У новој THINKLIST рубрици, упознајемо се са материјалима који у потпуности могу променити наш свакодневни живот
Текст: Тијана Марковић
Данас, када су наука и истраживања у готово свим областима толико напредовали, и када је човек покорио и искористио већину благодети које му је планета Земља пружила, наишли смо на одређен број ограничења и препрека створених или од стране природе или самих људи.
Чување превеликог броја података, трошење драгоцених залиха енергије и све веће загађење задају човечанству велику главобољу.
Решења оваквих проблема делују вековима далеко. Међутим, следећих шест материјала који се тренутно испитују могу променити свет и умногоме нам олакшати живот.
Стакло које памти
Сигурно и дугорочно складиштење података представља једну од озбиљнијих савремених препрека. Сходно томе, научници и технолошки иноватори сада имају задатак да, по угледу на супермоћне изуме из научнофантастичних филмова који чувају неизмерну количину информација, конструишу реалне предмете који ће служити људима.
Овим проблемом бавили су се физичари са Универзитета Харвард још 1996. године. Они су показали да постоји могућност да се подаци пишу у издржљивим провидним материјалима попут стакла, будући да је оно отпорно на топлоту, хемијска и механичка оштећења, а може бити и непробојно. Према њиховој схеми, по стаклу би се могло писати на једноставан начин, усмеравањем интензивних ласера ради креирања сићушних оштећења видљивих услед различитог индекса преламања. Читање би се вршило излагањем материјала светлости и анализом схеме тачака, одбацујући оштећења.
Физичар Питер Казањски и његов тим са Универзитета Саутемптон покушавају да меморијски материјал направе од топљеног кварца. Они сматрају да се снимање података тада може вршити у пет димензија, коришћењем три основне димензије кристала и контролисањем променљивог интензитета и поларности писања ласером. Како тим Казањског тврди, овај материјал будућности би могао да издржи и температуру од 1000 степени Целзијуса, преживи холокауст и траје око десет милијарди година.
Тријумф над пластиком
Ниједан материјал није тако флексибилан, јак и јефтин као пластика. Но, овај навелико коришћен продукт један је од узрока загађености широм планете Земље. Биоразградива пластика је једино алтернативно решење за овај проблем, али заузима само један проценат тржишта.
Према мишљењу Доналда Ингвера и Хавијера Фернандеза са Института за биолошки надахнуто инжењерство са Харвардa, Вис, решење проблема лежи у другом најраспрострањенијем органском полимеру на свету – цитину, захваљујући коме је егзоскелет инсеката тако јак.
Комбиновањем цитина из љуштура шкољке и нерастворивог протеина из паучине паука добија се супстанца названа shrilk (shrimp + silk). „Шрилк“ je јачи чак и од цитина, а његова флексибилност се мења у зависности од количине воде коју садржи.
„Јачи је од било које компоненте посебно“, каже Ингвер. Еластичност овог материјала слична је оној код легура алуминијума.
Одлагање овог материјала је једноставно, довољно је бацити га на влажну гомилу компоста (врста ђубрива) и микроби ће завршити трансформацију у ђубриво за неколико недеља.
Ауто-пут електрона
Ако држећи смарт телефон осећате како вам рука гори, или му је батерија празна тик сат времена након пуњења, главног кривца можете потражити у неподесном понашању електрона.
„У чврстим супстанцама електрони се крећу као у препуном маркету, сударајући се са стварима као што су примесе“, рекао је Шоученг Занг, физичар на Универзитету Стенфорд у Калифорнији.
Свако сударање електрона ослобађа топлоту. У скученим интегрисаним колима вишак топлоте представља готово непремостив проблем. Немогућност њеног одстрањивања довољно брзо успорава развој све мањих чипова. Материјал који проводи струју без повећања топлоте био би веома користан.
Читав век уназад, физичари се баве проучавањем суперпроводника. Међутим, већина њих ради само на температурама блиским апсолутној нули. Зангов одговор на овај проблем лежи у новој врсти материјала познатој као тополошки изолатори.
Први пут су направљени 2007. године, а као што им и име каже, углавном представљају електричне изолаторе, осим на својој површини, где се електрони слободно крећу. Како ови електрони пролазе поред површинских атома, квантна активност позната као спин-орбитно спајање удараца спречава их у прављењу тзв. U-turn-а или урањања у тело материјала. Кретање завршавају присиљени да пројуре са једне стране материјала, враћајући се са друге.
Ипак, данашњи изолатори не успевају потпуно да санирају појаву топлоте, осим ако нису охлађени до температуре блиске апсолутној нули.
Материјал на ком ради Занг, станен, уклонио би све недостатке изолатора. Попут графена, станен је дводимензиони лист једног елемента, у овом случају калаја (само један атом дебљине). Ова особина доноси ограничење електронима и омогућава да се кретање врши несметано и на собној температури.
Станен засад постоји само на папиру, али ако је судећи по гласинама, ускоро ће бити извршена и његова синтеза. Но, то би могао да буде материјал интерконекције без губитка топлоте у чиповима процесора, а такође би формирао и згодне термоелектричне материјале.
