Immaginate materiali in grado di rivoluzionare interi settori: più forti, più leggeri e più intelligenti. Questo articolo esplora 50 materiali innovativi destinati a trasformare la tecnologia e la produzione. Dall'impareggiabile resistenza e conduttività del grafene alle plastiche biodegradabili che riducono l'inquinamento, questi materiali sono all'avanguardia del progresso scientifico. Approfondendo le loro proprietà uniche e le loro potenziali applicazioni, scoprirete come potrebbero rimodellare il futuro di tutto, dall'aerospazio ai prodotti di uso quotidiano. Preparatevi a lasciarvi ispirare dalle possibilità illimitate che questi materiali offrono.
I nuovi materiali, noti anche come materiali avanzati, si riferiscono a quelli recentemente sviluppati o in fase di sviluppo che presentano prestazioni superiori rispetto ai materiali tradizionali.
Comprendono materiali di recente sviluppo o in fase di ricerca, che dimostrano capacità eccezionali che superano i materiali convenzionali.
La tecnologia dei nuovi materiali è realizzata in accordo con le intenzioni dell'uomo, attraverso una serie di processi di ricerca che comprendono la ricerca fisica, la progettazione dei materiali, la lavorazione e la valutazione sperimentale, con l'obiettivo di creare materiali innovativi in grado di soddisfare una varietà di esigenze.
Questo include il posizionamento funzionale, il posizionamento direzionale, il posizionamento tecnico e il posizionamento di mercato:
(1) Nuovi materiali compositi
L'uso di nuovi materiali compositi risale all'antichità. Esempi storici sono l'argilla rinforzata con la paglia e il secolare calcestruzzo rinforzato con l'acciaio, entrambi composti da due materiali diversi. Negli anni '40, a causa delle esigenze dell'industria aeronautica, furono sviluppate plastiche rinforzate con fibre di vetro (comunemente note come fibra di vetro), segnando l'avvento dei materiali compositi. Dagli anni Cinquanta sono state sviluppate fibre ad alta resistenza e ad alto modulo, come le fibre di carbonio, grafite e boro. Negli anni '70 sono nate le fibre aramidiche e di carburo di silicio.
Queste fibre ad alta resistenza e ad alto modulo possono essere combinate con matrici non metalliche come resine sintetiche, carbonio, grafite, ceramica, gomma, o matrici metalliche come alluminio e magnesio, titanio per formare materiali compositi unici. Le fibre di polietilene ad altissimo peso molecolare, note per la loro eccezionale forza e resistenza agli agenti chimici e all'invecchiamento, eccellono anche nella trasmissione sonar ad alta frequenza e nella resistenza alla corrosione dell'acqua di mare.
Queste fibre sono utilizzate nelle carenature dei sonar ad alta frequenza delle navi militari, per migliorare le capacità di rilevamento e di spazzamento delle mine. Oltre alle applicazioni militari, hanno ampie prospettive nella produzione di automobili, nella costruzione navale, nei dispositivi medici e nelle attrezzature sportive. La loro introduzione ha suscitato grande attenzione e importanza nei Paesi sviluppati.
(2) Materiali superconduttori
Alcuni materiali presentano una resistenza elettrica nulla a una certa temperatura critica, un fenomeno noto come superconduttività. Un'altra caratteristica dei superconduttori è il diamagnetismo, ossia l'incapacità delle linee di campo magnetico di penetrare in un superconduttore quando questo diventa privo di resistenza. Ad esempio, la resistenza elettrica di metalli comuni come il rame diminuisce con la temperatura e raggiunge un certo valore vicino a 0K.
Nel 1919, lo scienziato olandese Heike Kamerlingh Onnes scoprì che la resistenza del mercurio scompariva completamente a 4,2K (-269°C), dimostrando la superconduttività e il diamagnetismo. La temperatura critica (TC) alla quale la resistenza di un superconduttore diventa nulla è una caratteristica fondamentale. La ricerca sui materiali superconduttori si concentra sul superamento della "barriera della temperatura" per trovare superconduttori ad alta temperatura.
Sono stati commercializzati superconduttori pratici come NbTi e Nb3Sn, che hanno trovato applicazione nella risonanza magnetica nucleare (NMRI), nei magneti superconduttori e nei magneti dei grandi acceleratori. Gli SQUID, come esempi di superconduttori in applicazioni elettriche deboli, svolgono un ruolo cruciale nella rilevazione di segnali elettromagnetici deboli, con una sensibilità ineguagliata da qualsiasi dispositivo non superconduttore.
Tuttavia, le basse temperature critiche dei superconduttori convenzionali, che richiedono complessi e costosi sistemi a elio liquido (4,2K), hanno limitato notevolmente le loro applicazioni. L'avvento dei superconduttori a ossido ad alta temperatura ha superato questa barriera di temperatura, innalzando la temperatura applicabile dall'elio liquido (4,2K) ai livelli dell'azoto liquido (77K). L'azoto liquido è un refrigerante più economico con una capacità termica superiore a quella dell'elio liquido, facilitando notevolmente le applicazioni ingegneristiche.
I superconduttori ad alta temperatura hanno anche notevoli capacità magnetiche, in grado di generare campi magnetici superiori a 20T. Le applicazioni dei materiali superconduttori comprendono la generazione, la trasmissione e l'immagazzinamento di energia. I generatori superconduttori con magneti a bobina possono aumentare l'intensità del campo magnetico a 50.000-60.000 Gauss senza quasi alcuna perdita di energia, migliorando la capacità di una singola unità di 5-10 volte e l'efficienza di 50% rispetto ai generatori convenzionali.
Le linee di trasmissione e i trasformatori superconduttori possono trasmettere l'elettricità agli utenti con perdite minime. In Cina, ad esempio, circa 15% di energia elettrica si perdono nelle linee di trasmissione in rame o alluminio, pari a oltre 100 miliardi di kWh all'anno. Passando alla trasmissione a superconduttori si potrebbe risparmiare abbastanza elettricità da sostituire la necessità di decine di grandi centrali elettriche.
I treni maglev superconduttori funzionano sfruttando la proprietà diamagnetica dei superconduttori, che respingono le linee del campo magnetico, permettendo al superconduttore di levitare sopra un magnete permanente o un campo magnetico. Questo effetto maglev è utilizzato nei treni maglev superconduttori ad alta velocità, come quello dell'aeroporto internazionale di Shanghai Pudong. Nei computer superconduttori, la resistenza prossima allo zero dei materiali superconduttori consente di realizzare circuiti densamente impacchettati su chip integrati senza surriscaldamento, aumentando notevolmente la velocità di calcolo.
(3) Materiali energetici
I materiali energetici comprendono materiali per celle solari, materiali per lo stoccaggio dell'idrogeno e materiali per celle a combustibile a ossido solido. I materiali per celle solari, un nuovo materiale energetico, hanno visto progressi come le celle solari composite multistrato di IBM con efficienze di conversione fino a 40%. L'idrogeno, una fonte di energia efficiente e non inquinante, deve affrontare sfide fondamentali per lo stoccaggio e il trasporto. Circa 50% dei fondi del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti per la ricerca sull'idrogeno sono destinati alla tecnologia di stoccaggio dell'idrogeno.
L'idrogeno può corrodere i materiali, causando infragilimento e perdite, e rappresenta un rischio di esplosione durante il trasporto. I materiali di stoccaggio dell'idrogeno possono formare idruri con l'idrogeno, rilasciando idrogeno al riscaldamento e ricaricandosi dopo l'esaurimento. Gli attuali materiali di stoccaggio dell'idrogeno sono principalmente composti metallici, come LaNi5H e Ti1.2Mn1.6H3. La ricerca sulle celle a combustibile a ossidi solidi è attiva e si concentra su materiali come membrane di elettroliti solidi, materiali per catodi di celle e membrane organiche a scambio protonico per celle a combustibile a membrana a scambio protonico.
(4) Materiali intelligenti
I materiali intelligenti rappresentano la quarta generazione di materiali dopo quelli naturali, i polimeri sintetici e i materiali progettati artificialmente. Rappresentano una direzione significativa nello sviluppo di nuovi materiali high-tech. A livello internazionale, sono stati raggiunti numerosi risultati tecnici nei materiali intelligenti. Ad esempio, la britannica BAE Systems ha sviluppato sensori a filo per testare la deformazione e la temperatura sulla pelle degli aerei.
