Costumul lui Spider-man ar putea fi creat din mătase de păianjen artificială, iar oasele bolnave ar putea fi reconstruite cu spumă metalică. Iată cele mai exotice inovații cu potențial de a revoluționa industriile viitorului.
Lifturi până la cer, orașe plutitoare și obiecte invizibile, toate acestea au fost imaginate de scriitorii de SF, însă în ultimii ani, apariția unor supermateriale – rezistente, ușoare, maleabile – deschide calea pentru a transforma ficțiunea în realitate. Mai jos, îți prezentăm unsprezece dintre cele mai interesante materiale descoperite în experimente științifice și cum ar putea fi aplicate în construcțiile viitorului.
Digital Grotesque. Foto: Michael Hansmeyer & Benjmain Dillenburger
Gresie imprimată 3D
În 2013, arhitecții Michael Hansmeyer și Benjamin Dillenburger au încercat să forțeze limitele imprimării 3D și au creat proiectul Digital Grotesque,digital-grotesque.com o cameră complicată, proiectată digital și tipărită în gresie.
Inspirați de procesul natural de diviziune celulară, cei doi au dezvoltat un algoritm care divide repetitiv și transformă geometria inițială a unui cub simplu. „În ciuda regulilor destul de banale, procesul dă naștere unei lumi complexe a formelor: între ornament și structură, între ordine și haos, străin și totuși familiar: un grotesc digital”, se arată pe site-ul de prezentare.
Pe lângă faptul că are proprietăți structurale interesante și permite crearea de forme care ar fi aproape imposibil de sculptat fără tehnologii suplimentare, gresia imprimată 3D poate deveni, pe viitor, o nouă modalitate de a repara sculpturile în piatră.
De exemplu, folosind această tehnologie, pietrarii ar putea repara și reconstrui garguiele Jgheab sau burlan scurt pentru scurgerea apei de ploaie, de obicei ornamentat cu figuri fantastice. erodate situate pe părțile laterale ale clădirilor istorice și ale bisericilor. Tehnica oferă și posibilitatea de a concepe clădiri noi, cu un design complicat, imposibil de realizat cu instrumente de construcție clasice.
Spumă metalică
Inspirate de natură, pentru că imită structura oaselor sau pe cea a bureților, spumele metalice pot fi fabricate dintr-o varietate de metale (de obicei, e folosit aluminiul) și sunt pe cât de ușoare, pe atât de rezistente. Structura acestor spume permite trecerea gazelor și chiar a lichidelor prin ele.
Acest tip de material este creat prin adăugarea unui agent de spumare cu hidrură de titan la metalul topit care este lăsat să se răcească. Titanul și tantalulMetal rar, cenușiu, lucios, maleabil, ductil în stare pură și foarte rezistent din punct de vedere chimic, folosit la confecționarea pieselor de laborator pot fi, de asemenea, folosite ca metale de bază. Spumele metalice își păstrează rezistența, dar greutatea scade foarte mult – până la 95% din structura materialului este aer. Materialul rezultat este, așadar, la fel de puternic, dar mult mai ușor, ceea ce îl face perfect pentru a fi utilizat în călătorii spațiale sau, într-un viitor îndepărtat, la colonizarea spațiului prin crearea de orașe plutitoare.
Spumă metalică. Foto: Wikimedia Commons
Costurile de producție sunt în continuare prohibitive, așa că până în prezent spumele metalice au fost folosite doar în proiecte experimentale. Unii cercetători explorează utilizarea lor în ortopedie, pentru a înlocui oasele defecte. Studiile la mamifere au arătat că metalele poroase, cum ar fi spuma de titan, pot permite vascularizarea în zona poroasă.„Metal Foam – a material for new bones”, dw.com Așa a ajuns un husky siberian, pe nume Triumph, să primească o proteză care conținea spumă metalică. Oasele picioarelor din spate i-au fost găurite și a fost introdusă spuma metalică, pentru o joncțiune permanentă.Detalii, aici: wikipedia.org
Spuma metalică compozită a demonstrat și capacitatea de a proteja împotriva razelor X și radiațiilor neutronice, absoarbe sau atenuează șocurile, sunetele și vibrațiile și poate rezista la peste 1.000 de grade Celsius.
