Специалисты Томского политеха создали новый композитный материал для суперконденсаторов. С ним можно будет создать устройства удельной емкостью в 8–10 раз больше существующих аналогов.
Обычно для электродов суперконденсаторов используют материалы на основе углерода. Их основные ограничения — низкие показатели удельной энергии и емкости. Чтобы улучшить эти характеристики, ученые создали углеродный композитный материал со сложной структурой. Она представляет собой каркас с крошечными порами и каналами, внутри которых расположены атомы металлов кобальта и марганца. Их внедрили в материал в форме особых соединений — гексацианоферратов.
Для создания гибких электродов ученые впервые применили комбинацию методов лазерного осаждения и ионного наслаивания солей металлов из водных растворов. На первом этапе получили пористую подложку из полимеров. При помощи лазерного вплавления металлических частиц на ней сформировали электропроводящий углеродный слой. После этого подложку обработали растворами солей металлов, чтобы внедрить в материал частицы кобальта и марганца.
Как показали исследования, за счет новых электродов удельная емкость суперконденсаторов достигла 224,5 микрофарад на квадратный сантиметр — это в 8–10 раз больше, чем у существующих коммерческих аналогов. При этом суперконденсатор показал высокую производительность и стабильность в течение тысячи циклов зарядки — разрядки.
Источник: https://e-plus.media/

Ученые из Сколтеха модифицировали поверхность полого оптического волокна таким образом, чтобы оно могло функционировать как крошечный фонарь на медицинском зонде для исследования кровеносных сосудов и других полостей в организме изнутри.
Описанный в журнале Annalen der Physik микрофонарь состоит из фрагмента полго оптического волокна — отрезка крошечной стеклянной трубки. На внутреннюю поверхность этой трубки наносят слои полимера и наночастиц, а концы трубки запечатывают полимерными мембранами. Если поверх мембран нанести зеркала, то фонарь превратится в лазер, который излучает узконаправленный одноцветный световой пучок. Последнее ценно для фотодинамической терапии: лазер может поражать опухоль, в которую доставлен фоточувствительный препарат.
Использование эндоскопических зондов из оптоволокна — перспективный способ добраться до труднодоступных участков в организме в целях визуализации или терапии. Благодаря своей малой толщине оптоволокно может войти, например, внутрь крупного кровеносного сосуда. Но если такой зонд не оборудован никакими функциональными инструментами, смысла в нем мало.
Изготовленная учеными из Сколтеха и их коллегами структура могла бы войти в набор таких инструментов в качестве источника света, в том числе — при условии дополнительных усовершенствований — лазера с настраиваемой длиной волны излучения. Последний был бы весьма полезен на конце эндоскопического зонда как с точки зрения диагностики, так и с точки зрения терапии.
Обычно структуры, подобные представленному в работе микрофонарю, подвержены значительным потерям интенсивности света. Именно это слабое место удалось устранить ученым из Сколтеха и их коллегам. В основе источника света — кусок полого оптического волокна длиной несколько сантиметров и диаметром 0,5 миллиметра снаружи и 0,25 миллиметра внутри. На внутреннюю поверхность полой сердцевины волокна наносится слой полимера, а поверх него — слой так называемых квантовых точек. Это наноразмерные частицы, предоставленные Саратовским государственным университетом (сами волокна тоже изготовлены в Саратове, ООО НПП «Наноструктурная технология стекла»). Чем больше слоев полимера и квантовых точек наносится, тем выше потери света в волокне.
«Нам удалось установить, что наночастицы многослойного покрытия можно уплотнить посредством термической обработки, которая удаляет влагу из слоев полимера, уменьшает шероховатость нанокомпозитного покрытия и, как следствие, снижает оптические потери. Примечательно, что необходимый нагрев достигается попутно при формировании зеркал из диоксида титана и оксида кремния на поверхности полимерных мембран, которые наносятся на оба торца отрезка оптического волокна для создания оптического резонатора», — рассказал руководитель исследования профессор Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха Дмитрий Горин.
Получившаяся оптическая система перспективна для создания лазеров с оптической накачкой, работающих в довольно широком диапазоне длин волн, от 0,3 до 6 микрометров. Активной средой такого лазера послужат квантовые точки, а резонатор образуют два зеркала. Свет будет выходить с торца цилиндрической микроструктуры. Рабочую длину волны, то есть цвет лазерного луча, можно будет задать, варьируя характеристики слоя квантовых точек в процессе изготовления устройства.
