3 Importanti scoperte della scienza dei materiali-e perché contano per il futuro

Pochi riconoscono le vaste implicazioni della scienza dei materiali.

Per costruire smartphone di oggi nel 1980, costerebbe circa million 110 milioni, richiedono quasi 200 kilowatt di energia (rispetto a 2kW all’anno di oggi), e il dispositivo sarebbe alto 14 metri, secondo Applied Materials CTO Omkaram Nalamasu.

Questo è il potere dei progressi dei materiali. La scienza dei materiali ha democratizzato gli smartphone, portando la tecnologia nelle tasche di oltre 3,5 miliardi di persone. Ma ben oltre i dispositivi e i circuiti, la scienza dei materiali è al centro di innumerevoli scoperte in materia di energia, città future, transito e medicina. E in prima linea di Covid-19, gli scienziati dei materiali stanno andando avanti con biomateriali, nanotecnologie, e altri materiali di ricerca per accelerare una soluzione.

Come suggerisce il nome, la scienza dei materiali è la branca dedicata alla scoperta e allo sviluppo di nuovi materiali. È una conseguenza sia della fisica che della chimica, usando la tavola periodica come negozio di alimentari e le leggi della fisica come libro di cucina.

E oggi, siamo nel bel mezzo di una rivoluzione scienza dei materiali. In questo articolo, decomprimeremo i più importanti progressi materiali accadendo ora.

Tuffiamoci.

The Materials Genome Initiative

Nel giugno 2011 alla Carnegie Mellon University, il presidente Obama ha annunciato la Materials Genome Initiative, uno sforzo a livello nazionale per utilizzare metodi open source e AI per raddoppiare il ritmo di innovazione nella scienza dei materiali. Obama ha ritenuto che questa accelerazione fosse fondamentale per la competitività globale degli Stati Uniti e ha tenuto la chiave per risolvere sfide significative in materia di energia pulita, sicurezza nazionale e benessere umano. E ha funzionato.

Utilizzando AI per mappare le centinaia di milioni di diverse combinazioni possibili di elementi—idrogeno, boro, litio, carbonio, ecc.—l’iniziativa ha creato un enorme database che consente agli scienziati di suonare una sorta di improvvisazione jazz con la tavola periodica.

Questa nuova mappa del mondo fisico consente agli scienziati di combinare elementi più velocemente che mai e li aiuta a creare tutti i tipi di elementi nuovi. E una serie di nuovi strumenti di fabbricazione stanno amplificando ulteriormente questo processo, permettendoci di lavorare a scale e dimensioni completamente nuove, inclusa la scala atomica, dove ora stiamo costruendo materiali un atomo alla volta.

Grandi scoperte della scienza dei materiali

Questi strumenti hanno contribuito a creare i metamateriali utilizzati nei compositi in fibra di carbonio per veicoli più leggeri, leghe avanzate per motori a reazione più durevoli e biomateriali per sostituire le articolazioni umane. Stiamo anche assistendo a scoperte nello stoccaggio di energia e nell’informatica quantistica. Nella robotica, nuovi materiali ci stanno aiutando a creare i muscoli artificiali necessari per umanoidi, robot morbidi-pensate Westworld nel vostro mondo.

Scompattiamo alcune delle principali scoperte della scienza dei materiali dell’ultimo decennio.

(1) Batterie agli ioni di litio

La batteria agli ioni di litio, che oggi alimenta tutto, dai nostri smartphone alle nostre auto autonome, è stata proposta per la prima volta negli anni ’70. Non poteva arrivare sul mercato fino agli anni’ 90 e non ha iniziato a raggiungere la maturità fino agli ultimi anni.

Una tecnologia esponenziale, queste batterie sono state cadere nel prezzo per tre decenni, precipitando del 90 per cento tra il 1990 e il 2010, e l ‘ 80 per cento dal. Contemporaneamente, hanno visto un aumento di undici volte della capacità.

Ma produrre abbastanza di loro per soddisfare la domanda è stato un problema in corso. Tesla ha superato la sfida: una delle Gigafactories dell’azienda in Nevada sforna 20 gigawatt di accumulo di energia all’anno, segnando la prima volta che abbiamo visto batterie agli ioni di litio prodotte su larga scala.

Musk prevede che 100 gigafabbricazioni potrebbero immagazzinare il fabbisogno energetico dell’intero globo. Altre aziende si stanno muovendo rapidamente per integrare questa tecnologia pure: Renault sta costruendo un accumulo di energia domestica basato sulle loro batterie Zoe, i pacchi batteria 500 i3 di BMW vengono integrati nella rete energetica nazionale del Regno Unito e Toyota, Nissan e Audi hanno tutti annunciato progetti pilota.

Le batterie agli ioni di litio continueranno a svolgere un ruolo importante nello stoccaggio delle energie rinnovabili, contribuendo a ridurre i prezzi dell’energia solare ed eolica per competere con quelli del carbone e della benzina.