Il Regno Unito ha anche sviluppato una lega a memoria di forma a risposta rapida con una durata di un milione di cicli e un'elevata potenza di uscita, utile nei freni con tempi di risposta di 10 minuti. Le leghe a memoria di forma sono state applicate con successo nelle antenne satellitari, in campo medico e altro ancora. Altri materiali intelligenti sono i materiali piezoelettrici, i materiali magnetostrittivi, i polimeri conduttivi, i fluidi elettroreologici e i fluidi magnetoreologici, che servono come componenti di azionamento in varie applicazioni.
(5) Materiali magnetici
I materiali magnetici sono classificati in materiali magnetici morbidi e duri (permanenti).
(1) Materiali magnetici morbidi
I materiali magnetici morbidi si magnetizzano e smagnetizzano facilmente, perdendo il loro magnetismo quando il campo magnetico viene rimosso. Caratterizzati da un'elevata permeabilità magnetica (μ=B/H), sono facilmente magnetizzabili ad alta intensità nei campi magnetici, ma conservano poco magnetismo residuo quando il campo viene rimosso.
Questi materiali sono ampiamente utilizzati nella tecnologia elettronica, in particolare in applicazioni ad alta frequenza come nuclei magnetici, testine e nuclei di memoria, e nell'ingegneria elettrica per trasformatori e interruttori a relè. I comuni materiali magnetici morbidi includono leghe di ferro-silicio, leghe di ferro-nichel e metalli amorfi. La lega Fe-(3%-4%)Si, il materiale magnetico morbido più comunemente utilizzato, è impiegata in trasformatori, motori e generatori a bassa frequenza.
Iron-nickel alloys, such as Permalloy (79%Ni-21%Fe), offer higher magnetic permeability and lower loss than iron-silicon alloys and are used in telecommunications, computers, and control systems. Amorphous metals, differing from typical metals with their non-crystalline structure, are composed of Fe, Co, Ni, and metalloids like B, Si.
Prodotti raffreddando rapidamente il metallo fuso per ottenere una struttura atomica non cristallina, i metalli amorfi presentano eccellenti proprietà magnetiche e sono utilizzati in trasformatori ad alta efficienza energetica, sensori magnetici, testine di registrazione e altro ancora. Alcuni metalli amorfi presentano anche un'eccellente resistenza alla corrosione, un'elevata forza e una buona tenacità.
(2) Materiali magnetici permanenti (materiali magnetici duri)
I materiali magnetici permanenti mantengono il loro magnetismo dopo la magnetizzazione, anche quando il campo magnetico esterno viene rimosso. Sono caratterizzati da un elevato magnetismo residuo e da un'alta coercitività, che li rendono adatti ai magneti permanenti utilizzati in bussole, strumenti, micro-motori, motori elettrici, registratori, telefoni, applicazioni mediche e altro ancora. I materiali magnetici permanenti comprendono ferriti e magneti permanenti metallici.
Le ferriti, ampiamente utilizzate per il loro grande volume, l'ampia applicazione e il basso costo, hanno proprietà magnetiche moderate e sono adatte per applicazioni generali di magneti permanenti. I magneti permanenti metallici sono nati con acciaio ad alto tenore di carbonio ma si sono evoluti verso materiali più performanti come le leghe Al-Ni-Co e Fe-Cr-Co; i magneti di terre rare, come le precedenti leghe di terre rare-cobalto (Re-Co) (principalmente SmCo5 e Sm2Co17 prodotte con la metallurgia delle polveri) e i magneti di terre rare al niobio-ferro-boro (Nb-Fe-B), ampiamente utilizzati. I magneti Nb-Fe-B non solo offrono prestazioni superiori, ma sono anche privi dello scarso elemento cobalto, diventando rapidamente il rappresentante dei magneti permanenti ad alte prestazioni, utilizzati negli altoparlanti ad alte prestazioni, nei contatori elettronici dell'acqua, negli strumenti di risonanza magnetica nucleare, nei micro-motori, nei motorini di avviamento delle auto e altro ancora.
(6) Nanomateriali
La nanotecnologia è un sistema integrato che combina alta tecnologia e scienza all'avanguardia e che riguarda fondamentalmente la comprensione e la modifica della natura su scala nanometrica, manipolando e disponendo direttamente atomi e molecole per creare nuovi materiali. La nanotecnologia comprende sette aree: fisica dei nanosistemi, nanochimica, scienza dei nanomateriali, nanobiologia, nanoelettronica, nanofabbricazione e nanomeccanica.
I nanomateriali, così chiamati negli anni '80, sono materiali solidi composti da nanoparticelle di dimensioni non superiori a 100 nanometri. La preparazione e la sintesi dei nanomateriali rimangono l'obiettivo principale della ricerca e, sebbene siano stati fatti alcuni progressi nella sintesi dei campioni, la produzione su larga scala di campioni sfusi è ancora una sfida, rendendo lo studio della preparazione dei nanomateriali fondamentale per la loro applicazione.
L'industria dei materiali è l'industria di base dell'economia nazionale e i nuovi materiali sono i precursori dello sviluppo dell'industria dei materiali.
Grafene, nanotubi di carbonio, leghe amorfe, metalli schiumati, liquidi ionici... 20 nuovi materiali offrono opportunità illimitate per lo sviluppo dell'industria dei materiali.
Oggi la rivoluzione scientifica e tecnologica si sta sviluppando rapidamente, i nuovi prodotti materiali cambiano di giorno in giorno e il ritmo dell'aggiornamento industriale e della sostituzione dei materiali sta accelerando.
La tecnologia dei nuovi materiali è integrata con le nanotecnologie, le biotecnologie e le tecnologie dell'informazione.
L'integrazione strutturale e funzionale e i materiali funzionali stanno diventando sempre più intelligenti.
Le caratteristiche ecologiche di questi materiali, a basse emissioni di carbonio, ecologici e riciclabili, hanno attirato molta attenzione.
Sulla base dei progressi della ricerca di noti istituti di ricerca e aziende nazionali ed estere, delle recensioni dei media scientifici e tecnologici e della ricerca sui punti caldi del settore, questo articolo ha selezionato 20 nuovi materiali.
Di seguito sono riportate le informazioni dettagliate dei materiali rilevanti (in ordine sparso).
Una svolta:
Straordinaria conducibilità elettrica, bassissima resistività, velocità di migrazione degli elettroni estremamente bassa ed estremamente veloce, resistenza decine di volte e ottima trasmissione della luce rispetto all'acciaio.
Dsviluppo Trend:
Il Premio Nobel per la Fisica 2010 ha reso il grafene molto popolare nei mercati tecnologici e dei capitali negli ultimi anni.
Nei prossimi 5 anni, l'uso del grafene crescerà in modo esplosivo nei settori dei display fotoelettrici, dei semiconduttori, degli schermi tattili, dei dispositivi elettronici, delle batterie di accumulo dell'energia, dei display, dei sensori, dei semiconduttori, del settore aerospaziale, militare, dei materiali compositi e della biomedicina.
Principali istituti di ricerca (aziende):
Graphene Technologies, Angstron Materials, Graphene Square, Forsman Technology, ecc.
Una svolta:
Alta porosità, bassa densità, leggerezza, bassa conducibilità termica, eccellenti proprietà di isolamento termico.
Tendenza di sviluppo:
Materiali nuovi con un grande potenziale.
Hanno un grande potenziale nei settori della conservazione dell'energia e della protezione ambientale, dell'isolamento termico degli apparecchi elettrici e dell'edilizia.
Principali istituti di ricerca (aziende):
Fosman Technology, W.R. Grace, Fuji-Silysia, Giappone, ecc.
Una svolta:
Alta conducibilità elettrica, alta conducibilità termica, alto modulo elastico, alta resistenza alla trazione, ecc.
Tendenza di sviluppo:
Elettrodi per dispositivi funzionali, catalizzatori, sensori, ecc.