В зависимости от конкретного случая медицинский зонд, оснащенный предложенным источником света, мог бы использоваться для исследования поверхностей, визуализации биологических тканей, удаления патологических образований с помощью так называемой фотодинамической терапии.
Источник: https://naked-science.ru/

Физики ИТМО предложили новый материал для лазерной печати — он позволяет «вшивать» в одну картинку черно-белые и цветные изображения одновременно. Ученые впервые использовали металл-органические каркасы — оптически прозрачный материал, хорошо преобразующий лазерное излучение. Под воздействием лазера его структура изменяется, и в объеме формируются цветные дефекты. Каждый такой дефект обладает уникальным спектром рассеяния, что делает металл-органические каркасы полезными для создания антиконтрафактных неклонируемых меток. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.
Лазерная литография позволяет получать изображения на поверхности и в объеме материала с помощью лазера. Для цветных и черно-белых изображений используют разные методы. Например, при создании черно-белых — применяют лазерную абляцию, когда часть материала удаляют с поверхности изделия лазерным импульсом. Для цветных — метод фотооксидирования: делают на поверхности изделия оксидную пленку, нагревая его лазером. При этом для разных подходов нужны материалы с разными свойствами. До недавнего времени ученым не удавалось получать на одном материале черно-белые и цветные изображения одновременно.
Ученые ИТМО смогли совместить два вида печати и показали, как можно наносить цветные и черно-белые изображения на одном материале разными способами.
Для этого они впервые применили металл-органический каркас (МОК) Er-BTC. Этот материал состоит из эрбиевых металлов, соединенных органическими молекулами (тримезиновой кислотой). Он очень пористый и обладает кристаллической структурой. Благодаря такому строению металл-органический каркас обладает нелинейными свойствами — материал преобразовывает лазерное излучение, сокращая длину волны в два раза. При уменьшении длины волны внутри материала свет еще сильнее фокусируется в точке и создает на изделии цветной дефект малого размера. Именно от размера точки фокусировки и зависит цвет создаваемого «пикселя».
Новую технологию ученые планируют применить при создании неклонируемых меток для защиты предметов роскоши от подделок. В отличие от других материалов, металл-органические каркасы позволяют получать защитные изображения с разными цветами, что дает зашифровать в них больше информации.
«Когда мы направляем на поверхность материала достаточно мощное излучение, кристалл уже не может преобразовать его и начинает разрушаться, вследствие чего формируется цветной дефект. Этот дефект соответствует цвету длины волны, которую должна излучать структура. Например, если мы посветим на изделие инфракрасным лазером с длиной волны, равной 1000 нанометров, то материал преобразует эту длину волны в 500 (длина волны зеленого цвета). Это означает, что при большой мощности лазера на структуре появится дефект зеленого цвета», — объясняет Анастасия Ефимова, первый соавтор статьи, инженер физического факультета ИТМО.
Варьируя длины волн лазера, ученые могут формировать дефекты от сине-фиолетового до красно-оранжевого и розового цветов.
«В защитную метку можно будет зашифровать информацию с помощью QR-кодов. При этом мы сможем гарантировать, что этот QR-код невозможно будет повторить, потому что каждый цветной “пиксель” метки будет обладать уникальным спектром рассеяния, а каждый черно-белый сможет менять свой оттенок в зависимости от энергии в лазерном импульсе, используемой для его создания», — подчеркивает Николай Жесткий, главный автор статьи, инженер физического факультета ИТМО.
QR-коды на поверхности (C) и в объеме (D) микрокристалла МОК. Схема предоставлена учеными
Статья: Nikolaj Zhestkij, Anastasiia Efimova, Yuliya Kenzhebayeva, Svyatoslav Povarov, Pavel Alekseevskiy, Sergey Rzhevskiy, Sergei Shipilovskikh, and Valentin Milichko. Grayscale to Multicolor Laser Writing Inside a Label-Free Metal-Organic Frameworks. Advanced Functional Materials, 2024
Елизавета Кокорина
Журналист
Источник: https://news.itmo.ru/

Исследователи из Объединенного института высоких температур РАН и МФТИ изучили сажеобразование в ходе пиролиза углеводородов. Итоги работы ученых можно использовать при моделировании процессов горения и производстве технического углерода.
Результаты исследований опубликованы в журнале «Кинетика и катализ». На большинстве промышленных предприятий применяют углеводородное топливо. В ходе его сгорания или пиролиза выделяется тепловая энергия и вредные вещества, в частности, сажа. Сажа представляет собой наночастицы аморфного углерода.
