3 belangrijke doorbraken in de materiaalwetenschap-en waarom zij van belang zijn voor de toekomst

weinigen erkennen de enorme implicaties van de materiaalwetenschap.

om de smartphone van vandaag in de jaren 1980 te bouwen, zou het ongeveer $110 miljoen kosten, bijna 200 kilowatt energie nodig hebben (vergeleken met 2kW per jaar vandaag), en het apparaat zou 14 meter hoog zijn, volgens toegepaste materialen CTO Omkaram Nalamasu.

dat is de kracht van de vooruitgang van materialen. Materiaalkunde heeft smartphones gedemocratiseerd, waardoor de technologie in de zakken van meer dan 3,5 miljard mensen. Maar veel verder dan apparaten en circuits, staat materiaalkunde in het centrum van ontelbare doorbraken in energie, toekomstige steden, transit en geneeskunde. En in de voorhoede van Covid-19, materialenwetenschappers werken aan biomaterialen, nanotechnologie en ander materiaalonderzoek om een oplossing te versnellen.Zoals de naam al doet vermoeden, is materiaalkunde de tak die zich toelegt op de ontdekking en ontwikkeling van nieuwe materialen. Het is een uitvloeisel van zowel fysica als chemie, met behulp van het periodiek systeem als supermarkt en de wetten van de fysica als kookboek.

en vandaag bevinden we ons midden in een materialenwetenschappelijke revolutie. In dit artikel, we zullen uitpakken van de belangrijkste materialen vooruitgang nu gebeurt.

laten we duiken in.In juni 2011 aan de Carnegie Mellon University kondigde president Obama het Materials Genome Initiative aan, een landelijke poging om open source methoden en AI te gebruiken om het tempo van innovatie in de materiaalwetenschap te verdubbelen. Obama vond deze versnelling van cruciaal belang voor het mondiale concurrentievermogen van de VS en hield de sleutel tot het oplossen van belangrijke uitdagingen op het gebied van schone energie, nationale veiligheid en menselijk welzijn. En het werkte.

door AI te gebruiken om de honderden miljoenen verschillende combinaties van elementen in kaart te brengen—waterstof, boor, lithium, koolstof, enz.- het initiatief creëerde een enorme database die wetenschappers in staat stelt om een soort improvisatie jazz te spelen met het periodiek systeem.

deze nieuwe kaart van de fysieke wereld laat wetenschappers elementen sneller dan ooit tevoren combineren en helpt hen allerlei nieuwe elementen te creëren. Een reeks nieuwe fabricagetools versterkt dit proces verder, waardoor we op totaal nieuwe schalen en groottes kunnen werken, inclusief de atomaire schaal, waar we nu atomaire materialen bouwen.

grootste doorbraak op het gebied van materiaalwetenschap

deze instrumenten hebben bijgedragen tot de ontwikkeling van metamaterialen die worden gebruikt in koolstofvezelcomposieten voor lichtere voertuigen, geavanceerde legeringen voor duurzamere straalmotoren en biomaterialen ter vervanging van menselijke gewrichten. We zien ook doorbraken in energieopslag en kwantumcomputing. In robotica helpen nieuwe materialen ons om de kunstmatige spieren te creëren die nodig zijn voor mensachtige, zachte robots – denk aan Westworld in jullie wereld.

laten we enkele van de toonaangevende materiaalwetenschappelijke doorbraken van het afgelopen decennium uitpakken.

(1) Lithium-ion-accu ’s

de lithium-ion-accu, die vandaag de dag alles van stroom voorziet, van smartphones tot autonome auto’ s, werd voor het eerst voorgesteld in de jaren zeventig. Een exponentiële technologie, deze batterijen zijn gedaald in prijs voor drie decennia, kelderen 90 procent tussen 1990 en 2010, en 80 procent sindsdien. Tegelijkertijd, ze hebben gezien een elf-voudige toename van de capaciteit.

maar het produceren van voldoende van hen om aan de vraag te voldoen is een voortdurend probleem geweest. Tesla is de uitdaging aangegaan: een van de Gigafactories van het bedrijf in Nevada produceert 20 Gigawatt energieopslag per jaar, wat de eerste keer is dat we lithium-ion-batterijen op schaal zien produceren.Musk voorspelt dat 100 Gigafactoren de energiebehoeften van de hele wereld kunnen opslaan. Andere bedrijven bewegen zich snel om deze technologie ook te integreren: Renault is het bouwen van een huis energie-opslag op basis van hun Zoe batterijen, BMW ‘ s 500 i3 batterijpakketten worden geïntegreerd in de Britse nationale energienet, en Toyota, Nissan, en Audi hebben alle aangekondigde proefprojecten.

Lithium-ion-batterijen zullen een belangrijke rol blijven spelen bij de opslag van hernieuwbare energie, door de prijzen van zonne-en windenergie te helpen verlagen om te kunnen concurreren met die van kolen en benzine.

(2) grafeen

grafeen is afkomstig van hetzelfde grafiet dat in alledaagse potloden wordt aangetroffen en is een laag koolstof met een dikte van slechts één atoom. Het is bijna gewichtloos, maar 200 keer sterker dan staal. Het uitvoeren van elektriciteit en warmte sneller dan elke andere bekende stof, dit super-materiaal heeft transformatieve toepassingen.

grafeen maakt sensoren, hoogperformante transistoren en zelfs gel mogelijk die neuronen in het ruggenmerg helpt communiceren. Vele flexibele apparaatschermen, systemen van de druglevering, 3D-printers, zonnepanelen, en beschermend stofgebruik grafeen.

naarmate de fabricagekosten dalen, heeft dit materiaal het vermogen om alle soorten vooruitgang te versnellen.

