Новая презентация

1.

Презентация по химии на тему
“Создание новых материалов”
Студент группы сис-25 Морозов
Максим

2.

Создание новых материалов в химии:
Это целенаправленный синтез веществ и композиций,
которые обладают заранее заданными, часто уникальными
свойствами, отсутствующими или слабо выраженными
у природных и традиционных материалов.
Главный принцип:
управляя структурой на атомном / молекулярном уровне
→ мы управляем свойствами (прочность, проводимость,
пористость, реакционная способность, оптика и др.)
Современное создание материалов включает:
• точный химический синтез
• нанотехнологии и 2D-материалы
• самосборку молекул
• компьютерное моделирование и ИИ для предсказания структур
Результат — материалы для энергетики, медицины,
электроники, экологии и космоса, которые
определяют технологии ближайших десятилетий.

3.

Графен
Графен — двумерный материал, состоящий из одноатомного слоя углерода, организованного в
гексагональную решётку. Простыми словами, это супертонкий материал, соединённый в виде формы
пчелиной соты
Графен открыли в 2004 году британские учёные российского происхождения Андрей Гейм и Константин
Новоселов. За свою работу Гейм и Новоселов были удостоены многих научных наград, в том числе
Нобелевской премии по физике в 2010 году.

4.

Свойства
Некоторые свойства графена:
Прочность — графен примерно в 200 раз прочнее стали. При этом способен растягиваться до 20% от
своей первоначальной длины без разрушения.
Электропроводность — благодаря уникальной электронной структуре электроны в графене ведут себя
как безмассовые частицы, что обеспечивает высокую подвижность носителей заряда. Это свойство
делает графен идеальным материалом для создания высокочастотных транзисторов и других
электронных компонентов.
Теплопроводность — около 5000 Вт/м·К при комнатной температуре, что значительно превышает
показатели меди и других традиционных материалов. Это свойство особенно важно для применения в
электронике, где эффективный отвод тепла — критически важный фактор.
Оптические свойства — несмотря на то, что это самый тонкий материал в мире, он поглощает около
2,3% падающего света в широком диапазоне длин волн. При этом графен практически прозрачен в
видимом диапазоне, что делает его перспективным материалом для создания прозрачных электродов и
дисплеев.
Химическая стабильность — графен устойчив к агрессивным средам, что расширяет сферы
применения.

5.

Получение
Есть несколько основных методов получения графена:
Механическое отслаивание (метод скотча) —
первоначальный способ, использованный Геймом и
Новоселовым. Графит обрабатывают липкой лентой,
постепенно отделяя слои до одноатомной толщины.
Несмотря на простоту, метод непрактичен для массового
производства из-за низкого выхода.
Химическое осаждение из газовой фазы (CVD) —
наиболее перспективный промышленный метод.
Углеродсодержащие газы (например, метан) подаются на
металлическую подложку из меди или никеля, где при
высоких температурах происходит распад молекул и
образование графена. CVD позволяет создавать большие
листы материала, пригодные для электроники. Главные
минусы способа — высокая стоимость и
энергозатратность.
Химическое окисление и восстановление графита —
графит обрабатывают кислотами и окислителями,
превращая в оксид графита.

6.

Применение
Графен используется в различных областях, например:
Электроника и нанотехнологии — высокая проводимость и миниатюрность графена открывают путь к
созданию сверхбыстрых транзисторов, гибкой электроники и прозрачных сенсорных экранов.
Энергетика — в солнечных панелях графен повышает эффективность преобразования света, а в
аккумуляторах увеличивает ёмкость и скорость заряда.
Медицина — создание биосенсоров, систем адресной доставки лекарств и материалов для тканевой
инженерии.
Защитные материалы — исследования продемонстрировали, что графеновые слои способны поглощать
удары в два раза эффективнее, чем кевлар, что открывает путь к созданию сверхлёгкой защитной
экипировки.
Однако применение графена в промышленных масштабах всё ещё ограничено технологическими
проблемами и высокой стоимостью производства.

