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Die intelligenteren, sichereren, stärkeren und weitreichenderen Materialien der Zukunft

2021

Stauber

Die Materialwissenschaft war die Wurzel des materiellen Fortschritts und allen Fortschritts, so lange, dass wir möglicherweise in Versuchung geraten, zu glauben, dass ihre größten Beiträge hinter uns liegen. Die Steinzeit, die Bronzezeit, die Eisenzeit: Sie alle waren geprägt von dramatischen Verbesserungen bei der Herstellung und Manipulation von Alltagsgegenständen, vom Knickstein für spitzere Axtköpfe bis zum legierten Aluminium für leichtere Flugzeugflügel. Aber geht es im Silicon Age nicht nur darum, Einsen und Nullen zu manipulieren?

Die Antwort ist ein klares Nein. Materialien spielen heute eine wichtigere Rolle als je zuvor, weshalb ihnen in der Populärwissenschaft ein Großteil dieses Themas gewidmet wurde. In Laboren auf der ganzen Welt arbeiten Wissenschaftler intensiv daran, die Grundlagen für die Produkte von morgen zu schaffen: Ultraschallbeschichtungen, die alles abweisen, von Eis (auf diesen leichten Flugzeugflügeln) bis hin zu Staphylococcus aureus (in von Keimen heimgesuchten Krankenhäusern); selbstregulierende Materialien, die ihre Eigenschaften mit der Temperatur oder dem pH-Wert ändern; und piezoelektrische Filme, die verschwendete Energie einfangen, selbst wenn andere intelligente Materialien diese Energie effizienter nutzen. Während die Ingenieure diese Materialien in Testlabors erproben und in Konstruktionen integrieren, die die neuen Funktionen nutzen, wird sich alles verbessern, von Raumanzügen, die für die interplanetare Erforschung bereit sind, bis hin zu Kernreaktoren.

Tatsächlich beschreibt Moores Gesetz, der zentrale Grundsatz des Siliziumzeitalters, ein Prinzip nicht der Datenwissenschaft, sondern der Materialwissenschaft - alle 18 Monate werden wir einen Weg finden, doppelt so viele Komponenten auf einen endlichen Chip zu pressen. Bessere Materialien machen also bessere Computer, was uns wiederum hilft, noch bessere Materialien zu entwerfen. Nach ein paar Millionen Jahren Fortschritt in der Materialwissenschaft stehen wir erst am Anfang.

- Die Herausgeber

Whetzel

Das menschliche Gewebe zerreißt nur allzu leicht. Spinnenseide ist stärker als Stahl. Im US-Bundesstaat Utah spinnen Forscher gerade Spinnenseide, um beschädigte Schultern und Knie zu reparieren. Sie züchteten transgene Ziegen, um große Mengen an Spinnenseidenproteinen zu produzieren, versponnen diese Proteine ​​zu Strängen und flechten die Stränge zu einer Faser. Die Filamente behalten die Dehnbarkeit der Seide bei, sind jedoch 100-mal so stark wie die menschlichen Bänder und bis zu 20-mal so stark wie die Sehnen. Spinnenseide könnte Knochentransplantate auch weniger brüchig machen, sagt Markus Bühler, der am MIT Spinnenseidenproteine ​​mit Kollagen kombiniert. Beide Gruppen schätzen, dass Spinnenseidenimplantate bis 2030 für den Einsatz beim Menschen zugelassen sein könnten.

»Sarah Fecht

Stauber

Haut schützt nicht nur den Körper - sie überträgt Empfindungen. Indem sie die Elektronik weich und fleischig machen, haben die Ingenieure einen Weg gefunden, die künstliche Haut, die Transplantate und Prothesen bedeckt, auch etwas fühlen zu lassen. Forscher der Universität von Illinois haben Schaltkreise geschaffen, die dünn und flexibel genug sind, um eine Fingerspitze zu bedecken und Druck in elektrische Signale umzuwandeln. Ein in Stanford entwickeltes Gel, das Strom speichern kann, könnte zu einer formbaren Batterie werden. Und Carmel Majidi von Carnegie Mellon versucht, Gummi in Druck- und Reibungssensoren umzuwandeln. Er bettet es mit kleinen Kanälen aus flüssigem Metall ein, die die Leitfähigkeit ändern, wenn sich die Flüssigkeit bewegt. Elektronische Haut kann auch für Nichtmenschen nützlich sein. "Diese Herangehensweise an das Engineering könnte potenziell dazu führen, dass Roboter und Maschinen viel realistischer werden, sagt Majidi.