Любопытно, что в русском языке слово «сажа» ассоциируется исключительно с отходом. При этом есть заводы по производству сажи, только в этом случае ее именуют техническим углеродом. Характеристики технического углерода: размер частиц, плотность и пористость — зависят от условий его получения.
Оптимизация процессов горения углеводородов позволит снизить выбросы сажи, которая оказывает негативное воздействие на окружающую среду и здоровье человека. Кроме того, на предприятиях, где производят технический углерод, необходимо прогнозировать свойства углеродных наночастиц. Благодаря этому будет получен товарный продукт с нужными характеристиками. Данные обстоятельства мотивировали ученых из ОИВТ РАН и МФТИ изучить закономерности образования сажи при пиролизе органических веществ, включая не только углеводороды различной структуры: метан, ацетилен, этилен и бензол, — но и перспективные биотоплива, такие как этанол, диметиловый эфир, фуран и другие.
Для экспериментов ученые использовали ударную трубу стандартной конструкции (Рисунок 1). Ударной трубой называют установку, состоящую из двух камер, которые разделены диафрагмой. Камеру высокого давления заполняют толкающим газом, водородом или гелием, а камеру низкого давления — исследуемой смесью углеводородов. Вследствие разницы давлений происходит самопроизвольный разрыв диафрагмы, и по исследуемой газовой смеси распространяется ударная волна. После прохождения вдоль камеры низкого давления она отражается от торца трубы. За фронтом отраженной ударной волны формируется неподвижный объем газа с температурой, равной или превышающей характерные значения температур горения в промышленных установках. В данной работе исследования были проведены в диапазоне температур 1400─2500 K.
Объемную долю наночастиц сажи, образующихся при пиролизе исследуемых веществ, ученые определяли методом лазерной экстинкции. Под экстинкцией понимают ослабления пучка света в процессе его распространения в среде из-за поглощения и рассеяния на наночастицах.
Размер наночастиц устанавливали методом лазерно-индуцированной инкандесценции. Для этого сажу нагревали неодимовым лазером Nd:YAG. Параметры работы лазера следующие: длина волны — 1064 нм, длительность импульса — 12 нс, плотность энергии излучения — не более 0,1 Дж/см2. Вследствие теплообмена с окружающей средой сажа охлаждалась. Тепловое излучение наночастиц в течение их нагрева и последующего охлаждения регистрировали фотоэлектронными умножителями. Экспериментальные сигналы далее сопоставляли с расчетными, полученными в ходе моделирования. В основе модели лежит система уравнений, которые описывают законы сохранения массы и энергии для сферической наночастицы углерода.
Применение метода лазерной экстинкции на длине волны 633 нм показало диапазоны температур, которые соответствуют максимуму объемной доли сажи, образующейся при пиролизе разных углеводородов (Рисунок 2). Наибольшее количество сажи получено из бензола, примерно вполовину меньше — из ацетилена и фурана. Вместе с тем, бензол, тетрагидрофуран и диэтиловый эфир быстрее превращается в сажу, чем другие углеводороды. Из всех изученных соединений самый широкий температурный интервал сажеобразования у ацетилена. Размер частиц сажи находится в диапазоне 7─21 нм.
Во время пиролиза метанола, этанола, н-бутанола, диметилового эфира и диметоксиметана не зарегистрировано сигналов экстинкции. Следовательно, эти представители биотоплив не склонны к сажеобразованию в данных экспериментальных условиях.
«Мы установили, что больше всего сажи образуется из веществ с циклической структурой, а минимальные количества — из спиртов и линейных эфиров, не имеющих углерод-углеродных связей C – C, — говорит Александр Еремин, заведующий лабораторией неравновесных процессов ОИВТ РАН. — На основании полученных данных мы составили схему относительной склонности к сажеобразованию исследованных углеводородов, первое место в которой занимает бензол».
Ученые также смоделировали процесс пиролиза углеводородов в зависимости от времени. Вычисления выполнены с помощью модели CRECK, разработанной в Миланском политехническом университете. Установлено, что для ацетилена и бензола расчетные и экспериментальные значениями не согласуются. Объясняется это тем, что в модели CRECK не учтено участие полиинов в процессе образования сажевых частиц. Полиины — это органические соединения, молекулы которых содержат не менее трех тройных углерод-углеродных связей C ≡ C.
