10 materiale care vor schimba lumea

Calea spre viitor este pavată cu nano-tuburi și aero-geluri

Pentru a face o revoluție, nu este suficient să știi răspunsul la întrebarea "cum", mai este şi întrebarea "din ce". Acest lucru se aplică la revoluțiile tehnologice, în primul rând. Fără apariția noilor materiale nu ar fi nici calculatoare, nici telefoane mobile, nici panouri solare. Noi am ales zece dintre materialele, care ar trebui să asigure schimbări radicale în următoarele decenii.

 

 

1 Nanotuburi de carbon nu pot fi rupte

 

 

Ce este Acest tub, asamblat din atomi de carbon. Lungimea tubului este teoretic nelimitată, dar în practică nimeni nu a reuşit să crească un tub mai lung de 20 centimetri. Dar şi acest lucru este foarte mare în comparație cu dimensiunile atomului (10-10 m).

Ce putem face din ele. Potrivit futurologilor, nanotuburile sunt totul. De exemplu, ele sunt foarte, foarte, foarte rezistente. Întregul tub este o singură moleculă, care se rupe extrem de dificil. Calculele arată că firul de nanotuburi din mai multe straturi cu o grosime de un milimetru ar putea menţine o greutate până la 15 tone. Se sugerează că într-o zi cu ajutorul nanotuburilor va fi construit un ascensor în spațiul cosmic, să nu mai vorbim de cablurile banale pentru nevoile terestre.

Rezistenţa nu este totul. De exemplu, conductivitatea termică a axei din nanotuburi este aproape de zece ori mai mare decât la cupru. Totodată, într-o secţiune transversală, ele păstrează căldura la fel ca şi cărămida sau betonul. Din aceste tuburi se fac baterii, filtre de apă, ace pentru injecții intracelulare, capacităţi de stocare a hidrogenului și așa mai departe. Dacă viitorul ar avea o stemă, aceasta ar trebui să fie decorată cu coroane din nanotuburi.

Cât priveşte timpul actual, nanotuburile pot fi mai ușor găsite în laboratoare, decât în produsele comerciale. Cu toate acestea, au apărut materiale compozite cu utilizarea lor și, potrivit producătorilor, acestea sunt mai puternice decât cele convenţionale cu câteva zeci de procente. Din astfel de materiale se produc piese pentru bicicletele sport și corpurile la iahturi.

 

2 Grafen: carbon decorat cu Premiul Nobel

 

 

Cel mai Important lucru pe care îl știm despre grafen: pentru descoperirea lui, savanţilor ruşi Geim și Novoselov, le-a fost acordat Premiul Nobel, aceşti oameni de știință locuiesc în Marea Britanie și nu doresc să se mute la Skolkovo.

În esență, grafenul este o foaie plată din atomi de carbon, primul din cristalele dimensionale descoperite, posibilitatea de existență ale cărora de mult timp a fost pusă sub semnul întrebării. Aceste cristale nu pot fi crescute prin topire: ele se vor răsuci și vor fi distruse de vibrațiile termice. Însă o foaie plată de grafen se desparte real de grafit. Cu o bandă adezivă obișnuită, cum au făcut laureații Premiului Nobel, distrându-se vineri noaptea în laborator.

Grafenul alimentează mai multe speranțe decât nanotuburile. Proprietățile electrice magnifice îl fac o alternativă la semiconductorii de siliciu. El este extrem de rezistent: teoretic, benzile de grafen sunt de două sute de ori mai rezistente decât oțelul, aşa că proiectanții unui ascensor în spaţiu vor avea din ce alege. În plus, grafenul are o conductivitate termică excelentă și este aproape transparent. Acest lucru deschide calea pentru crearea gadget-urilor viitorului, cum ar fi lentilele de contact, pe care puteți transfera imaginea.

Există deja, produse noi destul de neobişnuite. În revista științifică de autoritate Science, a fost descris un experiment: pe de o parte a membranei de grafen au plasat vodcă, apoi prin membrană trecea numai apa, lăsând pe cealaltă parte alcoolul care cu fiecare oră doar se întărea.