Principali istituti di ricerca (aziende):
Unidym, Inc., Toray Industries, Inc., Bayer Materials Science AG, Mitsubishi Rayon Co., Ltd., Forsman Technology, Suzhou First Element, ecc. Ltd., Forsman Technology, Suzhou First Element, ecc.
Una svolta:
Con proprietà ottiche lineari e non lineari, superconduttività del fullerene di metalli alcalini, ecc.
Tendenza di sviluppo:
Il futuro ha importanti prospettive nei campi delle scienze della vita, della medicina, dell'astrofisica, ecc. e si prevede un utilizzo in dispositivi fotoelettrici come convertitori ottici, conversioni di segnali e archiviazione di dati.
Principali istituti di ricerca (aziende):
Michigan State University, Xiamen Funa New Materials, ecc.
Una svolta:
Elevata resistenza e tenacità, eccellente permeabilità magnetica e bassa perdita magnetica, nonché eccellente flusso di liquidi.
Dsviluppo Trend:
Può essere utilizzato nei trasformatori ad alta frequenza e a bassa perdita, nelle parti strutturali delle apparecchiature terminali mobili, ecc.
Principali istituti di ricerca (aziende):
Liquidmetal Technologies, Inc., Istituto di ricerca sui metalli, Accademia cinese delle scienze, BYD, ecc.
Una svolta:
Peso ridotto, bassa densità, elevata porosità e grande superficie specifica.
Dsviluppo Trend:
Ha una buona conduttività e può sostituire i campi di applicazione in cui i materiali inorganici nonmateriali metallici non può condurre elettricità.
Ha un grande potenziale nel campo dell'isolamento acustico e della riduzione del rumore.
Principali istituti di ricerca (aziende):
Alcan (Aluminum Association, USA), Rio Tinto, Symat, Norsk Hydro, ecc.
Una svolta:
Con elevata stabilità termica, ampio intervallo di temperatura dei liquidi, acidi e alcali regolabili, polarità, capacità di coordinazione, ecc.
Tendenza di sviluppo:
Ha ampie prospettive di applicazione nel campo dell'industria chimica verde, della biologia e della catalisi.
Principali istituti di ricerca (aziende):
Solvent Innovation, BASF, Istituto di Fisica di Lanzhou, Accademia delle Scienze cinese, Università Tongji, ecc.
Una svolta:
Ha una buona biocompatibilità, capacità di trattenere l'acqua e un'ampia gamma di stabilità del pH.
Presenta inoltre una struttura a nano-rete ed elevate proprietà meccaniche.
Dsviluppo Trend:
Ha grandi prospettive nella biomedicina, negli stimolatori, nell'industria della carta, nella purificazione, negli alimenti conduttivi e composti inorganici e nei composti magnetici industriali.
Principali istituti di ricerca (aziende):
Cellu Force (Canada), US Forest Service, Innventia (Svezia), ecc.
Una svolta:
La perocakite namometrica ha una gigantesca magneto-resistenza, un'elevata conducibilità ionica e svolge un ruolo catalitico nella precipitazione e riduzione dell'ossigeno.
Dsviluppo Trend:
In futuro avrà un enorme potenziale nei campi della catalisi, dello stoccaggio, dei sensori e dell'assorbimento della luce.
Principali istituti di ricerca (aziende):
Epry, AlfaAesar, ecc.
Una svolta:
Modificando i tradizionali metodi di lavorazione industriale è possibile ottenere rapidamente la formazione di strutture complesse.
Tendenza di sviluppo:
Il rivoluzionario metodo di stampaggio ha grandi prospettive nel campo dello stampaggio di strutture complesse e dello stampaggio a lavorazione rapida.
Principali istituti di ricerca (aziende):
Object, 3DSystems, Stratasys, Huashu Hi-Tech, ecc.
Una svolta:
Cambia le caratteristiche di rigidità e fragilità del vetro tradizionale e realizza la rivoluzionaria innovazione della flessibilità del vetro.
Tendenza di sviluppo:
Le prospettive saranno enormi nel campo dei futuri display flessibili e dei dispositivi pieghevoli.
Principali istituti di ricerca (aziende):
Corning, Germania SCHOTT, ecc.
Una svolta:
L'autoassemblaggio di molecole di materiale realizzerà l'"intelligenza" del materiale stesso.
Cambiare il precedente metodo di preparazione del materiale per far sì che il materiale formi spontaneamente una certa forma e struttura.
Tendenza di sviluppo:
La modifica dei metodi tradizionali di preparazione e riparazione dei materiali ha grandi prospettive nel campo dei dispositivi molecolari, ingegneria di superficie e le nanotecnologie.
Principali istituti di ricerca (aziende):
Università di Harvard, ecc.
Una svolta:
Le plastiche possono essere degradate naturalmente e le materie prime provengono da risorse rinnovabili, modificando la dipendenza delle plastiche tradizionali dalle risorse fossili come petrolio, gas naturale e carbone e riducendo l'inquinamento ambientale.
Tendenza di sviluppo:
In futuro sostituirà le plastiche tradizionali e ha grandi prospettive.
Principali istituti di ricerca (aziende):
Natureworks, Basf, Kaneka, ecc.
Una svolta:
Questi materiali hanno un'elevata resistenza, una bassa densità e un'eccellente resistenza alla corrosione.
E hanno anche prospettive illimitate nel settore dell'aviazione e in quello civile.
Tendenza di sviluppo:
In futuro, i materiali avranno un'ampia gamma di potenziali applicazioni in termini di leggerezza, alta resistenza e resistenza alla corrosione.
Principali istituti di ricerca (aziende):
Istituto di tecnologia di Harbin.
Una svolta:
Ha proprietà fisiche che i materiali convenzionali non hanno, come la permeabilità negativa e la permittività negativa.
Tendenza di sviluppo:
Ha cambiato il concetto tradizionale di lavorazione in base alla natura del materiale.
In futuro, le caratteristiche dei materiali potranno essere progettate in base alle esigenze e le potenzialità saranno infinite e rivoluzionarie.
Principali istituti di ricerca (aziende):
Boeing, Kymeta, Shenzhen Guangqi Research Institute, ecc.
Una svolta:
Nello stato superconduttore, il materiale presenta una resistenza nulla, nessuna perdita di corrente e proprietà antimagnetiche in un campo magnetico.
Tendenza di sviluppo:
Se in futuro la tecnologia dei superconduttori ad alta temperatura verrà superata, si prevede che risolverà i problemi di trasmissione di potenza perdita, il riscaldamento dei dispositivi elettronici e la nuova tecnologia delle sospensioni magnetiche a trasmissione verde.
Principali istituti di ricerca (aziende):
Sumitomo Japan, Bruker Germany, Chinese Academy of Sciences, ecc.
Una svolta:
Dopo la preformatura, dopo essere stato costretto a deformarsi dalle condizioni esterne, viene lavorato in determinate condizioni e riportato alla sua forma originale per realizzare la progettazione e l'applicazione della deformazione reversibile del materiale.
Tendenza di sviluppo:
Ha un grande potenziale nella tecnologia spaziale, nelle apparecchiature mediche, nelle apparecchiature meccano-elettroniche e in altri campi.
Principali istituti di ricerca (aziende):
Youyan Nuovi materiali, ecc.
Una svolta:
Sotto l'azione del campo magnetico, può produrre prestazioni di allungamento o compressione e realizzare l'interazione tra deformazione del materiale e campo magnetico.
Tendenza di sviluppo:
È ampiamente utilizzato nei dispositivi strutturali intelligenti, nei dispositivi di assorbimento degli urti, nelle strutture di conversione dell'energia, nei motori ad alta precisione e in altri campi, e in alcune condizioni ha prestazioni migliori della ceramica piezoelettrica.
Principali istituti di ricerca (aziende):
ETREMA, American, British Rare Earth Products Company, Japan Sumitomo Light Metal Company, ecc.
Una svolta:
Stato liquido, che combina le proprietà magnetiche dei materiali magnetici solidi e la fluidità dei liquidi.
Ha caratteristiche e applicazioni che i tradizionali materiali magnetici sfusi non hanno.