«Отсутствие полииного пути в механизме сажеобразования снижает прогностическую точность модели CRECK, — пояснил Василий Золотаренко, магистр Физтех-школы электроники, фотоники и молекулярной физики, МФТИ. — Из-за этого расчетный выход частиц углерода при пиролизе бензола и ацетилена сильно недооценен».
Результаты, полученные учеными, могут быть использованы для определения погрешностей и последующей корректировки существующих моделей горения и сажеобразования.
Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ.
Источник: https://naked-science.ru/

Китайская лаборатория глубокого космоса (DSEL) впервые в мире успешно провела лазерную дальнометрию Земля-Луна в условиях яркого дневного света. В ходе двухдневного эксперимента 26–27 апреля 2025 года лазерный луч, отправленный с Земли, преодолел 130 000 км, отразился от спутника Tiandu-1, находящегося на окололунной орбите, и вернулся, обеспечив точность измерений до сантиметров. Прорыв реализован с использованием спутника, запущенного в марте 2024 года.
Лазерная дальнометрия — это высокоточный метод определения орбит, при котором наземные станции посылают наносекундные импульсы лазера, отражающиеся от ретрорефлекторов на спутниках. Отраженный сигнал позволяет измерить расстояние с точностью до сантиметров. Если для спутников на низкой околоземной орбите такая технология применяется даже днем, то для Луны солнечный свет создавал помехи, ограничивая измерения ночным временем. DSEL преодолела эту проблему, успешно проведя дальнометрию в условиях яркого дневного света. «Это сравнимо с попаданием в волос с расстояния 10 км», — отметили в лаборатории, подчеркивая сложность задачи из-за высокой скорости спутников в окололунном пространстве.
Эксперимент проводился с использованием спутника Tiandu-1, который вместе с Tiandu-2 и Queqiao-2 был запущен для тестирования сети связи и навигации. Ученые из Обсерваторий Юньнаня Китайской академии наук зафиксировали четкие сигналы от Tiandu-1, находившегося на расстоянии около трети пути к Луне. Успех стал возможен благодаря высокой точности лазерного оборудования и способности подавлять солнечные помехи. Это позволяет проводить измерения в любое время суток, значительно увеличивая объем данных для точного определения орбит.
Лазерная дальнометрия — основа для сети Queqiao, которая обеспечит непрерывную связь, высокоточную синхронизацию времени и автономную навигацию для лунных посадочных модулей, роверов и будущих астронавтов. Китай планирует высадку на Луну к 2030 году и начало строительства Международной лунной исследовательской станции на южном полюсе Луны к 2035 году в партнерстве с Россией. Станция будет исследовать кратеры с запасами водяного льда, а лазерная технология обеспечит точное управление посадкой и координацию экспедиций.
DSEL планирует расширить дневные испытания, увеличив дальность и частоту лазерных импульсов, чтобы интегрировать технологию в повседневные операции глубокого космоса. Помимо этого, Китай разрабатывает систему управления космическим движением для координации до 100 000 спутников на низкой орбите к концу десятилетия. В рамках миссии Chang’e-8, запланированной на 2028 год, Китай и Россия тестируют ядерный реактор и альтернативные источники энергии для лунной станции.
Источник: https://www.ixbt.com/

Лазеры традиционно ассоциируются с нагревом, однако при определённых условиях они способны и охлаждать, что делает их перспективным инструментом для борьбы с перегревом в дата-центрах. Эту возможность изучает стартап Maxwell Labs, разработавший метод лазерного охлаждения чипов с помощью пластин из арсенида галлия. Технология позволяет отводить тепло строго из горячих зон процессоров и даже частично возвращать его в виде энергии. Несмотря на высокую стоимость материалов и отсутствие полноценного прототипа, компания планирует начать поставки первых устройств уже через два года.
Рассеивание тепла — серьезная проблема дата-центров. Около 30%-40% энергии, потребляемой этими объектами, идет на охлаждение серверов и высокопроизводительных компьютеров. Это делает эксплуатацию дорогой, а также истощает местные ресурсы. В последние годы внедряются разные методы охлаждения, от традиционного воздушного до жидкостного. Maxwell Labs работает над принципиально новым подходом — лазерным фотонным охлаждением.
В основе технологии лежат особые холодные пластины из сверхчистого арсенида галлия (GaAs). При воздействии на них сфокусированных лазерных лучей определенной длины волны, пластины не нагреваются, а, наоборот, охлаждаются. Благодаря высокой подвижности электронов в GaAs полупроводник отводит тепло в заданных участках. Этот метод предназначен для поддержки, а не замены существующих систем охлаждения.