În industria auto, spumele metalice pot fi folosite pentru a reduce greutatea pieselor componente ale mașinii și pentru a facilita asamblarea, reducând astfel costurile și îmbunătățind performanța.
În fine, materialul este mai uşor decât metalul, proprietate care-l face ideal pentru următoarea generaţie de armuri militare pentru soldaţi şi vehicule. Într-un experiment, un proiectil M2 de dimensiunile 7,62 x 63 de mm s-a făcut ţăndări atunci când a lovit un perete din spumă de metal.
Aluminiu transparent
Fanii Star Trek sunt deja familiarizați cu conceptul de aluminiu transparent cu ajutorul căruia o balenă din anii 1980 a fost transportată în viitor. Însă materialul nu mai este o fantezie, ci a fost creat în 2009, într-un laborator de la Universitatea Oxford,„Transparent Aluminum Is ‘New State Of Matter’”, sciencedaily.com prin împușcarea unei folii subțiri de aluminiu cu cel mai puternic laser cu raze X din lume.
Oficial, substanța se numește oxinitrură de aluminiu și este de trei ori mai rezistentă decât oțelul. Inițial, substanța se prezintă sub formă de pulbere albă. Această pulbere este apoi fixată într-o matriță și supusă la presiune extremă și căldură de 2.000 de grade Celsius, timp de câteva zile. Materialul rezultat este apoi lustruit pentru a obține aspectul transparent. Este comercializat sub numele ALON de către Surmet Corporation, iar în prezent este utilizat la fabricarea vehiculelor blindate, a submarinelor, dar și în optică.
Lipici molecular
Cel mai probabil, ai avut măcar o dată în viață ghinionul să ți să lipească degetele atunci când ai folosit superglue. E normal să te fi enervat, dar imaginează-ți dacă ți s-ar întâmpla asta cu un adeziv care leagă materialele la nivel molecular?
Cercetătorii de la Universitatea Oxford au creat acest coșmar. Pentru a face totul să sune și mai înfricoșător, lipiciul are în compoziție Streptococcus pyogenes, o bacterie patogenă care produce boli precum faringita și scarlatina, dar se regăsește și în microflora normală a pielii.„A molecular “superglue” based on flesh-eating bacteria”, acs.org Echipa de cercetători a modificat genetic adezivul dintr-o proteină, FbaB, care ajută bacteria Streptococcus pyogenes (S. pyogenes) să infecteze celulele. S.pyogenes este unul dintre microbii care pot provoca fasciita necrozantă rară sau sindromul bacteriilor care mănâncă carne, în care infecțiile greu de tratat distrug țesutul corpului.
Lipiciul este atât de puternic, încât echipamentul cu ajutorul căruia a fost făcut a fost distrus. Rezistă atât la temperaturi ridicate, cât și la cele scăzute, acizi și alte situații extreme și etanșează rapid. Cu acest material, savanții ar putea fixa între ele proteinele, pentru a putea realiza teste de diagnostic mai bune, cum ar fi detectarea precoce a celulelor canceroase care circulă în sânge. O altă utilizare ar putea fi studierea modului în care forțele din interiorul celulelor schimbă biochimia corpului și influențează sănătatea și boala.
Aerogel
Aerogelul a fost pentru prima oară obținut de chimistul american Steven S. Kistler,Detalii, aici: wikipedia.org în 1931. El a preparat un hidrogel de SiO2 (hidrogelul este un gel care conține apă) utilizând reacția dintre silicatul de sodiu și acidul clorhidric.
În prezent, formula a fost schimbată și îmbunătățită, iar aerogelurile au devenit o clasă specială de materiale poroase obținute prin uscarea în condiții supracritice a unui gel umed. Metoda de preparare conferă aerogelului proprietăți speciale: porozitate și omogenitate ridicată, volum al porilor foarte mare, densitate extrem de scăzută și suprafață specifică foarte mare. În cazul aerogelurilor de SiO2 se poate ajunge ca aerul să ocupe mai mult de 98% din volum. Există atât de mult spațiu în acest material, încât suprafața internă a unui cub de 2,5 cm poate acoperi un întreg teren de fotbal. Pentru proprietățile sale, materialul deține în prezent 15 înregistrări în Cartea Recordurilor Guinness. Denumit uneori „fum înghețat”, proprietățile sale îl transformă într-un izolator excelent.
