6 Hochleistungswerkstoffe, die unsere Welt verändern könnte
Graphen ist nicht nur revolutionäre Material aus einem Labor kommen. Von Aerogelen fast so leicht wie Luft, Metamaterialien, die Licht zu manipulieren, sind hier sechs Hochleistungswerkstoffe, die das Potenzial haben, die Welt der Zukunft zu verändern.
Selbstheilende Materialien — Muskelmodelle Kunststoffe
Self-healing Plastik. Bild-Gutschrift: UIUC
Der menschliche Körper ist sehr gut bei Fixierung selbst. Die gebaute Umwelt ist nicht. Scott White an der University of Illinois at Urbana Champlain hat Muskelmodelle Kunststoffen konstruiert, die heilen können. Letztes Jahr habe Whites Lab ein neues Polymer, das um eine sichtbare Loch reparieren sickert. Das Polymer ist mit einem Gefäßsystem von Flüssigkeiten eingebettet, dass gebrochen und kombiniert, Klumpen Blut wie. Während andere Materialien mikroskopische Risse heilen konnten, repariert neue diesein ein Loch 4 Millimeter breit mit rundherum strahlenförmig Risse. Keine große Sache für die menschliche Haut, aber eine ziemlich große Sache für Kunststoff.
Ingenieure haben auch gefasst, Beton, Asphalt und Metall, das sich selbst heilen kann. (Stellen Sie sich eine Stadt, wo keine mehr Schlaglöcher!) Der Hase im Pfeffer, liegt natürlich macht sie billig genug, um tatsächlich nutzen, weshalb die ersten Bewerbungen für selbstheilende Materialien am ehesten im Raum oder in abgelegenen Gegenden auf der Erde sind. [Wissenschaft, New Scientist, CityLab]
Thermoelektrische Materialien – Hitze Plünderer
Machtblöcke mit thermoelektrischen Materials verklagt im Alphabet Energieerzeuger. Bild-Gutschrift: Alphabet Energie
Wenn Sie jemals hatte einen Laptop auf dem Schoß zu verbrennen oder berühren die heißen Haube des Autos, fühlte Sie Beweise von Abfällen. Abwärme ist die unvermeidliche Wirkung der Ausführung jeder dieses Geräts, das Strom verbraucht. Eine Schätzung legt die Menge an Abwärme als zwei Drittel des gesamten Energieverbrauchs verwendet. Aber was, wenn es gäbe eine Möglichkeit, alles, was Energieverschwendung zu erfassen? Die Antwort darauf ist "what If" thermoelektrische Materialien, wodurch Strom aus einem Temperaturgradienten.
Im vergangenen Jahr eingeführt Kalifornien ansässigen Alphabet Energie ein thermoelektrisches Generators, das Recht in die Abgasleitung der gewöhnlichen Generator angeschlossen Abwärme in nützliche Strom zurück. Alphabet Energie Generator verwendet eine relativ billige und natürlich vorkommende thermoelektrische Material namens Tetrahedrite. Alphabet Energie sagt Tetrahedrite 5 bis 10 Prozent Wirkungsgrad erreichen kann.
Zurück im Labor Wissenschaftler haben auch mit einer anderen vielversprechenden basteln wurden und möglicherweise sogar effizienter thermoelektrische Material namens Skutterudit, die eine Art von Mineralen, die Kobalt enthält. Thermoelektrische Materialien hatten bereits Nischenanwendungen — wie auf Raumschiff – aber Skutterudit konnte billig und effizient genug, um gewickelt werden um die Auspuffrohre Autos, Kühlschränke oder jede andere Kraft-Beschlag-Maschine können Sie denken. [Natur, MIT Technology Review, New Scientist]
Perovskites – Billige Solarzellen
Solarzellen aus Perovskites. Bild-Gutschrift: Universität Oxford
Die größte Hürde auf dem Weg in Richtung erneuerbare Energien ist, wie diese Dinge immer, Geld. Solarstrom ist immer billiger, aber eine Anlage im Wert von Solarzellen aus kristallinem Silizium ist noch ein teuer, energieintensiven Prozess. Es gibt ein alternatives Material, das die solare Welt brummt aber hat, und das ist Perovskites.
Perovskites wurden erstmals vor über einem Jahrhundert entdeckt, aber Wissenschaftler sind gerade erst ihr Potenzial realisieren. Im Jahr 2009 hatte Solarzellen aus Perovskites einen solar-Energie-Wirkungsgrad von eine magere 3,8 Prozent. Die Zahl hatte im Jahr 2014 auf 19,3 Prozent sprang. Das scheint nicht viel im Vergleich zu herkömmlichen kristallinen Siliziumzellen, mit Wirkungsgraden schweben rund 20 Prozent, aber es gibt zwei andere wichtige Punkte zu beachten: (1) Perovskites habe so sprunghaft in Effizienz in nur wenigen Jahren, Wissenschaftler denken, kann es noch besser und (2) Perovskites sind viel, viel billiger.