На практике это должно работать так: тонкие (менее милиметра) пластины из GaAs размещают на самых горячих участках процессоров. Микроскопический рисунок на полупроводнике точно направляет лазерные лучи на эти точки, обеспечивая точечное охлаждение. Это эффективно, так как тепло отводится именно там, где оно выделяется, а не охлаждается вся система целиком. Более того, технология позволяет не просто отводить тепло, но и возвращать обратно. Оно преобразуется в фотоны, которые можно снова использовать для получения электроэнергии. Это потенциально повысит энергоэффективность вычислительных систем.
Недостаток новой методики — ее дороговизна.
Для получения сверхчистых пластин GaAs нужны сложные и энергозатратные технологии, такие как молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE) или металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы (MOCVD). Из-за необходимости получения сверхчистых кристаллов велик риск дефектов, что увеличивает затраты. На данный момент 200-миллиметровая пластина GaAs может стоить около $5000, в то время как кремниевая пластина такого же размера — всего $5.
Транзисторы на арсениде галлия нельзя напрямую встроить в кремниевые чипы на одной подложке. Однако для охлаждения чипов или чиплетов их можно использовать через гетерогенную 3D-интеграцию или склеивание пластин — технологии, применяемые в кремниевой фотонике. Эти методы хоть и дорогие, но обходятся дешевле, чем сами GaAs-пластины.
Пока эта идея существует лишь в виде экспериментов и компьютерных моделей. Результаты моделирования выглядят многообещающе, но работоспособность метода еще не подтверждена реальными испытаниями — пока тестировались только отдельные части, а не вся система целиком. Maxwell Labs рассчитывает создать действующий прототип к осени 2025 года. Компания уже нашла клиентов для своей первой версии под названием MXL-Gen1 и планирует начать поставки в течение следующих двух лет. Более широкое распространение технологии ожидается к концу 2027 года.
Источник: https://hightech.plus/

Коллектив ученых из университетов России, Китая и Германии разработали новый метод лазерной металлизации почти любой поверхности — даже изогнутой. В своем исследовании они показали, как с помощью лазера можно «рисовать» металлом по стеклу, полидиметилсилоксану, полиимиду и другим материалам. Разработанная технология позволит создавать или ремонтировать печатные платы и составляющие микроэлектроники быстрее, дешевле и проще. Результаты работы были опубликованы в журнале Advanced Engineering Materials.
Классическая литография — многоступенчатый процесс. Чтобы создать даже одну небольшую деталь, требуется дорогостоящее оборудование и штат специалистов. Запустить подобное производство могут лишь крупные компании, в которых создание печатных плат поставлено «на поток». Другие же вынуждены обращаться в специализированные организации. Часто ждать готового изделия приходится больше месяца. Кроме того, есть вероятность ошибки на стадии проектирования, из-за чего приходится делать заказ вновь.
Ученые ИТМО придумали, как упростить и ускорить процесс металлизации поверхности. Они разработали метод безшаблонной лазерной металлизации, который позволяет наносить изображения даже на изогнутые поверхности. Для создания таким способом металлического рисунка требуется лишь лазерная установка и специальный химический раствор. А справиться с задачей сможет даже один специалист.
«Процесс металлизации в этом случае проходит в три основных этапа. Сначала поверхность, на которую необходимо нанести металл, покрывают глубоким эвтектическим раствором — в нем два твердых вещества, смешиваясь, понижают температуру плавления друг друга и превращаются в вязкую жидкость. В такой смеси легко растворяются соли металлов. Затем пластинка помещается в лазерную установку, и лазер по заданной в программе схеме «рисует» лучом по поверхности. Луч лазера локально разогревает пленку глубокого эвтектического раствора и вызывает химическую реакцию восстановления металла из ионной формы в металлическую. После ненужный раствор просто смывается водой», — рассказал один из авторов исследования, кандидат химических наук, научный сотрудник физического факультета ИТМО Лев Логунов.
Разработка позволяет создавать медные структуры на криволинейной поверхности, RFID-метки, печатные платы и элементы микроэлектроники. Ученым уже удалось успешно нанести таким способом медный рисунок на стекло, полиимид, полидиметилсилоксан, стеклотекстолит и даже лист растения. В планах поработать с материалами с низкой температурой плавления, например, пластиком.
