При непосредственном участии Федеральной службы по интеллектуальной собственности («Роспатента») мы решили ввести на сайте рубрику «Патент недели». Еженедельно в России патентуются десятки интересных изобретений и усовершенствований — почему бы не рассказывать о них в числе первых.

Патент: 2676860

Авторы: Алексей Сизов; Даниил Анисимов; Аскольд Труль; Виктория Чекусова; Александр Пермяков; Алексей Киселев; Алексей Васильев; Елена Агина; Сергей Пономаренко

Патентообладатель: ООО «Технологии Печатной Электроники»

Гораздо более тонкой чувствительностью обладают интеллектуальные электронные системы (датчики-газоанализаторы), построенные на принципе хемосорбции — так называется процесс, когда жидкость или твердое тело поглощают вещества из окружающей среды, образуя с ними новые химические связи.

По сути, предложенная в патенте система это настоящий «электронный нос», который состоит из нескольких химических датчиков-сенсоров — органических полевых транзисторов.

Такие вещества попадают на рецепторный слой «электронного носа», провоцируют химическую реакцию, а система, как и обычный человеческий нос, выдает предупреждение о проблеме.

Сферы применения подобных систем, как и комбинирование реагирующих на разные вещества сенсоров, практически не ограничены. Если говорить о пищевой промышленности, то здесь авторы видят возможность применения таких систем для анализа качества и свежести дорогих продуктов — чая и кофе, вина, оливкового масла, трюфелей и так далее. Важным преимуществом «электронного носа» является возможность распознавания потенциально опасного запаха, «замаскированного» за сильным естественным ароматом самого продукта, когда человеческий нос самостоятельно не сможет обнаружить «завуалированной» проблемы.

ß

Представьте себе составной бронежилет, жесткий и при этом достаточно подвижный за счет большого содержания воды. Его прочность позволяет выдержать сильное механическое воздействие, а эластичность не ограничивает подвижность владельца в любой среде — на суше, в воздухе и даже под водой. Звучит как описание футуристического доспеха из научно-фантастического романа, верно?

На самом деле все вышесказанное — это всего лишь характеристики экзоскелета обычного омара. Исследователи из Массачусетского технологического института и Гарварда считают, что мягкая мембрана, покрывающая суставы и брюшную полость животного — материал, такой же прочный, как и промышленная резина, используемая для изготовления автомобильных шин и садовых шлангов, — могла бы способствовать разработке нового типа брони. С ее помощью можно будет создать защиту, превосходно оберегающую суставы (к примеру, коленные или локтевые) от механических повреждений.

В статье, опубликованной в журнале Acta Materialia, Мин Гуо, специалист с факультета машиностроения, уверяет, что «данная работа могла бы стимулировать создание гибкой брони». Он справедливо замечает, что броня омаров (которых также называют лобстерам) помогла этим существам выживать на Земле в течение 100 миллионов лет. «Если сделать броню из аналогичных материалов, она не будет стеснять суставы, и ее обладатель будет чувствовать себя более свободно», уверен Мин.

По данным Национального института юстиции, баллистические жилеты — обычно называемые «бронежилетами» — широко используются сотрудниками правоохранительных органов, и им приписывают спасение тысяч офицеров от пистолетов и патронов к винтовкам. Однако, как сообщает Washington Post, кевлар, из которого изготовлены бронежилеты, обычно имеет срок годности не более пяти лет. Кроме того, для многих офицеров (например, женского пола) стандартные модели непригодны и требуют индивидуальной подгонки. Некоторые исследования показали, что бронежилеты также могут ухудшать меткость и фокусировку владельца, а также увеличивать «физиологические затраты на выполнение задачи при исполнении служебных обязанностей», одновременно и обеспечивая защиту, и повышая риск, согласно Национальному центру биотехнологической информации.

По мнению специалистов из MIT, основная проблема остается неизменной с древних времен: чем большую защиту тела обеспечивает броня — тем сильнее она сковывает движения, и наоборот. Чтобы решить ее, они начали исследовать внутреннюю мембрану омара и обнаружили удивительный факт: количество механических повреждений никак не влияли на ее эластичность! Это обусловлено уникальной структурой материала, включающего в себя десятки тысяч слоев. Их волокна помогают рассеивать энергию во время нагрузки, что и делает мембрану невероятно устойчивой к повреждениям. Помимо нательной брони, подобные синтетические материалы также можно будет использовать практически во всех отраслях, от инженерии и робототехники до производства космических скафандров и биопротезов.

