Удивительные материалы будущего

Какими будут материалы будущего? Сегодня уже разработаны и ведутся разработки материалов, о которых люди прошлого могли только мечтать. Они будут дешевле, прочнее, лучше, качественнее во всех отношениях. Применений им будет огромное количество. Давайте перевернем страничку сегодняшнего дня и познакомимся с материалами, которые на самом деле могут перевернуть ваши представления о металлах и других материалах.

Алмазы

Металл, похожий на воздушный шоколад

Пенометалл — прочный и легкий материал с теплопроводностью в разы ниже, чем у металла, из которого он изготовлен. Вспенивают алюминий, сталь, латунь, титан и различные сплавы.

Производят подобные материалы с 1990-х годов, но с совершенствованием технологии они приобретают все более невероятные свойства. Например, некоторые образцы могут останавливать бронебойные пули, сжиматься до 80 процентов от своего размера под воздействием веса или держаться на поверхности воды. Способов получения металлопены очень много — можно пропускать горячий газ через расплавленный металл, использовать реактивы, выделяющие газ при нагревании, или формы из полиуретановой пены.

Металлическую пену применяют в авиа- и машиностроении, в теплоизоляции и для производства легких ударопрочных деталей. Примечательно, что пенометалл легко обрабатывается, разрезается, склеивается со стеклом и другими материалами, а значит, его можно использовать и в декоративных целях.

Гель, в котором жидкость заменили газом

Аэрогель — прекрасный теплоизолятор, прозрачный прочный материал, который на 98% состоит из воздуха, а значит — почти полностью невесом. Производят его на основе диоксида кремния, глиноземов, оксидов олова или хрома.

Аэрогель впервые был синтезирован еще в 1931 году американским химиком Стивеном Кистлером, а уже в 1990-х годах был создан аэрогель на основе углерода. Производство аэрогеля трудозатратное, но не очень сложное: сначала гель полимеризуют, потом с помощью спирта обезвоживают и высушивают в специальном аппарате с помощью углекислого газа. Из-за рекордно низкой плотности аэрогель выглядит как прозрачный голубоватый воздух.

Применяют аэрогель для теплоизоляции скафандров космонавтов, в куртках альпинистов и в промышленной теплоизоляции. Слой аэрогеля толщиной в 2,5 см способен защитить от жара паяльника или газовой горелки.

В интерьере такой гель можно использовать, например, для создания эффекта левитации объектов, а также для продвинутой теплоизоляции.

Та же бумага, только из известняка

Каменная бумага — это белоснежный прочный водонепроницаемый материал, писать на котором даже приятнее, чем на обычной бумаге. Производят его из карбоната кальция (основы мела и известняка) и нетоксичной смолы с добавлением полиэтилена низкого давления.

Первый каменный лист был произведен в 1990-х годах компанией Taiwan Lung Meng Technology Co.; с тех пор каменная бумага была запатентована более чем в сорока странах. При производстве каменной бумаги не требуется вода, кислоты и отбеливание, поэтому ее изготовление может стать альтернативой токсичному производству целлюлозы и способствовать уменьшению вырубки лесов (для производства каменной бумаги используются отходы известедобывающей промышленности). Необычная бумага легко поддается переработке, а в природе довольно быстро распадается на компоненты.

Такая бумага подходит для всех видов печати. Ее можно применять для производства любых изделий — от блокнотов и книг до упаковки и светильников.

Умная одежда (или обивка для кресла)

В широком смысле, наноткань — это любая ткань, произведенная с применением нанотехнологий. Видов наноткани очень много: существуют легкие ткани с титановым или алюминиевым напылением; ткани со светодиодными экранами; ткани с полимерными чипами; бронированные ткани, выдерживающие невероятные нагрузки; водостойкие, пылезащитные ткани; лечебные ткани.

Первые наноткани появились еще в начале 1990-х годов, и с тех пор ткани с новыми свойствами изобретаются постоянно. Чтобы перечислить их все, придется написать отдельную книгу, правда, пока она будет издаваться, уже появятся новые материалы. Вообще, если придумать необычное свойство для ткани и погуглить его, скорее всего, окажется, что прототип такой ткани уже существует. Производят наноткань из нанотрубок, или вшивая другие материалы в саму текстуру ткани, или напыляя, например, металл на обычную ткань. Что сшить из наноткани — вопрос вашей фантазии и финансовых возможностей.

