https://bodybydarwin.com
Slider Image

De smartere, sikrere, stærkere, fremtidige materialer i fremtiden

2021

Stauber

Materialevidenskab har været roden til den materielle fremgang, og faktisk alle fremskridt, så længe, ​​at vi kan blive fristet til at tro, at dens største bidrag ligger bag os. Stenalderen, bronzealderen, jernalderen: De var alle defineret ved dramatiske forbedringer i, hvordan vi fremstilte og manipulerede hverdagens genstande, fra knust flint til skarpere øksehoder til legeret aluminium til lettere flyvinger. Men nu i Silicon Age, er fremskridt ikke kun med at manipulere dem og nuller?

Svaret er et rungende nej. Materialer er vigtigere i dag end nogensinde, og derfor dedikerede Popular Science meget af dette emne til dem. I laboratorier over hele kloden arbejder videnskabsmænd hårdt med at skabe grundlaget for morgendagens produkter: ultralydsbelægninger, der afviser alt fra is (på disse lette flyvinger) til Staphylococcus aureus (på kimryldede hospitaler); selvregulerende materialer, der ændrer deres egenskaber med temperatur eller pH; og piezoelektriske film, der fanger spildt energi, selv som andre smarte materialer anvender denne energi til mere effektiv anvendelse. Når ingeniører beviser disse materialer i testlaboratorier og inkorporerer dem i design, der udnytter de nye kapaciteter, står alt til at forbedre, fra rumdragter klar til interplanetær efterforskning til atomreaktorer.

Faktisk beskriver Moore's Law, den centrale grund i Silicon Age, et princip ikke om datavidenskab, men af ​​materialevidenskab - hver 18. måned skal vi finde en måde at proppe dobbelt så mange komponenter på en fin chip. Så bedre materialer skaber bedre computere, som igen hjælper os med at designe endnu bedre materialer. Efter et par millioner år med fremskridt inden for materialevidenskab er vi stadig bare ved at komme i gang.

—Redaktørerne

Whetzel

Menneskeligt væv rives alt for let; edderkoppesilke er stærkere end stål. Så i Utah State spinder forskere edderkoppesilke til en løsning til beskadigede skuldre og knæ. De avlede transgene geder for at producere store mængder edderkoppesilkeproteiner, spinde disse proteiner i strenge og flettede strengene til en fiber. Filamenterne bevarer silkens stretchness men er 100 gange så stærke som menneskelige ledbånd og op til 20 gange så stærke som sener. Edderkoppesilke kan også gøre knogletransplantater mindre sprøde, siger Markus Buehler, der kombinerer edderkoppesilkeproteiner med kollagen på MIT. Begge grupper vurderer, at edderkoppesilkeimplantater kunne godkendes til brug i mennesker i 2030.

Sarah Fecht

Stauber

Huden beskytter ikke bare kroppen it transmitterer sensationer. Ved at gøre elektronik blød og kødagtig, har ingeniører fundet en måde at få den kunstige hud, der dækker transplantater og proteser til, også at føle noget. Forskere ved University of Illinois har oprettet kredsløb tynde og fleksible nok til at dække en fingerspids, hvor de omdanner tryk til elektriske signaler. En gel udviklet i Stanford, der er i stand til at opbevare elektricitet, kunne blive et formbart batteri. Og Carnegie Mellons Carmel Majidi forsøger at gøre gummi til tryk- og friktionssensorer. Han indlejrer det med små kanaler af flydende metal, der ændrer konduktivitet, når væsken bevæger sig. Elektronisk hud kan også være nyttig for ikke-mennesker. ”Denne tilgang til teknik kan potentielt gøre robotter og maskiner meget mere naturtro Majidi siger.

Lauren Aaronson

Stauber

Nationens 104 atomkraftværker er meget afhængige af stål for mange af deres komponenter, inklusive trykbeholdere, der indeholder uran. Men til sidst kan den konstante stråling af stråling nedbryde stål, hvilket gør det modtageligt for brud. Forskere ved Caltech og Los Alamos National Laboratory har skabt nanolaminatkompositter, materialer, der kan forbedre katastrofesikre fremtidige reaktorer. Grænsefladerne mellem kompositmaterialernes metallag absorberer de strålingsinducerede defekter, der får bestrålet materiale til at blive sprødt. På kort sigt kunne laminaterne indarbejdes i stål for at erstatte aldrende dele i eksisterende planter, siger Caltech-ingeniør Julia Greer. Rumfartøjsmaterialer kunne også overtrækkes med nanolaminater og beskytte dem mod den kosmiske stråling i det dybe rum.

-LA

Whetzel

Ingeniører har konverteret mekanisk stress til elektricitet ved hjælp af piezoelektriske enheder i mere end hundrede år, men målet om at tænde en iPod ved at banke fortovet har forblevet undvigende. Nuværende piezoelektriske materialer er vanskelige at fremstille og indeholder typisk giftige metaller, såsom nikkel og bly. Forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory har løst begge problemer ved at bruge en genetisk manipuleret virus, der selv samles i en film. Når der påføres tryk, drejes spiralformede proteiner på virussenes skaller og drejer, hvilket genererer en ladning. Ved at trykke på en farveprøve med frimærke-størrelse produceres 400 millivolt elektricitet, eller nok til kort at give en LCD-skærm strøm. I løbet af 5 til 10 år, siger bioingeniør Seung-Wuk Lee, kunne filmen også bruges til at udnytte strømmen fra at opbygge vibrationer, hjerteslag og andre typer bevægelse.