7.

Как в 1970-х создание новых материалов спасло мир?
Чем заменили ХФУ (CFCs)?
Замена шла в два этапа (переходный и
окончательный), потому что сразу найти идеальный
заменитель не получилось.
Сначала (конец 1980-х – 2000-е годы) —
переходные вещества: ГХФУ (HCFCs)
Гидрохлорфторуглероды, например HCFC-22 (R-22,
CHF₂Cl), HCFC-141b, HCFC-142b, HCFC-123.
Они содержат водород → разрушаются в нижних
слоях атмосферы быстрее, чем CFCs →
озоноразрушающий потенциал (ODP) в 5–20 раз
ниже.
Поэтому их использовали как временную замену в
холодильниках, кондиционерах, пенах и некоторых
аэрозолях.
Но они всё равно немного разрушают озон → их
тоже начали выводить (развитые страны — к 2020,
В 1970–1980-е годы учёные (в первую очередь Марио Молина и Шервуд Роуленд,
Нобелевская премия 1995) доказали, что хлорфторуглероды (ХФУ, CFCs, фреоны) —
такие как CFC-11 (CCl₃F), CFC-12 (CCl₂F₂) — разрушают озоновый слой. Эти вещества
массово использовались:
в аэрозолях (дезодоранты, лаки для волос, бытовая химия) как пропелленты
(выталкивающий газ),
в холодильниках, кондиционерах и промышленном охлаждении как
хладагенты,
для производства пенопластов (теплоизоляция).
В 1987 году подписали Монреальский протокол — первое по-настоящему глобальное
соглашение по защите окружающей среды. Производство и потребление ХФУ начали
поэтапно запрещать (полный запрет в развитых странах к 1995–1996 годам, в
развивающихся — чуть позже).

8.

Современные (2020-е годы) и самые
Долгосрочная замена (с 1990-х по настоящее время) — ГФУ (HFCs экологичные замены
Современные (2020-е годы) и самые экологичные замены
Гидрофторуглероды, полностью без
хлора → не разрушают озоновый
слой (ODP = 0).
Самые известные: HFC-134a (R134a, CF₃CH₂F) — основной в
бытовых холодильниках и
автокондиционерах, HFC-410A,
HFC-404A, HFC-32 и др.
В аэрозолях часто перешли на
HFC-152a, HFC-134a или вообще
на пропелленты без фтора (сжатый
воздух, азот, углекислый газ,
углеводороды типа пропана/бутана).
Проблема: HFCs — мощные
парниковые газы (GWP от сотен до
тысяч раз выше CO₂) → их тоже
начали ограничивать (поправка
Кигали к Монреальскому протоколу
2016 года, поэтапное сокращение).
Природные хладагенты
(углеводороды): R-600a (изобутан), R290 (пропан) — в новых бытовых
холодильниках (очень распространено в
Европе, Азии, России).
CO₂ (R-744) — в супермаркетах,
промышленном холоде.
Аммиак (R-717) — в больших
промышленных системах.
HFO (гидрофторолефины, например
HFO-1234yf, HFO-1234ze) — низкий
GWP (<1–6), уже в автокондиционерах и
некоторых бытовых системах.

9.

Создание новых материалов в космосе
Новые материалы для космоса: почему это важно?
Космос — экстремальная среда:
• температура от –270 °C до +1200 °C
• вакуум, радиация, микрометеориты
• перегрузки при старте и посадке
Химики создают материалы, которые:
• выдерживают 10–20 лет без ремонта
• весят в 10–100 раз меньше традиционных
• отражают/поглощают излучение с рекордной эффективностью
Сегодня это уже не фантастика:
солнечные паруса
аэрогели
метаматериалы
самовосстанавливающиеся композиты

10.