Tendenza di sviluppo:
Viene utilizzato nei settori della tenuta magnetica, della refrigerazione magnetica, della pompa di calore magnetica, ecc. e modifica la tradizionale refrigerazione sigillata e altri metodi.
Principali istituti di ricerca (aziende):
ATA Applied Technology Corporation americana, Panasonic giapponese, ecc.
Una svolta:
È in grado di percepire e rispondere ai cambiamenti dell'ambiente circostante e ha caratteristiche di risposta biologica simili.
Tendenza di sviluppo:
Il ciclo di espansione-contrazione del gel polimerico intelligente può essere utilizzato per valvole chimiche, separazione di adsorbimento, sensori e materiali di memoria.
L'energia fornita dal ciclo viene utilizzata per progettare il "motore chimico".
La controllabilità della maglia è adatta ai sistemi intelligenti di rilascio dei farmaci, ecc.
Principali istituti di ricerca (aziende):
Università americane e giapponesi.
Introduzione:
La pellicola olografica è un'applicazione innovativa della tecnologia degli ologrammi. Si tratta di una pellicola di proiezione brevettata che, per la prima volta a livello internazionale, consente di visualizzare le immagini direttamente dalla parte anteriore e posteriore, con diverse angolazioni, anche a 360 gradi, indipendentemente dalle condizioni di illuminazione.
La pellicola olografica offre visualizzazioni aeree dinamiche con immagini cristalline, consentendo agli spettatori di vedere attraverso la pellicola fino allo sfondo. Può essere abbinata a un software interattivo per creare immagini interattive tridimensionali, immergendo il pubblico in un'esperienza spaziale accattivante.
Grazie a vantaggi ineguagliabili come l'alta definizione, la resistenza alla luce intensa, l'ultra-sottilità e le proprietà anti-invecchiamento, è destinato a diventare uno dei materiali più promettenti del futuro.
Tendenze future:
Grazie alla sua capacità di fornire visualizzazioni aeree dinamiche e immagini chiare, consentendo al contempo al pubblico di vedere attraverso lo sfondo e di interagire con immagini tridimensionali, la pellicola olografica presenta numerosi vantaggi senza precedenti. È all'avanguardia nell'innovazione dei materiali, destinata ad attrarre ulteriori ricerche scientifiche.
Le previsioni sulle tendenze future dello sviluppo di pellicole olografiche includono due aspetti principali:
In primo luogo, componenti nano-ottici a livello molecolare, incentrati sul cristallo olografico con filtro colorato (HCFC) e che integrano la nanotecnologia con un approccio multidisciplinare che combina scienza dei materiali, ottica e scienza dei polimeri.
In secondo luogo, la pellicola presenterà strutture ottiche di precisione avanzate all'interno del suo design leggero, garantendo immagini ad alta definizione e ad alta luminosità di qualità superiore.
L'eccezionale chiarezza del materiale e il design minimalista ed elegante contribuiscono al suo utilizzo nei dispositivi elettronici e nelle pellicole ottiche. Lo sviluppo della tecnologia delle pellicole olografiche è al centro dell'attenzione di molti Paesi e, senza esagerare, racchiude il futuro. La nazione che per prima padroneggerà e utilizzerà questa tecnologia sarà la prima a entrare nell'era tecnologica avanzata.
Introduzione:
L'idrogeno metallico è uno stato conduttivo dell'idrogeno liquido o solido che si forma a pressioni di milioni di atmosfere. La sua conducibilità elettrica è simile a quella dei metalli, da cui il nome idrogeno metallico. Come materiale di accumulo ad alta densità e ad alta energia, l'idrogeno metallico è stato precedentemente previsto come superconduttore a temperatura ambiente.
Contiene un'enorme quantità di energia, 30-40 volte superiore a quella degli esplosivi TNT convenzionali. Il 26 gennaio 2017, la rivista Science ha riportato che il laboratorio dell'Università di Harvard aveva creato con successo l'idrogeno metallico. Tuttavia, il 22 febbraio 2017, a causa di un errore di manipolazione, l'unico campione di idrogeno metallico al mondo è scomparso.
In teoria, ottenere idrogeno metallico ad altissima pressione è certamente possibile, ma sono necessarie ulteriori ricerche per acquisire campioni. La maggior parte dei superconduttori conosciuti richiede il raffreddamento con elio liquido (-269°C) o azoto liquido (-196°C), il che limita lo sviluppo della tecnologia superconduttiva.
A differenza dei chimici, gli astronomi definiscono metalli tutti gli elementi tranne l'idrogeno e l'elio. In condizioni di alta temperatura e alta pressione, l'idrogeno gassoso può anche diventare idrogeno metallico conduttivo.
Ad esempio, lo strato esterno di Giove è costituito da 1000 chilometri di idrogeno molecolare gassoso, sotto il quale si trova uno strato di 24.000 chilometri di idrogeno molecolare liquido, seguito da uno strato di 45.000 chilometri di idrogeno metallico liquido.
Nel 1936, lo scienziato americano Wigner calcolò per la prima volta la pressione alla quale l'idrogeno si trasforma in un metallo, suggerendo che la pressione critica per questa trasformazione variava da uno a dieci milioni di atmosfere.
Tendenze di sviluppo future:
La temperatura critica superconduttiva dell'idrogeno metallico, ovvero la temperatura massima alla quale si manifesta la superconduttività, va da -223°C a -73°C. Potenzialmente potrebbe essere utilizzato a temperature prossime a quelle dell'anidride carbonica solida (-78,45°C), il che farebbe progredire notevolmente la tecnologia superconduttiva.
Poiché l'idrogeno metallico è un materiale ad alta densità, il suo utilizzo come combustibile ridurrebbe notevolmente le dimensioni e il peso dei razzi, portando a un salto monumentale nell'esplorazione dello spazio. L'avvento dell'idrogeno metallico, simile alla nascita del motore a vapore, darà il via a un'era rivoluzionaria nel campo della scienza e della tecnologia.
L'idrogeno metallico esiste in uno stato metastabile e potrebbe essere usato per creare "gabbie magnetiche" per confinare il plasma, contenendo il gas ionizzato incandescente. Le reazioni di fusione nucleare controllata convertirebbero l'energia nucleare in energia elettrica, offrendo una fonte di energia economica e pulita. Tale energia consentirebbe di costruire "fabbriche che imitano il sole" sulla Terra, risolvendo in ultima analisi la crisi energetica dell'umanità.
Panoramica: Un supersolido è in realtà simile a un superfluido e indica una sostanza solida che possiede proprietà superfluide, combinando essenzialmente le caratteristiche di "superfluido + solido". In termini semplici, un supersolido non solo mantiene la disposizione atomica ordinata tipica dello stato cristallino, ma scorre anche senza attrito, come un superfluido.
A temperature estremamente basse, i vuoti all'interno della struttura cristallina di un supersolido possono raggrupparsi e fluire liberamente in tutto il materiale. Se un oggetto solido viene posizionato all'interno dei vuoti su un lato del supersolido, attraverserà il supersolido con questi vuoti, muovendosi liberamente come se stesse attraversando delle pareti.
Tendenze future: Questo nuovo stato della materia può esistere solo in condizioni di freddo estremo e di vuoto spinto, il che indica che, per il momento, non possiamo applicarlo su larga scala. Tuttavia, una comprensione più approfondita di questo stato apparentemente paradossale della materia potrebbe migliorare la nostra comprensione delle proprietà dei superfluidi e dei superconduttori, facendo così progredire in modo significativo settori come i magneti superconduttori, i sensori superconduttori e la trasmissione di energia.
In futuro, i vuoti in un supersolido diventeranno entità coerenti che potranno muoversi senza ostacoli all'interno del solido rimanente, in modo simile a un superfluido. Il condensato di Bose-Einstein è uno stato particolare della materia che si verifica a temperature ultra-fredde, dove le proprietà quantistiche degli atomi diventano estremamente pronunciate, mostrando un significativo comportamento ondulatorio.
