Materialele care vor schimba lumea

Calea spre viitor este pavata cu nano-tuburi si aero-geluri

Pentru a face o revolutie, nu este suficient sa stii raspunsul la întrebarea „cum”, mai este si întrebarea „din ce”.

Acest lucru se aplica la revolutiile tehnologice, în primul rând. Fara aparitia noilor materiale nu ar fi nici calculatoare, nici telefoane mobile, nici panouri solare. Noi am ales zece dintre materialele, care ar trebui sa asigure schimbari radicale în urmatoarele decenii.

Nanotuburi de carbon nu pot fi rupte

Ce este acest tub, asamblat din atomi de carbon. Lungimea tubului este teoretic nelimitata, dar în practica nimeni nu a reusit sa creasca un tub mai lung de 20 centimetri. Dar si acest lucru este foarte mare în comparatie cu dimensiunile atomului (10 la puterea -10).

Ce putem face din ele?

Potrivit futurologilor, nanotuburile sunt totul. De exemplu, ele sunt foarte, foarte, foarte rezistente. Întregul tub este o singura molecula, care se rupe extrem de dificil.

Calculele arata ca firul de nanotuburi din mai multe straturi cu o grosime de un milimetru ar putea mentine o greutate pâna la 15 tone.

Se sugereaza ca într-o zi cu ajutorul nanotuburilor va fi construit un ascensor în spatiul cosmic. Sa nu mai vorbim de cablurile banale pentru nevoile terestre.

Rezistenta nu este totul. De exemplu, conductivitatea termica a axei din nanotuburi este aproape de zece ori mai mare decât la cupru.

Totodata, într-o sectiune transversala, ele pastreaza caldura la fel ca si caramida sau betonul.

Din aceste tuburi se fac baterii, filtre de apa, ace pentru injectii intracelulare, capacitati de stocare a hidrogenului si asa mai departe.

Daca viitorul ar avea o stema, aceasta ar trebui sa fie decorata cu coroane din nanotuburi.

Cât priveste timpul actual, nanotuburile pot fi mai usor gasite în laboratoare, decât în produsele comerciale.

Cu toate acestea, au aparut materiale compozite cu utilizarea lor si, potrivit producatorilor, acestea sunt mai puternice decât cele conventionale cu câteva zeci de procente. Din astfel de materiale se produc piese pentru bicicletele sport si corpurile la iahturi.

Grafen: carbon decorat cu Premiul Nobel

Cel mai important lucru pe care îl stim despre grafen: pentru descoperirea lui, savantilor rusi Geim si Novoselov, le-a fost acordat Premiul Nobel, acesti oameni de stiinta locuiesc în Marea Britanie si nu doresc sa se mute la Skolkovo.

În esenta, grafenul este o foaie plata din atomi de carbon, primul din cristalele dimensionale descoperite, a carui existenta a fost pusa sub semnul întrebarii.

Aceste cristale nu pot fi crescute prin topire: ele se vor rasuci si vor fi distruse de vibratiile termice. O foaie plata de grafen se desparte real de grafit, cu o banda adeziva obisnuita, cum au facut laureatii Premiului Nobel, distrându-se vineri noaptea în laborator.

Grafenul alimenteaza mai multe sperante decât nanotuburile.

Proprietatile electrice magnifice îl fac o alternativa la semiconductorii de siliciu. El este extrem de rezistent: teoretic, benzile de grafen sunt de doua sute de ori mai rezistente decât otelul, asa ca proiectantii unui ascensor în spatiu vor avea din ce alege.

În plus, grafenul are o conductivitate termica excelenta si este aproape transparent. Acest lucru deschide calea pentru crearea gadget-urilor viitorului, cum ar fi lentilele de contact, pe care puteti transfera imaginea.

Acum pe piata sunt pe cale de aparitie produsele pe baza de grafen. Dar, deocamdata, acest material este utilizat în principal în laboratoare.

Aero-gel: materie usoara

Este un burete molecular de dioxid de siliciu, carbon sau din alta substanta, foarte poroasa – golurile microscopice pot constitui pâna la 99% din volumul sau. Densitatea aero-gelului consta doar câteva kilograme pe un metru cub, aero-gelul este de doar 1,5-2 ori mai greu decât aerul si de 300-500 ori mai usor decât apa.

În ciuda proprietatii eterice, aero-gelul este foarte puternic: o cutie mica de chibrituri mentine o caramida.

Aero-gelul, probabil, este cel mai bun material pentru izolare termica din lume: usor, destul de puternic, insensibil la coroziune si putregai, nu arde în foc si, desigur, nu se scufunda în apa.

Aero-gelul poate reduce în mod considerabil pierderile de caldura în cladiri, sau invers, reduce costurile pentru aerul conditionat si functionarea sistemelor de refrigerare.

