Stelt u zich eens voor: materialen die een revolutie teweeg kunnen brengen in hele industrieën - dingen sterker, lichter en slimmer maken. Dit artikel onderzoekt 50 innovatieve materialen die technologie en productie zullen transformeren. Van de ongeëvenaarde sterkte en geleidbaarheid van grafeen tot biologisch afbreekbare kunststoffen die vervuiling tegengaan, deze materialen bevinden zich in de voorhoede van de wetenschappelijke vooruitgang. Door in hun unieke eigenschappen en mogelijke toepassingen te duiken, ontdek je hoe ze de toekomst van alles, van lucht- en ruimtevaart tot alledaagse producten, een nieuwe vorm kunnen geven. Laat je inspireren door de grenzeloze mogelijkheden die deze materialen bieden.
Nieuwe materialen, ook wel geavanceerde materialen genoemd, verwijzen naar materialen die recentelijk zijn ontwikkeld of in ontwikkeling zijn en die superieure prestaties leveren in vergelijking met traditionele materialen.
Ze omvatten materialen die nieuw ontwikkeld zijn of waarnaar nog onderzoek wordt gedaan en die uitzonderlijke eigenschappen vertonen die conventionele materialen overtreffen.
De technologie van nieuwe materialen wordt gemaakt in overeenstemming met de menselijke intentie, door middel van een reeks onderzoeksprocessen waaronder fysisch onderzoek, materiaalontwerp, verwerking en experimentele evaluatie, allemaal gericht op het creëren van innovatieve materialen die voldoen aan een verscheidenheid van behoeften.
Dit omvat functionele positionering, directionele positionering, technische positionering en marktpositionering:
(1) Samengestelde nieuwe materialen
Het gebruik van samengestelde nieuwe materialen gaat terug tot de oudheid. Historische voorbeelden zijn met stro versterkte klei en het eeuwenoude met staal versterkte beton, beide samengesteld uit twee verschillende materialen. In de jaren 1940 werden, vanwege de behoeften van de luchtvaartindustrie, glasvezelversterkte kunststoffen (beter bekend als glasvezel) ontwikkeld, wat de komst van composietmaterialen markeerde. Sinds de jaren 1950 werden vezels met hoge sterkte en hoge modulus ontwikkeld, zoals koolstof-, grafiet- en boorvezels. In de jaren 1970 kwamen aramide- en siliciumcarbidevezels op.
Deze vezels met hoge sterkte en hoge modulus kunnen worden gecombineerd met niet-metalen matrices zoals synthetische harsen, koolstof, grafiet, keramiek, rubber of metalen matrices zoals aluminium en magnesium, titanium om unieke composietmaterialen te vormen. Polyethyleenvezels met ultrahoog moleculair gewicht, bekend om hun uitzonderlijke sterkte en weerstand tegen chemische stoffen en veroudering, blinken ook uit in sonartransmissie met hoge frequentie en weerstand tegen zeewatercorrosie.
Deze vezels worden gebruikt in hoogfrequente sonarkappen voor marineschepen, waardoor ze mijnen beter kunnen opsporen en vegen. Naast militaire toepassingen hebben ze brede vooruitzichten in de automobielindustrie, scheepsbouw, medische apparatuur en sportuitrusting. De introductie ervan heeft veel aandacht en belang geoogst in ontwikkelde landen.
(2) Supergeleidende materialen
Sommige materialen vertonen een elektrische weerstand van nul bij een bepaalde kritische temperatuur, een fenomeen dat supergeleiding wordt genoemd. Een ander kenmerk van supergeleiders is hun diamagnetisme - het onvermogen van magnetische veldlijnen om een supergeleider binnen te dringen wanneer deze weerstandsvrij wordt. De elektrische weerstand van gewone metalen zoals koper neemt bijvoorbeeld af met de temperatuur en bereikt een bepaalde waarde in de buurt van 0K.
In 1919 ontdekte de Nederlandse wetenschapper Heike Kamerlingh Onnes dat de weerstand van kwik volledig verdwijnt bij 4,2 K (-269°C), waarmee supergeleiding en diamagnetisme werden aangetoond. De kritische temperatuur (TC) waarbij de weerstand van een supergeleider nul wordt, is een belangrijk kenmerk. Het onderzoek naar supergeleidende materialen richt zich op het overwinnen van de "temperatuurbarrière" om supergeleiders met een hoge temperatuur te vinden.
Praktische supergeleiders zoals NbTi en Nb3Sn zijn gecommercialiseerd en hebben toepassingen gevonden in beeldvorming door middel van kernmagnetische resonantie (NMRI), supergeleidende magneten en grote versnellermagneten. SQUID's, als voorbeelden van supergeleiders in zwakke elektrische toepassingen, spelen een cruciale rol in het detecteren van zwakke elektromagnetische signalen, ongeëvenaard in gevoeligheid door enig niet-supergeleidend apparaat.
