Thinklist

Materijali koji menjaju svet

U novoj THINKLIST rubrici, upoznajemo se sa materijalima koji u potpunosti mogu promeniti naš svakodnevni život

Tekst: Tijana Marković

Danas, kada su nauka i istraživanja u gotovo svim oblastima toliko napredovali, i kada je čovek pokorio i iskoristio većinu blagodeti koje mu je planeta Zemlja pružila, naišli smo na određen broj ograničenja i prepreka stvorenih ili od strane prirode ili samih ljudi.

Čuvanje prevelikog broja podataka, trošenje dragocenih zaliha energije i sve veće zagađenje zadaju čovečanstvu veliku glavobolju.

Rešenja ovakvih problema deluju vekovima daleko. Međutim, sledećih šest materijala koji se trenutno ispituju mogu promeniti svet i umnogome nam olakšati život.

Staklo koje pamti

Sigurno i dugoročno skladištenje podataka predstavlja jednu od ozbiljnijih savremenih prepreka. Shodno tome, naučnici i tehnološki inovatori sada imaju zadatak da, po ugledu na supermoćne izume iz naučnofantastičnih filmova koji čuvaju neizmernu količinu informacija, konstruišu realne predmete koji će služiti ljudima.

Ovim problemom bavili su se fizičari sa Univerziteta Harvard još 1996. godine. Oni su pokazali da postoji mogućnost da se podaci pišu u izdržljivim providnim materijalima poput stakla, budući da je ono otporno na toplotu, hemijska i mehanička oštećenja, a može biti i neprobojno. Prema njihovoj shemi, po staklu bi se moglo pisati na jednostavan način, usmeravanjem intenzivnih lasera radi kreiranja sićušnih oštećenja vidljivih usled različitog indeksa prelamanja. Čitanje bi se vršilo izlaganjem materijala svetlosti i analizom sheme tačaka, odbacujući oštećenja.

Fizičar Piter Kazanjski i njegov tim sa Univerziteta Sautempton pokušavaju da memorijski materijal naprave od topljenog kvarca. Oni smatraju da se snimanje podataka tada može vršiti u pet dimenzija, korišćenjem tri osnovne dimenzije kristala i kontrolisanjem promenljivog intenziteta i polarnosti pisanja laserom. Kako tim Kazanjskog tvrdi, ovaj materijal budućnosti bi mogao da izdrži i temperaturu od 1000 stepeni Celzijusa, preživi holokaust i traje oko deset milijardi godina.

Trijumf nad plastikom

Nijedan materijal nije tako fleksibilan, jak i jeftin kao plastika. No, ovaj naveliko korišćen produkt jedan je od uzroka zagađenosti širom planete Zemlje. Biorazgradiva plastika je jedino alternativno rešenje za ovaj problem, ali zauzima samo jedan procenat tržišta.

Prema mišljenju Donalda Ingvera i Havijera Fernandeza sa Instituta za biološki nadahnuto inženjerstvo sa Harvarda, Vis, rešenje problema leži u drugom najrasprostranjenijem organskom polimeru na svetu – citinu, zahvaljujući kome je egzoskelet insekata tako jak.

Kombinovanjem citina iz ljuštura školjke i nerastvorivog proteina iz paučine pauka dobija se supstanca nazvana shrilk (shrimp + silk). „Šrilk“ je jači čak i od citina, a njegova fleksibilnost se menja u zavisnosti od količine vode koju sadrži.

„Jači je od bilo koje komponente posebno“, kaže Ingver. Elastičnost ovog materijala slična je onoj kod legura aluminijuma.

Odlaganje ovog materijala je jednostavno, dovoljno je baciti ga na vlažnu gomilu komposta (vrsta đubriva) i mikrobi će završiti transformaciju u đubrivo za nekoliko nedelja.

Auto-put elektrona 

Ako držeći smart telefon osećate kako vam ruka gori, ili mu je baterija prazna tik sat vremena nakon punjenja, glavnog krivca možete potražiti u nepodesnom ponašanju elektrona.

„U čvrstim supstancama elektroni se kreću kao u prepunom marketu, sudarajući se sa stvarima kao što su primese“, rekao je Šoučeng Zang, fizičar na Univerzitetu Stenford u Kaliforniji.