Главная задача ученых сейчас — доработать установку, чтобы ее можно было использовать в индустрии. По их словам, подобных коммерческих проектов в мире насчитывают единицы — в основном работают лишь отдельные научные группы в исследовательских центрах. Однако запрос на рынке есть.
Исследование поддержано грантом РНФ № 23-73-00060.
Ксения Десяткова
Источник: https://news.itmo.ru/

От концепции «убрать все лишнее», свойственной токарным и фрезеровочным технологиям, производства постепенно переходят к принципу «добавить только то, что необходимо» - аддитивным технологиям - 3D-печати.
Доступные для личного использования в условиях квартиры 3D-принтеры в основном печатают пластиком. Производства же, выпускающие продукцию для авиации, космонавтики, медицины и энергетики, могут создавать и детали из металлов, используя сырье в виде порошков. Для того чтобы их сплавить, используются станки для печати, в основе которых лежат лазеры. Методы лазерной печати различаются, каждый со своими преимуществами, недостатками и областями применения.
Рассказываем о лазерных технологиях 3D-печати на примере опыта Центра аддитивных технологий Самарского национального исследовательского университета им. ак. С.П. Королева.
Аддитивные технологии начали уверенно конкурировать с классическими методами производства относительно недавно — 10–15 лет назад. Но за это время они уже показали свои преимущества перед фрезеровкой, токарной обработкой, литьем или штампованием. Создавать заготовки и детали таким методом зачастую оказывается дешевле и быстрее без ущерба качеству — при этом с возможностью создавать конструкции со сложной геометрией, нереализуемые с помощью других технологий, — например, детали с комплексом внутренних каналов. Применяя классические методы, сложные детали тоже возможно изготовить, но как набор разных элементов, которые позже так или иначе надо объединять. 3D-печать же позволяет создавать изделие как единое целое.
«Важное преимущество аддитивных технологий - это сроки изготовления. Производство классическими способами подразумевает несколько этапов: резку, вытачивание, сварку, постобработку… Все это занимает достаточно много времени. Только производство форм для литья может занять полгода-год. За это время мы уже выпустим необходимые объемы готовой продукции. Мы сразу создаем единое изделие и можем получить его значительно быстрее: снижаются трудоемкость изготовления и итоговая стоимость. Но подчеркну: аддитивные технологии - это заготовительное производство. Все изделия создаются с той или иной погрешностью и требуют большей или меньшей постобработки», - рассказал старший преподаватель кафедры технологий производства двигателей Самарского университета Вячеслав Петрович Алексеев.

Основные материалы, которые применяют для печати, - это алюминиевые жаропрочные сплавы, детали из которых особенно востребованы в ракетостроении, марки нержавеющий стали, титановые и кобальт-хромовые сплавы. И если в начале развития аддитивных технологий в России сырье было в большей степени импортным и малодоступным, то сегодня отечественные металлопорошковые композиции высокого качества широко распространены на рынке.
Кстати, работая с металлом, инженеры не отказываются и от более доступного пластика - технологии FDM (Fused Deposition Modeling). Относительно дешевые полимерные материалы позволяют без лишних затрат создать деталь до ее воплощения в металле и посмотреть, нужно ли вносить изменения в проект. Так получается сэкономить достаточно дорогие металлические порошки.
«Изготовление прототипов деталей из пластиков, например, широко распространено в автомобильной промышленности. Создавать какой-либо блок достаточно долго, и надо заранее понимать, как будут компоноваться последующие изделия. Поэтому используются детали, выращенные из пластика: они позволяют оценить, насколько деталь подходит и можно ли использовать ее или надо вносить в проект изменения. Это еще одно важное преимущество аддитивных технологий: они позволяют быстро изменять конструкцию», - отметил В.П. Алексеев.
Селективное лазерное сплавление
Наиболее востребованная сегодня технология аддитивного производства - селективное лазерное сплавление (SLM - Selective Laser Melting), позволяющее создавать действительно сложные конструкции с высокой точностью.
Созданная 3D-модель разделяется на слои толщиной около 50 мкм. В камере принтера, насыщенной инертным газом ― аргоном или азотом, - установлена плита построения, на которую наносится слой металлического порошка. По заданному контуру лазер спекает на плите слой порошка, после чего платформа опускается на толщину слоя, а оставшийся порошок просеивается и используется заново. Так процесс повторяется, пока деталь не будет готова.