De lage kritische temperaturen van conventionele supergeleiders, waarvoor complexe en dure systemen met vloeibaar helium (4,2 K) nodig zijn, hebben hun toepassingen echter aanzienlijk beperkt. De komst van hogetemperatuuroxidesupergeleiders doorbrak deze temperatuurbarrière en verhoogde de toepasbare temperatuur van vloeibaar helium (4,2K) naar vloeibaar stikstof (77K). Vloeibare stikstof is een zuiniger koelmiddel met een hogere warmtecapaciteit dan vloeibaar helium, wat technische toepassingen aanzienlijk vergemakkelijkt.
Supergeleiders met een hoge temperatuur hebben ook aanzienlijke magnetische capaciteiten en kunnen magnetische velden van meer dan 20T genereren. Toepassingen van supergeleidende materialen zijn onder andere energieopwekking, -transmissie en -opslag. Supergeleidende generatoren met spoelmagneten kunnen de magnetische veldsterkte verhogen tot 50.000-60.000 Gauss met bijna geen energieverlies, waardoor de capaciteit per eenheid 5-10 keer en de efficiëntie 50% hoger is dan bij conventionele generatoren.
Supergeleidende transmissielijnen en transformatoren kunnen elektriciteit met minimaal verlies naar gebruikers transporteren. In China gaat bijvoorbeeld ongeveer 15% aan elektrische energie verloren in koperen of aluminium transmissielijnen, wat neerkomt op meer dan 100 miljard kWh per jaar. Overschakelen op supergeleidende transmissie zou genoeg elektriciteit kunnen besparen om de behoefte aan tientallen grote elektriciteitscentrales te vervangen.
Supergeleidende magneettreinen werken op basis van de diamagnetische eigenschap van supergeleiders, die magnetische veldlijnen afstoten, waardoor de supergeleider boven een permanente magneet of magnetisch veld kan zweven. Dit magneetteffect wordt gebruikt in supersnelle supergeleidende magneettreinen, zoals die op Shanghai Pudong International Airport. In supergeleidende computers maakt de bijna-nul-weerstand van supergeleidende materialen dicht op elkaar gepakte circuits op geïntegreerde chips mogelijk zonder oververhitting, waardoor de computersnelheid aanzienlijk toeneemt.
(3) Energie Materialen
Energiematerialen omvatten zonnecelmaterialen, materialen voor waterstofopslag en vaste oxide brandstofcelmaterialen. Zonnecelmaterialen, een nieuw energiemateriaal, hebben vooruitgang geboekt, zoals IBM's meerlagige composietzonnecellen met omzettingsefficiënties tot 40%. Waterstof, een vervuilingsvrije en efficiënte energiebron, wordt geconfronteerd met belangrijke uitdagingen op het gebied van opslag en transport. Ongeveer 50% van de financiering voor waterstofonderzoek van het Amerikaanse Ministerie van Energie is toegewezen aan waterstofopslagtechnologie.
Waterstof kan materialen aantasten, wat verbrossing en lekkage veroorzaakt, en vormt een explosierisico tijdens transport. Waterstofopslagmaterialen kunnen hydriden vormen met waterstof, waardoor waterstof vrijkomt bij verwarming en weer wordt opgeladen na uitputting. De huidige materialen voor waterstofopslag zijn voornamelijk metaalverbindingen, zoals LaNi5H en Ti1,2Mn1,6H3. Er wordt actief onderzoek gedaan naar vaste oxide brandstofcellen, waarbij de nadruk ligt op materialen zoals vaste elektrolytmembranen, kathodematerialen en organische protonuitwisselingsmembranen voor protonuitwisselingsmembraanbrandstofcellen.
(4) Slimme materialen
Slimme materialen vertegenwoordigen de vierde generatie materialen na natuurlijke, synthetische polymeren en kunstmatig ontworpen materialen. Ze vormen een belangrijke richting in de moderne high-tech ontwikkeling van nieuwe materialen. Internationaal zijn er talrijke technische doorbraken bereikt op het gebied van slimme materialen. BAE Systems uit het Verenigd Koninkrijk ontwikkelde bijvoorbeeld draadsensoren om spanning en temperatuur te testen op vliegtuighuiden.
Het VK ontwikkelde ook een snel reagerende vormgeheugenlegering met een levensduur van een miljoen cycli en een hoog uitgangsvermogen, nuttig in remmen met reactietijden tot 10 minuten. Vormgeheugenlegeringen zijn met succes toegepast in satellietantennes, medische toepassingen en nog veel meer. Andere slimme materialen zijn onder andere piëzo-elektrische materialen, magnetostrictieve materialen, geleidende polymeren, elektrorheologische vloeistoffen en magnetorheologische vloeistoffen, die dienen als aandrijfcomponenten in verschillende toepassingen.