Aerogel. Foto: Wikimedia Commons
Densitatea sa este de 800 de ori mai mică decât cea a unei bucăți de sticlă de aceeași mărime. Aerul este repartizat în pori invizibili cu ochiul liber, dar ponderalitatea extrem de redusă are un revers: materialul este fragil, astfel că se fărâmă chiar și numai dacă cineva îl ține între degete.
Aerogelul fabricat din grafen s-a dovedit a fi mai ușor decât heliul și doar de două ori mai ușor decât hidrogenul. Imaginează-ți că dirijabilele fabricate din grafen plutesc pe cer fără a fi nevoie de combustibil. Este, practic, un burete de carbon.
Specialiștii consideră că potențialul materialului este aproape nelimitat. Pentru că absoarbe complet radiațiile infraroșii, el va permite construirea unor clădiri care să permită accesul luminii solare în interiorul lor, fără a modifica temperatura ambientală.
Datorită modificării prin adaos de sulf sau seleniu, cu ajutorul aerogelului ar putea fi evitate catastrofe ecologice. De exemplu, urmările dezastruoase ale unor deversări accidentale de produse petroliere în apele mărilor și oceanelor ar putea fi anulate prin exploatarea uriașei capacități a aerogelului de a absoarbe metale grele, de tipul mercurului, din mediul acvatic.
NASA folosește deja aerogelul„Aerogels: Thinner, Lighter, Stronger”, nasa.gov pentru izolarea termică a costumelor astronauților, un strat de 18 mm din material asigurând protecția împotriva frigului la temperaturi de până la minus 150 grade Celsius.
Grafen
Ultrarezistent, ultrastabil şi ultraconductor, grafenul promite să revoluţioneze industria aerospaţială, energetică şi medicală.
Considerat un „material-miracol”, grafenul este unul dintre cele mai uşoare materiale descoperite vreodată. Compus din carbon, el a fost identificat în 1947, dar izolat abia în 2004 de olandezul Andre Geim şi ruso-britanicul Konstantin Novoselov, profesori la Universitatea din Manchester, o reuşită care le-a adus celor doi cercetători, în 2010, premiul Nobel pentru fizică.Detalii, aici: nobelprize.org
De fapt, grafenul este un alotrop al carbonului, un singur strat de atomi de carbon aranjați într-o matrice hexagonală. Savanții care l-au descoperit au folosit niște bandă adezivă, au lipit-o de un cristal de grafit și, când scos-o, aceasta conținea straturi de grafen. Aplicațiile potențiale ale grafenului sunt imense, există în prezent peste 15.000 de brevete pentru material în întreaga lume.
Grafen. Foto: Wikimedia Commons
Grafenul este de 200 de ori mai puternic decât oțelul, conduce căldura mai bine decât diamantul, este elastic – chiar dacă este un cristal, se poate întinde până la 20% și rămâne cel mai rigid material din lume – și impermeabil – nici măcar un atom de heliu nu poate trece prin material.
Grafenul este cel mai subţire material identificat până acum – o „foaie” de grafen are o grosime de doar un atom, motiv pentru care oamenii de ştiinţă afirmă că este primul material 2D identificat de omenire. Este un conductor electric mai bun decât cuprul, fiind totodată de 300 de ori mai puternic decât oţelul şi având proprietăţi optice unice.
Grafenul face obiectul unor cercetări privind fabricarea senzorilor de înaltă sensibilitate, dispozitivelor electronice suple, mai ales pentru automobile, avioane şi sateliţi. El stochează foarte uşor energia, devenind din acest motiv materialul preferat al dezvoltatorilor de baterii pentru automobile.
Acelaşi material ar putea fi utilizat în construcţii şi în medicină, mai ales ca vector pentru terapii genice, medicină moleculară şi vaccinuri.