Способность затвердевать при ударе

Все стандартные материалы ведут себя при приложении нагрузки примерно одинаково. Они деформируются, пока не наступит разрушение. Больше нагрузка — больше деформация. Однако, новая группа материалов, используемая для активной защиты (например, ди-три-о) способны просто поразить вас.
Рассмотрим Ди-три-о. Материал легко деформируется и сохраняет пластичность до тех пор, пока скорость приложения нагрузки и её сила не возрастают.
В случае быстрого приложения нагрузки материал резко затвердевает, а энергия от удара рассеивается внутри материала и не повреждает защищаемый объект. Например, если ударить по пальцу с такой защитой молотком, то энергия удара моментально рассеется и израсходуется на затвердевание защиты, а палец не пострадает.

Сам по себе материал — это полимер или, правильнее сказать, коллоидная полимерная система, в составе которой есть секретный ингредиент.
Сущность эффекта основана на специфике поведения дилатантной неньютоновской жидкости. Это материалы, у которых вязкость возрастает при увеличении скорости деформации сдвига. Почему неньютоновская? Потому что всё должно быть наоборот.

Дилатантный эффект наблюдается в материалах, у которых плотно расположенные частички перемешаны с жидкостью, заполняющей пространство между ними. При низких скоростях сдвига слоёв материала друг относительно друга жидкость действует как смазка и материал мягкий. При высоких скоростях жидкость не успевает заполнить свободное пространство между частицами, и поэтому трение между частицами сильно возрастает, а структуру расклинивает.

Ди-Три-О — это не единственный пример использования, есть и другие виды активной защиты. Сам ди-три-о прменяется для изготовления мотозащиты и других видов спортивной защиты.

Новые материалы и их пять невероятных свойств

Защита для мотоциклиста из Ди-три-о имеет низкий вес, пластичная и при этом легко поглощает удар, рассеивая энергию.

Силицен

применение

Для супертонких гаджетов

С момента открытия графена было принято считать, что именно он изменит электронные технологии ближайшего будущего. Это подтверждалось огромным количеством патентных заявок на право его использования, поданных технологическими компаниями. Однако в 2012 году в Германии синтезировали похожий, но более перспективный материал — силицен. Графен — это слой толщиной с атом углерода. Силицен — такой же слой из атомов кремния. Многие свойства у них схожи. Силицен тоже обладает отличной проводимостью, что гарантирует повышение производительности при меньших теплозатратах. Однако
у силицена есть ряд неоспоримых преимуществ. Во-первых, он превосходит графен по структурной гибкости, его атомы могут выпирать из плоскости, что увеличивает спектр его применения. Во-вторых, он полностью совместим с уже существующей электроникой, в основе которой — кремний. Это означает, что на его внедрение потребуется намного меньше времени и денег.

Лидером производства строительных, отделочных и упаковочных материалов из грибов является молодая компания Ecovative, основатели которой нашли золотую жилу в мицелии — вегетативном теле гриба. Выяснилось, что он обладает прекрасными цементирующими качествами. Ребята из Ecovative смешивают его с кукурузной и овсяной шелухой, придают смеси необходимую форму и выдерживают её в темноте несколько дней. За это время грибной питательный орган перерабатывает пищу и связывает смесь в гомогенную массу, которую затем для прочности обжигают в печи. В результате этих нехитрых манипуляций получается лёгкий, прочный, огне- и влагостойкий экологичный материал, внешне напоминающий пенопласт. На основе этой технологии в Ecovative сейчас разрабатывают материал для бамперов, дверей и приборных панелей автомобилей Ford. Кроме того, они наладили производство небольших домов Mushroom Tiny House, полностью созданных на основе мицелия.

Графеновое нанопокрытие

material

Графен в сотни раз крепче стали. Это невероятно легкий полупрозрачный материал, способный проводить достаточное количество тепла и электроэнергии. Именно поэтому графен хорошо подходит для электроники, биомедицины, добычи солнечной энергии и многого другого. Но с этим материалом довольно трудно работать и массово производить его в чистом виде. Графеновое нанопокрытие покрывает другие материалы и дешево и эффективно наделяет их лучшими свойствами графена. Одно из возможных дизайнерских решений — использование графенового нанопокрытия для производства более тонких легких и крепких смартфонов с улучшенным временем работы батареи.