(3) perovskiet

op dit moment zweeft de “omzettingsefficiëntie” van het gemiddelde zonnepaneel—een maat voor de hoeveelheid opgenomen zonlicht die in elektriciteit kan worden omgezet—rond 16 procent, tegen een kostprijs van ongeveer $3 per watt.

perovskiet, een lichtgevoelig kristal en een van onze nieuwere nieuwe materialen, heeft het potentieel om dat tot 66 procent te krijgen, wat zou verdubbelen wat silicium panelen kunnen opbrengen.De ingrediënten van perovskiet zijn op grote schaal beschikbaar en goedkoop te combineren. Wat betekenen al deze factoren? Betaalbare zonne-energie voor iedereen.Nanotechnologie is de buitenste rand van de materiaalkunde, het punt waar materiemanipulatie nano-klein wordt, dat is een miljoen keer kleiner dan een mier, 8.000 keer kleiner dan een rode bloedcel en 2,5 keer kleiner dan een DNA-streng.Nanobots zijn machines die kunnen worden gericht op het produceren van meer van zichzelf, of meer van wat je maar wilt. Omdat dit op atomaire schaal gebeurt, kunnen deze nanobots elk soort materiaal uit elkaar halen—aarde, water, lucht—atoom voor atoom, en deze grondstoffen gebruiken om zowat alles te construeren.In de nano-wereld is de vooruitgang verrassend snel geweest, met een schare nano-producten die nu op de markt zijn. Wil je nooit meer kleren vouwen? Nanoschaal additieven aan stoffen helpen hen zich te verzetten tegen rimpels en vlekken. Doe je geen ramen? Geen probleem! Nano-films maken ramen zelfreinigend, anti-reflecterend en in staat om elektriciteit te geleiden. Wilt u zonne-energie toevoegen aan uw huis? We hebben nanocoatings die de energie van de zon opvangen.Nanomaterialen maken lichtere auto ‘ s, vliegtuigen, honkbalknuppels, helmen, fietsen, bagage, elektrisch gereedschap—de lijst gaat maar door. Onderzoekers van Harvard bouwden een nanoschaal 3D-printer die in staat is om miniatuur batterijen van minder dan een millimeter breed te produceren. En als je niet van die omvangrijke VR-bril houdt, gebruiken onderzoekers nu nanotech om slimme contactlenzen te maken met een resolutie die zes keer groter is dan die van de huidige smartphones.

en er komt nog meer. Op dit moment blijken nanobots in de geneeskunde vooral nuttig te zijn in de strijd tegen kanker. Computing is een vreemder verhaal, omdat een bio-ingenieur op Harvard onlangs 700 terabytes aan gegevens opsloeg in één gram DNA.Op milieugebied kunnen wetenschappers kooldioxide uit de atmosfeer halen en omzetten in supersterke koolstof nanovezels voor gebruik in de productie. Als we dit op schaal kunnen doen—aangedreven door zonne—energie-zou een systeem dat tien keer zo groot is als de Sahara-woestijn de CO2 in de atmosfeer kunnen verminderen tot pre-industriële niveaus in ongeveer een decennium.

de toepassingen zijn eindeloos. En komt snel. In het komende decennium zal de impact van het zeer, zeer kleine op het punt staan om zeer, zeer groot te worden.

Final Thoughts

met behulp van kunstmatige intelligentie en kwantumcomputing in de komende tien jaar zal de ontdekking van nieuwe materialen exponentieel versnellen.

en met deze nieuwe ontdekkingen zullen aangepaste materialen gemeengoed worden. Toekomstige knieimplantaten worden gepersonaliseerd om te voldoen aan de exacte behoeften van elk lichaam, zowel qua structuur als samenstelling.Hoewel materialen op nanoschaal onzichtbaar zijn voor het blote oog, zullen ze integreren in ons dagelijks leven, waardoor medicijnen, energie, smartphones en meer naadloos worden verbeterd.Uiteindelijk begint de weg naar dememonetisering en democratisering van geavanceerde technologieën met het opnieuw ontwerpen van materialen-de onzichtbare enabler en katalysator. Onze toekomst hangt af van de materialen die we creëren.

(Opmerking: Dit artikel is een uittreksel uit The Future Is Faster Than You Think—my new book, net uitgebracht op 28 januari! Om uw eigen exemplaar te krijgen, Klik hier!)

Join Me

(1) A360 Executive Mastermind: als je een exponentieel en overvloed-minded ondernemer bent die direct van mij coaching wil, overweeg dan lid te worden van my Abundancy 360 Mastermind, een zeer selectieve gemeenschap van 360 CEO ‘ s en ondernemers die ik coach voor 3 dagen in januari in Beverly Hills, Ca. Via A360 geef ik mijn leden context en duidelijkheid over hoe convergerende exponentiële technologieën elke industrie zullen transformeren. Ik ben toegewijd aan het runnen van A360 voor de loop van een voortdurende 25-jarige reis als een ” aftellen naar de singulariteit.”

als u meer wilt weten en wilt overwegen om lid te worden van ons 2021 lidmaatschap, solliciteer dan hier.(2) Abundance-Digitale online gemeenschap: Ik heb ook een digitale/Online gemeenschap van gedurfde, overvloed-minded ondernemers genaamd Abundance-Digital. Abundance-Digital is Singularity University ‘ s ‘onramp’ voor exponentiële ondernemers-degenen die willen meedoen en spelen op een hoger niveau. Klik hier voor meer informatie.

(zowel A360 als Abundancy-Digital maken deel uit van Singularity University—uw deelname opent u voor een wereldwijde gemeenschap.)

dit artikel verscheen oorspronkelijk op diamandis.com.lees het originele artikel hier.

beeld door: Anand Kumar van

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.