Și acum pe piaţă sunt pe cale de apariţie produsele pe bază de grafen. Dar, deocamdată acest material este utilizat în principal în laboratoare.

 

3 Aero-gel: materie uşoară

 

 

Este un burete molecular de dioxid de siliciu, carbon sau din altă substanță, foarte poroasă - golurile microscopice pot constitui până la 99% din volumul său. Densitatea aero-gelului constă doar câteva kilograme pe un metru cub, aero-gelul este de doar 1,5-2 ori mai greu decât aerul și de 300-500 ori mai uşor decât apa. În ciuda proprietăţii eterice, aero-gelul este foarte puternic: o cutie mică de chibrituri menţine o cărămidă.

Aero-gelul, probabil, este cel mai bun material pentru izolare termică în lume: uşor, destul de puternic, insensibil la coroziune și putregai, nu arde în foc și, desigur, nu se scufundă în apă.

Aero-gelul poate reduce în mod considerabil pierderile de căldură în clădiri, sau invers, reduce costurile pentru aerul condiționat și funcţionarea sistemelor de refrigerare. Îmbrăcămintea ușoară și caldă, gresie transparentă pentru izolarea ferestrelor sunt dor aplicațiile cele mai evidente ale acestor materiale.

În baza aero-gelului pe bază de carbon pot fi create super-condensatoare, care combină o mare capacitate cu posibilitatea de a produce curent de înaltă tensiune la descărcare. Se planifică utilizarea aero-gelului pentru livrarea medicamentelor la celulele concrete și ca material pentru filtre.

Deocamdată aero-gelul este extrem de costisitor, deoarece el este încă utilizat în principal pentru necesităţile spațiale. Nu este vorba doar de izolare termică a roboţilor sau costumelor de scafandru, acest material a fost folosit ca o capcană pentru particulele de praf împrăștiate în spațiul cosmic: panourile din aero-gel au fost instalate pe aparatul american Stardust.

Şi dacă plăcile de aero-gel nu au dimensiuni exacte, valoarea lor scade considerabil. Astăzi se fac deja, haine cu utilizarea lui, la prețuri foarte accesibile (aproximativ $ 300).

 

4 Aliaj de substanţe cu efect de memorie: pentru a recăpăta o formă anterioară

 

 

Unele metale demonstrează o proprietate ciudată: ele pot fi îndoite şi vor păstra această formă ca şi o substanţă plastică, dar numai dacă ele nu sunt încălzite. În caz dacă se face acest lucru, piesa de la sine restabilește configurația originală. Efectul de memorie a fost descoperit chiar înainte de al doilea război mondial şi de atunci el se aplică în multe lucruri.

Din astfel de metale pot fi realizate orice obiecte care trebuie să schimbe forma lor, fără intervenție umană, de la manşon până la sutiene, piese de schimb pentru autovehicule.

În prezent aceste materiale sunt folosite într-o varietate de produse, inclusiv cele mai originale: încă în 1990 a fost construit primul robot, al cărui picioare se mişcă datorită efectului de memorie. Acum este necesar de a face această tehnologie mai avansată și mai ieftină.

 

5 Supraconductori de înaltă temperatură: pentru a nu pierde energia electrică

 

 

La temperaturi apropiate de zero absolut, unele metale devin supraconductoare, adică energia electrică trece prin ele fără nici o rezistență. În ultimele decenii, oamenii de ştiinţă au fost în măsură să creeze materiale care devin supraconductoare la temperaturi ridicate. "Ridicate" este un termen relativ și în acest caz înseamnă "mai sus de temperatura azotului lichid: -186 ° C". Dar acest lucru este deja un progres. "Produsele noi create cu utilizarea efectului de supraconductibilitate sunt deosebit de relevante pentru teritoriile noastre foarte extinse. Noi pierdem în continuare cantităţi uriașe de energie în timpul transportării prin teritoriul ţării, cantităţi uriaşe", - a spus Dimitrie Medvedev, adresându-se Adunării Federale în 2009. Oamenii de ştiinţă mai pragmatici imediat au început să scrie cereri pentru a obţine o finanțare suplimentară, mai puţin pragmatici făceau glume pe seama liniilor electrice umplute cu azot lichid pentru a obține un efectul de supraconductibilitate.
Dar, teoretic, acest lucru este posibil (însă trebuie să expire mai mulţi termeni prezidențiali). Ne putem închipui liniile electrice supraconductoare care transportă energia electrică consumatorului fără pierderi pentru încălzirea atmosferei. Totodată, în loc de cabluri încurcate, putem folosi o sârmă foarte subțire supraconductoare cufundată în agentul frigorific. Pentru acest lucru va fi suficient un tub mic şi nu va fi nevoie de o fâşie de protecţie largă de o sută de metri.