Способность иметь красивейшие кристаллы

Тут никаких супер-свойств, в целом-то, и нет. Но зато есть красивейшая форма кристаллов, которые после образования оксидной пленки переливаются всеми цветами радуги. Висмут очень широко используется в промышленности и хозяйстве, но всегда в сплаве с другим металлом или после специальных технических процессов. Это весьма редкий и рассеянный в природе элемент. Форма кристалла обусловлена его природными особенностями.

Новые материалы и их пять невероятных свойств

Способность к регенерации

До сих пор подобные материалы казались больше фантастикой и те, кто помнят жидкого терминатора из фильма терминатор 2, наверняка отметили для себя его нереальную возможность к самовосстановлению. Но теперь возможность к восстановлению кажется куда более реальной.

Появился целый класс материалов, способных к регенерации. Подходов к реализации этой идеи тоже много. Одна из них предполагает создание композита, внутри которого расположены поры с “залечивающим” повреждения веществом. Такой подход имеет недостаток в том, что количество капсул с веществом имеет ограниченное число применений. Они попросту кончатся.

Удобно использовать в качестве такого залечивающего агента окружающую среду. Существует материал, способный регенерировать, извлекая строительный материал из воздуха, а точнее, из углекислого газа.

Есть и более перспективные подходы. Исходя из них, материал заживляет повреждения вследствие активного взаимодействия его внутренних слоев и их притяжения. Получается эффект заживления. Т.е. материал чинит себя сам.

Новые материалы и их пять невероятных свойств

Конечно же, ящерица пока гораздо более совершенное существо в плане восстановления хвоста. Но первые шаги уже сделаны.

Karta-Pack (хлопковое волокно)

material

Этот на 100% переработанный материал на ощупь напоминает хлопок, но обладает жесткостью пластика. Он сделан из переработанных волокон хлопка старых джинс и футболок. Karta-Pack не только помогает переработать миллионы использованных вещей в год — этот материал производит впечатление продукта класса люкс, который можно использовать в качестве интересного варианта дорогой упаковки. Представьте себе, что вы достаете какой-нибудь гаджет из упаковки, которая на ощупь напоминает жесткий хлопок. Дент считает, что дизайнеры мебели могут использовать Karta-Pack для создания элементов интерьера, которые будут приятными, как ткань, и смогут выдержать вес человека.

Разноцветные проводящие чернила

material

Чернила, проводящие электричество, существуют уже давно, но только в двух цветах — серебряном и угольно-черном. По словам Дента, у таких чернил «нет настоящей красоты для тех, кто не является инженером». Но благодаря новому открытию проводящим чернилам можно будет придать любой цвет. Один из возможных вариантов их использования — умная одежда и носимые гаджеты. Вы только представьте себе пиджак с красивым принтом на рукаве, с помощью которого вы можете управлять своим iPhone.

Самовосстанавливающиеся материалы

применение

Для долгой жизни вещей

Самовосстанавливающиеся материалы изобретают в различных областях: строительстве, медицине, электронике. Среди самых интересных разработок — защищённый от физических повреждений компьютер. Инженер Нэнси Соттос придумала снабжать провода микроскопическими капсулами с жидким металлом. При разрыве капсула разбивается и заполняет трещину за секунды. Микробиолог Хэнк Джонкерс похожим способом продлевает срок службы дорог и зданий, подмешивая в цемент споры бактерий и питательные вещества для них. Как только в цементе появляется трещина и в неё попадает вода, бактерии пробуждаются ото сна и начинают перерабатывать корм в прочный карбонат кальция, который заполняет трещины. Новшество затронуло и текстильную промышленность. Американский учёный Марек Урбан создал прочный материал, который может самостоятельно заделывать полученные повреждения. Для этого на ткань необходимо направить концентрированный луч ультрафиолета.