(5) Magnetische materialen
Magnetische materialen worden onderverdeeld in zachte en harde (permanente) magnetische materialen.
(1) Zachte magnetische materialen
Zachte magnetische materialen worden gemakkelijk gemagnetiseerd en gedemagnetiseerd en verliezen hun magnetisme wanneer het magnetische veld wordt verwijderd. Gekenmerkt door een hoge magnetische permeabiliteit (μ=B/H), worden ze gemakkelijk gemagnetiseerd tot hoge sterkte in magnetische velden maar behouden ze weinig restmagnetisme wanneer het veld wordt verwijderd.
Deze materialen worden veel gebruikt in de elektronicatechnologie, vooral in hoogfrequente toepassingen zoals magnetische kernen, koppen en geheugenkernen, en in de elektrotechniek voor transformatoren en relaisschakelaars. Gangbare zachte magnetische materialen zijn ijzer-siliciumlegeringen, ijzer-nikkellegeringen en amorfe metalen. De legering Fe-(3%-4%)Si, het meest gebruikte zachte magnetische materiaal, wordt gebruikt in laagfrequente transformatoren, motoren en generatoren.
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.
Amorfe metalen worden geproduceerd door gesmolten metaal snel af te koelen om een niet-kristallijne atoomstructuur te verkrijgen. Ze vertonen uitstekende magnetische eigenschappen en worden gebruikt in energie-efficiënte transformatoren, magnetische sensoren, opnamekoppen en nog veel meer. Sommige amorfe metalen hebben ook een uitstekende corrosiebestendigheid, hoge sterkte en taaiheid.
(2) Permanente magnetische materialen (harde magnetische materialen)
Permanente magnetische materialen behouden hun magnetisme na magnetisatie, zelfs wanneer het externe magnetische veld wordt verwijderd. Ze worden gekenmerkt door een hoog restmagnetisme en een hoge coërciviteit, waardoor ze geschikt zijn voor permanente magneten die onder andere worden gebruikt in kompassen, instrumenten, micromotoren, elektromotoren, recorders, telefoons en medische toepassingen. Permanente magnetische materialen zijn onder andere ferrieten en metalen permanente magneten.
Ferrieten, veel gebruikt vanwege hun grote volume, brede toepassing en lage kosten, hebben matige magnetische eigenschappen en zijn geschikt voor algemene permanente magneet-toepassingen. Metalen permanente magneten begonnen met hoog koolstofstaal maar evolueerden naar materialen met hogere prestaties, zoals Al-Ni-Co en Fe-Cr-Co legeringen; zeldzame-aardmagneten, zoals vroegere zeldzame-aardkobalt (Re-Co) legeringen (voornamelijk SmCo5 en Sm2Co17 gemaakt met behulp van poedermetallurgie) en veelgebruikte niobium-ijzer-borium (Nb-Fe-B) zeldzame-aardmagneten. Nb-Fe-B magneten bieden niet alleen superieure prestaties, maar missen ook het schaarse element kobalt, waardoor ze snel de vertegenwoordiger van hoogwaardige permanente magneten worden, die worden gebruikt in hoogwaardige luidsprekers, elektronische watermeters, kernspinresonantie-instrumenten, micromotoren, startmotoren voor auto's en nog veel meer.
(6) Nanomaterialen
Nanotechnologie is een geïntegreerd systeem dat geavanceerde spitstechnologie en wetenschap combineert, waarbij het fundamenteel gaat om het begrijpen en wijzigen van de natuur op nanoschaal door atomen en moleculen rechtstreeks te manipuleren en te rangschikken om nieuwe materialen te creëren. Nanotechnologie omvat zeven gebieden: nanosysteemfysica, nanochemie, nanomaterialenwetenschap, nanobiologie, nano-elektronica, nanofabricage en nanomechanica.
Nanomaterialen, zo genoemd in de jaren 1980, zijn vaste materialen die bestaan uit nanodeeltjes met een grootte van maximaal 100 nanometer. De bereiding en synthese van nanomaterialen blijft de belangrijkste onderzoeksfocus, en hoewel er enige vooruitgang is geboekt in de synthese van monsters, is de grootschalige productie van bulkmonsters nog steeds een uitdaging, waardoor de studie van de bereiding van nanomaterialen cruciaal is voor de toepassing ervan.
De materiaalindustrie is de basisindustrie van de nationale economie en nieuwe materialen zijn de voorlopers van de ontwikkeling van de materiaalindustrie.
Grafeen, koolstofnanobuizen, amorfe legeringen, schuimmetalen, ionische vloeistoffen ... 20 nieuwe materialen bieden onbeperkte mogelijkheden voor de ontwikkeling van de materiaalindustrie.
