DARPA: на пути к революции в материаловедении

Агентство по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США осуществляет новые прорывы в этой безусловно важной области, используя новейшие средства — от сверхскоростных лазерных формирователей изображений до революционных подходов к химическому синтезу 7 Сентябрь 2015, 13:29
Самые разнообразные материалы имели большое значение в развитии человеческой цивилизации. Настолько, большое, что даже целые эпохи называли в их честь. В каменный, бронзовый, железный век и далее новые материалы определяли технологические возможности и давали движущую силу революциям в различных областях — электронике, строительстве, медицине. Сегодня DARPA, Агентство по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США, осуществляет новые прорывы в этой безусловно важной области. Используя новейшие средства — от сверхскоростных лазерных кормирователей изображений до революционных подходов к химическому синтезу — подразделение оборонных исследований (DSO) DARPA активно занимается разработкой новых материалов, имеющих потенциал, способный повысить национальную безопасность.

«DSO помогло сформировать современную науку о материалах и инжиниринге, в частности поддерживая первые междисциплинарные лаборатории, сосредоточенные на разработке материалов, в конце 1960-начале 1970 годов, — рассказывает директор DSO Стефани Томпкинс (Stefanie Tompkins). — С тех пор мы оставались на передовой в области создания материалов, финансируя плодотворные работы для таких различных платформ, как интегральные схемы, телескопы на космических аппаратах и реактивные двигатели. В настоящий момент мы переходим в совершенно новую область, где материалы, изготавливаемые из атомов, получают неслыханные сочетания свойств».

Одним из основных вопросов в разработке новых материалов была сложность сохранения и использования уникальных характеристик материалов в наномасштабах (речь идет о нескольких десятках миллиардных долей метра). Многие материалы демонстрировали уникальные и потенциально полезные электрические, оптические и вязкостные характеристики в этих масштабах, приближенных к величине атома, но теряли свои характерные особенности, когда применялись в изделиях и системах миллиметрового или сантиметрового масштабов. Программа Atoms to Product (A2P) поставила задач преодолеть этот рубеж путем разработки методов сборки, которые позволят сохранить требуемые наномасштабные характеристики в материалах, компонентах и системах более крупного масштаба.

«В прошлом ученые составляли большинство новых материалов варьируя сочетания "смеси, тепла и формы", — рассказывает руководитель программы Джон Мэйн (John Main). — В настоящее время мы применяем полностью отличный подход, начиная с отдельных атомов, собирая их в наноструктуры, затем собирая полученные наноструктуры в большие по величине микроустройства. A2P использует преимущества новых методов для управления наномасштабшой сборкой при очень высокой производительности для экономичного создания новых микроустройство».

DARPA использует другие подходы к созданию новых материалов с уникальными возможностями в рамках программы Materials with Controlled Microstructural Architecture («Материалы с управляемой микроструктурной архитектурой»). Эта программа ищет возможности управлять микроструктурой материалов для увеличения структурной эффективности и создания возможностей, которые обыкновенно не встречаются совместно в одном материале, таких как прочность стали и вес пластика. Проводимая работа также может помочь совместить другие важные свойства, например, скорость рассеяния тепла для решений, предназначенных для управления температурными режимами, и способность получения заданных свойств по тепловому расширению для соединения обычно несовместимых материалов.

«Что если принципы создания, использующиеся для больших структур, могли бы быть применены к микроструктурам материалов, позволяя разработчикам создавать материал таким же способом, каким архитекторы конструируют небоскребы и висячие мосты? — задается вопросом руководитель программы Джуда Голдвассер (Judah Goldwasser). — Это могло бы позволить нам получить высокоэффективные материалы и, например, создать аппараты, которые весят одну десятую их имеющегося веса и способные перемещаться в десять раз дальше на одном баке топлива».

Потенциальное преимущество установления контроля над внутренней наноархитектурой материалов состоит в том, что материалы могут быть способны стать катализаторами реакций или выполнять преобразования энергии, как сами по себе, так и составе систем на их основе. Именно в этом и состоит задача другой программы, инициированной DSO, под названием Materials for Transduction (MATRIX, «Материалы для преобразования»). Как и у программы A2P, ее основная задача – реализовать возможности новых материалов на уровне устройства или системы. Только в этом случае речь идет о создании новых материалов для преобразования энергии из одной формы в другую.