В ближайшем будущем материя сможет изменять свою форму, плотность, структуру и другие физические свойства программируемым образом. Для этого необходимо создание материала, которому присуща способность обработки информации. На практике это будет выглядеть так: столик из IKEA будет собираться сам, как только его достанут из коробки, а вилка при необходимости будет легко превращаться в ложку. Уже сейчас в MIT создают предметы, которые могут менять форму. Для этого сверхтонкие электронные платы соединяются с запоминающими форму сплавами — металлами, меняющими конфигурацию под воздействием тепла или магнитного поля. Платы выделяют тепло в заданных точках, в результате чего объект собирается в задуманную учёными структуру. Так, из плоских металлических листов удалось собрать робота-насекомое. Важным направлением программируемой материи является клэйтроника, занимающаяся разработкой нанороботов, которые могут вступать в контакт друг с другом и создавать 3-D объекты, с которыми может взаимодействовать пользователь. Клэйтроника сможет предложить реалистичное чувство связности на больших расстояниях, называемое «парио». Благодаря ему можно будет услышать, увидеть и потрогать нечто, расположенное на другом конце света.

Материалы из грибного мицелия

Контролируемо размножая мицелий, а затем засушивая его, можно получить материал самой неожиданной формы и структуры: от искусственной кожи до блоков для строительства. То есть мебель или другие объекты можно просто вырастить из грибов.

Впервые посевной мицелий из спор шампиньона был получен чуть больше ста лет назад. Для производства экомебели и строительных блоков его начали активно использовать только в новом тысячелетии. Предметы из мицелия полностью экологичные, очень прочные и легкие. Кроме того, они влагостойкие, негорючие, а внешне напоминают пенопласт.

Чтобы сделать объект из мицелия, его смешивают с органическими отходами — например, шелухой от круп или сахаросодержащими продуктами. Смесь выращивают на каркасе и измельчают, а уже потом придают ей нужную форму. Чтобы материал стал прочным, его обжигают или подвергают другим видам обработки. Например, искусственную кожу из мицелия подвергают дублению.

Использовать современные технологии можно не только на благо тяжелой промышленности, освоения космоса и военного обеспечения. Применяя современные технологии в дизайне повседневных вещей, мы можем улучшить экологию, изменить мир вокруг и просто сделать будущее ближе.

Бактериальная целлюлоза

применение

Для экологичного производства одежды

Сьюзан Ли основала компанию BioCouture в 2003 году для того, чтобы продвигать идеи биодизайна в мире моды. Она научилась выращивать ткани для производства одежды в своей собственной ванной, имея под рукой только дрожжи, бактерии и подслащенный зелёный чай. Если весь этот компот оставить бродить на несколько недель, получается бактериальная целлюлоза — прочный материал, который напоминает полупрозрачную кожу. Пока материал влажный, ему можно придать любую трёхмерную форму. Чтобы вещи не напоминали по цвету чайный гриб, Сьюзан добавляет в него натуральные красители, например индиго, обладающий противомикробными свойствами. Главный плюс такой одежды в том, что материал для её изготовления можно брать из отходов предприятий пищевой промышленности. Бактериальная целлюлоза может пригодиться не только в производстве биоодежды, её также планируют использовать для создания кровеносных сосудов и замены костной ткани, а сейчас используют для заживления ран.

Потолочная плитка ReWall

material

Потолочная плитка ReWall сделана из переработанных контейнеров для напитков — картона, пластиковых бутылок и алюминиевых банок — с помощью метода, похожего на производство ориентированно-стружечных плит. Структура материала действительно напоминает стружечную плиту. ReWall можно резать и сверлить, как дерево, но он более устойчив к влаге, поэтому отлично подойдет для отделки потолка. Кроме того, материал хорошо выдерживает различные погодные условия.