Vandaag de dag ontwikkelt de wetenschappelijke en technologische revolutie zich snel, nieuwe materiaalproducten veranderen met de dag en het tempo van industriële upgrading en materiaalvervanging versnelt.
Nieuwe materiaaltechnologie is geïntegreerd met nanotechnologie, biotechnologie en informatietechnologie.
Structurele en functionele integratie en functionele materialen worden intelligenter.
De koolstofarme, groene en recyclebare milieuvriendelijke eigenschappen van de materialen hebben veel aandacht getrokken.
Op basis van de onderzoeksvoortgang van binnen- en buitenlandse bekende onderzoeksinstellingen en bedrijven, wetenschappelijke en technologische mediaoverzichten en onderzoek naar hotspots in de industrie, zijn in dit artikel 20 nieuwe materialen geselecteerd.
Hieronder volgt gedetailleerde informatie over de relevante materialen (in willekeurige volgorde).
Doorbraak:
Buitengewone elektrische geleidbaarheid, extreem lage weerstand, extreem lage en extreem snelle elektronenmigratiesnelheid, tientallen keren sterker en uitstekende lichttransmissie ten opzichte van staal.
Dontwikkeling Trend:
De Nobelprijs voor natuurkunde van 2010 heeft grafeen de afgelopen jaren populair gemaakt op de technologie- en kapitaalmarkten.
In de komende 5 jaar zal het gebruik van grafeen explosief toenemen op het gebied van foto-elektrische displays, halfgeleiders, aanraakschermen, elektronische apparaten, batterijen voor energieopslag, displays, sensoren, halfgeleiders, lucht- en ruimtevaart, militaire toepassingen, composietmaterialen en biomedische toepassingen.
Belangrijkste onderzoeksinstituten (bedrijven):
Graphene Technologies, Angstron Materials, Graphene Square, Forsman Technology, enz.
Doorbraak:
Hoge porositeit, lage dichtheid, licht gewicht, lage thermische geleidbaarheid, uitstekende thermische isolatie-eigenschappen.
Ontwikkelingstrend:
Nieuwe materialen met veel potentieel.
Ze hebben een groot potentieel op het gebied van energiebesparing en milieubescherming, warmte-isolatie in elektrische apparaten en de bouw.
Belangrijkste onderzoeksinstituten (bedrijven):
Fosman Technology, W.R. Grace, Fuji-Silysia, Japan, enz.
Doorbraak:
Hoge elektrische geleidbaarheid, hoge thermische geleidbaarheid, hoge elasticiteitsmodulus, hoge treksterkte, enz.
Ontwikkelingstrend:
Elektroden voor functionele apparaten, katalysatordragers, sensoren, enz.
Belangrijkste onderzoeksinstituten (bedrijven):
Unidym, Inc., Toray Industries, Inc., Bayer Materials Science AG, Mitsubishi Rayon Co. , Forsman Technology, Suzhou First Element, enz.
Doorbraak:
Met lineaire en niet-lineaire optische eigenschappen, supergeleiding door alkalimetalen fullereen, enz.
Ontwikkelingstrend:
De toekomst biedt belangrijke vooruitzichten op het gebied van biowetenschappen, geneeskunde, astrofysica, enz. en zal naar verwachting worden gebruikt in foto-elektrische apparaten zoals optische omzetters, signaalomzettingen en gegevensopslag.
Belangrijkste onderzoeksinstituten (bedrijven):
Michigan State University, Xiamen Funa New Materials, enz.
Doorbraak:
Hoge sterkte en taaiheid, uitstekende magnetische permeabiliteit en laag magnetisch verlies evenals uitstekende vloeistofstroom.
Dontwikkeling Trend:
Kan worden gebruikt in transformatoren met hoog frequentieverlies, structurele onderdelen van mobiele eindapparatuur, enz.
Belangrijkste onderzoeksinstituten (bedrijven):
Liquidmetal Technologies, Inc., Instituut voor Metaalonderzoek, Chinese Academie van Wetenschappen, BYD, enz.
Doorbraak:
Licht van gewicht, lage dichtheid, hoge porositeit en groot specifiek oppervlak.
Dontwikkeling Trend:
Het heeft geleidingsvermogen en kan toepassingsgebieden vervangen waar anorganische niet-metaalachtige materialen kan geen elektriciteit geleiden.
Het heeft een groot potentieel op het gebied van geluidsisolatie en geluidsreductie.
Belangrijkste onderzoeksinstituten (bedrijven):
Alcan (Aluminum Association, VS), Rio Tinto, Symat, Norsk Hydro, enz.
Doorbraak:
Met hoge thermische stabiliteit, breed vloeibaar temperatuurbereik, instelbaar zuur en alkali, polariteit, coördinatievermogen en enz.