Dar, din cauza noutăţii sale şi a posibilităţilor lui uriaşe, acest nanomaterial a devenit totodată subiectul predilect al unui număr impresionant de mesaje de dezinformare distribuite pe internet de antivacciniști.
Conform acestor teorii, guverne şi anumite personalităţi ar încerca să controleze oamenii de la distanţă, graţie unor materiale injectate prin intermediul vaccinurilor anti-COVID-19 sau să monitorizeze deplasările lor prin sistemul GPS. Aceste zvonuri au apărut în primăvara anului 2021, după ce Canada a retras de pe piaţă anumite măşti sanitare ce conţineau grafen, din cauza unor posibile riscuri pentru sănătate.
În realitate, niciunul dintre vaccinurile anti-COVID-19 omologate de OMS, ale căror compoziţii chimice sunt publice, nu conţine grafen sau oxid de grafen.„Fact Check-COVID-19 vaccines do not contain graphene oxide”, reuters.com Nici grafenul, nici oxidul de grafen nu au proprietăţi magnetice naturale. El nu este magnetic decât în condiţii de laborator foarte specifice.
Mătase artificială de păianjen
Mătasea de păianjen are calități uimitoare, este de cinci ori mai puternică decât oțelul de aceeași greutate. Însă, fiind un material natural, până acum a fost greu de sintetizat.
Costumul lui Spider-man ar putea deveni în curând realitate. Asta pentru că oamenii de ştiinţă britanici de la Universitatea Cambridge au inventat omătase de păianjen artificială.„Green method developed for making artificial spider silk”, cam.ac.uk Este foarte rezistentă şi superelastică, deşi e făcută dintr-un material care conţine 98 la sută apă. Restul de două procente din compoziţia hidrogelului îl reprezintă bioxidul de siliciu şi celuloza.
Chimiştii spun că fibrele artificiale nu sunt toxice şi pot fi create la temperatura camerei. În plus, pentru că au atât de multă apă în compoziţie, sunt mult mai ieftine decât alternativele actuale, dar au proprietăţi asemănătoare mătăsii de păianjen.
Mătase de păianjen artificială. Foto: Creative Commons
Odată ce sunt scoase din aparat, o parte din lichid se evaporă în aproximativ 30 de secunde şi rămân doar fibre puternice şi elastice. Mai rezistente decât firul de păr, spre exemplu, pentru că pot suporta o presiune de la 100 până la 150 de Megapascali.
Mătasea artificială ar putea fi folosită la fabricarea textilelor sau pentru senzori.
Nici japonezii nu s-au lăsat mai prejos. Compania SpiberSite-ul oficial, aici: spiber.inc a dezvoltat mătase artificială făcută de bacterii hrănite cu zahăr, sare și alte micronutrimente.
Nanotuburi de carbon
Nanotuburile sunt lanțuri lungi de carbon ținute împreună cu o legătură mai puternică decât cea a unui diamant. Proprietățile includ transportul de electroni balistici, făcându-le ideale pentru toate tipurile de electronice. Ele sunt de 300 de ori mai rezistente decât oțelul. Această rezistență face ca materialul să fie ideal pentru crearea unui lift spațial. Imaginează-ți clădiri care se întind pe kilometri spre cer.
Un nanotub de carbon este ca o foaie de grafit care este rulată într-un cilindru, cu o rețea hexagonală distinctă care formează foaia. Ele sunt structuri microscopice asemănătoare grafitului – o peliculă de atomi aranjată într-un tipar gen fagure de miere. Vârful unui creion conţine stive întregi de asemenea pelicule microscopice. Nanotuburile de carbon se formează atunci când aceste pelicule de carbon sunt înfăşurate sub formă de cilindri. Pentru o imagine grafică, imaginează-ți că au un diametru de 50.000 de ori mai mic decât firul de păr.
Nanotub de carbon. Foto: Wikimedia Commons
Nanotuburile de carbon au proprietăţi electrice, mecanice şi termice extraordinare: conductivitate electrică ridicată, care poate fi de 1.000 ori mai mare decât cea a cuprului, duritate aproximativ egală cu cea a diamantului, rezistenţă mecanică de întindere de aproximativ 14 ori superioară Kevlarului.Kevlarul este o poliamidă de cinci ori mai rezistentă decât oțelul la o greutate egală.Calculele arată că firul de nanotuburi din mai multe straturi, cu o grosime de un milimetru ar putea menţine o greutate de până la 15 tone. Totodată, într-o secţiune transversală, păstrează căldura la fel ca betonul sau cărămida.
