https://bodybydarwin.com
Slider Image

החומרים החכמים, הבטוחים, החזקים והרחוקים ביותר לעתיד

2022

שטאובר

מדע החומרים היה שורש ההתקדמות החומרית, ואכן כל ההתקדמות, במשך זמן רב כל כך שנוכל להתפתות לחשוב שהתרומות הגדולות ביותר שלו עומדות מאחורינו. תקופת האבן, תקופת הברונזה, תקופת הברזל: כולם הוגדרו על ידי שיפורים דרמטיים באופן שיצרנו ותפעלנו חפצים יומיומיים, החל מצור צורב לראשי גרזן חדים יותר ועד אלומיניום סגסוגת לכנפי מטוס קלים יותר. אבל עכשיו, בעידן הסיליקון, ההתקדמות אינה רק על מניפולציה באפסים ואפסים?

התשובה היא מספר מהדהד. חומרים חשובים היום יותר מתמיד, וזו הסיבה שהמדע הפופולרי הקדיש להם חלק גדול מהנושא הזה. במעבדות ברחבי העולם מדענים מתקשים בעבודה ליצור את היסודות למוצרי המחר: ציפויים אולטראסמויים הדוחים הכל, החל מקרח (על כנפי המטוס הקל) וכלה ב Staphylococcus aureus (בבתי חולים רכובים על נבט); חומרים בעלי ויסות עצמי המשנים את תכונותיהם עם טמפרטורה או pH; וסרטים פיזואלקטריים הלוכדים אנרגיה מבוזבזת, אפילו כמו שחומרים חכמים אחרים מביאים אנרגיה זו לשימוש יעיל יותר. כאשר מהנדסים מוכיחים את החומרים הללו במעבדות בדיקה ומשלבים אותם בעיצובים שממנפים את היכולות החדשות, הכל עומד להשתפר, החל מחליפות חלל מוכנות לחקירה בין פלנטרית וכלה בכורים גרעיניים.

למעשה, החוק של מור, העקרונות המרכזיים של תקופת הסיליקון, מתאר עקרון לא של מדעי נתונים אלא של מדע חומרים - כל 18 חודשים, אנו הולכים למצוא דרך לדחוס כפליים ממרכיבים על שבב סופי. אז חומרים טובים יותר הופכים מחשבים טובים יותר, אשר בתורם עוזרים לנו לתכנן חומרים עדיפים אפילו יותר. אחרי כמה מיליון שנים של התקדמות במדע החומרים, אנחנו עדיין רק מתחילים.

- העורכים

מיצל

רקמות אנושיות קורעות בקלות רבה מדי; משי עכביש חזק יותר מפלדה. אז במדינת יוטה החוקרים מסובבים משי עכביש לתיקון לכתפיים וברכיים פגומות. הם גידלו עזים מהונדס כדי לייצר כמויות גדולות של חלבוני משי עכביש, טוויזו את אותם חלבונים לגדילים והקליעו את הגדילים לסיב. החוטים שומרים על מתיחות המשי אך הם חזקים פי מאה כמו רצועות אנושיות ועד פי 20 חזקים כמו גידים. משי עכביש יכול גם להפוך שתלי עצם פחות שבירים, אומר מרקוס בוהלר, שמשלב חלבוני משי עכביש עם קולגן ב- MIT. שתי הקבוצות מעריכות כי ניתן לאשר שתלי משי עכביש לשימוש בבני אדם עד שנת 2030.

שרה פכט

שטאובר

העור לא סתם מגן על הגוף זה מעביר תחושות. על ידי הפיכת האלקטרוניקה לרכה ובשרנית, מהנדסים מצאו דרך לגרום לעור המלאכותי המכסה שתלים ותותבות להרגיש גם משהו. חוקרים מאוניברסיטת אילינוי יצרו מעגלים דקים וגמישים בכדי לכסות את קצה האצבע, שם הם ממירים לחץ לאותות חשמליים. ג'ל שפותח בסטנפורד, מסוגל לאגור חשמל, יכול להפוך לסוללה מעצבת. וכרמל מג'ידי של קרנגי מלון מנסה להפוך גומי לחיישני לחץ וחיכוך. הוא מטמיע אותו בתעלות קטנות של מתכת נוזלית, שמשנות את המוליכות עם תנועת הנוזל. עור אלקטרוני עשוי להועיל גם עבור אנשים שאינם אנשים. "גישה זו להנדסה עשויה להפוך רובוטים ומכונות להרבה יותר חיים כמו מג'ידי אומר.