Lauren Aaronson

Stauber

Die 104 Atomkraftwerke des Landes sind für viele ihrer Komponenten stark auf Stahl angewiesen, einschließlich der Druckbehälter, die Uran enthalten. Aber irgendwann kann das ständige Strahlenbündel den Stahl zersetzen und ihn anfällig für Brüche machen. Forscher von Caltech und Los Alamos National Laboratory haben Nanolaminat-Verbundwerkstoffe entwickelt, Materialien, die zukünftige Reaktoren besser vor Katastrophen schützen könnten. Die Grenzflächen zwischen den Metallschichten der Verbundwerkstoffe absorbieren die strahlungsinduzierten Defekte, die dazu führen, dass das bestrahlte Material spröde wird. Kurzfristig könnten die Laminate in Stahl eingearbeitet werden, um alternde Teile in bestehenden Anlagen zu ersetzen, sagt Caltech-Ingenieurin Julia Greer. Raumfahrzeugmaterialien könnten auch mit Nanolaminaten beschichtet werden, um sie vor der kosmischen Strahlung des Weltraums zu schützen.

- LA

Whetzel

Ingenieure wandeln seit mehr als hundert Jahren mechanische Beanspruchung mithilfe von piezoelektrischen Geräten in elektrischen Strom um. Das Ziel, einen iPod durch Stampfen auf dem Bürgersteig mit Strom zu versorgen, ist jedoch schwer zu erreichen. Derzeitige piezoelektrische Materialien sind schwierig herzustellen und enthalten typischerweise toxische Metalle wie Nickel und Blei. Forscher des Lawrence Berkeley National Laboratory haben beide Probleme mit einem gentechnisch veränderten Virus gelöst, das sich selbst zu einem Film zusammenfügt. Wenn Druck ausgeübt wird, drehen sich helikale Proteine ​​auf den Hüllen der Viren und erzeugen eine Ladung. Wenn Sie auf ein Farbfeld in Briefmarkengröße tippen, werden 400 Millivolt Strom erzeugt, oder genug, um einen LCD-Bildschirm kurzzeitig mit Strom zu versorgen. Innerhalb von 5 bis 10 Jahren, so Bioingenieur Seung-Wuk Lee, könnte der Film auch dazu verwendet werden, die Kraft von Gebäudevibrationen, Herzschlägen und anderen Arten von Bewegungen zu nutzen.

-SF

Stauber

Wie Sonnenblumen, die sich in Richtung Licht biegen, können Sonnenkollektoren ihre Energieabgabe erhöhen, indem sie sich drehen, während sich die Sonne bewegt. Schwenken erfordert aber auch Energie. "Nicht viele Materialien können auf Sonnenlicht reagieren und haben auch eine mechanische Reaktion", sagt Hongrui Jiang, Ingenieur an der Universität von Wisconsin in Madison. Jiang entwickelte ein Material, das die Basis eines Solararrays passiv verschieben kann. Er kombinierte Kohlenstoffnanoröhren, die absorbieren Sonnenlicht, mit
Ein flüssigkristallines Elastomer (LCE), das sich beim Erhitzen zusammenzieht. Wenn sich eine Seite der Basis mit Sonnenenergie erwärmt, schrumpft der LCE und das Solarpanel neigt sich zur Sonne. Sobald diese Seite in den Schatten fällt, kühlt der LCE ab und kehrt zu seiner ursprünglichen Höhe zurück. Feldtests zeigen, dass das System den Wirkungsgrad von Solarmodulen um durchschnittlich 10 Prozent erhöht.

-SF

Stauber

In US-Krankenhäusern gefangene bakterielle Infektionen töten jährlich etwa 100.000 Patienten. Das Personal muss die Oberflächen kontinuierlich sterilisieren, um ihre Ausbreitung zu stoppen. Ein Material, das von einem Harvard-Labor entwickelt wurde, könnte in erster Linie verhindern, dass Organismen auf medizinischen Geräten wie Kathetern wachsen - es ist so rutschig, dass nicht einmal Bakterien daran haften können. Basierend auf der SLIPS-Technologie (Slippery Liquid Infused Porous Surface) nutzt sie den gleichen Mechanismus, der Insekten veranlasst, in eine Kannenpflanze zu gleiten. Nanoporen, die eine feste Basis wie Teflon oder Metall texturieren, saugen ein ultraglattes Schmiermittel auf; alles andere, einschließlich der Keime, rutscht einfach von der flüssigen Beschichtung ab. Der Harvard-Materialwissenschaftler Tak-Sing Wong sagt, dass SLIPS die gleichen Auswirkungen auf Staub, Eis und Graffiti haben, was sie potenziell für viele weitere Branchen nützlich macht.