Panoramica:
La spugna di legno, creata trattando chimicamente il legno per eliminare l'emicellulosa e la lignina, eccelle nell'assorbire gli oli dall'acqua. Può assorbire fino a 16-46 volte il proprio peso in olio e può essere riutilizzata fino a 10 volte. Questa spugna innovativa supera tutte le altre spugne e gli assorbenti attualmente in uso in termini di capacità, qualità e riutilizzabilità.
Sviluppo futuro:
Le fuoriuscite di petrolio e di sostanze chimiche hanno causato danni senza precedenti ai corpi idrici di tutto il mondo. Come soluzione ecologica per la pulizia degli oceani, la spugna di legno rappresenta un mezzo efficace per affrontare questo problema.
Panoramica:
I cristalli temporali, noti anche come cristalli spazio-temporali, sono cristalli quadridimensionali che presentano strutture periodiche sia nello spazio che nel tempo. In genere, si incontrano tre stati fondamentali della materia: solido, liquido e gassoso.
Tuttavia, con il progredire della scienza, il concetto di stati della materia si è ampliato fino a comprendere il plasma, i condensati di Bose-Einstein, i fluidi supercritici e altro ancora. I cristalli temporali rappresentano un nuovo stato della materia e una fase di non equilibrio che rompe la simmetria temporale traslazionale.
Il concetto di cristalli temporali è stato proposto per la prima volta dal premio Nobel Frank Wilczek nel 2012. Conosciamo bene i cristalli tridimensionali, come il ghiaccio e i diamanti, strutture a simmetria geometrica create dalla disposizione periodica di particelle microscopiche nello spazio.
Mentre insegnava ai suoi studenti, Wilczek si è chiesto se il concetto di cristalli tridimensionali potesse essere esteso al regno quadridimensionale dello spazio-tempo, consentendo alla materia di presentare disposizioni periodiche nel tempo.
In altre parole, i cristalli di tempo cambiano stato in tempi diversi e questi cambiamenti sono ciclici. Per esempio, un cristallo del tempo può essere zucchero in un secondo, zucchero di canna nel secondo successivo e poi tornare allo zucchero nel terzo secondo.
Tendenze future:
Nel settembre 2021, quattro scienziati teorici - Norman Yao, Vedika Khemani, Dominic Else e Masaki Watanabe - sono stati premiati congiuntamente con il "Breakthrough Prize in Fundamental Physics", che segna un riconoscimento più ampio per il nuovo campo dei cristalli a tempo discreto.
Alla fine del 2021, l'esperimento sui cristalli a tempo discreto condotto dal team di calcolo quantistico di Google è stato nominato una delle scoperte fisiche più importanti dell'anno dall'American Physical Society (APS) Physics e dall'Institute of Physics (IOP) Physics World.
La ricerca sui cristalli a tempo discreto ha rivoluzionato la nostra comprensione dei sistemi guidati periodicamente, della localizzazione a molti corpi, della pretermalizzazione e dei processi di termalizzazione quantistica. Ha inoltre incoraggiato un'ampia gamma di ricercatori di vari settori ad approfondire quest'area.
L'evoluzione dei cristalli a tempo discreto dimostra che l'esplorazione scientifica è spesso impegnativa e richiede confutazioni e rigorosi dibattiti accademici. Nel regno delle scoperte scientifiche, gli errori di valutazione sono più preziosi delle verità mediocri, perché possono ospitare nuove idee.
I cristalli temporali hanno beneficiato dei rapidi progressi della tecnologia di calcolo quantistico, che ne ha permesso il rapido sviluppo anziché l'oscurità.
Introduzione:
La società canadese di biotecnologie Hyperstealth Biotechnology ha sviluppato un materiale avanzato noto come "Quantum Stealth" (tessuto invisibile). Questo tessuto, soprannominato "Quantum Stealth camouflage", raggiunge l'invisibilità piegando le onde luminose.
Tendenze future:
Questo materiale potrebbe essere utilizzato per creare mantelli dell'invisibilità, aiutando i soldati sul campo di battaglia a portare a termine missioni molto impegnative grazie all'occultamento. L'amministratore delegato dell'azienda, Guy Cramer, ha dichiarato: "Il materiale 'Quantum Stealth' non solo può aiutare le forze speciali a compiere incursioni durante il giorno, ma può anche facilitare la fuga di un soldato quando incontra un pericolo inaspettato".
Inoltre, questo materiale promette di essere applicato alla prossima generazione di aerei, sottomarini e carri armati stealth, consentendo loro di raggiungere una vera invisibilità e permettendo alle truppe di colpire il nemico senza essere viste".
Panoramica: Questo materiale, composto da polimeri e acqua, è conduttivo e rimane perennemente umido.
Prospettive future: In futuro, questo materiale potrà essere utilizzato per la creazione di pelle artificiale e di robot flessibili con capacità biomimetiche.
Introduzione:
I dicalcogenidi dei metalli di transizione (TMDC) possiedono una semplice struttura bidimensionale e sono materiali super-innovativi al pari del grafene. Sono tipicamente composti da un elemento metallico di transizione M (come molibdeno, tungsteno, niobio, renio, titanio, ecc.) e da un elemento calcogeno X (come zolfo, selenio, tellurio, ecc.).
Grazie al loro costo relativamente basso e alla facilità di fabbricazione in strati estremamente sottili e stabili, insieme alle loro proprietà semiconduttive, i TMDC sono emersi come materiali ideali nel campo dell'optoelettronica.
Tendenze di sviluppo future:
Se elettroni e buchi vengono iniettati nelle TMDC, quando si incontrano si ricombinano ed emettono fotoni. Questa capacità di conversione fotonica-elettronica è promettente per i TMDC nel campo della trasmissione ottica delle informazioni, dove potrebbero servire come sorgenti luminose o laser in miniatura e a bassa potenza.
I TMDC possono anche essere combinati con vari materiali bidimensionali per creare etero-giunzioni con problemi minimi di disallineamento reticolare. Tali dispositivi fotonici a etero-giunzione dovrebbero dimostrare prestazioni superiori in una gamma spettrale più ampia.
Panoramica:
I materiali criogenici bollenti sono sostanze che si comportano in modo opposto ai materiali termici bollenti, passando da solido a liquido a gas al diminuire della temperatura. Questi materiali rimangono solidi a temperature elevate e ambientali, con una resistenza che aumenta all'aumentare della temperatura, in grado di resistere a temperature superiori a 10.000 gradi Celsius.
Si liquefanno a -121°C e si trasformano in gas a -270°C. I materiali criogenici bollenti sono considerati supermateriali. Rispetto ai più avanzati materiali resistenti alle alte temperature e superconduttori attualmente in fase di sviluppo, presentano una resistenza alle alte temperature e una superconduttività superiori.
Se drogati con materiali inerti per l'ebollizione termica, la resistenza alle basse e bassissime temperature dei materiali criogenici per l'ebollizione può essere migliorata, fornendo una resistenza eccezionale in un intervallo di temperature più ampio.
I materiali metallici criogenici presentano proprietà superconduttive a temperatura ambiente, eliminando la necessità di ambienti ad alto costo e a bassa temperatura. Pertanto, hanno un immenso potenziale per la ricerca e le applicazioni pratiche.
Tendenze di sviluppo future:
Secondo gli analisti del settore, i materiali di ebollizione criogenica potrebbero trovare largo impiego nel settore aerospaziale, nei supermacchinari e nei dispositivi elettronici. Nel settore aerospaziale, ad esempio, questi materiali potrebbero essere utilizzati per produrre motori e gusci di veicoli spaziali dalle prestazioni superiori.
Sono ideali per i veicoli spaziali che viaggiano alla terza velocità cosmica o a velocità superiori, dove i componenti devono mantenere una durezza elevatissima alle temperature estreme generate dal viaggio ad alta velocità e continuare a funzionare efficacemente nelle condizioni di freddo e ultra-freddo dello spazio.
I materiali criogenici bollenti potrebbero guidare una rivoluzione tecnologica nell'industria aerospaziale. Tuttavia, la loro sintesi o estrazione dalla luna presenta sfide significative e la strada da percorrere prima che questi materiali possano essere applicati è ancora lunga.