Îmbracamintea usoara si calda, gresie transparenta pentru izolarea ferestrelor sunt dor aplicatiile cele mai evidente ale acestui material.

În baza aero-gelului pe baza de carbon pot fi create super-condensatoare, care combina o mare capacitate cu posibilitatea de a produce curent de înalta tensiune la descarcare.

Se doreste utilizarea aero-gelului pentru livrarea medicamentelor la celulele concrete si ca material pentru filtre.

Deocamdata, aero-gelul este extrem de costisitor, deoarece el este utilizat în principal pentru necesitatile spatiale. Nu este vorba doar de izolare termica a robotilor sau costumelor de scafandru, acest material a fost folosit ca o capcana pentru particulele de praf împrastiate în spatiul cosmic: panourile din aero-gel au fost instalate pe aparatul american Stardust.

Daca placile de aero-gel nu au dimensiuni exacte, valoarea lor scade considerabil. In prezent, se utilizeaza, deja, pentru haine, la preturi foarte accesibile (aproximativ $ 300).

Substante cu memorie

Unele metale demonstreaza o proprietate ciudata: ele pot fi îndoite si vor pastra aceasta forma ca si o substanta plastica, dar numai daca ele nu sunt încalzite. Daca se face acest lucru, piesa isi restabileste configuratia originala.

Efectul de memorie a fost descoperit chiar înainte de al doilea razboi mondial si de atunci el se aplica în multe lucruri.

Din astfel de metale pot fi realizate orice obiecte care trebuie sa-si schimbe forma, fara interventie umana, de la manson pâna la sutiene, piese de schimb pentru autovehicule.

În prezent aceste materiale sunt folosite într-o varietate de produse, inclusiv cele mai originale: înca în 1990 a fost construit primul robot, ale carui picioare se misca datorita efectului de memorie. Acum este necesar sa facem aceasta tehnologie mai avansata si mai ieftina.

Supraconductori 

La temperaturi apropiate de zero absolut, unele metale devin supraconductoare, adica energia electrica trece prin ele fara a intampina rezistenta.

În ultimele decenii, oamenii de stiinta au fost în masura sa creeze materiale care devin supraconductoare la temperaturi ridicate.

„Ridicate” este un termen relativ si în acest caz înseamna „mai sus de temperatura azotului lichid: -186 ° C”.

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 cantitati uriase de energie în timpul transportarii pe teritoriul tarii”, – a spus Dimitrie Medvedev, adresându-se Adunarii Federale în 2009.

Oamenii de stiinta au profitat si au inceput, imediat, sa scrie cereri pentru a obtine o finantare suplimentara.

Lasand gluma la o parte, acest lucru este posibil, cel putin teoretic, insa va dura ceva timp.

Ne putem închipui liniile electrice supraconductoare care transporta energia electrica consumatorului fara pierderi. Totodata, în loc de cabluri încurcate, putem folosi o sârma foarte subtire supraconductoare cufundata în agentul frigorific.

Pentru acest lucru va fi suficient un tub mic si nu va fi nevoie de o fâsie de protectie larga de o suta de metri.

Acest domeniu de aplicare nu este singurul si, probabil, nici macar principalul in utilizarea supraconductorilor. Acestia vor permita sa se construiasca electromagneti puternici, necesari in tomografe, pentru manipulari cu plasma, sau în reactoarele termonucleare. Daca supraconductorii nu vor fi prea scumpi, ei pot fi folositi în trenurile rapide pe suspensie magnetica.

Deocamdata, recordul este de -163 º C, cercetarile decurg lent si o teorie completa nu exista.

E una dintre particularitatile fizicii: stiinta stie ce s-a întâmplat într-o secunda dupa Big Bang, dar nu poate prezice toate proprietatile materialului conventional. Mai mult ca atât, nimeni nu stie daca în principiu sunt posibili supraconductori care lucreaza la temperatura camerei.

Sticla cu aditivi

Valentin Gapontev
Valentin Gapontev

Adaugarea unor elemente rare (ca de exemplu, europiu) va permite sa transformati sticla obisnuita în mediul activ al laserului, material în care lumina nu se stinge, ci dimpotriva, creste.

Laserele puternice si accesibile pot fi utilizate oriunde: la transferul informatiilor, sudarea metalelor, pentru o reactie termonucleara.

Acum, oamenii de stiinta potrivesc noi aditive care îmbunatatesc efectul dorit.

Acum, sticla cu adaos se foloseste la transmiterea semnalelor prin fibre. Fiecare text de pe site-ul de stiri, fiecare miscare a eroului în jocul on-line si fiecare nota în clipul video pe YouTube, parcurge sute si mii de kilometri de fibre de sticla datorita atomilor elementelor rare.

In 2010, unul dintre câstigatorii Premiului de Stat a FR Rusiei a fost – un fizician. La începutul anilor 1990 Gapontev, a dezvoltat si a adus pâna la linia de productie lasere, al caror element principal au fost fibrele cu substante aditive speciale.