Laura Geggel

Stauber

Heutige Flugzeuge haben nicht annähernd die Beweglichkeit und Präzision der besten Flieger der Natur. "Fledermäuse
unterscheiden sich von den meisten Tieren und von den meisten technischen Materialien, da sie sehr flexible Flügel haben, die viele interessante aerodynamische Eigenschaften bieten, sagt Kenny Breuer, Maschinenbauingenieur an der Brown University. Patrick T. Mather und sein Team von der Syracuse University haben ein Material mit einer ähnlichen Qualität entwickelt: Die Polymerketten sind so angeordnet, dass sie in eine Richtung steif und stabil sind, in die andere jedoch 12-mal so elastisch. In fünf bis zehn Jahren könnte ein solches Material dazu führen, dass die Flügel kleiner unbemannter Flugzeuge durch Ausdehnen und Zusammenziehen flattern, sodass Flugzeuge bei langsamen Geschwindigkeiten fliegen und sich während der Überwachungseinsätze präzise drehen können.

- LA

Stauber

Durch das Anziehen unterschiedlicher Kleidung können sich die Menschen auf Sonne, Regen und Kälte vorbereiten - aber nie zuvor lassen sich Hemden oder Hosen intelligent an ihre Umgebung anpassen. Anna Balazs, Ingenieurin an der Universität von Pittsburgh, sagt, dass innerhalb von zwei Jahrzehnten "Ihre Kleidung das Denken für Sie übernehmen könnte". Ein von Pitt und Harvard entwickeltes Material kann seine Temperatur regulieren, um einen bestimmten Bereich beizubehalten. Eine chemische und mechanische Rückkopplungsschleife innerhalb ihrer Schichten schaltet eine wärmeerzeugende Reaktion in vorprogrammierten Graden ein und aus. Dieselbe Strategie könnte verwendet werden, um Materialien herzustellen, die sich als Reaktion auf andere Reize wie pH-Wert, Licht oder Glukose selbst regulieren. Wasserleitungen, Fenster und medizinische Geräte könnten also genauso intelligent sein.

-SF

Stauber

Integrierte Schaltkreise haben zwar das digitale Zeitalter ermöglicht, unterliegen jedoch noch einer großen Einschränkung: physischen Schäden. Eine neue Beschichtung, die an der Universität von Illinois entwickelt wurde, kann einen toten Stromkreis in weniger als einer Millisekunde wieder zum Leben erwecken, selbst wenn Sie "ein X-Acto-Messer nehmen und es durchschneiden", sagt Ingenieurin Nancy Sottos. Ihr Team hat Golddrähte beschichtet mit mikroskopisch kleinen Kapseln aus flüssigem Metall: Wenn ein Draht reißt, brechen die Kapseln auf und das flüssige Metall füllt den Riss und stellt die elektrische Leitfähigkeit wieder her. Innerhalb von 5 bis 10 Jahren könnten ähnliche selbstheilende Beschichtungen die Drähte bedecken, die die Komponenten der Leiterplatten verbinden "Sottos" gibt nahezu jedem Computer oder Gerät die Möglichkeit, sich selbst zu reparieren.

- LA

Stauber

"In vielen Bereichen der Materialwissenschaften haben wir das Beste erreicht, was wir mit Ingenieurstechniken erreichen können", sagt Francois Barthelat, Ingenieur der McGill University. "Ich denke, die Natur hat viele neue Tricks, die uns beibringen können." Die Schutzrüstung vieler Meerestiere ist Bis zu 3.000-mal härter als die Materialien, aus denen es besteht Durch die Nachbildung der Struktur von Fischschuppen hat Barthelat die Zähigkeit eines Verbundwerkstoffs auf ähnliche Weise verbessert: Ingenieure der Universität Villanova stapelten Keramikkristalle in einer weicheren Mischung in ähnlichen Winkeln wie in einer Muschelschale Da Risse im Zickzack verlaufen und nicht das Material zersplittern, ist es zehnmal so stark wie die Grundkeramik. Solche Fortschritte könnten die Panzerung in drei bis fünf Jahren verstärken.

- LA

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