לורן אהרונסון

שטאובר

104 תחנות הכוח הגרעיניות של המדינה מסתמכות מאוד על פלדה עבור רבים ממרכיביהן, כולל ספינות הלחץ המכילות אורניום. אך בסופו של דבר מטח הקרינה המתמיד עלול להשפיל את הפלדה, ולהפוך אותה לרגישה לשברים. חוקרים במעבדה הלאומית קלטק ולוס אלמוס יצרו חומרים מרוכבים של ננו-אמלנומט, חומרים שיכולים לשפר את הכורים העתידיים בפני האסון. הממשקים בין שכבות המתכת של הקומפוזיציות סופגים את הפגמים הנגרמים על ידי קרינה הגורמים לחומר המוקרן להיות שביר. בטווח הקרוב ניתן היה לשלב את הלמינציות בפלדה כדי להחליף חלקים מזדקנים במפעלים קיימים, אומרת מהנדסת קלטק ג'וליה גריר. חומרי חלל יכולים גם להיות מצופים בננוגנומנטים, ולהגן עליהם מפני הקרינה הקוסמית של החלל העמוק.

—ל.א.

מיצל

מהנדסים ממירים מתח מתח מכני לחשמל באמצעות מכשירים פיזואלקטריים במשך יותר ממאה שנה, אך המטרה להניע אייפוד על ידי הלם המדרכה נותרה חמקמק. חומרים פיזואלקטריים נוכחיים קשים לייצור ומכילים בדרך כלל מתכות רעילות, כמו ניקל ועופרת. חוקרים במעבדה הלאומית לורנס ברקלי פתרו את שתי הבעיות באמצעות וירוס מהונדס גנטית המרכיב את עצמו לסרט. כאשר מופעל לחץ, חלבונים סליליים על קליפות הנגיפים מתפתלים ומסתובבים ויוצרים מטען. הקשה על דוגמית דוגמת בול בול מייצרת 400 מיליוולט חשמל, או די בכדי לחזק מסך LCD בקצרה. תוך 5 עד 10 שנים, אומר ביו-מהנדס סיינג-ווק לי, ניתן להשתמש בסרט כדי לרתום את הכוח מבניית רעידות, פעימות לב וסוגים אחרים של תנועה.

—SF

שטאובר

כמו חמניות המתכופפות לעבר האור, לוחות סולאריים יכולים להגדיל את תפוקת האנרגיה שלהם על ידי סיבוב עם תנועת השמש. אבל גם מסתובב דורש אנרגיה. "לא הרבה חומרים יכולים להגיב לאור השמש ויש להם גם תגובה מכנית אומר הונגרוי ג'יאנג, מהנדס מאוניברסיטת ויסקונסין במדיסון. ג'יאנג פיתח חומר שיכול להעביר באופן פסיבי את בסיס מערך השמש. הוא שילב צינורות פחמן, הסופגים אור שמש, עם
אלסטומר גביש נוזלי (LCE) המתכווץ כשהוא מתחמם. כאשר אנרגיה סולארית מחממת צד אחד של הבסיס, ה- LCE מתכווץ, וגורם ללוח הסולארי להטות לעבר השמש; ברגע שצד זה נופל לצל, ה- LCE מתקרר וחוזר לגובהו המקורי. בדיקות שדה מראות שהמערכת מגבירה את היעילות של לוחות סולאריים בממוצע של 10 אחוזים.

—SF

שטאובר

זיהומים חיידקיים שנתפסים בבתי החולים בארה"ב הורגים כמאה אלף חולים בשנה; על העובדים לעקר משטחים ללא הפסקה כדי לעצור את התפשטותם. חומר החלוץ במעבדה בהרווארד יכול היה למנוע אורגניזמים לצמוח על ציוד רפואי כמו צנתרים מלכתחילה. זה חלקלק כל כך שאפילו חיידקים לא יכולים להיצמד אליו. בהתבסס על טכנולוגיית SLIPS (משטחים נקבוביים חלקלקים עם נוזלים חלקלקים), היא ממנפת את אותו מנגנון הגורם לחרקים לגלוש לצמח כד. Nanopores המרקם בסיס יציב, כמו טפלון או מתכת, מוליכים אליו חומר סיכה אולטראסמוטי; כל השאר, כולל חיידקים, פשוט מחליק את ציפוי הנוזל. מדען חומרי הרווארד טאק-סינג וונג אומר של- SLIPS יש השפעה זהה על אבק, קרח וגרפיטי, מה שהופך אותם ליעילים לשימוש בתעשיות רבות נוספות.