Ontwikkelingstrend:
Het heeft brede toepassingsmogelijkheden op het gebied van groene chemische industrie, biologie en katalyse.
Belangrijkste onderzoeksinstituten (bedrijven):
Solvent Innovation, BASF, Lanzhou Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Tongji University, enz.
Doorbraak:
Het heeft een goede biocompatibiliteit, watervasthoudend vermogen en een breed bereik van pH-stabiliteit.
Het heeft ook een nanonetwerkstructuur en hoge mechanische eigenschappen.
Dontwikkeling Trend:
Het heeft grote vooruitzichten in de biogeneeskunde, verbeteraar, papierindustrie, zuivering, geleidend en anorganisch samengestelde voeding evenals industriële magnetische samenstelling.
Belangrijkste onderzoeksinstituten (bedrijven):
Cellu Force (Canada), US Forest Service, Innventia (Zweden), enz.
Doorbraak:
Namometerperocakiet heeft een gigantische magnetische weerstand, een hoog ionisch geleidingsvermogen en speelt een katalytische rol in de neerslag en reductie van zuurstof.
Dontwikkeling Trend:
Het zal in de toekomst een enorm potentieel hebben op het gebied van katalyse, opslag, sensoren en lichtabsorptie.
Belangrijkste onderzoeksinstituten (bedrijven):
Epry, AlfaAesar, enz.
Doorbraak:
Door de traditionele industriële verwerkingsmethoden te veranderen, kunnen complexe structuren snel worden gevormd.
Ontwikkelingstrend:
De revolutionaire spuitgietmethode heeft grote vooruitzichten op het gebied van spuitgieten van complexe structuren en snelle spuitgietprocessen.
Belangrijkste onderzoeksinstituten (bedrijven):
Object, 3DSystems, Stratasys, Huashu Hi-Tech, enz.
Doorbraak:
Het verandert de stijve en breekbare kenmerken van traditioneel glas en realiseert de revolutionaire innovatie van glasflexibiliteit.
Ontwikkelingstrend:
De vooruitzichten zijn enorm op het gebied van toekomstige flexibele schermen en opvouwbare apparaten.
Belangrijkste onderzoeksinstituten (bedrijven):
Corning, Duitsland SCHOTT, enz.
Doorbraak:
De zelfassemblage van materiaalmoleculen zal de "intelligentie" van het materiaal zelf realiseren.
Het veranderen van de vorige methode van materiaalvoorbereiding om het materiaal spontaan een bepaalde vorm en structuur te laten aannemen.
Ontwikkelingstrend:
Het veranderen van traditionele methodes voor het prepareren en repareren van materialen heeft grote vooruitzichten op het gebied van moleculaire apparaten, oppervlaktetechniek en nanotechnologie.
Belangrijkste onderzoeksinstituten (bedrijven):
Harvard University, enz.
Doorbraak:
Kunststoffen kunnen op natuurlijke wijze worden afgebroken en de grondstoffen komen uit hernieuwbare bronnen, waardoor de afhankelijkheid van traditionele kunststoffen van fossiele bronnen zoals olie, aardgas en kolen verandert en ook de milieuvervuiling afneemt.
Ontwikkelingstrend:
Het zal in de toekomst traditionele kunststoffen vervangen en heeft grote vooruitzichten.
Belangrijkste onderzoeksinstituten (bedrijven):
Natureworks, Basf, Kaneka, enz.
Doorbraak:
Dit soort materialen heeft een hoge sterkte, een lage dichtheid en een uitstekende weerstand tegen corrosie.
En hebben ook onbeperkte vooruitzichten in de luchtvaart en de civiele sector.
Ontwikkelingstrend:
In de toekomst zullen de materialen een breed scala aan potentiële toepassingen hebben op het gebied van licht gewicht, hoge sterkte en corrosiebestendigheid.
Belangrijkste onderzoeksinstituten (bedrijven):
Harbin Instituut voor Technologie.
Doorbraak:
Het heeft fysische eigenschappen die conventionele materialen niet hebben, zoals negatieve permeabiliteit en negatieve permittiviteit.
Ontwikkelingstrend:
Het heeft het traditionele concept van verwerking volgens de aard van het materiaal veranderd.
In de toekomst kunnen de eigenschappen van materialen worden ontworpen op basis van de behoeften en het potentieel zal oneindig en revolutionair zijn.
Belangrijkste onderzoeksinstituten (bedrijven):
Boeing, Kymeta, Shenzhen Guangqi Research Institute, enz.
Doorbraak:
In de supergeleidende toestand heeft het materiaal geen weerstand, geen stroomverlies en vertoont het anti-magnetische eigenschappen in een magnetisch veld.
Ontwikkelingstrend:
Als de hogetemperatuur-supergeleidingstechnologie in de toekomst is doorgebroken, zal deze naar verwachting de problemen oplossen van krachtoverbrenging verlies, verwarming van elektronische apparaten en nieuwe groene transmissie magnetische ophangingstechnologie.
