جهانی که با این مواد جدید تغییر می کنند
بسیاری گرافین یا کربن خالص را به‌عنوان یک ماده‌ی انقلابی روی کره‌ی زمین می‌شناسند، اما گرافین تنها سوپر ماده‌ی جادویی نیست که می‌تواند در زندگی آینده‌ی ما انقلاب ایجاد کند. در ادامه به بررسی ۶ ماده‌ی جادویی خواهیم پرداخت.
این روز‌ها از گرافین در کاربردهای مختلفی از ساخت بدنه‌ی خودروها تا لامپ‌های خلا با استفاده از نانولوله‌های کربنی استفاده می‌کنند، اما در کنار گرافین که بسیار کاربردی است و می‌توان از آن در کاربردهای مختلفی استفاده کرد، مواد دیگری نیز موجود هستند که قابلیت‌های خارق‌العاده‌ای دارند. در ادامه به بررسی ۶ ماده‌ی خارق‌العاده‌ی دیگر خواهیم پرداخت که بسیار جالب توجه هستند.
مواد خود ترمیم – پلاستیک‌هایی با خواص برگرفته از موجودات جاندار
بدن ما انسان‌ها قابلیت بسیار خوبی دارد و آن ترمیم سلولهای بدن در صورت آسیب دیدن است. اسکات وایت از دانشگاه ایلینوی، پلاستیک‌هایی را با خواص برگرفته از موجودات زنده تولید کرده که می‌توانند خود را ترمیم کنند. سال گذشته وی در آزمایشگاه موفق به ساخت پلیمری شد که بصورت آهسته و با تراوشاتی می‌توانست سوراخ قابل مشاهده‌‌ای را در سطح خود ترمیم کند. پلیمر تولید شده از یک سیستم عروقی با محتویات مایعی همراه شده بود که در زمان آسیب دیدن، مایعی از آن خارج شده و همچون خود در محل آسیب دیده لخته می‌شد. هرچند پیش از این نیز دانشمندان موفق به تولید مواد خود ترمیم در مقیاس‌های بسیار پایین شده‌اند، اما این پلیمر موفق شده تا شکافی به عرض چهار میلی‌متر را که در اطراف آن ایجاد شده، بدون مشکلی ترمیم کند. شاید این موضوع برای پوست انسان چندان مهم نباشد، اما ترمیم شکافی به عرض چهار میلی‌متر در پلاستیک بسیار مهم است.
دانشمندان در تلاش هستند تا قابلیت خود ترمیمی را به موادی نظیر بتون، آسفالت و آهن اضافه کنند تا از این طریق در صورت شکافتن یا آسیب دیدن قسمتی از این ماده، محل آسیب‌دیده بصورت خودکار ترمیم شود. اصلی‌ترین مساله در تولید چینن موادی، کاهش قیمت مواد خود ترمیم به اندازه‌ای است که بتوان آن‌ها را بصورت تجاری و روزمره مورد استفاده قرار داد.
مواد ترموالکتریک – تولید انرژی الکتریکی از گرما
مطمئنا تا به حال گرمای حاصل از کار کردن پردازنده و سایر ماژول‌های لپ‌تاپ یا خودروی خود را با لمس قسمت پشتی لپ‌تاپ با کاپوت خودرو از نزدیک دیده‌اید. ایجاد گرما در تمام ابزار‌هایی که برای ارائه‌ی سرویس از انرژی استفاده می‌کنند، پدیدار می‌شود. براساس اطلاعات حاصل از تحقیقات دانشمندان در حدود ۷۰ درصد از انرژی مورد استفاده در هر ابزاری در قالب گرما به هدر می‌رود. اما آیا راهی برای ممانعت از اتلاف این میزان انرژی وجود دارد؟ پاسخ این سوال در مواد ترموالکتریک نهفته است که با استفاده از آن می‌توان از طریق اختلاف دمای موجود، انرژی الکتریکی تولید کرد.
سال گذشته کمپانی آمریکایی Alphabet Ebergy یک ژنراتور ترموالکتریک معرفی کرد که با قراردادن آن در مجاورت لوله‌ی اگزوز یک ژنراتور که از سوخت‌های فسیلی برای تولید انرژی استفاده می‌کند، انرژی اتلاف شده بصورت گرما را به انرژی الکتریکی قابل استفاده تبدیل می‌کند. براساس اطلاعات ارائه شده، الفابت انرژی از یک ماده‌ی طبیعی ترموالکتریک در ژنراتور خود استفاده کرده است. این کمپانی اعلام کرده که با استفاده از این ماده، می‌توان ۵ تا ۱۰ درصد به بهره‌وری سیستم اضافه کرد.