Залеђени дим
Тридесетих година 19. века, амерички научник Семјуел Кистлер направио је најтањи чврсти материјал на свету. Он је из силицијум-диоксида пажљиво уклонио течност остављајући прецизан костур испуњен нанорупама. Сачињен од 99 одсто ваздуха, личио је на залеђен ваздух, те је добио назив „аерогел“. Ипак, његова главна мана била је превелика кртост, што је умањивало потенцијалне употребе аерогела.
Поседњих деценија су хемичари успели да Кистлеров производ учине флексибилнијим тако што су га обогатили нитима стакла и танким полимером.
Основна верзија аерогела брзо је еволуирала и почела се користити у различите сврхе. Посебно је био значајан као топлотни изолатор, као и за прављење маски разних уређаја, чинећи их лаганијим него иначе.
Међутим, тим из Националне лабораторије Лос Аламос у Новом Мексику, успео је да направи нову врсту аерогела паљењем куглица добијених из одређених компонената прелазних метала. Овај материјал нема изолационих способности, али зато, са површином од чак 3000 m2 по једном граму, обезбеђује добру електричну проводљивост и хемијску активност.
Хемијски активно гвожђе или скелет никла, на пример, могу да смање количину употребе платине у наредној генерацији каталитичких конвертера. Нанопена берилијума је веома лагана структура, чијих десет одсто тежине заузима водоник. На Универзитету Браун у Провиденсу, Роуд Ајланд, дошли су до назнака да каталитичка бакарна нанопена може да произведе нов, јефтин начин за уклањање угљен-диоксида из ваздуха и створи корисне индустријске угљоводонике.
На овај начин, развијањем и производњом сличих аерогелова, који се могу користити као сунђери за упијање штетних материја из природе, залеђени дим може у будућности бити кључан алат за стварање чистог света.
Ствари које се саме поправљају
Замислите аутомобил који сам себи попуњава огреботине и никада му није потребно ново фарбање. Затим, мост који је вечан или авион чија се крила константно освежавају и не могу да корозирају и пропадну.
Скот Вајт, инжењер на Универзитету Илиноис, Урбана-Шампањ, пионир је у истраживању „самолечећих“ полимера, комплексних материјала који имају способност да се регенеришу. Он је 2001. године објавио своја истраживања о полимеру који личи на пластику зачињену микрокапсулама које се, при појави пукотина, распршују избацујући лековите супстанце које попуњавају рупе и поново полимеризују материјал.
Прошле године су хемичари из IBM Research-а у Алмадену, Калифорнија, пронашли полимер, polyhexahydrotriazine (PHT), који може бити у чврстом и течном стању, а у комбинацији са суперчврстим материјалима, попут угљеникових наноцеви, може да постане алтернатива металним деловима за аутомобиле. Моћ лечења PHT дугује способности регенерације разбијених веза између водоникових атома при повишеној температури.
Проблем код ових материјала је што готово сви могу да зацеле пукотине дебљине до око 100 микрометара, што је једнако ширини једне људске власи. Но, почетком 2015. године, Вајтов тим је најавио полимер који може да закрпи рупе ширине око три центиметра. Фини канали, или вене материјала који садржи хемијске претече двеју супстанци су гел који брзо попуњава празнине и отпорнији полимер који стврдњава гел.
Но, до коначног пласирања и коришћења оваквих производа треба да прође одређени период испитивања. Без обзира на то, Вајт се нада да ће, уз мало среће, готов производ бити употребљив пре краја наредне деценије.
Сувишна топлота – гориво будућности
Закони термодинамике кажу да се више од половине енергије која се користи у колима, машини за прање веша, фабрикама и слично, изгуби као сувишна топлота. Повратити макар један део те топлоте као електричну енергију, било би јако корисно у погледу енергетске ефикасности.
Ово је могуће помоћу термоелектричних материјала, добијањем струје из температурне разлике.
Ако се ауспух обложи термоелектричним супстанцама, из његове одбачене топлоте могла би се добити електрична енергија. Уграђивањем овог материјала у фрижидер, топлота која настаје током рада уређаја могла би да обезбеди његово напајање.
Најефикаснији до сада откривени термоелектрични материјал је олово телурид, који је избачен из употребе због Закона о забрани коришћења олова у електроопреми. Мењањем олова мање токсичним бизмутом, наишло би се на препреку променљиве цене телура, металног нуспроизвода руде бакра. Још горе, и осредња ефикасност најбољих термоелектричних супстанци опада при повећању топлоте, чинећи их неупотребљивим.
У термодинамичком смислу, постоји материјал који би могао да направи разлику. То је скутерудит. Ово једињење кобалта и антимона, које око своје кристалне решетке попут кавеза садржи атоме ретких елемената налик на церијум и итербијум, има структуру која може да зароби топлоту и пропушта доток електричне енергије. Односно, што су ствари топлије, он боље ради.
Мада звучи готово неизводљиво, захваљујући истраживањима која су потекла са Америчког одсека за енергију, а којима се руководи Грегори Меиснер, из групе Џенерал моторс, ова идеја би могла да заживи у наредних неколико годна. Они тврде да би, уз све препреке, до 2016. године могли да заврше прототип камиона који би користио термоелектрични генератор за скупљање енергије из делова као што су ауспух, фарови, радио и слично.