Belangrijkste onderzoeksinstituten (bedrijven):
Sumitomo Japan, Bruker Duitsland, Chinese Academie van Wetenschappen, enz.
Doorbraak:
Na het voorvormen wordt het, nadat het door externe omstandigheden is gedwongen te vervormen, onder bepaalde omstandigheden verwerkt en teruggebracht naar zijn oorspronkelijke vorm om het ontwerp en de toepassing van de omkeerbare vervorming van het materiaal te realiseren.
Ontwikkelingstrend:
Het heeft een groot potentieel in de ruimtevaarttechnologie, medische apparatuur, mechanische en elektronische apparatuur en andere gebieden.
Belangrijkste onderzoeksinstituten (bedrijven):
Youyan Nieuwe materialen, enz.
Doorbraak:
Onder invloed van het magnetische veld kan het rek of compressieprestaties produceren en de interactie tussen materiaalvervorming en magnetisch veld realiseren.
Ontwikkelingstrend:
Het wordt op grote schaal gebruikt in intelligente structurele apparaten, schokabsorptieapparaten, energieomzettingsstructuren, hoge precisie motoren en andere gebieden, en heeft betere prestaties dan piëzo-elektrische keramiek onder sommige omstandigheden.
Belangrijkste onderzoeksinstituten (bedrijven):
ETREMA, American, British Rare Earth Products Company, Japan Sumitomo Light Metal Company, enz.
Doorbraak:
Vloeistoftoestand, een combinatie van de magnetische eigenschappen van vaste magnetische materialen en de vloeibaarheid van vloeistoffen.
Het heeft eigenschappen en toepassingen die traditionele magnetische bulkmaterialen niet hebben.
Ontwikkelingstrend:
Het wordt gebruikt op het gebied van magnetische afdichting, magnetische koeling, magnetische warmtepomp, enz. en verandert de traditionele verzegelde koeling en andere methoden.
Belangrijkste onderzoeksinstituten (bedrijven):
Amerikaanse ATA Applied Technology Corporation, Japanse Panasonic, enz.
Doorbraak:
Het kan veranderingen in de omgeving waarnemen en erop reageren, en heeft vergelijkbare biologische responskenmerken.
Ontwikkelingstrend:
De expansie-contractiecyclus van slimme polymeergel kan worden gebruikt voor chemische kleppen, adsorptiescheiding, sensoren en geheugenmaterialen.
De kracht die de cyclus levert, wordt gebruikt om de "chemische motor" te ontwerpen.
De controleerbaarheid van het gaas is geschikt voor intelligente systemen voor de afgifte van medicijnen enz.
Belangrijkste onderzoeksinstituten (bedrijven):
Amerikaanse en Japanse universiteiten.
Inleiding:
De holografische film is een baanbrekende toepassing van hologramtechnologie. Het is een gepatenteerde projectiefilm die het voor het eerst internationaal mogelijk maakt om beelden zowel van voren als van achteren te bekijken, in meerdere hoeken waaronder 360 graden, ongeacht de lichtomstandigheden.
De holografische film biedt dynamische weergaven vanuit de lucht met kristalheldere beelden, terwijl kijkers door de film heen naar de achtergrond kunnen kijken. Het kan worden gekoppeld aan interactieve software om driedimensionale interactieve beelden te creëren, waardoor het publiek wordt ondergedompeld in een fascinerende ruimtelijke ervaring.
Met ongeëvenaarde voordelen zoals een hoge definitie, weerstand tegen fel licht, ultradunheid en anti-verouderingseigenschappen is het klaar om een van de meest veelbelovende materialen van de toekomst te worden.
Toekomstige trends:
De holografische film biedt talloze ongeëvenaarde voordelen, omdat hij dynamische displays vanuit de lucht en heldere beelden kan bieden, terwijl het publiek door de achtergrond kan kijken en kan interageren met driedimensionale beelden. Het staat in de voorhoede van materiaalinnovatie en is voorbestemd om meer wetenschappelijk onderzoek aan te trekken.
Voorspellingen voor toekomstige trends in de ontwikkeling van holografische film omvatten twee belangrijke aspecten:
Ten eerste, nano-optische componenten op moleculair niveau, gecentreerd rond het Holografisch Kleurenfilter Kristal (HCFC) en de integratie van nanotechnologie met een multidisciplinaire aanpak die materiaalkunde, optica en polymeerwetenschap combineert.
Ten tweede zal de film voorzien zijn van geavanceerde optische precisiestructuren in het lichtgewicht ontwerp, waardoor superieure beelden met hoge definitie en hoge helderheid worden gegarandeerd.