Foaie ADN: o cutie cu proteine

ADN-ul este cunoscut, în primul rând, ca un purtator de informatii genetice. Lantul ADN lipit întreg poate forma o foaie plata. Atunci vom obtine un nou material cu proprietati unice.

ADN origami
ADN origami

De exemplu, din moleculele ADN putem asambla o cutie microscopica pentru livrarea medicamentelor la organul necesar sau pentru a detecta virusii si celulele canceroase. Aceasta cutie va fi blocata cu molecule de proteine, care se va debloca primind un semnal chimic necesar.

În prezent s-a format un întreg domeniu la intersectia stiintei materialiste, nano-tehnologiilor si a biologiei – „ADN-ul origami”. Cel mai recent exemplu – descoperirea la Massachusetts Institute of Technology, ai carui colaboratori au asamblat „cutia” în care au pus o alta molecula celebra – ARN.

În astfel de ambalaj cutia poate fi transportata cu ajutorul fluxului de sânge la locul potrivit, fara a fi distrusa pe drum.

Meta-materiale: tichia fermecata

Exista materiale pentru care nu este foarte important din ce ele sunt facute.

Proprietatile lor sunt determinate de structura, nu de compozitia chimica. Meta-materiale sunt matrice dimensionale de o forma complexa. Ele pot avea un indice de refractie negativ, efectul a fost prezis în anii 60 de fizicianul sovietic, Victor Veselago.

Urmatoarea etapa va fi  sa se faca din meta-materiale caciuli invizibile, care ascund de ochii umani orice obiect: undele luminoase, respectând structura interna a meta-materialului, îl vor înconjura din toate partile.

Fizicianul britanic Sir John Pendry, a promis ca în curând va aparea un material capabil sa faca invizibil chiar si un tanc.

Pronosticurile devin realitate un pic mai lent decât ne-am dori.

Tichia fermecata, deocamdata, nu a fost cusuta, ci a fost obtinuta doar invizibilitatea în diapazonul radiatiilor de microunde.

Dar, lupta pentru invizibilitate a dat rezultate din cele mai neasteptate. De exemplu, dupa o analogie cu sistemul de refractie negativa a luminii a fost creata o gama de protectie împotriva valurilor seismice, doar ca în locul atomilor individuali, în sol, sunt îngropate blocuri de cauciuc.

Suprafete hidrofobe: ideea a fost furata 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 picatura de apa ia o forma sferica si la o înclinatie usoara a materialului în raport cu suprafata orizontala se rostogoleste, capturând în miscare toate poluarile suprafetei.

Frunza florii lotus este obiectul cel mai studiat si mentionat frecvent. Desi efectul florii lotus a fost observat în natura o lunga perioada de timp, un studiu sistematic a acestui fenomen de catre oamenii de stiinta a început cu mai putin de un deceniu în urma. 

Savantii au obtinut diferite materiale cu proprietati super-hidrofobe numai datorita dezvoltarii nanomaterialelor si a microtehnologiei.

Din materiale hidrofobe pot fi realizate ochelari, binocluri, parbrize, vesela de laborator, corpuri de telefoane mobile si chiar haine (un material care nu se umezeste si nu se murdareste).

Mai mult decât atât, pe treptele hidrofobe nu se acumuleaza umezeala si prin urmare nu se formeaza gheata.

Un domeniu foarte important al utilizarii proprietatilor hidrofobe în energetica este lupta cu lipirea zapezii si înghetarea firelor electrice.

Din mass-media cunoastem bine ca la fiecare trei sau patru ani, în mare parte a teritoriului Rusiei, de exemplu, acoperirea cu un strat de gheata a firelor electrice provoaca ruperea lor, lasând fara lumina si caldura, pentru mai multe, ore zeci de mii de oameni.

In martie 2012, compania General Electric a anuntat ca a creat un prototip de material pentru a inveli cablurile, a carui textura, la nivelul micro, imita petalele florii de lotus.

Aceste materiale sunt destinate pentru aviatie, în care lupta împotriva ghetii este mai mult decât relevanta.

Materiale auto-reactive: cum sa faci viata mai scurta

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

Pot fi folosite pentru fabricarea produselor, care nu necesita durabilitate: pungi, ambalaje de film, postere de publicitate, saci de gunoi, sticle, adica, tot ce zace ani de zile pe peluzele noastre si înoata în bazine.

Este clar ca pungile obisnuite nu se mai vind în supermarketuri, acum fiindu-i oferita cumparatorului va o punga care peste câteva saptamâni se descompune în bucati mici.

Plasticul biodegradabil a fost lansat pe piata, de ceva vreme. Singura întrebare este cum sa avem un cost redus, productie curata si confort pentru consumator.

Bogdan

Pentru fiecare de ce trebuie sa existe un cum