-SF

Stauber

Som solsikker, der bøjer sig mod lys, kan solcellepaneler øge deres energiudbytte ved at rotere, når solen bevæger sig. Men drejning kræver også energi. "Ikke mange materialer kan reagere på sollys og har også en mekanisk reaktion, siger Hongrui Jiang, en ingeniør ved University of Wisconsin i Madison. Jiang udviklede et materiale, der passivt kunne flytte bunden af ​​et solarray. Han kombinerede carbon nanorør, der absorberer sollys, med
en flydende krystallinsk elastomer (LCE), der sammentrækkes, når den opvarmes. Når solenergi varmer en side af basen, krymper LCE, hvilket får solcellepanelet til at vippe mod solen; når denne side falder i skygge, afkøles LCE og vender tilbage til sin oprindelige højde. Felttest viser, at systemet øger effektiviteten af ​​solcellepaneler med et gennemsnit på 10 procent.

-SF

Stauber

Bakterielle infektioner fanget på amerikanske hospitaler dræber ca. 100.000 patienter årligt; personale skal kontinuerligt sterilisere overflader for at standse deres spredning. Et materiale, der er banebrydet af et Harvard-laboratorium, kunne forhindre organismer i at vokse på medicinsk udstyr som katetre i første omgang det er så glat, ikke engang bakterier kan holde sig til det. Baseret på SLIPS-teknologi (glat med væske-infunderede porøse overflader) udnytter den den samme mekanisme, der får insekter til at glide ind i en kande-plante. Nanoporer, der strukturerer en solid base, såsom Teflon eller metal, vækker et ultralydsmøremiddel til det; alt andet, inklusive bakterier, glider blot væskebelægningen. Harvard materialeforsker Tak-Sing Wong siger, at SLIPS har den samme effekt på støv, is og graffiti, hvilket gør dem potentielt nyttige til mange flere industrier.

Laura Geggel

Stauber

Dagens fly har intetsteds nær agility og præcision i naturens bedste flyvere. "Flagermus
er forskellige fra de fleste dyr og fra de fleste konstruerede materialer fordi de har meget fleksible vinger, der tilbyder en masse interessante aerodynamiske egenskaber siger Kenny Breuer, en maskiningeniør ved Brown University. Patrick T. Mather og hans team ved Syracuse University har skabt et materiale med en lignende kvalitet: Polymerkæderne stiller op for at gøre det stift og stabilt i den ene retning, men 12 gange så elastisk i den anden. Fem til 10 år fra nu af kunne et sådant materiale lade små ubemandede flyers vinger flappe ved at udvide og samle sig, hvilket ville gøre det muligt for fly at flyve i langsomme hastigheder og dreje nøjagtigt under overvågningsmissioner.

-LA

Stauber

Ved at donere forskellige tøj kan folk forberede sig på sol, regn og kulde - men aldrig før har skjorter eller bukser intelligent tilpasset deres miljø. Anna Balazs, ingeniør ved University of Pittsburgh, siger, at inden for to årtier "kan dit tøj gøre tankerne for dig." Et materiale udviklet i Pitt og Harvard kan regulere dets temperatur for at holde sig inden for et bestemt interval. En kemisk og mekanisk feedbacksløjfe inden i dens lag tænder og slukker en varmeproducerende reaktion ved forprogrammerede grader. Den samme strategi kunne bruges til at fremstille materialer, der selvregulerer som reaktion på andre stimuli, såsom pH, lys eller glukose - hvilket betyder, at vandrør, vinduer og medicinsk udstyr kan være lige så smart.

-SF

Stauber

Integrerede kredsløb kan have aktiveret den digitale tidsalder, men de er stadig underlagt en stor begrænsning: fysisk skade. En ny coating udviklet ved University of Illinois vil være i stand til at bringe et dødt kredsløb tilbage til livet på mindre end et millisekund, selvom du "tager en X-Acto-kniv og skærer igennem det, siger ingeniør Nancy Sottos. Hendes team belagte guldtråde med mikroskopiske kapsler af flydende metal. Når en ledning knipses, brydes kapslerne, og det flydende metal fylder krakken og gendanner elektrisk ledningsevne. I løbet af 5 til 10 år kunne lignende selvhelende belægninger dække ledningerne, der forbinder komponenterne på kredsløbskort, Siger Sottos og giver næsten enhver computer eller gadget muligheden for at reparere sig selv.

-LA

Stauber

"På mange områder af materialevidenskab har vi nået det bedste, vi kan gøre med teknik, siger McGill University ingeniør Francois Barthelat." Jeg tror, ​​at naturen har en masse nye tricks til at lære os. ”Den beskyttende rustning af mange havdyr er op til 3.000 gange hårdere end de materialer, der danner det. Ved at gentage strukturen af ​​fiskeskalaer forstærkede Barthelat på samme måde hårdheden af ​​et kompositmateriale. Ingeniører ved Villanova University stablede keramiske krystaller i en blødere forbindelse i vinkler svarende til dem i et conch shell Fordi revner zigzag og peter ud i stedet for at sprænge materialet, er det 10 gange så stærk som basiskeramikken. Sådanne fremskridt kunne styrke armeringen på tre til fem år.

-LA

At opbygge god mobilnavigation er super hårdt.  Så hvorfor prøver Uber det?

At opbygge god mobilnavigation er super hårdt. Så hvorfor prøver Uber det?

Wifi-puder og smarte hårbørster gør CES til en botnet-drøm

Wifi-puder og smarte hårbørster gør CES til en botnet-drøm

Slanke, kødfulde læber, der drypper af snørr, hjælper disse fisk med at spise stikkende koraller

Slanke, kødfulde læber, der drypper af snørr, hjælper disse fisk med at spise stikkende koraller