De uitzonderlijke helderheid van het materiaal en het minimalistische, elegante ontwerp dragen bij aan het gebruik ervan in elektronische apparaten en optische films. De ontwikkeling van holografische filmtechnologie is een aandachtspunt voor veel landen en zonder overdrijven ligt hierin de toekomst besloten. Welke natie deze technologie het eerst beheerst en gebruikt, zal de weg wijzen naar het geavanceerde technologische tijdperk.
Inleiding:
Metallische waterstof is een geleidende toestand van vloeibare of vaste waterstof die gevormd wordt onder drukken van miljoenen atmosferen. De elektrische geleidbaarheid is vergelijkbaar met die van metalen, vandaar de naam metaalwaterstof. Als een materiaal met hoge dichtheid en hoge energieopslag werd eerder voorspeld dat metallische waterstof een supergeleider bij kamertemperatuur zou zijn.
Het bevat een enorme hoeveelheid energie, 30-40 keer meer dan die van conventionele TNT-explosieven. Op 26 januari 2017 meldde het tijdschrift Science dat het laboratorium van de Universiteit van Harvard met succes metallische waterstof had gemaakt. Maar op 22 februari 2017 verdween 's werelds enige monster van metallische waterstof door een fout bij de verwerking.
Theoretisch is het verkrijgen van metallische waterstof onder extreem hoge druk zeker mogelijk, maar er is verder onderzoek nodig voor wetenschappers om monsters te verkrijgen. De meeste bekende supergeleiders moeten gekoeld worden met vloeibaar helium (-269°C) of vloeibare stikstof (-196°C), wat de ontwikkeling van supergeleidende technologie beperkt.
In tegenstelling tot scheikundigen noemen astronomen alle elementen behalve waterstof en helium metalen. Onder omstandigheden van hoge temperatuur en hoge druk kan gasvormig waterstof ook geleidend metaalwaterstof worden.
De buitenste laag van Jupiter bestaat bijvoorbeeld uit 1000 kilometer gasvormige moleculaire waterstof, daaronder ligt een laag van 24.000 kilometer vloeibare moleculaire waterstof, gevolgd door een laag van 45.000 kilometer vloeibare metaalwaterstof.
In 1936 berekende de Amerikaanse wetenschapper Wigner voor het eerst de druk waarbij waterstof overgaat in een metaal, waarbij hij suggereerde dat de kritische druk voor deze transformatie varieerde van één tot tien miljoen atmosfeer.
Toekomstige ontwikkelingstrends:
De supergeleidende kritieke temperatuur van metallisch waterstof, de maximumtemperatuur waarbij het supergeleiding vertoont, ligt tussen -223°C en -73°C. Het zou mogelijk gebruikt kunnen worden bij temperaturen rond die van vast kooldioxide (-78,45°C), wat de supergeleidende technologie aanzienlijk zou bevorderen.
Omdat metallische waterstof een materiaal met een hoge dichtheid is, zou het gebruik ervan als brandstof de grootte en het gewicht van raketten enorm verminderen, wat zou leiden tot een monumentale sprong in de verkenning van de ruimte. De komst van metallische waterstof, vergelijkbaar met de geboorte van de stoommachine, zal een revolutionair tijdperk inluiden op het gebied van wetenschap en technologie.
Metallische waterstof bestaat in een metastabiele toestand en zou kunnen worden gebruikt om "magnetische kooien" te maken om plasma op te sluiten, waardoor het verzengende geïoniseerde gas wordt tegengehouden. Gecontroleerde kernfusiereacties zouden vervolgens kernenergie omzetten in elektrische energie, wat een goedkope en schone energiebron zou opleveren. Deze energie zou de bouw van "fabrieken die de zon nabootsen" op aarde mogelijk maken en uiteindelijk de energiecrisis van de mensheid oplossen.
Overzicht: Een supersolide is eigenlijk verwant aan een supervloeistof en duidt op een vaste stof die supervloeieigenschappen bezit, waarbij in wezen de eigenschappen van "supervloeistof + vaste stof" worden gecombineerd. Eenvoudig gezegd behoudt een supervaste stof niet alleen de geordende atomaire rangschikking die kenmerkend is voor een kristallijne toestand, maar stroomt het ook zonder wrijving, zoals een supervloeistof.
Bij extreem lage temperaturen kunnen de vacatures in de kristalstructuur van een supervaste stof zich clusteren en vrij door het materiaal stromen. Als een vast voorwerp wordt geplaatst binnen de vacatures aan één kant van de supervaste stof, doorkruist het de supervaste stof met deze vacatures en beweegt het net zo vrij alsof het door muren gaat.