گروه دیگری از دانشمندان در حال کار روی نوع دیگری از ماده‌ی ترموالکتریک هستند که اسکوترودایت (Skutterudite) نام دارد. این ماده‌ی ترموالکتریک حاوی کوبالت است. مواد ترموالکتریک پیش از استفاده در تولید ژنراتور‌ها برای تولید الکتریسیته از گرما کاربردهای دیگری نیز دارند که از جمله‌ی آن می‌توان به استفاده از این مواد در فضاپیماها اشاره کرد. دانشمندان در پی آن هستند تا اسکوترودایت‌ها را بصورت ارزانتر و بهینه‌تری تولید کنند. در صورت تولید چنین ماده‌ای می‌توان از آن در اگزوز خودروها، لوله‌های مورد استفاده در پشت یخچال‌ها و فریزرها و هر نوع ماشینی که در آن از انرژی استفاده می‌شود، برای تولید انرژی تلف شده استفاده کرد.
پروسکایت – سلولهای باتری خورشیدی ارزان قیمت
بزرگ‌ترین چالش پیش روی دوستداران و دست‌اندرکاران استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر، هزینه‌ی بالای ایجاد بستر و سخت‌افزار مورد نیاز برای استفاده از این انرژی‌ها است. در مقایسه با سال‌های گذشته، ساختن مزارعی متشکل از پنل‌های خورشیدی کریستال سیلیکون بسیار ارزانتر شده است، اما همچنان در مقایسه با سایر منابع انرژی بسیار بهینه‌تر از پیش است. دانشمندان برای ارزان کردن هر چه بیشتر استفاده از پنل‌های خورشیدی، ماده‌ی دیگری را سراغ دارند که پروسکایت (Perovskites) نام دارد.
پروسکایت در واقع ماده‌ی معدنی اکسید کلسیم تیتانیوم است که در سال ۱۸۳۹ توسط گوستاو رز در دامنه‌‌های کوه اورال پیدا شد، اما دانشمندان اخیرا به ویژگی‌های خارق‌العاده و پتانسیل بالای این ماده پی برده‌اند. در سال ۲۰۰۹، سلولهای خورشیدی توسعه یافته با استفاده از پروسکایت از نظر بهینگی انرژی تولید شده به آمار ۳.۸ درصد دست یافتند. در سال ۲۰۱۴ میلادی این میزان به ۱۹.۳ درصد افزایش یافت. هرچند پروسکایت از نظر بهینگی تولید انرژی به کریستال سیلیکون با آمار ۲۰ درصد نزدیک شده، اما همچنان دو نکته وجود دارد که باید به آن توجه داشت:
با توجه به فراز و نشیب این ماده در بهینگی تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی، دانشمندان امیدوارند با تحقیقات بیشتر، سلولهای خورشیدی بهینه‌تری را تولید کند. پروسکایت در مقایسه با کریستال سیلیکون بسیار ارزانتر است.
پروسکایت در واقع نوعی ماده است که از ساختار کریستالی مخصوص بهره می‌برد. پروسکایت ساختار سه‌تایی از مواد با فرمول عمومی ABO3 دارد. این ساختار از هشت وجهی‌‌های BO6 تشکیل شده که کاتیون‌های بزرگ Aدر هشت وجهی قرار دارد. در واقع اتم‌های B همان کاتیون‌های فلزی کوچک و اتم‌های Aکاتیون‌های فلزی بزرگ هستند که در ساخت پروسکایت برای سلولهای خورشیدی از سرب و قلع استفاده می‌شود. سرب و قلع در مقایسه با کریستال سیلیکون بسیار ارزانتر هستند و می‌توان به‌راحتی این ماده را روی شیشه برای ساخت سلول خورشیدی اسپری کرد. آکسفورد فوتوولتایکس یکی از پیشروترین کمپانی‌ها در زمینه‌ی تجاری‌سازی پروسکایت است.
آئروژل – سبک و مقاوم
آئروژل بسیار شبیه به موادی است که در فیلم‌های علمی-تخیلی و داستان‌هی اینچنین دیده و درباره‌ی آن خوانده‌ایم. اگرچه این ماده بسیار سبک و شفاف است اما به‌راحتی می‌تواند زیر وزن یک خودرو و گرمای چند صد درجه‌ی سانتی‌گراد دوام آورد. نام این ماده کاملا گویای ماهیت آن است. آئروژل ماده‌ای است ژل مانند که در آن مایع جای خود را به گاز و در واقع هوا داده است. آئروژل را با نام دود منجمد یا دود آبی نیز می‌خوانند. آئروژل را می‌توان با مواد مختلفی ایجاد کرد، اما اصلی‌ترین موارد برای ساخت آن شامل سیلیس، اکسید آهن و گرافین است.
