами покрытия на этапе заготовки, а значит, создавать более тонкие специализированные изделия, которые к тому же не будут уступать по качеству образцам, сделанным без использования такой технологии (а скорее наоборот будут превосходить).
Теперь, когда мы понимаем общий принцип, посмотрим, чего же конкретно добились исследователи в экспериментах.
Поиск оптимальной структуры атомов покрытия
В своих поисках ученые решили остановиться на исследовании покрытий, которые наносятся на твердые сплавы. В частности, они рассмотрели покрытия карбида титана TiC, нитрида титана TiN, а также нитрид сложносоставного покрытия со смесью из титана, хрома и алюминия (Ti,Cr,Al)N.
После того, как были отобраны подходящие для покрытий вещества, пришло время вычислений. С помощью расчета функционалов межатомных систем изобретатели определили наиболее рациональные покрытия.
Для этого они проанализировали различные конфигурации атомов как по отношению друг к другу, так и к остальной заготовке, сделанной из твердосплавного материала ВК8 (вольфрамовый сплав с добавлением кобальта).
Чем же отличилась эти конфигурации атомов? Во-первых, количеством рядов атомов покрытия. Оптимальными оказались очень тонкие слои — всего в два или три ряда атомов толщиной.
Во-вторых, ученые поэкспериментировали и с целостностью слоя покрытия. Какие-то из предложенных конфигураций были симметричны и не содержали в себе «дыр», какие-то, напротив, были неравномерны и содержали «отверстия» внутри. Интуитивно может показаться, что первый вариант однозначно лучше второго, но есть нюанс.
Имя этому нюансу — энергия взаимодействия атомов, которая во всех представленных конфигурациях колебалась в пределах от 3 до 3,5 Дж/кв.м. Для этого-то и выбрали несколько конфигураций — где-то неравномерность покрытия и разная энергия взаимодействия атомов будет преимуществом, а не недостатком.
Результаты расчета были увязаны с коэффициентом трещиностойкости, а также величиной адгезии (сцепления) атомов проектируемых покрытий и признаны рациональными. Таким образом, все эти конфигурации были экспериментально проверены и доказали свою «живучесть», равно как и потенциальную полезность для производителей.
Какую пользу несет эта разработка?
Самый очевидный плюс — с помощью этой технологии промышленники смогут делать более качественные инструменты. Это, в свою очередь, повысит эффективность производства и позволит либо экономить деньги за счет более долговечных расходников, либо делать новую, более качественную продукцию, что тоже весьма неплохо.
В отдалённой же перспективе наработки по нанопокрытиям можно распространить не только на инструменты, но и на другие предметы — возможно, на обшивку техники, некоторые детали и на многое, многое другое.
Особенно востребованной эта разработка может оказаться для военных, которым с каждым днем требуется все больше специфических, прочных и долговечных приборов, устройств и инструментов для решения своих задач.
Найдет себя эта технология и в мирном обиходе, например в том, с чего мы начинали статью — кухонной утвари. Тефлоновые покрытия нового поколения? Неубиваемые ножи? С помощью нанотехнологий это возможно. И если нанотехнологии несут нам настоящий прогресс — это ли не здорово?