3 주요 재료 과학의 혁신-그리고 그것이 미래에 중요한 이유

재료 과학의 광대 한 의미를 인식하는 사람은 거의 없습니다.

1980 년대에 오늘날의 스마트 폰을 만들려면 약 1 억 1 천만 달러의 비용이 들며 약 200 킬로와트의 에너지가 필요하며 장치는 14 미터 높이가 될 것입니다.

이것이 물질 발전의 힘입니다. 재료 과학은 스마트 폰을 민주화하여 35 억 명이 넘는 사람들의 주머니에 기술을 가져 왔습니다. 그러나 장치와 회로를 훨씬 뛰어 넘는 재료 과학은 에너지,미래 도시,대중 교통 및 의학 전반에 걸쳐 수많은 혁신의 중심에 서 있습니다. 코로나 19 의 최전선에서 재료 과학자들은 솔루션을 가속화하기 위해 생체 재료,나노 기술 및 기타 재료 연구를 앞당기고 있습니다.

이름에서 알 수 있듯이,재료 과학은 새로운 재료의 발견과 개발에 전념 한 분야입니다. 그것은 물리학과 화학의 파생물이며,주기율표를 식료품 가게로 사용하고 물리 법칙을 요리 책으로 사용합니다.

그리고 오늘날 우리는 재료 과학 혁명의 한가운데에 있습니다. 이 글에서,우리는 지금 일어나는 가장 중요한 자료 발전을 압축을 풉니 다.

재료 게놈 이니셔티브

2011 년 6 월 카네기 멜론 대학에서 오바마 대통령은 재료 게놈 이니셔티브,재료 과학의 혁신의 속도를 두 배로 오픈 소스 방법과 인공 지능을 사용하는 전국적인 노력을 발표했다. 오바마는이 가속이 미국의 글로벌 경쟁력에 중요하다고 생각하고 청정 에너지,국가 안보 및 인간 복지에 중요한 과제를 해결하는 열쇠를 가졌다. 그리고 그것은 효과가있었습니다.

인공 지능을 사용하여 수소,붕소,리튬,탄소 등 수억 가지의 가능한 원소 조합을 매핑합니다.-이 이니셔티브는 과학자들이 주기율표와 함께 일종의 즉석 재즈를 연주 할 수있는 거대한 데이터베이스를 만들었습니다.

이 새로운 물리적 세계지도는 과학자들이 그 어느 때보 다 빠르게 요소를 결합 할 수있게 해주 며 모든 종류의 새로운 요소를 만드는 데 도움을줍니다. 그리고 새로운 제조 도구의 배열이 이 과정을 더욱 증폭 시켜서 우리가 새로운 규모와 크기로 작업 할 수있게 해줍니다.

가장 큰 재료 과학의 돌파구

이러한 도구는 경량 차량의 탄소 섬유 복합 재료에 사용되는 메타 물질,내구성이 뛰어난 제트 엔진을위한 고급 합금 및 인간의 관절을 대체 할 생체 재료를 만드는 데 도움이되었습니다. 우리는 또한 에너지 저장 및 양자 컴퓨팅의 돌파구를보고 있습니다. 로봇,새로운 재료는 우리가 인간형,부드러운 로봇에 필요한 인공 근육을 만들 수 있도록하고-당신의 세계에서 웨스트 월드를 생각한다.

지난 10 년간의 주요 재료 과학 혁신 중 일부를 풀어 봅시다.

(1)리튬 이온 배터리

오늘날 스마트 폰에서부터 자율 차량에 이르기까지 모든 것을 지원하는 리튬 이온 배터리는 1970 년대에 처음 제안되었습니다.1990 년대까지는 시장에 출시 할 수 없었고 지난 몇 년까지는 성숙기에 이르지 못했습니다.

기하 급수적 인 기술로,이 배터리는 30 년 동안 가격이 하락하여 1990 년과 2010 년 사이에 90%,그 이후로 80%하락했습니다. 동시에,그들은 용량이 11 배 증가한 것을 보았습니다.

그러나 수요를 충족시키기에 충분한 양을 생산하는 것은 지속적인 문제였습니다. 테슬라는 도전에 강화했다:네바다에있는 회사의 기가 팩토리 중 하나는 우리가 규모에서 생산 리튬 이온 배터리를 본 적이 처음으로 표시,연간 에너지 저장의 20 기가 와트를 휘젓다.

머스크는 100 기가 팩토리가 지구 전체의 에너지 수요를 저장할 수 있다고 예측했다. 다른 회사들도이 기술을 통합하기 위해 빠르게 움직이고 있습니다: 르노는 조이 배터리를 기반으로 가정용 에너지 저장 장치를 구축하고 있으며,토요타,닛산,아우디는 모두 파일럿 프로젝트를 발표했다.

리튬 이온 배터리는 재생 가능 에너지 저장에 중요한 역할을 계속하여 태양열 및 풍력 에너지 가격을 석탄 및 가솔린과 경쟁 할 수 있도록 지원합니다.