Acest domeniu de aplicare nu este singurul și, probabil, nici măcar principal al utilizării supraconductorilor, care permit să se construiască electromagneți puternici şi sunt necesari în tomografe, pentru manipulări cu plasmă în reactoarele termonucleare. Dacă supraconductorii nu vor fi prea scumpi, ei pot fi folosiţi în trenurile rapide pe suspensie magnetică.

Deocamdată recordul este de -163 º C, cercetările decurg lent, o teorie completă nu există. E una dintre particularitățile fizicii: știința știe ce s-a întâmplat într-o secundă după Big Bang, dar nu poate prezice toate proprietățile materialului convenţional. Mai mult ca atât, nimeni nu știe dacă în principiu sunt posibili supraconductori care lucrează la temperaturi de cameră.

 

6 Sticla cu aditivi: laser pentru toată lumea

 

 

Adăugarea unor elemente rare (ca de exemplu, europiu) vă permite să transformaţi sticla obișnuită în mediul activ al laserului, material în care lumina nu se stinge, ci dimpotrivă, creşte.

Laserele puternice și accesibile pot fi utilizate oriunde: la transferul informaţiilor, sudarea metalelor, pentru o reacție termonucleară. Acum, oamenii de ştiinţă potrivesc noi aditive care îmbunătățesc efectul dorit.

Iar acum, sticla cu adaos se foloseşte la transmiterea semnalelor prin fibre. Fiecare text de pe site-ul de știri, fiecare mișcare a eroului în jocul on-line și fiecare notă în clipul video pe YouTube, parcurge sute și mii de kilometri de fibre de sticlă datorită atomilor elementelor rare.

Apropo, în 2010, unul dintre câștigătorii Premiului de Stat a FR Rusiei a fost Valentin Gaponţev - un fizician și cel mai bogat șef al catedrei. La începutul anilor 1990 Gaponţev, a dezvoltat și a adus până la linia de producție lasere, elementul principal al cărora au fost fibrele cu aditive speciale.

 

7 Foaie ADN: o cutie blocată cu proteine

 

 

ADN-ul este cunoscut, în primul rând, ca un purtător de informaţii genetice. Lanţul ADN lipit întreg poate forma o foaie plată. Și atunci vom obţine un nou material cu proprietăți unice. De exemplu, din moleculele ADN putem asambla o cutie microscopică pentru livrarea medicamentelor la organul necesar sau pentru a detecta virușii și celulele canceroase. Această cutie va fi blocată cu molecule de proteine, care se va debloca primind un semnal chimic necesar.

În prezent s-a format un întreg domeniu la intersecția științei materialiste, nano-tehnologiilor și a biologiei – „ADN-ul origami”. Cel mai recent exemplu - descoperirea la Massachusetts Institute of Technology, al cărui colaboratori au asamblat „cutia” în care au pus o alta moleculă celebră - ARN. În astfel de ambalaj cutia poate fi transportată cu ajutorul fluxului de sânge la locul potrivit, fără a fi distrusă pe drum.

 

8 Meta-materiale: tichia fermecată

 

 

Există materiale pentru care nu este foarte important din ce ele sunt făcute. Proprietățile lor sunt determinate de structură, ci nu de compoziția chimică. Meta-materiale sunt matrice dimensionale de o formă complexă. Ele pot avea un indice de refracţie negativ, efectul a fost prezis în anii 60 de fizicianul sovietic, Victor Veselago.