לורה גגל

שטאובר

למטוסים של היום אין שום מקום קרוב לזריזות ודיוק של מיטב הטסים של הטבע. "עטלפים
שונים מרוב בעלי החיים and ומרוב החומרים המהונדסים בגלל שיש להם כנפיים גמישות מאוד המציעות הרבה תכונות אווירודינמיות מעניינות אומר קני ברויאר, מהנדס מכונות מאוניברסיטת בראון. פטריק ט. מת'ר וצוותו באוניברסיטת סירקוזה יצרו חומר באיכות דומה: שרשראות הפולימר מתיישרות בכדי להפוך אותו לקשיח ויציב בכיוון אחד, אך פי 12 יותר אלסטי בכיוון השני. בעוד חמש עד עשר שנים, חומר כזה יכול לאפשר לכנפי כלי טיס בלתי מאוישים קטנים להתנפנף על ידי התרחבות והתכווצות, מה שיאפשר למטוסים לטוס במהירות איטית ולהסתובב בדיוק במהלך משימות מעקב.

—ל.א.

שטאובר

על ידי שמירת בגדים שונים אנשים יכולים להתכונן לשמש, לגשם ולקור - אך מעולם לא התאימו בצורה מושכלת חולצות או מכנסיים לסביבתם. אנה בלאזס, מהנדסת מאוניברסיטת פיטסבורג, אומרת שתוך שני עשורים "הבגדים שלך יכולים לחשוב בשבילך." חומר שפותח בפיט ובהרווארד יכול לווסת את הטמפרטורה שלו כדי לשמור על טווח מסוים. לולאת משוב כימית ומכנית בשכבותיה מפעילה ומכבה תגובה מייצרת חום בדרגות מתוכנתות מראש. באותה אסטרטגיה ניתן להשתמש כדי ליצור חומרים המווסתים את עצמם כתגובה לגירויים אחרים, כמו pH, אור או גלוקוז - כלומר צינורות מים, חלונות ומכשירים רפואיים יכולים להיות חכמים באותה מידה.

—SF

שטאובר

מעגלים משולבים אולי אפשרו את העידן הדיגיטלי, אך הם עדיין כפופים למגבלה גדולה אחת: נזק גופני. ציפוי חדש שפותח באוניברסיטת אילינוי יוכל להחזיר מעגל מת לחיים בפחות ממיליון שנייה, גם אם "תיקח סכין X-Acto ותפרוס דרכו" אומר המהנדס ננסי סוטוס. הצוות שלה מצפה חוטי זהב עם קפסולות מיקרוסקופיות של מתכת נוזלית. כאשר חוט נפתח, הקפסולות נפרקות והמתכת הנוזלית ממלאת את הסדק, ומשחזרת מוליכות חשמלית. תוך 5 עד 10 שנים, ציפויים דומים לריפוי עצמי עשויים לכסות את החוטים המחברים בין רכיבי הלוחות., אומר סוטוס, ומעניק כמעט לכל מחשב או גאדג'ט את היכולת לתקן את עצמו.

—ל.א.

שטאובר

מהנדס אוניברסיטת מקגיל פרנסואה ברתלט, "בתחומים רבים של מדעי החומרים הגענו למיטב שאפשר לעשות עם טכניקות הנדסיות. אני חושב שלטבע יש הרבה טריקים חדשים ללמד אותנו." השריון המגונן של בעלי חיים ימיים רבים הוא עד 3, 000 פעמים קשוחים יותר מהחומרים היוצרים אותו.על ידי שכפול מבנה קשקשי הדגים, ברטלט הגביר באופן דומה את הקשיחות של חומר מורכב. מהנדסים מאוניברסיטת וילאנובה ערמו קריסטלים קרמיים במתחם רך יותר בזוויות הדומות לאלה בקליפת קונכייה. מכיוון שסדקי זיגזג ופיטר החוצה במקום לנפץ את החומר, הוא חזק פי 10 מאשר קרמיקה בסיסית. התקדמות כזו עשויה לחזק שריון בשלוש עד חמש שנים.

—ל.א.

כאשר טיסה להוריקן לא תעבוד, מטאורולוגים משתמשים בחלופות היי-טק אלה

כאשר טיסה להוריקן לא תעבוד, מטאורולוגים משתמשים בחלופות היי-טק אלה

מה אם בעלי חיים מתרדמים יוצרים תזמורת ומבצעים סימפוניה על שנת החורף שלהם?

מה אם בעלי חיים מתרדמים יוצרים תזמורת ומבצעים סימפוניה על שנת החורף שלהם?

בני אדם אחראים לרוב המוחלט של מדברי הבר בארצות הברית

בני אדם אחראים לרוב המוחלט של מדברי הבר בארצות הברית