Компания Atomo разработала необычный «молекулярный кофе». Суть его заключается в том, чтобы сделать вкусный утренний напиток со сливками и сахаром, не используя при этом ни одного кофейного зерна. По словам представителей компании, продукт был разработан с нуля, чтобы обеспечить идеальную имитацию вкуса и аромата настоящего, дорогого кофе.

Генеральный директор Atomo Энди Клейч и микробиолог Джаррет Стопфорт полагают, что определили около 40 соединений, содержащихся в протеинах и маслах кофе. Именно они позволяют нашему организму ощущать вкус, аромат и цвет напитка. Используя «натуральные экологически чистые» ингредиенты, компания решила запустить крауд-компанию на Kickstarter. Примечательно, что сам продукт — это не просто очередной порошок, который надо растворять в горячей воде. Команда решила повторить традиционные ритуал приготовления кофе, и для того пошла на хитрости.

Из чего в итоге состоит этот кофе? Пока компания лишь утверждает, что речь идет о «переработанных растительных веществах», но что скрывается за этим расплывчатым определением — неясно. Их решение обосновано тем, что из-за глобального обезлесивания уже сейчас 60% видов дикого кофе находятся под угрозой исчезновения, так что в ближайшем будущем нам всем, возможно, придется перейти на заменители натурального продукта. Кроме того, все чаще и чаще крупные компании (включая Nestlé) признают тяжесть работы на кофейных плантациях, сопоставимую с рабским трудом.

С конца XIX века, когда во всем мире развернулась гонка за созданием самой долговечной, безопасной и дешевой нити накаливания для электрических ламп, изобретатели опробовали тысячи материалов. Их пытались изготавливать из хлопка и платины, волокон кокосовой скорлупы и волос мужской бороды, пока, уже в ХХ веке, не остановились на тугоплавком, ярко светящемся и не особенно дорогом вольфраме. Подбор оптимальных компонентов для литий-ионных батарей занял у химиков Sony около двух десятилетий, а тефлон был синтезирован в DuPont и вовсе случайно, в процессе поиска новых хладагентов для холодильников. Конечно, многие идеи для новых веществ и материалов с полезными свойствами удается «подсмотреть» у природы, однако и такие поиски остаются делом необычайно долгим, кропотливым, во многом – делом интуиции и удачи. Но сегодня мы стоим на пороге революционных изменений.

Сверхлегкие аэрогели получают из алюминия, углерода, диоксида титана и других соединений. Такой «твердый воздух» находит десятки полезных применений – например, аэрогелевая ловушка помогла зонду Stardust собрать и доставить на Землю космическую пыль.

Эти тектонические сдвиги начались еще с появления квантовой механики и работ нобелевских лауреатов 1998 года Вальтера Кона и Джона Попла, которые в 1960–1970-х годах создали вычислительные методы и модели для предсказания поведения электронов и ядер атомов. Их «квантовая химия» позволила устанавливать свойства молекул и предсказывать протекание характерных для них реакций, зная лишь химическую формулу. Ведь какими бы ни были твердость и плотность, теплопроводность или преломление света, все они определяются электронными свойствами атомов, организованных в молекулы и кристаллы. Опираясь на уравнения квантовой химии, компьютер способен рассмотреть возможные стабильные структуры и дать оценку их свойств. Быстрое развитие вычислительных машин дало этим расчетам мощь, необходимую для моделирования и перебора огромного множества вариантов. Например, структура и свойства графена были сперва исследованы виртуально и лишь затем подтверждены в экспериментах.

Аморфные металлические стекла могут резко отличаться от кристаллических материалов того же состава. Несмотря на впечатляющую прочность и твердость, их массовое применение ограничивается высокой стоимостью производства.

Однако графен – случай далеко не самый сложный: его плоская решетка образована всего одним типом довольно просто упакованных атомов. По мере того как их количество и разнообразие в молекуле увеличиваются, сложность расчетов растет экспоненциально, то есть при увеличении числа атомов вдвое сложность задачи может вырасти в квадриллион раз и больше. Вплоть до середины 2000-х большинство специалистов сомневались в том, что задача предсказания структуры и свойств по формуле решаема в принципе. Даже увеличив производительность процессоров в триллион раз, мы и близко не подойдем к возможности обсчитать нужное количество вариантов, которое легко может достигать 1010000 и более. Поэтому важнейшим фактором прорыва, который произошел в последние полтора десятилетия, стало появление новых алгоритмов, позволяющих значительно упростить и ускорить вычисления.