Se propune de a face din meta-materiale căciuli invizibile, care ascund de ochii umani orice obiect: undele luminoase, respectând structura internă a meta-materialului, îl vor înconjura din toate părţile. Fizicianul britanic Sir John Pendry, a promis că în curând va apărea un material capabil să facă invizibil chiar şi un tanc.

Însă pronosticurile devin realitate un pic mai lent decât ne-am dori. Tichia fermecată deocamdată nu a fost cusută, ci a fost obţinută doar invizibilitatea în diapazonul radiațiilor de microunde. Dar, lupta pentru invizibilitate a dat rezultate și, uneori, cele mai neașteptate. De exemplu, după o analogie cu sistemul de refracție negativă a luminii a fost creată o gamă de protecție împotriva valurilor seismice. Numai că în locul atomilor individuali, în sol sunt îngropate blocuri de cauciuc.

 

9 Suprafeţe hidrofobe: ideea a fost furată de la un lotus

 

 

Efectul de lotus: este vorba de materiale care pot respinge apa. Acest efect apare atunci când în contact cu astfel de materiale picătura de apă ia o formă sferică și la o înclinație ușoară a materialului în raport cu suprafața orizontală se rostogoleşte, capturând în mișcare toate poluările suprafeţei. Frunza florii lotus este obiect cel mai studiat și menționat frecvent. Deși efectul florii lotus a fost observat în natură o lungă perioadă de timp, un studiu sistematic a acestui fenomen de către oamenii de știință s-a început cu mai puțin de un deceniu în urmă, însă savanţii au obţinut diferite materiale cu o proprietăţi super-hidrofobe numai datorită dezvoltării nanomaterialelor și a microtehnologiei.

Din materiale hidrofobe pot fi realizate ochelari, binocluri, parbrize, vesela de laborator, corpuri de telefoane mobile şi chiar haine – e bine să ai un material care nu se face umed, nu se murdăreşte. Mai mult decât atât, pe treptele hidrofobe nu se acumulează umezeala și prin urmare nu se formează gheață. Măturătorii și chirurgii vor avea mai puţin de lucru în timpul iernii.

Apropo, oamenii de ştiinţă ruşi speră să salveze liniile electrice bazându-se mai mult pentru pe efectul de lotus, decât pe supraconductivitate. Un domeniu foarte important al utilizării proprietăţilor hidrofobe în energetică este lupta cu lipirea zăpezii și îngheţarea firelor electrice. Din mass-media cunoaştem bine că la fiecare trei sau patru ani, în mare parte a teritoriului Rusiei, acoperirea cu un strat de gheaţă a firelor electrice provoacă ruperea lor, lăsând fără lumină și căldură pentru mai multe ore zeci de mii de oameni.

Și acum, în martie 2012, compania General Electric a anunțat că a creat un prototip de material de acoperământ, textura căruia la nivelul micro repetă petalele florii lotus. Aceste materiale sunt destinate pentru aviație, în care lupta împotriva gheţii este mai mult decât relevantă.

 

10 Materiale auto-reactive: cum să faci viața mai scurtă

 

 

Sunt materiale care sub influenţa razelor solare sau microorganismelor se descompun rapid în componente inofensive.

Pot fi folosite pentru fabricarea produselor, care nu necesită durabilitate: pungi, ambalaje de film, postere de publicitate, saci de gunoi, sticle, adică, totul care zace ani de zile pe peluzele noastre și înoată în bazine.

Există toate motivele să credem că peste zece ani, pungile obișnuite nu se vor mai vinde în supermarketuri, iar cumpărătorului îi va fi oferită o pungă care peste câteva săptămâni se va descompune în bucăți mici.

Plasticul biodegradabil a fost deja, lansat pe piaţă. Singura întrebare este cum să obţinem costul redus, producţie curată și confort pentru consumator.

 

Autor: Alexei Timoșenco

 

 

Sursa: rusrep.ru