(2) Grafene

Derivato dalla stessa grafite che si trova nelle matite di tutti i giorni, il grafene è un foglio di carbonio di un solo atomo di spessore. È quasi senza peso, ma 200 volte più forte dell’acciaio. Conducendo l’elettricità e dissipando il calore più velocemente di qualsiasi altra sostanza nota, questo super-materiale ha applicazioni trasformative.

Il grafene consente sensori, transistor ad alte prestazioni e persino gel che aiuta i neuroni a comunicare nel midollo spinale. Molti schermi di dispositivi flessibili, sistemi di somministrazione di farmaci, stampanti 3D, pannelli solari e tessuto protettivo utilizzano grafene.

Con la diminuzione dei costi di produzione, questo materiale ha il potere di accelerare i progressi di tutti i tipi.

(3) Perovskite

In questo momento, l ‘ “efficienza di conversione” del pannello solare medio—una misura di quanta luce solare catturata può essere trasformata in elettricità—si aggira intorno al 16%, ad un costo di circa $3 per watt.

La perovskite, un cristallo sensibile alla luce e uno dei nostri nuovi materiali più recenti, ha il potenziale per ottenerlo fino al 66%, il che raddoppierebbe ciò che i pannelli di silicio possono raccogliere.

Gli ingredienti di Perovskite sono ampiamente disponibili e poco costosi da combinare. A cosa si sommano tutti questi fattori? Energia solare a prezzi accessibili per tutti.

Materiali del Nano-Mondo

La nanotecnologia è il bordo esterno della scienza dei materiali, il punto in cui la manipolazione della materia diventa nano-piccola—che è un milione di volte più piccola di una formica, 8.000 volte più piccola di un globulo rosso e 2,5 volte più piccola di un filamento di DNA.

I nanobot sono macchine che possono essere indirizzate a produrre più di se stesse, o più di qualsiasi altra cosa desideri. E poiché questo avviene su scala atomica, questi nanobot possono separare qualsiasi tipo di materiale—suolo, acqua, aria—atomo per atomo, e usare queste materie prime per costruire qualsiasi cosa.

I progressi sono stati sorprendentemente rapidi nel nano-mondo, con uno stuolo di nano-prodotti ora sul mercato. Non vuoi mai più piegare i vestiti? Gli additivi su scala nanometrica per i tessuti li aiutano a resistere alle rughe e alle macchie. Non fare windows? Nessun problema! I nano-film rendono le finestre autopulenti, antiriflesso e in grado di condurre elettricità. Vuoi aggiungere solare alla tua casa? Abbiamo nano-rivestimenti che catturano l’energia del sole.

I nanomateriali fanno automobili più leggere, aeroplani, mazze da baseball, caschi, biciclette, bagagli, utensili elettrici—la lista continua. I ricercatori di Harvard hanno costruito una stampante 3D su scala nanometrica in grado di produrre batterie in miniatura larghe meno di un millimetro. E se non ti piacciono quegli ingombranti occhiali VR, i ricercatori stanno ora utilizzando nanotech per creare lenti a contatto intelligenti con una risoluzione sei volte superiore a quella degli smartphone di oggi.

E ancora di più sta arrivando. In questo momento, in medicina, i nanobot per la somministrazione di farmaci si stanno dimostrando particolarmente utili nella lotta contro il cancro. Computing è una storia sconosciuta, come un bioingegnere di Harvard ha recentemente memorizzato 700 terabyte di dati in un singolo grammo di DNA.

Sul fronte ambientale, gli scienziati possono prendere l’anidride carbonica dall’atmosfera e convertirla in nanofibre di carbonio super-forti per l’uso nella produzione. Se riusciamo a farlo su scala-alimentato da energia solare-un sistema un decimo delle dimensioni del deserto del Sahara potrebbe ridurre la CO2 nell’atmosfera a livelli preindustriali in circa un decennio.

Le applicazioni sono infinite. E in fretta. Nel prossimo decennio, l’impatto del molto, molto piccolo sta per diventare molto, molto grande.

Considerazioni finali

Con l’aiuto dell’intelligenza artificiale e dell’informatica quantistica nel prossimo decennio, la scoperta di nuovi materiali accelererà in modo esponenziale.

E con queste nuove scoperte, i materiali personalizzati diventeranno comuni. I futuri impianti di ginocchio saranno personalizzati per soddisfare le esigenze esatte di ogni corpo, sia in termini di struttura che composizione.

Sebbene invisibili ad occhio nudo, i materiali su scala nanometrica si integreranno nella nostra vita quotidiana, migliorando senza soluzione di continuità medicina, energia, smartphone e altro ancora.

In definitiva, il percorso verso la demonetizzazione e la democratizzazione delle tecnologie avanzate inizia con la riprogettazione dei materiali-l’enabler e il catalizzatore invisibili. Il nostro futuro dipende dai materiali che creiamo.

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Questo articolo è originariamente apparso su diamandis.com. Leggi l’articolo originale qui.

Immagine di credito: Anand Kumar da

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