3 grandes avanços na ciência dos materiais – e por que eles são importantes para o futuro

poucos reconhecem as vastas implicações da ciência dos materiais.

para construir o smartphone de hoje na década de 1980, custaria cerca de US $110 milhões, exigiria quase 200 quilowatts de energia (em comparação com 2kw por ano hoje), e o dispositivo teria 14 metros de altura, de acordo com materiais aplicados CTO Omkaram Nalamasu.

esse é o poder dos avanços dos materiais. A ciência dos materiais democratizou os smartphones, trazendo a tecnologia para os bolsos de mais de 3,5 bilhões de pessoas. Mas muito além de dispositivos e circuitos, a ciência dos materiais está no centro de inúmeros avanços em energia, cidades futuras, trânsito e medicina. E na vanguarda da Covid-19, os cientistas de materiais estão avançando com biomateriais, nanotecnologia e outras pesquisas de materiais para acelerar uma solução.Como o nome sugere, a ciência dos materiais é o ramo dedicado à descoberta e desenvolvimento de novos materiais. É uma conseqüência da física e da química, usando a tabela periódica como mercearia e as leis da física como livro de receitas.

e hoje, estamos no meio de uma revolução da ciência dos materiais. Neste artigo, vamos descompactar os avanços de materiais mais importantes que estão acontecendo agora.

vamos mergulhar.Em junho de 2011, na Carnegie Mellon University, O Presidente Obama anunciou a Materials Genome Initiative, um esforço nacional para usar métodos de código aberto e ia para dobrar o ritmo da inovação na ciência dos materiais. Obama sentiu que essa aceleração era fundamental para a competitividade global dos EUA e manteve a chave para resolver desafios significativos em energia limpa, segurança nacional e bem-estar humano. E funcionou.

usando IA para mapear as centenas de milhões de diferentes combinações possíveis de elementos—hidrogênio, boro, lítio, carbono, etc.- a iniciativa criou um enorme banco de dados que permite aos cientistas tocar uma espécie de jazz improvisado com a tabela periódica.Este novo mapa do mundo físico permite que os cientistas combinem elementos mais rápido do que nunca e está ajudando-os a criar todos os tipos de novos elementos. E uma série de novas ferramentas de fabricação estão ampliando ainda mais esse processo, permitindo-nos trabalhar em escalas e tamanhos totalmente novos, incluindo a escala atômica, onde agora estamos construindo materiais um átomo de cada vez.

maiores avanços na ciência dos materiais

essas ferramentas ajudaram a criar os metamateriais usados em compósitos de fibra de carbono para veículos mais leves, ligas avançadas para motores a jato mais duráveis e biomateriais para substituir as articulações humanas. Também estamos vendo avanços no armazenamento de energia e na computação quântica. Na robótica, novos materiais estão nos ajudando a criar os músculos artificiais necessários para robôs humanóides e macios-pense no Westworld em seu mundo.

vamos descompactar alguns dos principais avanços da ciência dos materiais da última década.

(1) baterias de íons de lítio

a bateria de íons de lítio, que hoje alimenta tudo, desde nossos smartphones até nossos carros autônomos, foi proposta pela primeira vez na década de 1970. não conseguiu chegar ao mercado até a década de 1990 e não começou a atingir a maturidade até os últimos anos.

uma tecnologia exponencial, essas baterias têm caído de preço por três décadas, despencando 90% entre 1990 e 2010 e 80% desde então. Ao mesmo tempo, eles viram um aumento de onze vezes na capacidade.

mas produzir o suficiente deles para atender à demanda tem sido um problema contínuo. A Tesla superou o desafio: uma das Gigafactories da empresa em Nevada produz 20 gigawatts de armazenamento de energia por ano, marcando a primeira vez que vimos baterias de íons de lítio produzidas em escala.Musk prevê que 100 Gigafactories podem armazenar as necessidades de energia de todo o globo. Outras empresas estão se movendo rapidamente para integrar essa tecnologia também: A Renault está construindo um armazenamento de energia doméstico com base em suas baterias Zoe, as baterias 500 i3 da BMW estão sendo integradas à rede nacional de energia do Reino Unido, e Toyota, Nissan e Audi anunciaram projetos-piloto.As baterias de iões De Lítio continuarão a desempenhar um papel importante no armazenamento de energia renovável, ajudando a reduzir os preços da energia solar e eólica para competir com os do carvão e da gasolina.