De când au fost descoperite, în 1952, Detalii, aici: wikipedia.org îşi găsesc tot mai multe aplicaţii. Ele pot fi utilizate în circuitele electrice, la fabricarea de diode, tranzistoare, porţi logice, ca surse de emisie în câmp cu catod rece pentru fabricarea FED-urilor (afişaje cu ecran plat), pentru stocarea de energie electrică, pentru ranforsarea materialelor compozite etc.
Cel mai mic radio din lume a fost creat din nanotuburi de carbon.„Make Way for the Real Nanopod: Berkeley Researchers Create First Fully Functional Nanotube Radio”, 2.lbl.gov Un grup de cercetători de la Universitatea din California, SUA, a realizat un radio dintr-un singur astfel de tub, reușind să combine toate componentele electrice majore prezente într-un radio. Mai precis, nu au realizat astfel de componente, ci le-au simulat într-un acelaşi nanotub de carbon. O singură moleculă de nanotub este atât antenă, cât şi tuner (AM si FM), filtru, amplificator şi demodulator. Nanotubul este ataşat unui electrod ce încarcă negativ vârful acestuia, care vibrează sub acţiunea undelor radio. Şi totul este înconjurat de vid.
Metamateriale
Un nou tip de materiale cu proprietăți optice speciale, numite metamateriale, ar putea, în viitorul nu foarte îndepărtat, să ajute la protejarea clădirilor de cutremure prin devierea undelor seismice în jurul imobilelor.„Making waves: In the hunt for invisibility, other benefits seen”, reuters.com Similar, valurile de tip tsunami ar putea fi deviate în jurul orașelor, iar undele sonore ar putea fi și ele curbate astfel încât să izoleze fonic o încăpere.
Metamaterialele prezintă proprietăți care nu se găsesc în natură și au puterea de a devia radiația electromagnetică în jurul obiectelor. Cheia constă în modul în care sunt făcute. Prin asamblarea materialului – de la cristale fotonice la sârmă și spumă – la o scară mai mică decât lungimea de undă care urmează să fie manipulată, unda poate, teoretic, să fie deviată.
Pelerină electromagnetică în bandă largă a obiectelor cilindrice. Foto: Wikimedia Commons
Aceste proprietăți fac din metamateriale instrumentul preferat al oamenilor de știință care lucrează la construirea unor dispozitive de camuflare, inclusiv așa-numita „mantie a invizibilității”, în genul celei familiare fanilor Harry Potter – un paravan care ar asigura invizibilitatea lucrurilor pe care le acoperă.
Fizicianul rus Victor VeselagoMai multe, aici: en.wikipedia.org a publicat în 1967 o lucrare în care a demonstrat matematic că, atunci când permitivitatea electrică şi permeabilitatea magnetică ale unui material sunt simultan negative, indicele de refracţie al acestui material va fi de asemenea negativ – adică lumina ar fi deviată în afara materialului.
La finalul mileniului trecut, lucrarea lui Veselago a intrat în atenţia fizicienilor, care au început să o studieze în mod serios. La scurt timp după aceea, în 2002, s-a reuşit crearea a ceea ce părea a fi o idee SF: un metamaterial cu un indice de refracţie negativ.
Indicele de refracţie negativ permite refractarea luminii în jurul unui obiect acoperit cu un astfel de metamaterial, devenind, practic, invizibil pentru un observator extern.
În 2006, cercetătorii de la Universitatea Duke au reuşit pentru prima dată să folosească un metamaterial pentru a camufla un obiect, însă „invizibilitatea” funcţiona doar în cazul microundelor, nu şi în spectrul vizibil detectat de ochiul uman.
În 2010, cercetătorii de la Institutul de Tehnologie din Karlsruhe au reuşit să creeze o primă „mantie a invizibilităţii”„Karlsruhe Invisibility Cloak: Disappearing Visibly”, kit.edu tridimensională, care funcţiona cu lumină cu lungime de undă foarte aproape de cea vizibilă ochiului uman.