Важное ограничение технологии - размер выращиваемой детали зависит от размеров станка. И пока они не очень велики: принтеры в Самарском университете позволяют печатать детали не более 350 мм3. Самые большие станки в России позволяют создавать изделия размером 600 мм3, а за рубежом - 1,2 тыс. мм3. А если учитывать слои сплавления около 50 мкм, изготовление крупной детали может занять несколько дней.
Прямое лазерное наплавление
Технология прямого лазерного выращивания DMD применяется для производства крупногабаритных деталей и заготовок. В отличие от SLM этот метод гораздо более производителен: за час работы принтера возможно получить около 1 кг заготовки. Хотя и точность выращенных деталей будет ниже, чем при использовании технологии селективного лазерного спекания.
На роботе-манипуляторе закреплен рабочий инструмент, на который через четыре отверстия подается металлический порошок. В роли транспортного газа, проталкивающего порошок, используется аргон. Лазерный луч в точке пересечения четырех потоков порошка расплавляет металл, наращивая его на поверхности.
«Одно из преимуществ технологии прямого лазерного выращивания - это возможность отказаться от поддерживающих структур. За счет того, что робот может работать в разных плоскостях, а стол вращаться, мы можем создавать определенные навесные элементы и приблизиться к итоговой геометрии. В технологии SLM для этого строятся поддерживающие структуры, которые потом необходимо удалять, - это дополнительная слесарная работа», - рассказал аспирант Самарского университета Евгений Петрович Злобин.
Технология широко используется в двигателестроении, судостроении и атомной промышленности. «Росатом», например, планирует таким образом создать выгородку для атомного реактора весом 11 т. Учитывая небольшие сроки изготовления деталей, особенно выгодно применять метод при изготовлении мелкосерийного производства.
Электродуговое выращивание
Технология Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM, электродуговое выращивание) - это фактически электродуговая сварка с применением робота-манипулятора. По заданной геометрии станок наплавляет проволоку, формируя деталь. Это достаточно доступный метод, с помощью которого можно быстро создавать крупные надежные конструкции: робот в Самарском университете может создать деталь 1,5м³. Но при таком подходе снижается точность готового изделия.
«Проволочный материал - доступный и дешевый, а самое главное, технология понятна. Дело в том, что при создании ответственных деталей с использованием аддитивных технологий сегодня часто возникают вопросы паспортизации и стандартизации - актуальная проблема, о которой говорят все участники рынка. Чтобы мы получили право на использование порошка металла для той же технологии SLM, сырье должно пройти паспортизацию - это занимает время. В ситуации с технологией WAAM все проще», - отметил В.П. Алексеев.
Большая часть оборудования в Самарском университете — российского производства: из пяти принтеров, работающих по технологии SLM, четыре российских. Отечественный же и принтер с технологией DMD.
«Отрасль отечественного оборудования быстро развивается, и на рынке появилось достаточно много игроков, которые выпускают качественное и стабильное оборудование. Это сильно радует. Мы на своем примере показываем, что на этом оборудовании можно и нужно работать. Качество выпускаемых изделий соизмеримо: в первую очередь оно зависит от подбора определенных режимов сплавления», - говорит В.П. Алексеев.

Говоря о перспективах развития технологии, ученый отмечает, что рынок могут изменить подходы, которые позволят печатать детали без поддерживающих структур. Так будет возможно отдавать заказчику практически полностью готовые изделия, не требующие дополнительной обработки. Еще одна важная задача - снижение шероховатости на этапе аддитивного производства. Сейчас для этого заготовки после печати обрабатывают абразивными пастами, что удлиняет цикл производства.
Информация взята с портала «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/)

Сжатие энергии: как учёные приручили хаос в ускорителях размером с ладонь.
Учёные из немецкого исследовательского центра DESY сделали важный шаг в развитии технологии лазерно-плазменных ускорителей — компактной и перспективной альтернативы гигантским ускорительным установкам, которые сегодня используются в физике частиц. Традиционные ускорители громоздки и дороги: они требуют километров трасс и мощных магнитов, чтобы разгонять частицы до нужных скоростей. Но команда DESY приблизила нас к будущему, в котором такие эксперименты можно будет проводить с помощью устройств размером всего в несколько сантиметров.
Лазерно-плазменные ускорители работают не за счёт обычных магнитов, а с использованием мощных лазерных импульсов и плазменных волн. Эти волны создают электрическое поле, способное эффективно разгонять электроны. Проблема в том, что получающиеся электронные пучки пока недостаточно стабильны и предсказуемы — электроны в них могут обладать разной энергией и двигаться неравномерно, что мешает использовать такие пучки в реальных установках.