Introduzione:
I fluidi magnetoreologici, noti anche come fluidi magnetici, ferrofluidi o semplicemente magfluidi, rappresentano una classe innovativa di materiali funzionali che combinano la fluidità dei liquidi con le proprietà magnetiche dei magneti solidi. Composti da particelle solide magnetiche di dimensioni nanometriche, liquidi di supporto e tensioattivi, questi liquidi colloidali stabili non presentano attrazione magnetica a riposo.
Tuttavia, mostrano proprietà magnetiche quando sono esposti a un campo magnetico esterno. Queste caratteristiche uniche ne hanno determinato un'ampia applicazione e un significativo valore accademico.
I fluidi magnetoreologici prodotti da polveri nanometalliche e leghe dimostrano prestazioni superiori e sono ampiamente utilizzati in ambienti difficili per guarnizioni magnetiche fluide, sistemi di smorzamento, dispositivi medici, modulazione del suono, display ottici e processi di separazione magnetoreologica.
Tendenze future:
Gli ultimi anni hanno visto numerose scoperte scientifiche nell'applicazione dei materiali magnetoreologici in nuove frontiere come l'aerospaziale, la difesa, la sanità e i trasporti. Con il progredire della tecnologia, queste applicazioni si stanno espandendo e la domanda di competenze scientifiche e tecniche in materia è in costante aumento.
Riconosciuti come uno dei materiali con il maggior potenziale di sviluppo futuro, i fluidi magnetoreologici hanno guadagnato attenzione a livello internazionale.
Sebbene la Cina sia entrata nel campo della ricerca magnetoreologica più tardi di altri, sta rapidamente guadagnando slancio. Con il progressivo ridursi del monopolio sulle tecnologie applicative di fascia alta, un tempo detenuto da Paesi sviluppati come il Regno Unito e gli Stati Uniti, si prevede che la concorrenza nella ricerca sui materiali magnetoreologici si intensificherà negli anni a venire.
Introduzione:
Questo materiale di rivestimento è una lega vetrosa a base di ferro progettata specificamente per trapani e utensili di alesatura industriali, che offre una maggiore resistenza alla frattura sotto carichi pesanti. È significativamente più conveniente rispetto ai materiali convenzionali, come le leghe dure di carburo di tungsteno e cobalto, e migliora anche l'efficienza del traforo grazie alla sua durata prolungata.
Tendenze future:
Questo materiale ha potenziali applicazioni future in settori quali la produzione e l'edilizia.
Panoramica:
I nanodotti di perovskite, noti per la loro colossale magnetoresistenza, l'elevata conduttività ionica, le proprietà elettrocatalitiche e l'attività redox, hanno un vasto potenziale per applicazioni nell'assorbimento della luce, nell'immagazzinamento, nella catalisi e nel rilevamento.
Le perovskiti sono materiali strutturali cristallini e rappresentano una nuova classe di materiali funzionali. Attualmente, i problemi di stabilità rappresentano un ostacolo significativo allo sviluppo. Tuttavia, la ricerca sulle nuove strutture di perovskite sta avanzando, attirando una notevole attenzione sui nanodot di perovskite.
Tendenze future:
Secondo il rapporto di ricerca "China Perovskite Nanodot Market Development Status and Industry Outlook Forecast" pubblicato dalla rete di indagine di mercato, un team della Queensland University of Technology (QUT) in Australia sta integrando i nanodotti di perovskite, ricavati da capelli umani, nelle celle solari.
Questi nanodotti formano uno strato protettivo sulla superficie della perovskite, proteggendo il materiale da vari fattori esterni, migliorandone la stabilità e aumentando l'efficienza di conversione fotovoltaica. Ciò può anche ridurre i costi di produzione.
Questi progressi sono fondamentali per lo sviluppo su larga scala delle celle solari a perovskite, indicando un futuro promettente per i nanodotti di perovskite.
Introduzione:
I metalli a micro-lattice sono costituiti da minuscoli tubi cavi interconnessi a formare una struttura, con un diametro di ciascun tubo di circa 100 micrometri e uno spessore della parete di soli 100 nanometri. Grazie alla sua natura cava, l'interno del metallo è composto da aria al 99,99%.
Questo metallo è costituito principalmente da aria leggera, che gli permette di posarsi su un dente di leone o di galleggiare a terra come una piuma da un'altezza elevata. Molti potrebbero dubitare della resistenza di un metallo così leggero, sospettando che sia estremamente fragile. Ma non è così. I metalli a micro-lattice sono eccezionalmente forti e possiedono un'elevata resistenza alla compressione.
Tendenze di sviluppo future:
Come elettrodi per batterie e catalizzatori, i metalli a micro-lattice sono destinati a rivoluzionare il futuro dell'aviazione e della produzione di veicoli spaziali. Promettono di ridurre la massa dei veicoli per l'esplorazione dello spazio profondo della NASA di 40%, un fattore cruciale per le future missioni su Marte e oltre.
Panoramica:
Lo stanene, noto anche come singolo strato di atomi di stagno, presenta una struttura bidimensionale a nido d'ape simile al grafene, che lo rende un nuovo materiale quantistico. La sua struttura cristallina si basa sull'alfa-stagno simile al diamante e, a causa della sua configurazione non stratificata, non può essere prodotto tramite esfoliazione meccanica, con conseguenti barriere tecnologiche di produzione estremamente elevate.
Rispetto ad altri materiali bidimensionali come il grafene, il silicene e il germanene, lo stanene ha legami più lunghi e una conduttività elettrica superiore, ed è pronto a diventare il primo super materiale al mondo in grado di raggiungere una conduttività elettrica di 100,0% a temperatura ambiente.
Tendenze future:
Gli analisti del settore indicano che lo stanene, in quanto materiale bidimensionale emergente, ha un'ampia prospettiva di applicazione. Grazie alla continua innovazione e ai progressi della tecnologia di ricerca e sviluppo, si prevede che la gamma di applicazioni dello stanene si amplierà e che il settore raggiungerà probabilmente uno sviluppo commerciale.
Le barriere tecniche dell'industria dello stanene sono elevate e negli ultimi anni numerosi gruppi di ricerca cinesi hanno compiuto progressi significativi nello studio dei materiali a base di stanene, influenzando positivamente la crescita del settore.
Panoramica:
La supercolla molecolare è un adesivo scoperto nel 2013 da Mark Howarth e dal suo gruppo di ricerca del Dipartimento di Biochimica dell'Università di Oxford, derivato dalle proteine rilasciate dal batterio Streptococcus pyogenes durante l'invasione cellulare.
Ispirato alle proteine emesse dallo Streptococcus pyogenes, l'adesivo è formato da due componenti proteici che possono separarsi ma che si riannodano come una colla al contatto. Conosciuto come supercolla molecolare, questo adesivo vanta un'elevata forza di adesione, un'eccellente tolleranza alle temperature estreme e una resistenza agli ambienti acidi e ad altri ambienti difficili.
Prospettive future:
In prospettiva, questo materiale ha potenziali applicazioni nella diagnostica del cancro; la supercolla molecolare può legarsi a metalli, plastiche e varie altre sostanze, superando il problema comune della scarsa adesione tra i rivestimenti convenzionali e i metalli.
Introduzione:
I metamateriali, un termine emerso nel XXI secolo, si riferiscono a speciali materiali o strutture composite che possiedono straordinarie proprietà fisiche non riscontrabili nei materiali convenzionali. Ciò si ottiene attraverso una progettazione strutturale ordinata delle dimensioni fisiche chiave.
I metamateriali si intersecano con numerose discipline come la fisica, la chimica, l'optoelettronica, la scienza dei materiali, la scienza dei semiconduttori e la produzione di apparecchiature, posizionandosi all'avanguardia della ricerca globale con un significato strategico.
La prestigiosa rivista Science ha inserito i metamateriali tra i primi dieci progressi scientifici del primo decennio di questo secolo, mentre la rivista Materials Today li ha salutati come una delle dieci scoperte più significative nella scienza dei materiali degli ultimi cinquant'anni.
Tendenze future:
I metamateriali sono pronti a diventare un nuovo materiale con un potenziale sconfinato. Tuttavia, sono ancora lontani da una vera e propria industrializzazione su larga scala, con molte sfide ancora da superare. Queste sfide indirizzeranno la ricerca principale sui metamateriali, portando potenzialmente a ulteriori scoperte tecnologiche e risultati nel campo.