„Mantia invizibilităţii” creată de cercetătorii germani este cu mult mai subţire decât diametrul unui fir de păr uman, astfel că efectul nu este vizibil cu ochiul liber. Crearea unei mantii a invizibilităţii de dimensiunea unui om este dificilă, deoarece metamaterialele care funcţionează la lungimi de undă scurte, vizibile ochiului uman, trebuie confecţionate din elemente de câţiva nanometri.
Cu toate acestea, în vara anului 2011, o echipă de cercetători finanţată de biroul de cercetare al armatei americane a anunţat că a reuşit, în premieră, să conceapă un metamaterial care camuflează obiectele în spectrul vizibil ochiului uman. „An ultrathin invisibility skin cloak for visible light”, pubmed.ncbi.nlm.nih.gov Xiang Zhang, conducătorul studiului, a explicat că reuşita echipei coordonate de el este revoluţionară, chiar dacă obiectul camuflat era de dimensiunile unei globule roşii.
Ciment viu
Oamenii de ştiinţă au dezvoltat ceea ce numesc „beton viu”, format din nisip, hidrogel şi bacterii. Cercetătorii susţin că acest material de construcţie are funcţie structurală portantă, este capabil de autovindecare şi este mai prietenos cu mediul în comparaţie cu betonul, al doilea cel mai utilizat material pe Pământ după apă.
Echipa de la University of Colorado Boulder„Building materials come alive with help from bacteria”, colorado.edudin Statele Unite consideră că descoperirea deschide calea către obţinerea în viitor a unor structuri de construcţii care ar putea să-şi vindece propriile crăpături, să aspire toxine periculoase din aer şi chiar să strălucească la comandă.
Pentru experimente, echipa a utilizat cianobacterii – organisme verzi care trăiesc în apă şi îşi pot fabrica propria hrană. Deşi aceste bacterii sunt mici şi, de obicei, unicelulare, ele se dezvoltă adesea în colonii suficient de mari pentru a putea fi observate.
Echipa a creat o schelă folosind nisip şi hidrogel pentru ca bacteriile să se dezvolte. Hidrogelul conţine apă și nutrimente ce permit bacteriilor să se reproducă şi să se mineralizeze, un proces similar cu formarea cochiliilor. Aceste organisme absorb dioxidul de carbon din aer şi produc carbonat de calciu, ingredientul principal din ciment.
Savanții au observat că o cărămidă din hidrogel-nisip este, de asemenea, capabilă să se autovindece. Cercetătorii au descoperit, după ce au împărţit în două o cărămidă cultivată în laborator, că aceasta s-a dezvoltat în două cărămizi complete cu ajutorul unor cantităţi suplimentare de nisip, hidrogel şi nutrimente.
Lemn transparent
Acest tip de lemn este obținut printr-o metodă relativ simplă și ar putea oferi o alternativă la sticla convențională. Potrivit echipei de cercetători de la Forest Products Laboratory (FPL), condusă de savantul Junyong Zhu, care a colaborat cu Universitatea Maryland și cea din Colorado,„Transparent Wood Could Be the Window of the Future”, usda.gov tehnologia are potențialul de a surclasa sticla obișnuită din aproape toate punctele de vedere.
Noul material transparent este creat prin procesarea lemnului Balsa, obținut de la o specie de copac recunoscut pentru creșterea rapidă și proprietățile deosebite ale lemnului furnizat, mai puțin dens și foarte ușor. Metoda implică tratarea la temperatura camerei într-o baie de oxidare conținând solvenți speciali. La final, materialul lemnos devine aproape transparent. După baia oxidantă, lemnul este infiltrat cu un polimer sintetic numit alcool polivinilic pentru a crea un produs transparent și foarte rezistent.
Este jurnalist și, de aproximativ 20 de ani, se bucură de principalul avantaj al profesiei, pentru că nicio zi nu seamănă cu alta. Are o relație de love-hate cu oamenii, pe care, de cele mai multe ori, îi îmblânzește prin interviuri.