Новая работа учёных из DESY предлагает и демонстрирует решение этой проблемы — двухступенчатую систему коррекции. Сначала электронные пучки с неравномерным распределением энергии пропускаются через специальную магнитную систему под названием «чика́на». Это устройство буквально растягивает пучок во времени и сортирует электроны по их энергии: быстрые выходят вперёд, медленные — остаются сзади. Затем этот отсортированный пучок направляется в радиочастотный резонатор — прибор, похожий на те, что используются в обычных ускорителях. Он либо замедляет быстрые электроны, либо ускоряет медленные, в итоге выравнивая их энергии.
Результат впечатляющий: колебания энергии внутри пучков удалось уменьшить в 18 раз, а стабильность между разными пучками выросла в 72 раза. Это делает лазерно-плазменные ускорители сравнимыми по качеству с традиционными, но при этом они в десятки раз компактнее и потенциально дешевле.
Впервые эта технология, ранее существовавшая только на уровне идеи, была реализована в эксперименте. Как отмечают авторы, теперь путь к практическому применению лазерно-плазменных ускорителей стал реальнее. В будущем они могут использоваться, например, в качестве источника электронов для рентгеновских машин нового поколения, таких как PETRA III — установка в DESY, производящая сверхяркие рентгеновские лучи для изучения молекул, материалов и биологических образцов.
Хотя впереди ещё много работы — улучшение лазеров, перевод технологии в режим непрерывной работы — уже сейчас ясно: миниатюрные ускорители становятся всё более серьёзным претендентом на то, чтобы изменить будущее физики частиц и научных исследований.
Подробнее: https://www.securitylab.ru/

Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли утверждают, что открыли новый цвет, который невозможно увидеть в обычных условиях. С помощью лазера они стимулировали отдельные клетки сетчатки глаза, в результате чего участники эксперимента увидели оттенок, выходящий за пределы естественного восприятия человеческого зрения. Об этом рассказала The Guardian.
Новый цвет получил название olo. По словам учёных, его можно описать как сине-зеленый, но это не передаёт всей насыщенности и необычности ощущений.
«Мы предполагали, что это будет беспрецедентный цветовой сигнал, но не знали, как мозг его интерпретирует, — сказал один из исследователей, инженер Рен Энг (Ren Ng). — Это оказался потрясающий и невероятно насыщенный оттенок».
Чтобы хотя бы приблизительно показать olo, исследователи опубликовали изображение бирюзового квадрата, но подчеркнули, что настоящий цвет можно увидеть только при прямом воздействии лазера на сетчатку. «Невозможно передать этот цвет на мониторе и то, что мы видим, — это лишь подобие настоящего olo», — объясняет Остин Роорда (Austin Roorda), специалист по зрению.
Человеческий глаз различает цвета благодаря трём типам колбочек в сетчатке, которые реагируют на длинные (L), средние (M) и короткие (S) волны света. В природе свет всегда смешанный, поэтому колбочки активируются одновременно. Однако учёные смогли избирательно стимулировать только M-колбочки, что и привело к появлению olo — цвета, который в обычных условиях увидеть невозможно. Интересно, что название olo происходит от двоичного числа 010, указывающего именно на то, что из колбочек L, M и S включены только колбочки M.
Эксперимент, результаты которого опубликованы в Science Advances, вызвал споры среди специалистов. Например, Джон Барбур (John Barbur), исследователь зрения из Лондонского университета, считает, что olo — вовсе не новый цвет, а просто более насыщенный зелёный оттенок. По его мнению, работа имеет «ограниченную ценность».
Однако исследователи из Беркли уверены, что их метод, названный Oz Vision, — в честь Изумрудного города из книг Фрэнка Баума (Frank Baum), — поможет лучше понять, как мозг обрабатывает зрительную информацию и в будущем эта технология может быть полезна для изучения дальтонизма и заболеваний сетчатки.
Смогут ли обычные люди увидеть olo? Пока нет. «Это фундаментальная наука, — пояснил Энг. — Мы не сможем воспроизвести этот цвет на смартфонах или телевизорах в ближайшее время. Даже технология VR здесь бессильна». Мозг человека сможет распознать этот цвет только в лабораторных условиях, но в будущем это открытие, возможно, изменит наши представления о зрении и восприятии мира.
Источник:
https://3dnews.ru/