Perovskites sind eine Klasse von Materialien, die durch eine bestimmte kristalline Struktur definiert. Sie können eine beliebige Anzahl von Elementen enthalten, in der Regel führen und Zinn für Perovskites in Solarzellen verwendet. Diese Rohstoffe sind billig im Vergleich zu kristallinen Silizium, und sie auf Glas gesprüht eher als akribisch im Reinraum zusammengebaut werden können. Oxford-Photovoltaik ist eines der führenden Unternehmen zur Vermarktung von Perovskites, die so wunderbar, wie sie im Labor wurden noch brauchen, um in der realen Welt zu halten versuchen. [WSJ, IEEE Spectrum, chemische & Engineering News, Nature Materials]
Aerogele – Superlight und Strong
Bild-Gutschrift: NASA
Aerogele schauen, wie sie nicht real sein sollte. Obwohl geisterhaft und ätherisch, verträgt sie problemlos die Hitze von einer Lötlampe und das Gewicht eines Autos. Das Material ist fast was genau der Name schon sagt: wo wo die Flüssigkeit vollständig durch Luft ersetzt wurde Gele. Aber man kann sehen, warum es auch "gefrorenen Rauch" oder "blauer Rauch." genannt wurde Die aktuelle Matrix eine Aerogel beliebig vieler Substanzen, darunter Kieselsäure erfolgen kann, metal Oxide und ja, auch Graphen. Aber die Tatsache, dass Aerogel ist eigentlich hauptsächlich aus Luft bedeutet, dass es ein hervorragender Isolator ist (siehe: Lötlampe). Seine Struktur macht es auch unglaublich stark (siehe: Auto).
Aerogele haben jedoch einen fatalen Fehler: Sprödigkeit, vor allem, wenn aus Silizium hergestellt. Aber NASA-Wissenschaftler haben mit flexiblen Aerogele hergestellt von Polymeren mit Isolatoren für Raumfahrzeuge brennen durch die Atmosphäre experimentiert. Mischen von anderen Verbindungen in auch Silizium-basierte Aerogele können sie flexibel gestalten. Hinzu, die Aerogel Leichtigkeit, Stärke und isolierenden Eigenschaften, und das ist ein unglaubliches Material. [New Scientist, Gizmodo]
Metamaterialien — Leichte Manipulatoren
Wenn Sie von Metamaterialien gehört, Sie wahrscheinlich davon gehört in einem Satz, der erwähnte auch "Harry Potter" und "Tarnkappe". Und in der Tat Metamaterialien, deren Nanostrukturen Design zu zerstreuen Licht auf eine bestimmte Weise sind, könnte möglicherweise eines Tages verwendet werden, um Objekte unsichtbar machen – aber es wahrscheinlich immer noch nicht so magisch wie Harry Potter den Tarnumhang wäre.
Was mehr über Metamaterialien interessant ist, dass sie nur sichtbares Licht umleiten nicht. Je nachdem, wie und was ein bestimmtes metamaterial ist aus, es kann auch streuen, Mikrowellen, Radiowellen oder die wenig bekannte T-Strahlen, die zwischen Mikrowelle und Infrarot-Licht auf das elektromagnetische Spektrum. Jedes Stück des elektromagnetischen Spektrums könnte durch Metamaterialien manipuliert werden.
Dass beispielsweise neue T-Ray Scanner in der Medizin oder Sicherheit oder eine kompakte Radio Antennen von Metamaterialien erfolgen, könnte deren Eigenschaften im laufenden Betrieb ändern. Metamaterialien sind die vielversprechenden, aber frustrierend Schwelle, wo die theoretischen Möglichkeiten sind endlos, aber Kommerzialisierung ist noch ein langer, steiniger Weg. [Natur, entdecken Sie Zeitschrift]
Stanene – 100 Prozent tüchtiger Schaffner
Der molekularen Struktur der Stanene. Bild-Gutschrift: SLAC
Wie der viel bekanntere Graphen ist Stanene auch einer einzelnen Schicht aus Atomen gemacht. Aber anstatt Kohlenstoff, Stanene ist aus Zinn, und dies macht den Unterschied darin, dass Stanene möglicherweise zu tun, was auch Wondermaterial extraordinaire Graphen kann nicht: leitend mit 100 Prozent Wirkungsgrad.
Stanene wurde zuerst im Jahr 2013 durch Stanford-Professor Shoucheng Zhang, dessen Labor, entlang anderem spezialisiert, Vorhersage der elektronischen Eigenschaften der Materialien wie Stanene Theorie. Nach ihren Modellen ist Stanene ein topologischer Isolator, wodurch seine Ränder sind Dirigent und seinem Inneren ist ein Isolator. (Man denke an eine Schoko-Eis-Bar. Chocolate Dirigent, Eis Isolator.)
Dies bedeutet, dass Stanene Strom ohne Widerstand auch, entscheidend ist, bei Raumtemperatur durchführen konnte. Stanene die Eigenschaften noch, wurden experimentell-Konserve Einzelatom-Blatt ist keine leichte Aufgabe – aber mehrere von Zhangs Vorhersagen über andere topologischen Isolatoren haben richtig bewiesen.
Wenn die Voraussagen über Stanene tragen, könnte es die Mikrochips in all Ihren Geräten revolutionieren. Nämlich konnte die Chips bekommen viel mächtiger. Silizium-Chips sind durch die Wärme, die durch Elektronen schwirren herum begrenzt – Arbeit, die sie zu schnell und sie einfach zu heiß erhalten. Stanene, die 100 Prozent Effizienz Strom leitet, hätte dieses Problem nicht. [SLAC, Physical Review Letters, wissenschaftlicher Amerikaner]