Panoramica:
Il quanto è un concetto essenziale della fisica moderna e rappresenta la più piccola unità fondamentale di materia ed energia. Il metallo quantico è un metallo composto dalle più piccole unità particellari ed è un materiale bidimensionale unico. Possiede le caratteristiche dei metalli ordinari, oltre a proprietà isolanti e superconduttrici.
In presenza di campi magnetici moderati, si comporta come un metallo quantistico, passa a un isolante in presenza di forti campi magnetici e diventa un superconduttore al di sotto di -272°C. Questo dimostra il potenziale della ricerca sugli stati bidimensionali dei metalli quantistici.
Tendenze future:
Gli analisti del settore indicano che la superconduttività è una direzione importante per la ricerca sui metalli quantistici. I superconduttori, che presentano una resistenza elettrica pari a zero al di sotto della loro temperatura critica, sono in grado di trasmettere elettricità senza perdite e trovano ampie applicazioni nei settori dell'elettronica, delle telecomunicazioni, dell'energia, dei trasporti, dell'industria medica e nucleare, dell'aerospaziale e altro ancora.
Nel 2021, il mercato globale dei superconduttori è stato valutato in circa $7,6 miliardi e continua a mostrare una tendenza alla crescita. I superconduttori possono essere classificati in superconduttori a bassa e ad alta temperatura, con i primi che detengono una posizione dominante e un forte impulso allo sviluppo. Il metallo quantico, un tipo di superconduttore a bassa temperatura, ha un valore sostanziale nella ricerca e nell'applicazione.
Introduzione:
Il grafene al boro, un materiale bidimensionale, è una struttura atomica planare a singolo strato simile al grafene, composta dall'elemento boro. Questo film sottile ha uno spessore di un solo atomo.
Sintetizzato artificialmente, il grafene di boro dovrebbe avere una varietà di strutture, possedere proprietà uniche e mostrare molte caratteristiche metalliche, in particolare eccezionali proprietà elettroniche. Rappresenta una nuova classe di materiali bidimensionali.
Tendenze future:
Gli analisti del settore suggeriscono che per guidare i progressi tecnologici nell'industria, c'è un alto livello di interesse nella ricerca e nell'applicazione di nuovi materiali nel mercato globale.
Gli investimenti dei governi e dei capitali nella ricerca sui nuovi materiali sono in continuo aumento e i nuovi materiali ad alte prestazioni vengono sviluppati e commercializzati a un ritmo accelerato. Come nuovo materiale bidimensionale, il grafene di boro ha eccellenti proprietà elettroniche e un enorme potenziale di crescita in settori quali l'elettronica e l'energia.
A breve termine, il suo mercato applicativo non si è ancora formato perché è ancora in fase di ricerca. Tuttavia, a lungo termine, rispetto al grafene, ha un potenziale di mercato significativo.
Panoramica:
Il cemento programmabile, gestendo la microstruttura delle particelle di cemento, programma queste particelle per formare un calcestruzzo specializzato con alta densità e bassa porosità. Questo migliora la forza, l'impermeabilità e la resistenza alla corrosione del calcestruzzo.
Il cemento programmabile è un tipo di cemento innovativo e altamente tecnologico. Non solo vanta migliori prestazioni complessive, ma riduce anche in modo significativo i danni ambientali durante la produzione e l'applicazione.
Tendenze di sviluppo future:
Gli analisti del settore indicano che attualmente la Cina è meno impegnata nella ricerca sul cemento programmabile rispetto agli Stati Uniti. Tuttavia, poiché il Paese mira a passare da un gigante manifatturiero a una potenza manifatturiera e a raggiungere la neutralità delle emissioni di carbonio e gli obiettivi di sviluppo sostenibile, il governo cinese sta promuovendo attivamente la ricerca di nuovi materiali ad alte prestazioni e rispettosi dell'ambiente.
In futuro, si prevede che gli investimenti nella ricerca sui nuovi materiali da costruzione in Cina aumentino costantemente e che i risultati della ricerca sul cemento programmabile crescano.
Panoramica:
Ultra-Thin Platinum è un metodo innovativo per depositare rapidamente e a basso costo film sottili di platino, riducendo in modo significativo la quantità di metallo necessaria per i catalizzatori delle celle a combustibile, abbassandone così notevolmente il costo.
Prospettive future:
Questo materiale potrebbe essere impiegato in futuro in settori come le celle a combustibile a idrogeno.
Panoramica:
Le leghe di platino sono composte da platino mescolato con altri metalli come palladio, rodio, ittrio, rutenio, cobalto, osmio e rame. Come materiali funzionali, sono utilizzati per la misurazione della temperatura, come catalizzatori, per i contatti elettrici, materiali per elettrodi, materiali elastici e materiali magneto-idrodinamici.
Le leghe di platino per la misurazione della temperatura presentano un'elevata stabilità termoelettrica e precisione alle alte temperature, soprattutto nei sistemi platino-rodio, platino-molibdeno e platino-cobalto. Le leghe di platino-rodio hanno un'eccellente resistenza all'ossidazione ad alta temperatura e stabilità chimica.
Le termocoppie in lega di platino-molibdeno sono utilizzate per misure ad alta temperatura nel vuoto o in atmosfere inerti e nei campi nucleari. Le leghe di platino-cobalto, utilizzate nelle termometri a resistenza, garantiscono un'elevata precisione e sensibilità al di sopra dei 20K.
I catalizzatori in lega di platino sono l'unico materiale utilizzato nel processo di ossidazione dell'ammoniaca per la produzione di acido nitrico e sono costituiti principalmente da maglie in lega di platino-rodio o platino-rodio-palladio.
Tendenze future:
Le leghe di platino hanno un'ampia gamma di applicazioni nei materiali di deformazione ad alta temperatura, nei materiali per l'avvolgimento dei potenziometri di precisione, nei materiali medici, nella gioielleria e nelle monete, con un notevole potenziale di sviluppo futuro.
Panoramica:
I materiali autorigeneranti, come dice il nome, sono in grado di riparare automaticamente i danni senza bisogno di interventi significativi. Questa proprietà non solo prolunga la durata di vita degli oggetti, ma ne garantisce anche la sicurezza e l'integrità, riducendo i costi di manutenzione.
La ricerca sui materiali autorigeneranti è iniziata negli anni '90 nel campo del calcestruzzo architettonico. Tuttavia, solo nel 2001 sono stati compiuti progressi significativi, quando l'elettrochimico di fama mondiale Scott White e il suo team hanno pubblicato un articolo su Nature. Hanno sviluppato materiali autorigeneranti polimerici incorporando microcapsule riempite di agenti curativi in una resina epossidica contenente un catalizzatore, attirando un'ampia attenzione internazionale sul campo.
Tendenze future:
Con il rapido progresso della tecnologia di auto-riparazione, una varietà di materiali auto-riparanti è pronta a trovare applicazioni più ampie in settori quali l'edilizia, l'automotive, l'aerospaziale, l'aviazione e l'elettronica. Il loro utilizzo è di grande importanza per la conservazione delle risorse e il raggiungimento di uno sviluppo sostenibile.
Panoramica:
Questo innovativo rivestimento è in grado di autoregolare la trasparenza del vetro. A temperature superiori a 67ºC, questo rivestimento trasparente si trasforma in una superficie riflettente con finitura a specchio per deviare la luce solare.
Prospettive future:
Questo materiale ha potenziali applicazioni nell'edilizia, nei trasporti e in altri settori.
Panoramica:
I materiali biomimetici sono sviluppati per emulare varie caratteristiche o peculiarità degli organismi viventi. I materiali artificiali progettati e prodotti per imitare le modalità operative dei sistemi viventi e i principi strutturali dei materiali biologici sono noti come materiali biomimetici.
Le plastiche biomimetiche non solo possiedono una resistenza di gran lunga superiore a quella dei tecnopolimeri, ma presentano anche una notevole tenacità e resistenza alla propagazione delle cricche. Subiscono variazioni dimensionali minime in un intervallo di temperatura compreso tra -130°C e 150°C e, a temperatura ambiente, il loro coefficiente di espansione termica è solo un decimo di quello delle plastiche convenzionali.