آئروژل نقطه‌ی ضعف بزرگی نیز دارد و آن شکنندگی این ماده زمانی است که با استفاده از سیلیس ساخته می‌شود. برای رفع این مشکل متخصصان ناسا در حال کار برای ساخت آئروژل‌ها با استفاده از پلیمر‌ها هستند تا از آن‌ها به‌عنوان عایق روی فضاپیماها استفاده کنند. استفاده از سایر مواد با سیلیس در ساخت آئروژل‌ها منجر به انعطاف‌پذیری بیشتر آئروژل می‌شود. با توجه به قابلیت‌های نظیر وزن سبک، مقاومت بالا در برابر وزن زیاد و حرارت بالا، این ماده بسیار ارزشمند و کاربردی است.
فرامواد – دستکاری امواج نور
فرامواد قابلیتی دارند که با توجه به نانوساختار خود قادرند نور را در جهات متفاوتی از مواد عادی منتشر کنند که این قابلیت امکان ایجاد پوشش‌های نامرئی را برای دانشمندان فراهم می‌کند.
نکته‌ی جالبی که در مورد فراماده وجود دارد، امکان پخش سایر امواج توسط این ماده است. یعنی علاوه بر نوری که می‌توان به چشم دید، فرامواد قادرند سایر امواج شامل امواج مایکروویو، امواج رادیویی و امواج T را که بین مادون قرمز و مایکروویو قرار دارند، پراکنده کنند. هر موجی در طیف امواج الکترومغناطیس را می‌توان با استفاده از فرامواد دستکاری کرد.
از جمله‌ی کاربردهای این مواد علاوه بر تولید پوشش‌های نامرئی که البته هنوز راه به جایی نبرده، می‌توان به ساخت اسکنرهای T-Ray جدید با کاربرد در پزشکی یا موارد امنیتی یا آنتن‌های کوچک رادیویی اشاره کرد که قادرند خاصیت خود را تغییر دهند. فراماده یکی از ساختار شکن‌ترین موادی است که پتانسیل بالایی برای ایجاد تغییرات انقلابی دارد، اما برای تجاری‌سازی این ماده راه‌درازی باقی مانده است.
استانن (Stanene) – رسانای ۱۰۰ درصد بهینه
همانطور که می‌دانید گرافین ترکیبی از اتم‌های کربن است که با ایجاد سه پیوند کووالانسی، لایه‌ای از اتم‌ها را با ارتباط بسیار قوی ایجاد کرده‌‌اند. استانن نیز چنین ساختاری دارد و از یک لایه‌ی اتمی تشکیل شده است، اما به‌جای اتم‌های کربن، استانن از اتم‌های قلع تشکیل شده و این موضوع قابلیتی را در اختیار استانن گذاشته که گرافین کاملا از آن بی‌بهره است و این قابلیت چیزی نیست جز رسانایی با بهینگی ۱۰۰ درصد.
استانن برای اولین بار در سال ۲۰۱۳ میلادی توسط شوچنگ ژانگ، پرفسور دانشگاه استنفورد تعریف شد و وی خواص انتقال الکتریسیته را توسط استانن پیش‌بینی کرده بود. براساس اطلاعات ارائه شده توسط این دانشمند، استانن در واقع یک عایق توپولوژیکال است. عایق توپولوژیکال بدین معنی است که رویه‌ی این ماده رسانا و درون آن عایق الکتریسیته است. برای مثال می‌توان به بستنی چوبی با رویه‌ی شکلاتی اشاره کرد که در آن رویه‌ی شکلاتی رسانا بوده و خود بستنی عایق است.
چنین ساختاری بدین معنی است که استانن می‌تواند الکتریسیته را بدون مقاومت و بصورت ۱۰۰ درصد بهینه در دمای اتاق انتقال دهد. باید آزمایش‌های مختلفی در مورد خواص این ماده انجام شود. همچنین ساخت لایه‌ای متشکل از یک اتم قلع کار چندان ساده‌ای نیست، از این‌رو هنوز راه‌درازی تا ساخت این رسانای بهینه باقی ماده است.
در صورتی که تمام نظریه‌ها در مورد استانن صحیح باشد، در آینده شاهد انقلابی گسترده در صنعت الکترونیک خواهیم بود و این ماده می‌تواند نقش پررنگی در بهبود میکروتراشه‌های مورد استفاده در داخل ابزار‌های الکترونیک بر عهده بگیرد و تراشه‌های مورد استفاده را در مقایسه با تراشه‌های سیلیکونی کنونی بسیار پرقدرت‌تر از پیش کند.
منبع:زومیت
پایان پیام/.