Метаматериал

применение

Для производства вещей-невидимок

Свойства метаматериалов обусловлены искусственно созданной структурой, которую они воспроизводят. Разработчики метаматериалов при их синтезировании имеют возможность выбора размера структур, их формы и других параметров, в результате чего можно получить характеристики, не встречающиеся в природе. В 2000 году исследователь Дэвид Смит изготовил метаматериал с отрицательным показателем преломления. Поведение света в нём оказалось настолько странным, что теоретикам пришлось переписать книги по электромагнитным свойствам веществ. Сейчас экспериментаторы используют свойства метаматериалов для создания суперлинзы, позволяющей получать изображения с деталями меньше длины волны используемого света. С их помощью можно было бы делать микросхемы с наноскопическими элементами и записывать на оптические диски огромные объёмы информации. Метаматериалы обладают отрицательным показателем преломления, поэтому они идеальны для маскировки объектов. Наноструктуры, придающие материалу отрицательный коэффициент преломления, искривляют световые волны, пустив их по контуру предмета, что делает его невидимым. Учёным удалось воплотить принцип в реальность, правда, успехи пока ограничиваются микроволновым диапазоном.

Каменную бумагу придумала компания Ogami. Внешне она мало чем отличается от обычной. Вместо дерева и полимеров её производят из нетоксичной смолы и карбоната кальция, который встречается в природе в виде минералов — кальцита, известняка, мрамора. Эти компоненты легко получить из каменных карьеров и даже отходов строительства. Для производства бумаги минерал измельчают до состояния порошка. Производственный процесс не требует расхода воды, применения хлора, кислот и нефтяных продуктов, которые и делают отходы традиционного бумажно-целлюлозного производства ядовитыми. Хотя по фактуре каменная бумага почти ничем не отличается от древесной, у неё есть ряд замечательных дополнительных свойств. Она не боится воды, её сложнее порвать. Её можно многократно использовать, так как стирая написанное, вы не ухудшаете её структуру. На каменной бумаге уже была напечатана первая книга — «Little Pig Looks for Rain» на тайваньском.

Покрытие ZrOC

material

Процесс покрытия декоративных металлических изделий, например, раковины или дисков автомобиля, для придания им особой прочности и защиты от царапин называется покрытием осажденных паров или PVD. ZrOC — это новое покрытие из смеси циркония, кислорода и углепластика, которое можно наносить на металл, пластик, дерево, стекло или ткани. В зависимости от того, как смешаны эти элементы, получаются разные оттенки хрома. «Изначально этот материал был изобретен для покрытия элементов кухни, но я считаю, что его можно использовать и для смартфонов или «умных» часов», — считает Дент.

Тесонит (tethonite)

material

Распечатанные на 3D-принтере предметы всегда смотрятся хуже, чем вещи, изготовленные традиционными методами. С тесонитом все обстоит иначе: это сложное керамическое вещество, полученное с помощью 3D-печати. После обжига и отвердевания оно выглядит точно так же, как и обычная керамика, изготовленная вручную или на промышленном оборудовании. Тесонит не только раздвигает границы искусства керамики, но и может использоваться в других отраслях.

«Такие компании, как Apple, хотят открыть новые способы использования керамики, ведь это невероятный материал, — утверждает Дент. — Он твердый, тонкий, светлый, но в отличие от металла, очень хрупкий».

Керамика легко ломается, поэтому ее редко можно найти в каких-либо гаджетах (хотя недавно была представлена керамическая модель часов Apple Watch). Тесонит сочетает в себе лучшие качества металла и керамики и поэтому может пригодиться компаниям вроде Apple в создании новых устройств.

ThermalTech

material

ThermalTech — это запатентованная легкая умная ткань, сделанная из стопроцентной нержавеющей стальной проволоки с частичным тонирующим покрытием. Эта ткань отлично бы подошла для создания спортивной одежды. Материал хорошо поглощает тепло от ультрафиолетового излучения, а затем распределяет его по всей поверхности. Представьте себе легкий спортивный костюм, который дает столько же тепла, как одежда из шерсти. Тогда вам станет очевидно, почему ThermalTech может заинтересовать такие компании, как Nike. По словам Дента, производители спортивной одежды «уже нашли материалы, которые не пропускают пот и неприятный запах. Единственная проблема, с которой они еще не справились, это регуляция температуры».

Paptic

Paptic — что-то среднее между бумагой и пластиком. Это новый материал, на котором легко печатать. Его легко можно переработать или использовать в качестве упаковки. «Возможно, Paptic не изменит весь мир», — признает Дент. Тем не менее он считает что вскоре этот материал будет использоваться повсюду, потому что на ощупь и с виду он похож на бумагу, но обладает прочностью пластика.