(2)그래 핀

일상 연필에서 발견되는 것과 동일한 흑연에서 유래 된 그래 핀은 단지 하나의 원자 두께의 탄소 시트입니다. 그것은 거의 무중력이지만 강철보다 200 배 더 강합니다. 전기를 전도하고 열을 다른 어떤 알려진 물질 보다는 빨리 낭비해서,이 최고 물자에는 변형시키는 신청이 있습니다.

그래 핀은 센서,고성능 트랜지스터,심지어 신경 세포가 척수에서 통신하는 데 도움이되는 젤을 가능하게합니다. 많은 유연한 장치 화면,약물 전달 시스템,3 차원 프린터,태양 전지 패널 및 보호 패브릭은 그래 핀을 사용합니다.

제조 비용이 감소함에 따라,이 물질은 모든 종류의 발전을 가속화 할 수있는 힘이있다.

(3)페 로브 스카이 트

지금,평균 태양 전지 패널의”변환 효율”—캡처 햇빛이 전기로 전환 할 수 있습니다 얼마나 측정—약 16%로,와트 당 약$3 의 비용.

페 로브 스카이 트,빛에 민감한 결정과 우리의 새로운 새로운 재료 중 하나는,실리콘 패널이 소집 할 수있는 것을 두 배로 66%까지 얻을 수있는 잠재력을 가지고있다.

페 로브 스카이 트의 성분은 광범위하게 사용 가능하며 결합하기가 저렴합니다. 이 모든 요소는 무엇을 추가합니까? 모두를위한 저렴한 태양 에너지.

나노세계의 물질

나노기술은 물질과학의 바깥쪽 가장자리로,물질 조작이 나노소형으로 되는 지점으로,개미보다 백만 배,적혈구보다 8,000 배,유전자 가닥보다 2.5 배 더 작다.

나노봇은 더 많은 것을 생산하도록 유도할 수 있는 기계이다. 그리고 이것은 원자 규모에서 일어나기 때문에,이 나노봇들은 어떤 종류의 물질,즉 토양,물,공기—원자를 원자 단위로 분해 할 수 있으며,이 원료를 사용하여 거의 모든 것을 만들 수 있습니다.

진보는 나노 세계에서 놀라 울 정도로 빠른되었습니다,시장에 나노 제품의 떼와 함께 지금. 옷을 다시 접고 싶지 않습니까? 직물에 대한 나노 스케일 첨가제는 주름 및 얼룩에 저항하는 데 도움이됩니다. 윈도우하지 마십시오? 아니 문제! 나노 필름은 창문을 자체 청소,반사 방지 및 전기를 전도합니다. 당신의 집에 태양 광을 추가하고 싶으십니까? 우리는 태양의 에너지를 포착하는 나노 코팅을 가지고 있습니다.

나노소재는 더 가벼운 자동차,비행기,야구 방망이,헬멧,자전거,짐,전동 공구를 만든다. 하버드의 연구자들은 1 밀리미터 미만의 소형 배터리를 생산할 수있는 나노 크기의 3 차원 프린터를 만들었습니다. 그리고 만약 당신이 그 부피가 큰 가상 현실 고글을 좋아하지 않는다면,연구자들은 이제 나노 기술을 사용하여 오늘날의 스마트 폰보다 6 배 더 큰 해상도의 스마트 콘택트 렌즈를 만들고 있습니다.

그리고 더 많은 것이오고 있습니다. 현재 의학에서 약물 전달 나노봇은 암 퇴치에 특히 유용하다는 것을 증명하고 있습니다. 하버드의 생명 공학자가 최근 700 테라바이트의 데이터를 1 그램의 유전자에 저장했기 때문에 컴퓨팅은 낯선 이야기입니다.

환경 측면에서 과학자들은 대기로부터 이산화탄소를 취하여 제조에 사용하기 위해 초강력 탄소 나노 섬유로 변환 할 수 있습니다. 우리가 이것을 태양열로 발전시킬 수 있다면,사하라 사막 크기의 10 분의 1 인 시스템은 대기 중의 이산화탄소를 약 10 년 안에 산업화 이전 수준으로 줄일 수 있습니다.

응용 프로그램은 끝이 없습니다. 그리고 빨리오고. 향후 10 년 동안,매우,매우 작은 것의 영향은 매우,매우 커질 것입니다.

최종 생각

향후 10 년 동안 인공 지능과 양자 컴퓨팅의 도움으로 새로운 물질의 발견은 기하 급수적으로 가속화 될 것입니다.

이러한 새로운 발견으로 맞춤형 재료가 보편화 될 것입니다. 미래의 무릎 임플란트는 구조 및 구성 측면에서 각 신체의 정확한 요구를 충족하도록 개인화 될 것입니다.

육안으로는 보이지 않지만 나노스케일 물질은 우리의 일상 생활에 통합되어 의학,에너지,스마트폰 등을 원활하게 개선할 것입니다.

궁극적으로 첨단 기술의 민주화와 민주화의 길은 보이지 않는 원동력이자 촉매제 인 재료를 재 설계하는 것으로 시작됩니다. 우리의 미래는 우리가 만드는 재료에 달려 있습니다.

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이미지 제공:

에서 아난드 쿠마르

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