Создателем одного из них – и, кстати, самого широко используемого – стал профессор Артем Оганов, сегодня возглавляющий лабораторию компьютерного дизайна новых материалов в Сколтехе и МФТИ, а также лаборатории в Китае. Его метод USPEX и программа на его основе используются по всему миру, позволяя предсказывать структуры кристаллов, наночастиц и поверхностей, в том числе и для многокомпонентных соединений. Вместо того чтобы «в лоб» перебирать все возможные варианты, эволюционный алгоритм проводит предварительные расчеты, отбирает наиболее перспективные варианты, а затем уточняет их в длинной серии итераций «от простого к сложному» – пока наконец не получит самые стабильные структуры с минимальной энергией, для которых затем можно рассчитать свойства. Например, структуру 40-атомной ячейки магниевого пост-перовскита система предсказала менее чем за 1000 шагов – на порядки быстрее (и в результате точнее), чем обычные алгоритмы перебора.

Расплавленные и насыщенные газом металлы застывают, образуя легкую и пористую металлическую пену. Как правило, она демонстрирует те же свойства, что и цельный образец, и сохраняет его прочность, используя на 75–90% меньше металла.

Самообучающиеся алгоритмы USPEX особенно активно используются для поиска новых сверхтвердых материалов. Летом 2018 года Артем Оганов и его коллеги предсказали существование ранее неизвестного борида вольфрама WB5 с кристаллами, которые по твердости в полтора раза превосходят даже легендарные победитовые сплавы, причем их синтез не требует высоких давлений. «Поиск стабильной структуры для заданного химического соединения – это критически важный шаг, который десятилетиями оставался одной из главных проблем в теоретическом материаловедении, – рассказывает Артем Оганов. – Мы эту задачу решили, но это далеко не вся история. В идеале система должна сама подбирать и оптимальный химический состав для материала с нужными свойствами».

Упрочняя углеродное волокно графитом, получают армированные углерод-углеродные композитные материалы с потрясающей термостойкостью. Из них сделаны тормозные колодки болидов «Формулы-1» и защитный экран, который позволит зонду Parker работать под нестерпимым солнечным светом.

Новое поколение алгоритмов начинает осваивать и эту территорию. Сегодняшние методы позволяют указать химические элементы и рассчитать все возможные для них стабильные соединения, включая и те, которые еще не были получены в лаборатории. Так, например, были предсказаны некоторые «неканонические» варианты соединений натрия и хлора, существующие лишь при повышенных давлениях и совершенно непохожие на обычную соль NaCl. Результатом таких расчетов оказывается весь набор возможных для этой комбинации структур, причем не только стабильных кристаллов, но и метастабильных аморфных вариантов. «Этого тоже, конечно, мало, – продолжает Артем Оганов. – Хотелось бы создать систему, в которую можно будет ввести требуемые свойства и получить на выходе нужную формулу».

Гидрогелевые нити кремния и целлюлозы, насыщенные водой до 98% массы, вытягиваются и высушиваются с образованием искусственного шелка. Материал Spiber в 340 раз прочнее стали, и из него уже изготовлены первые товары – куртка-парка и детское автокресло.

Новые поколения компьютерных алгоритмов будут вести поиск соединений на основе лишь требуемых свойств, не опираясь на заранее заданный набор химических элементов. При этом виртуальные структуры оптимизируются одновременно по нескольким параметрам – например, минимальной энергии (то есть высокой стабильности) и максимальной диэлектрической проницаемости. Проводить многокритериальный поиск позволяет подход, предложенный итальянским экономистом Вильфредо Парето: решением задачи является набор материалов, каждый из которых нельзя превзойти по всем интересующим нас свойствам одновременно. Например, если можно подобрать материал А, который и по стабильности, и по диэлектрической проницаемости превосходит материал В, то В не входит в набор оптимальных решений и отбрасывается.

Прозрачный оксинитрид алюминия (AION) в разы прочнее закаленного стекла и используется в пулезащитных окнах современной бронетехники. В честь фантастического материала из сериала «Звездный путь» его часто называют «прозрачным алюминием».

Механические свойства, в том числе твердость, предсказываются быстрее и проще, чем, скажем, оптические или термоэлектрические, поэтому прогресс в области дизайна новых сверхтвердых материалов происходит быстрее всего. Но ученые ведут исследования и по другим направлениям, находя возможности предсказания новых термоэлектрических, магнитных и даже сверхпроводящих материалов. Программа уже способна выдать набор перспективных решений, оптимизированных по трем-четырем заданным свойствам. Выбрать среди них подходящий несравненно легче, нежели вести поиск по старинке, вслепую перебирая тысячи вариантов. Останется лишь получить новый материал в реальном мире; для некоторых веществ, таких как сверхтвердый борид вольфрама WB5, это не представляет большой сложности. Для других синтез до сих пор остается «чем-то средним между искусством и кулинарией», а его компьютеризация и роботизация – еще одной задачей на будущее.