Svako sudaranje elektrona oslobađa toplotu. U skučenim integrisanim kolima višak toplote predstavlja gotovo nepremostiv problem. Nemogućnost njenog odstranjivanja dovoljno brzo usporava razvoj sve manjih čipova. Materijal koji provodi struju bez povećanja toplote bio bi veoma koristan.

Čitav vek unazad, fizičari se bave proučavanjem superprovodnika. Međutim, većina njih radi samo na temperaturama bliskim apsolutnoj nuli. Zangov odgovor na ovaj problem leži u novoj vrsti materijala poznatoj kao topološki izolatori.

Prvi put su napravljeni 2007. godine, a kao što im i ime kaže, uglavnom predstavljaju električne izolatore, osim na svojoj površini, gde se elektroni slobodno kreću. Kako ovi elektroni prolaze pored površinskih atoma, kvantna aktivnost poznata kao spin-orbitno spajanje udaraca sprečava ih u pravljenju tzv. U-turn-a ili uranjanja u telo materijala. Kretanje završavaju prisiljeni da projure sa jedne strane materijala, vraćajući se sa druge.

Ipak, današnji izolatori ne uspevaju potpuno da saniraju pojavu toplote, osim ako nisu ohlađeni do temperature bliske apsolutnoj nuli.

Materijal na kom radi Zang, stanen, uklonio bi sve nedostatke izolatora. Poput grafena, stanen je dvodimenzioni list jednog elementa, u ovom slučaju kalaja (samo jedan atom debljine). Ova osobina donosi ograničenje elektronima i omogućava da se kretanje vrši nesmetano i na sobnoj temperaturi.

Stanen zasad postoji samo na papiru, ali ako je sudeći po glasinama, uskoro će biti izvršena i njegova sinteza. No, to bi mogao da bude materijal interkonekcije bez gubitka toplote u čipovima procesora, a takođe bi formirao i zgodne termoelektrične materijale.

Zaleđeni dim 

Tridesetih godina 19. veka, američki naučnik Semjuel Kistler napravio je najtanji čvrsti materijal na svetu. On je iz silicijum-dioksida pažljivo uklonio tečnost ostavljajući precizan kostur ispunjen nanorupama. Sačinjen od 99 odsto vazduha, ličio je na zaleđen vazduh, te je dobio naziv „aerogel“. Ipak, njegova glavna mana bila je prevelika krtost, što je umanjivalo potencijalne upotrebe aerogela.

Posednjih decenija su hemičari uspeli da Kistlerov proizvod učine fleksibilnijim tako što su ga obogatili nitima stakla i tankim polimerom.

Osnovna verzija aerogela brzo je evoluirala i počela se koristiti u različite svrhe. Posebno je bio značajan kao toplotni izolator, kao i za pravljenje maski raznih uređaja, čineći ih laganijim nego inače.

Međutim, tim iz Nacionalne laboratorije Los Alamos u Novom Meksiku, uspeo je da napravi novu vrstu aerogela paljenjem kuglica dobijenih iz određenih komponenata prelaznih metala. Ovaj materijal nema izolacionih sposobnosti, ali zato, sa površinom od čak 3000 m2 po jednom gramu, obezbeđuje dobru električnu provodljivost i hemijsku aktivnost.

Hemijski aktivno gvožđe ili skelet nikla, na primer, mogu da smanje količinu upotrebe platine u narednoj generaciji katalitičkih konvertera. Nanopena berilijuma je veoma lagana struktura, čijih deset odsto težine zauzima vodonik. Na Univerzitetu Braun u Providensu, Roud Ajland, došli su do naznaka da katalitička bakarna nanopena može da proizvede nov, jeftin način za uklanjanje ugljen-dioksida iz vazduha i stvori korisne industrijske ugljovodonike.

Na ovaj način, razvijanjem i proizvodnjom sličih aerogelova, koji se mogu koristiti kao sunđeri za upijanje štetnih materija iz prirode, zaleđeni dim može u budućnosti biti ključan alat za stvaranje čistog sveta.