Tendenze future:
Con l'accelerazione dell'urbanizzazione nel nostro Paese, le questioni relative alla stabilità sociale e alla sicurezza urbana stanno venendo sempre più alla ribalta. La tecnologia delle materie plastiche biomimetiche è un fattore chiave per lo sviluppo delle infrastrutture. Pertanto, con l'ulteriore progresso delle tecnologie socio-economiche e informatiche, l'applicazione delle plastiche biomimetiche è destinata a diventare una nuova tendenza in futuro.
Introduzione:
I cristalli fotonici sono nanostrutture ottiche periodiche che influenzano il movimento dei fotoni più o meno come i reticoli ionici influenzano gli elettroni nei solidi. Sono presenti in natura, si manifestano come colorazione strutturale e come riflettori per animali, e promettono di essere utilizzati per una varietà di applicazioni in forme diverse. Come materiali ottici attraenti, i cristalli fotonici sono utilizzati per controllare e manipolare il flusso della luce.
Tendenze future:
I cristalli fotonici monodimensionali sono già ampiamente utilizzati nell'ottica a film sottile, con applicazioni che vanno dai rivestimenti antiriflesso e ad alta riflessione su lenti e specchi alle vernici e agli inchiostri che cambiano colore. I cristalli fotonici a più alta dimensione sono di grande interesse sia per la ricerca fondamentale che per quella applicata, e le strutture bidimensionali iniziano a trovare applicazioni commerciali.
I prodotti commerciali che coinvolgono i cristalli fotonici periodici bidimensionali sono emersi sotto forma di fibre di cristallo fotonico, che utilizzano strutture su scala micrometrica per confinare la luce con proprietà fondamentalmente diverse da quelle guidate dalle fibre convenzionali, utilizzate nei dispositivi non lineari e per guidare lunghezze d'onda insolite.
Sebbene le loro controparti tridimensionali siano lontane dalla commercializzazione, potrebbero offrire funzionalità aggiuntive, come la non linearità ottica necessaria per far funzionare i transistor ottici utilizzati nei computer ottici, una volta superati alcuni aspetti tecnici come la producibilità e le maggiori difficoltà.
Panoramica:
I materiali ceramici resistenti all'erosione rappresentano un progresso molto promettente nei materiali strutturali ad alta temperatura. Grazie all'elevato punto di fusione, fungono da materiali refrattari di qualità superiore per applicazioni quali forni e tubi per forni ad alta temperatura. Tra queste ceramiche, quelle classificate come materiali strutturali sono composte principalmente da proprietà meccaniche come resistenza, durezza e tenacità.
Sebbene i metalli siano stati ampiamente utilizzati come materiali strutturali, la loro suscettibilità alla corrosione e all'ossidazione ad alte temperature li rende inadatti a tali condizioni. L'avvento delle ceramiche strutturali per alte temperature risolve le carenze dei materiali metallici più deboli. Queste ceramiche sono resistenti alle alte temperature, all'ossidazione e alla corrosione acido-base.
Tendenze future:
Le ceramiche resistenti alle alte temperature e all'erosione offrono isolamento, resistenza alla temperatura, alla corrosione e robuste proprietà meccaniche. I rivestimenti isolanti ceramici per alte temperature sono riconosciuti per la loro ecocompatibilità, efficienza e multifunzionalità, assicurandosi un posto importante nel settore dei rivestimenti specializzati.
Panoramica:
L'idroceramica è un materiale composto da perle di idrogel che possono gonfiarsi fino a 400 volte il loro volume originale quando vengono immerse in acqua.
Tendenze future:
Grazie a questa straordinaria proprietà, le perle sferiche assorbono i liquidi che evaporano nell'aria circostante durante la stagione calda, fornendo così un effetto rinfrescante.
Panoramica:
Le plastiche riciclabili all'infinito sono quelle che possono essere riciclate all'infinito. Rispetto alle plastiche convenzionali, le plastiche riciclabili all'infinito possono essere rilavorate, evitando i danni causati dall'immissione di prodotti plastici nell'ambiente e offrendo così notevoli vantaggi ecologici. A differenza delle plastiche biodegradabili, le plastiche riciclabili all'infinito non si degradano in natura ma possono essere riutilizzate, fornendo un valore economico sostanziale.
Tendenze di sviluppo future:
Le plastiche riciclabili all'infinito hanno un'ampia prospettiva di mercato nel contesto delle strategie di sviluppo sostenibile. Gli analisti del settore indicano che le plastiche comuni devono attualmente affrontare diversi problemi relativi al valore ecologico ed economico. Le plastiche riciclabili all'infinito possono affrontare questi problemi al meglio e sostituire le plastiche esistenti nella fabbricazione di vari prodotti.
Introduzione:
I materiali principali utilizzati nella stampa 4D sono i polimeri. Nel 2014, gli scienziati hanno sviluppato una fibra polimerica sensibile alla tensione che può essere trasformata in abiti in grado di adattarsi automaticamente alla forma del corpo e ai movimenti di chi li indossa.
Tendenze future:
I materiali intelligenti sono il cuore della tecnologia 4D. Tuttavia, poiché la ricerca in questo campo è ancora agli albori, ci sono solo pochi materiali maturi pronti per essere immessi sul mercato, tra cui i polimeri. Ciò presenta sia opportunità che sfide. Un'area chiave della ricerca attuale sta studiando il potenziale di ceramiche, metalli, sostanze biologiche e compositi come materiali di stampa.
Panoramica:
Questo polimero delicato e liscio, applicato sulla pelle, è in grado di rassodare e sollevare istantaneamente, cancellando senza sforzo le rughe.
Prospettive future:
Questo materiale è molto promettente per lo sviluppo di prodotti per la cura della pelle e per il trattamento delle patologie cutanee.
La tecnologia AI accelera il processo di sviluppo dei materiali ad alte prestazioni principalmente attraverso i seguenti aspetti:
Migliorare l'accuratezza della modellazione e la capacità di generare nuove funzioni: L'innovazione principale della scienza dei materiali AI risiede nell'ottimizzazione degli algoritmi, in particolare nell'applicazione della tecnologia di apprendimento profondo. Ciò migliora significativamente l'accuratezza della modellazione, consentendo di prevedere con maggiore precisione le prestazioni e le funzioni dei nuovi materiali.
Iniziativa sul genoma dei materiali: Creando l'infrastruttura per l'innovazione di nuovi materiali, la tecnologia AI aiuta a raddoppiare almeno la velocità di passaggio dalla ricerca e sviluppo all'applicazione dei materiali, dimezzando i costi. In questo processo, la creazione di una banca dati è fondamentale, in quanto costituisce una pietra miliare per l'ingegneria del genoma dei materiali.
Esperimenti ad alta produttività, automatizzati e intelligenti: La tecnologia AI ha promosso l'alta produttività, l'automazione e l'intelligenza degli esperimenti sui materiali. Questo non solo migliora l'efficienza degli esperimenti, ma promuove anche l'integrazione profonda delle simulazioni teoriche e dei dati sperimentali, guidando così la progettazione e l'ottimizzazione di nuovi materiali.
Combinazione di big data e metodi di apprendimento automatico: Il metodo di apprendimento automatico che combina funzioni di alta precisione e potenziale profondo costruito con la tecnologia AI e il calcolo high-throughput può prevedere materiali di frontiera come gli isolanti topologici, i materiali catalitici, i materiali bidimensionali, ecc.
Risolvere il problema del "collo di bottiglia": La tecnologia AI, in particolare la ricerca guidata dalla tecnologia dei big data, fornisce mezzi efficaci per risolvere problemi difficili nel campo della scienza dei materiali, accelerando il processo di sviluppo di nuovi materiali.
Applicazione dell'informatica dei materiali: L'uso efficiente dell'IA per la ricerca informatica sui materiali, per far progredire lo sviluppo dei materiali attraverso la previsione delle proprietà, è un aspetto importante dei metodi innovativi dell'IA nel campo della scienza dei materiali.
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
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