RE>CRETE

material

Бетон — это сложное вещество, состоящее из разных отходов — в основном из песка и гравия, склеенного между собой цементом. RE>CRETE не слишком от него отличается, правда вместо песка и гравия в нем содержатся порванные на кусочки газеты, старые письма, измельченный пенополистирол, провода от бытовой электроники, кредитные карточки, CD-диски, переработанная краска для дома, ворсинки, копоть и портландцемент. С помощью RE>CRETE мы сможем строить дома будущего из того, что раньше было мусором.

Гибкая батарея

material

Вообразите, что на вас костюм, который представляет собой одну большую литий-ионную батарею. С помощью гибкой батареи от компании Jenax такой костюм может стать реальностью. «Обычные батареи изготавливаются в виде единых кусков, а эта батарея сплетена из волокон и потому она более гибкая», — объясняет Дент. Гибкие батареи можно сложить несколько сотен раз, и это никак не скажется на их работе. Таки батареи идеально подойдут для «умной» одежды, текстиля, носимых устройств и трансформируемых или гибких гаджетов.

Аэрогель

aerogel.crayons

Этот крошечный блок прозрачного аэрогеля поддерживает кирпич весом 2,5 кг. Плотность аэрогеля — 3 мг/см³.Этот крошечный блок прозрачного аэрогеля поддерживает кирпич весом 2,5 кг. Плотность аэрогеля — 3 мг/см³.

Аэрогелю отведено 15 позиций в Книге рекордов Гиннесса — больше, чем любому другому материалу. Иногда называемый «замороженным дымом» аэрогель производится в процессе сверхкритической сушки жидких гелей из алюминия, хрома, оксида олова или углерода. На 99,8 % аэрогель состоит из пустого пространства, что делает его полупрозрачным. Аэрогель фантастически изолирует — если у вас щит из аэрогеля, он защитит вас от потока огня. Причем так же защитит и от холода. Из него можно было бы построить теплый купол на Луне.

1419690611_689611760

У аэрогелей невероятная площадь поверхности внутренних фрактальных структур — кубик аэрогеля с гранью в один дюйм обладает внутренней площадью, эквивалентной футбольному полю. Несмотря на низкую плотность, аэрогель рассматривался в качестве компонента военной брони из-за своих изолирующих свойств.

Доступные алмазы

diamonds

Мы давно стали использовать толстые слои алмазов в различных машинах, тем самым приблизив время, когда алмазы будут использоваться повсеместно. Алмаз — идеальный строительный материал. Он прочный, легкий, сделан из легкодоступного углерода, практически полностью теплопроводен и обладает одной из самых высоких температур кипения и плавления среди всех материалов. Вводя микропримеси, вы можете сделать алмаз практически любого цвета. Представьте истребитель, в двигателе которого сотни тысяч движущихся частей сделаны из алмаза. Такой аппарат был бы во много раз мощнее, чем лучшие самолеты сегодняшнего дня.

Сверхсплавы

superalloys

Сверхсплав — это общий термин для металла, который может работать при очень высоких температурах (до 1100 °C). Их с удовольствием используют в сверхгорячих областях турбин реактивных двигателей. Они также используются и в более сложных конструкциях. Когда мы будем летать по небу в гиперзвуковых самолетах, нам придется благодарить сверхсплавы.

Металлическая липучка

material

Собственно, все очевидно из названия. Она представляет собой лист металла с колючками, которые позволяют соединять между собой более двух подобных листов без использования клея, сварки или болтов. Соединенные вместе два куска такой липучки становятся в три раза крепче, чем они были по отдельности. Такой материал идеально подойдет для создания мебели, строительства и производства.

Все эти материалы уже существуют, но их пока что не так-то просто достать. Скорее всего, они появятся в открытом доступе в ближайшие месяцы или годы. Дент же считает, что эти материалы — будущие звезды на сцене материаловедения.

Источник.


Новая синтетическая ткань защищает от жары лучше, чем хлопок

Создана защитная ткань, которая сама «зашивает» дырки в себе

Учёные создали «жидкую проволоку», вдохновившись паутиной

Ученые разработали новый материал, который в 100 раз уменьшит энергопотребление компьютеров


Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью:

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...

Добавить комментарий