Stvari koje se same popravljaju

Zamislite automobil koji sam sebi popunjava ogrebotine i nikada mu nije potrebno novo farbanje. Zatim, most koji je večan ili avion čija se krila konstantno osvežavaju i ne mogu da koroziraju i propadnu.

Skot Vajt, inženjer na Univerzitetu Ilinois, Urbana-Šampanj, pionir je u istraživanju „samolečećih“ polimera, kompleksnih materijala koji imaju sposobnost da se regenerišu. On je 2001. godine objavio svoja istraživanja o polimeru koji liči na plastiku začinjenu mikrokapsulama koje se, pri pojavi pukotina, raspršuju izbacujući lekovite supstance koje popunjavaju rupe i ponovo polimerizuju materijal.  

Prošle godine su hemičari iz IBM Research-a u Almadenu, Kalifornija, pronašli polimer, polyhexahydrotriazine (PHT), koji može biti u čvrstom i tečnom stanju, a u kombinaciji sa superčvrstim materijalima, poput ugljenikovih nanocevi, može da postane alternativa metalnim delovima za automobile. Moć lečenja PHT duguje sposobnosti regeneracije razbijenih veza između vodonikovih atoma pri povišenoj temperaturi.

Problem kod ovih materijala je što gotovo svi mogu da zacele pukotine debljine do oko 100 mikrometara, što je jednako širini jedne ljudske vlasi. No, početkom 2015. godine, Vajtov tim je najavio polimer koji može da zakrpi rupe širine oko tri centimetra. Fini kanali, ili vene materijala koji sadrži hemijske preteče dveju supstanci su gel koji brzo popunjava praznine i otporniji polimer koji stvrdnjava gel.

No, do konačnog plasiranja i korišćenja ovakvih proizvoda treba da prođe određeni period ispitivanja. Bez obzira na to, Vajt se nada da će, uz malo sreće, gotov proizvod biti upotrebljiv pre kraja naredne decenije.

Suvišna toplota – gorivo budućnosti

Zakoni termodinamike kažu da se više od polovine energije koja se koristi u kolima, mašini za pranje veša, fabrikama i slično, izgubi kao suvišna toplota. Povratiti makar jedan deo te toplote kao električnu energiju, bilo bi jako korisno u pogledu energetske efikasnosti.

Ovo je moguće pomoću termoelektričnih materijala, dobijanjem struje iz temperaturne razlike.

Ako se auspuh obloži termoelektričnim supstancama, iz njegove odbačene toplote mogla bi se dobiti električna energija. Ugrađivanjem ovog materijala u frižider, toplota koja nastaje tokom rada uređaja mogla bi da obezbedi njegovo napajanje.

Najefikasniji do sada otkriveni termoelektrični materijal je olovo telurid, koji je izbačen iz upotrebe zbog Zakona o zabrani korišćenja olova u elektroopremi. Menjanjem olova manje toksičnim bizmutom, naišlo bi se na prepreku promenljive cene telura, metalnog nusproizvoda rude bakra. Još gore, i osrednja efikasnost najboljih termoelektričnih supstanci opada pri povećanju toplote, čineći ih neupotrebljivim.

U termodinamičkom smislu, postoji materijal koji bi mogao da napravi razliku. To je skuterudit. Ovo jedinjenje kobalta i antimona, koje oko svoje kristalne rešetke poput kaveza sadrži atome retkih elemenata nalik na cerijum i iterbijum, ima strukturu koja može da zarobi toplotu i propušta dotok električne energije. Odnosno, što su stvari toplije, on bolje radi.

Mada zvuči gotovo neizvodljivo, zahvaljujući istraživanjima koja su potekla sa Američkog odseka za energiju, a kojima se rukovodi Gregori Meisner, iz grupe Dženeral motors, ova ideja bi mogla da zaživi u narednih nekoliko godna. Oni tvrde da bi, uz sve prepreke, do 2016. godine mogli da završe prototip kamiona koji bi koristio termoelektrični generator za skupljanje energije iz delova kao što su auspuh, farovi, radio i slično.

 

Istražite druge tekstove:


Grb Republike Srbije
ecsite nsta eusea astc

CPN
Ulica kralja Petra 46
11000 Beograd
Republika Srbija
+381 11 24 00 260
centar@cpn.rs