В 2016 году российский миллиардер Юрий Милнер (основатель DST Global)
инвестировал 100 млн долларов в проект Breakthrough Starshot.
Цель: отправить крошечные зонды к Альфа Центавра за 20 лет.
Ключевой материал — сверхотражающие паруса (не обычное стекло, а
ультратонкие диэлектрические плёнки и фотонные кристаллы):
• отражают лазерный свет с эффективностью более 99,9 %
• толщина ≈ 1–4 микрометра (легче бумаги!)
• выдерживают давление света лазера мощностью в гигаватты
Формула принципа разгона:
F=2Pc F = \frac{2P}{c} F=c2P​
(где P — мощность лазера, c — скорость света)
Результат: зонд разгоняется до 20 % скорости света!
Это первый реальный проект, где материал создан специально под лазерный
парус для межзвёздных перелётов.

11.

Почему это хорошо для химии?
Милнер показал: частные
инвестиции + химия на атомном
уровне = материалы, которые
вчера считались невозможными.
Сегодня такие же
сверхотражающие покрытия уже
тестируют для:
• солнечных парусов NASA и ESA
• защиты спутников от лазерного
оружия
• зеркал будущих космических
телескопов

12.

Создание новых материалов в сфере ИИ
Сегодня ИИ очень важен не только
в научных, но и в повседневных
задачах. Поэтому инженеры и
ученые создают материалы которые
могли бы выполнять эффективнее
задачи для ИИ сферы.
2D-материалы в нейроморфных чипах для
ИИ
для энергоэффективного ИИ
MoS₂ (дисульфид молибдена),
графен, чёрный фосфор, другие TMD
(transition metal dichalcogenides)
Почему для ИИ: атомарная толщина
→ сверхнизкое энергопотребление,
tunable bandgap, отличная имитация
синапсов мозга
Применение: мемристоры и
искусственные синапсы в
neuromorphic computing
Достижения 2025–2026: устройства
на 2D-материалах показывают до
1000× меньшее потребление энергии
на операцию по сравнению с
традиционным кремнием
Перспектива: гибридные
нейроморфные чипы (Intel Loihi + 2D,
или новые прототипы из Nature 2025)

13.

Широкозонные полупроводники — GaN и SiC для мощного
(основа энергоэффективных дата-центров и ускорителей)
ИИ
Gallium Nitride (GaN) и Silicon Carbide (SiC) — третье поколение полупроводников
Свойства: широкий bandgap (>2.2–3.4 эВ), высокая теплопроводность, выдерживают высокое напряжение и
температуру
В ИИ:
○
GaN — в power-управлении дата-центров (быстрые зарядки, инверторы, меньше потерь)
○
GaN microLED + silicon → оптические нейроморфные сети (BRIGHT project 2026, свет вместо электричества →
радикально меньше энергии)
○
SiC — в высокомощных ускорителях и edge-АИ для авто/промышленности
(переход от электричества к свету в вычислениях)
Silicon Nitride (Si₃N₄), Gallium Nitride (GaN) для photonic integrated circuits
Почему важно для ИИ: оптические связи → пропускная способность в 10–100 раз выше, почти нулевые потери на
расстоянии, низкое тепло
Примеры 2025–2026:
○
3D photonic-electronic платформы (Columbia Engineering, Nature Photonics 2025) — рекордная
энергоэффективность и bandwidth density
○
GaN как native gain материал для on-chip лазеров и модуляторов
Будущее: photonic accelerators для inference больших моделей (меньше энергии, чем GPU)

14.

Будущее новых материалов:
Искусственный интеллект радикально меняет
материаловедение:
• Предсказание свойств материалов до их синтеза
• Обратный дизайн — от нужных свойств к структуре
• Генерация миллионов кандидатов за часы вместо
лет
• Автоматизированный цикл «предсказание →
синтез → проверка → обучение»
В ближайшие 5–10 лет ИИ позволит:
открыть тысячи сверхпроводников при
комнатной температуре
создать самовосстанавливающиеся и
биоразлагаемые электронику
разработать метаматериалы с
невозможными в природе оптическими и
механическими свойствами
ИИ + химия = материалы, которые определяют
технологии будущего

15.

Презентацию выполнил студент группы
сис-25 Морозов Максим.