«Преобразование энергии важно для бесчисленных средств военного назначения на земле, под водой, в воздухе и в космосе», — отмечает руководитель программ Джим Гимлетт (Jim Gimlett), Он указывает на такие примеры, как антенны, которые преобразовывают радиоволны в электрические сигналы, и термоэлектрические генераторы, которые конвертируют тепло в электричество. Но исследовательские усилия для создания новых материалов преобразования в основном ограничивались лабораторными демонстрациями и слишком часто терпели неудачу при их практическом применении в устройствах и системах. MATRIX стремится преодолеть это путем ускорения разработки совершенно новых средств и снижения размеров и веса для существующих устройств и систем военного назначения.

Чтобы достичь вышеописанных целей, потребуется то, что стало основой успеха в области науки о материалах с тех пор, как DARPA запустило революционные междисциплинарные лаборатории полвека назад — сотрудничество экспертов в разных областях, так или иначе связанных с материаловедением. Программа MATRIX продолжает обращаться к представителям сообществ, занимающихся моделированием, конструированием и производством «для проведения унифицированных НИОКР по подготовке специальных приложений, которые совмещают сферы материалов и устройств на их основе». Ожидаемые преимущества включают улучшенное управление энергопотреблением и тепловыми режимами, а также устройствами охлаждения и более эффективными датчиками, приводами и радиочастотной аппаратурой.

Программа DSO XSolids («Увеличенная твердость») преследует задачу в другой области материаловедения и касается тех материалов, которые в настоящее время могут быть получены и существовать только при очень высоком давлении, доходящем до миллионов атмосфер. Многие материалы, подверженные такому давлению, показывают значительные улучшения своих физических, механических и функциональных характеристик. Эти новые «полиморфы» могут давать значительное улучшение производительности в таких различных областях, как полупроводниковая электроника и силовые установки, а также в структурных применениях в диапазоне от авиакосмических до наземных аппаратов. «Открытие и производство новых материалов долгое время основывалось на использовании тепла, — рассказывает Голдвассер. — Открытие химии высокого давления – или баронами – предвосхищает новую эру в открытии и разработке совершенно новой палитры материалов».

По мнению Голдвассера, ранее проводившаяся работа уже дает подходы к уникальным материалам и возможностям, которые могут выявиться при сжимании обычных газов, таких как углекислый газ, а также твердых тел, основанные на кремнии и углероде, в экстремальных условиях. Но поскольку их синтез и стабилизация требуют специальных условий, производство этих материалов для практического использования было очень сложным. Поэтому помимо открытия новых материалов программа XSolids исследует технологии их производства, чтобы сделать процесс применимым на практике.

В то время как программы A2P, MATRIX и XSolids сосредоточены различным образом на исследовании масштабирования инноваций от меньших к более крупным масштабам, другая программа DSO в области материалов занимается вопросом увеличения точности при производстве сверхтонких пленок. Программа LoCo («Локальный контроль синтеза материалов») исследует преимущества тонкопленочных материалом и покрытий, которые используются в военных приложениях от оптики до современной электроники.

Несмотря на десятилетия исследований, методы, позволяющие работать на атомный уровень при помощи контроля в миллиметровых масштабах структуры и свойств материалов, наносимых на поверхности, остаются не до конца разработанными. Например, структурная организация сверхтонких пленок обычно управляется высокотемпературным осаждением или отжигом (annealing), но высокие температуры, использующиеся во время синтеза тонких пленок и их осаждения, превышают допустимые пределы многих подложек, использование которых утверждено Министерством обороны США, что ограничивает возможности их применения. Исследователи программы LoCo разрабатывают новые стратегии и средства, чтобы сделать шаг вперед к нанесению требуемых материалов при комнатной температуре или близкой к ней.

«Растущий массив технологий, включая гибкую электронику и даже некоторые биологические системы, такие как интерфейсы «мозг-машина», зависят от тонких пленок с точным поведением, включая поверхностную подвижность, оптическую прозрачность и энергию реакции. Но имеющиеся на сегодняшний день тонкие пленки теряют свою ценность, если они могут использоваться только при традиционной высокотемпературной технологии нанесения, — говорит руководитель программы Тайлер Макквейд (Tyler McQuade). — Поскольку на поверхностях, где соприкасаются два материала, происходит много химических процессов, мы уверены, что разработка альтернативных методов нанесения пленок на поверхности может открыть новый мир возможностей материалов».

По словам Стефани Томпкинс, все эти разработки в области материаловедения указывают на перспективу существования целого ряда материалов с беспрецедентными возможностями и свойствами: «Все эти программы отображают фундаментальный сдвиг от массовых до конструируемых материалов. Сдвиг, который, мы уверены, может открыть новый «Век конструирования» в материаловедении».