(2) grafeno

derivado da mesma grafite encontrada nos lápis do dia a dia, o grafeno é uma folha de carbono com apenas um átomo de espessura. É quase sem peso, mas 200 vezes mais forte que o aço. Conduzindo eletricidade e dissipando o calor mais rápido do que qualquer outra substância conhecida, este super-material tem aplicações transformadoras.O grafeno permite sensores, transistores de alto desempenho e até gel que ajudam os neurônios a se comunicarem na medula espinhal. Muitas telas flexíveis do dispositivo, sistemas de entrega da droga, impressoras 3D, painéis solares, e grafeno protetor do uso da tela.

à medida que os custos de fabricação diminuem, este material tem o poder de acelerar os avanços de todos os tipos.

(3) perovskita

no momento, a “eficiência de conversão” do painel solar médio—uma medida de quanto a luz solar capturada pode ser transformada em eletricidade—gira em torno de 16%, a um custo de cerca de US $3 por watt.

Perovskite, um cristal sensível à luz e um de nossos novos materiais, tem o potencial de obter até 66%, o que dobraria o que os painéis de silício podem reunir.

os ingredientes da perovskita estão amplamente disponíveis e baratos de combinar. O que todos esses fatores somam? Energia solar acessível para todos.

materiais do Nano-mundo

a Nanotecnologia é a borda externa da ciência dos materiais, o ponto em que a manipulação da matéria fica nano-pequena—Isso é um milhão de vezes menor que uma formiga, 8.000 vezes menor que um glóbulo vermelho e 2,5 vezes menor que uma fita de DNA.Nanobots são máquinas que podem ser direcionadas para produzir mais de si mesmas, ou mais do que você quiser. E como isso ocorre em escala atômica, esses nanobots podem separar qualquer tipo de material—solo, água, ar—átomo por átomo, e usar essas matérias-primas agora para construir praticamente qualquer coisa.

o progresso tem sido surpreendentemente rápido no nano-mundo, com um bando de nano-produtos agora no mercado. Nunca mais quer dobrar roupas? Os aditivos em nanoescala para tecidos os ajudam a resistir ao enrugamento e à coloração. Não faça janelas? Não é um problema! Os Nano-filmes tornam as janelas autolimpantes, anti-reflexivas e capazes de conduzir eletricidade. Quer adicionar energia solar à sua casa? Temos nano-revestimentos que capturam a energia do sol.Nanomateriais fazem automóveis mais leves, aviões, tacos de beisebol, Capacetes, bicicletas, bagagem, ferramentas elétricas—a lista continua. Pesquisadores de Harvard construíram uma impressora 3D em nanoescala capaz de produzir baterias em miniatura com menos de um milímetro de largura. E se você não gosta desses óculos de Realidade Virtual volumosos, os pesquisadores agora estão usando nanotecnologia para criar lentes de contato inteligentes com uma resolução seis vezes maior do que a dos smartphones de hoje.

e ainda mais está chegando. Agora, na medicina, os nanobots de entrega de drogas estão se mostrando especialmente úteis no combate ao câncer. A computação é uma história estranha, já que um bioengenheiro em Harvard armazenou recentemente 700 terabytes de dados em um único grama de DNA.Na frente ambiental, os cientistas podem tirar dióxido de carbono da atmosfera e convertê-lo em nanofibras de carbono super-fortes para uso na fabricação. Se pudermos fazer isso em escala—movido a energia solar—um sistema de um décimo do tamanho do Deserto do Saara poderia reduzir o CO2 na atmosfera para níveis pré-industriais em cerca de uma década.

os aplicativos são infinitos. E vindo rápido. Na próxima década, o impacto do muito, muito pequeno está prestes a ficar muito, muito grande.

Pensamentos finais

com a ajuda da inteligência artificial e da computação quântica na próxima década, a descoberta de novos materiais acelerará exponencialmente.

e com essas novas descobertas, materiais personalizados crescerão comuns. Os futuros implantes de joelho serão personalizados para atender às necessidades exatas de cada corpo, tanto em termos de estrutura quanto de composição.Embora invisíveis a olho nu, os materiais em nanoescala se integrarão em nossas vidas cotidianas, melhorando perfeitamente a medicina, a energia, os smartphones e muito mais.

em última análise, o caminho para a desmonetização e democratização de tecnologias avançadas começa com o re-design de materiais— O facilitador invisível e catalisador. Nosso futuro depende dos materiais que criamos.

(Nota: Este artigo é um trecho do Futuro é mais rápido do que você pensa—meu novo livro, lançado em 28 de Janeiro! Para obter sua própria cópia, clique aqui!)

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este artigo apareceu originalmente em diamandis.com. leia o artigo original aqui.

crédito da imagem: Anand Kumar de

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