Toekomstige trends: Deze nieuwe toestand van materie kan alleen bestaan onder omstandigheden van extreme kou en ultrahoog vacuüm, wat aangeeft dat we deze voorlopig nog niet op grote schaal kunnen toepassen. Een beter begrip van deze schijnbaar paradoxale materietoestand zou echter ons begrip van de eigenschappen van superfluïda en supergeleiders kunnen verbeteren, waardoor industrieën zoals supergeleidende magneten, supergeleidende sensoren en energieoverdracht aanzienlijk vooruit kunnen gaan.
In de toekomst zullen vacatures in een supervaste stof coherente entiteiten worden die ongehinderd kunnen bewegen binnen de resterende vaste stof, vergelijkbaar met een supervloeistof. Het Bose-Einstein condensaat is een bijzondere toestand van materie die optreedt bij ultrakoude temperaturen, waar de kwantumeigenschappen van atomen extreem uitgesproken worden en significant golfachtig gedrag vertonen.
Overzicht:
De houtspons, gemaakt door hout chemisch te behandelen om hemicellulose en lignine te verwijderen, blinkt uit in het absorberen van oliën uit water. Hij kan tot 16-46 keer zijn eigen gewicht aan olie opnemen en kan tot 10 keer hergebruikt worden. Deze innovatieve spons overtreft alle andere sponzen en absorptiemiddelen die momenteel in gebruik zijn op het gebied van capaciteit, kwaliteit en herbruikbaarheid.
Toekomstige ontwikkeling:
Olielekkages en chemische lozingen hebben wereldwijd een ongekende ravage aangericht in waterlichamen. Als milieuvriendelijke oplossing voor het schoonmaken van de oceanen biedt de houtspons een effectieve manier om dit probleem aan te pakken.
Overzicht:
Tijdskristallen, ook wel ruimte-tijd kristallen genoemd, zijn vierdimensionale kristallen die periodieke structuren vertonen in zowel ruimte als tijd. Meestal komen we drie fundamentele toestanden van materie tegen: vast, vloeibaar en gas.
Maar naarmate de wetenschap zich heeft ontwikkeld, is het concept van materietoestanden uitgebreid met plasma, Bose-Einstein condensaten, superkritische vloeistoffen en meer. Tijdkristallen vertegenwoordigen een nieuwe toestand van materie en een fase zonder evenwicht die de temporele translatiesymmetrie doorbreekt.
Het concept van tijdskristallen werd voor het eerst voorgesteld door Nobelprijswinnaar Frank Wilczek in 2012. We zijn bekend met driedimensionale kristallen, zoals ijs en diamant, geometrisch symmetrische structuren die ontstaan door de periodieke rangschikking van microscopische deeltjes in de ruimte.
Terwijl hij zijn studenten les gaf, vroeg Wilczek zich af of het concept van driedimensionale kristallen kon worden uitgebreid naar het vierdimensionale rijk van de ruimte-tijd, waardoor materie periodieke ordeningen in de tijd kan vertonen.
Dat wil zeggen dat tijdkristallen op verschillende tijden van toestand veranderen en dat deze veranderingen cyclisch zijn. Een tijdskristal kan bijvoorbeeld de ene seconde suiker zijn, de volgende seconde bruine suiker en de derde seconde weer suiker.
Toekomstige trends:
In september 2021 kregen vier theoretische wetenschappers - Norman Yao, Vedika Khemani, Dominic Else en Masaki Watanabe - gezamenlijk de "Doorbraakprijs voor Fundamentele Natuurkunde", wat een bredere erkenning betekent voor het nieuwe gebied van discrete tijdskristallen.
Eind 2021 werd het discrete tijdskristal-experiment dat werd uitgevoerd door het quantumcomputingteam van Google uitgeroepen tot een van de beste natuurkundige doorbraken van het jaar door de American Physical Society (APS) Physics en het Institute of Physics (IOP) Physics World.
Onderzoek naar discrete tijdskristallen heeft een revolutie teweeggebracht in ons begrip van periodiek aangedreven systemen, lokalisatie van vele lichamen, prethermisatie en kwantumthermisatieprocessen. Het heeft ook een groot aantal onderzoekers uit verschillende vakgebieden aangemoedigd om zich in dit gebied te verdiepen.
De evolutie van discrete tijdskristallen laat zien dat wetenschappelijke exploratie vaak een uitdaging is, waarbij weerleggingen en rigoureuze academische debatten nodig zijn. Op het gebied van wetenschappelijke ontdekkingen zijn inzichtelijke fouten waardevoller dan middelmatige waarheden, omdat ze nieuwe ideeën kunnen herbergen.
Tijdskristallen hebben geprofiteerd van de snelle vooruitgang in kwantumcomputertechnologie, waardoor ze zich snel hebben kunnen ontwikkelen in plaats van onbekend te blijven.
Inleiding:
Het Canadese biotechnologiebedrijf Hyperstealth Biotechnology heeft een geavanceerd materiaal ontwikkeld dat bekend staat als "Quantum Stealth" (onzichtbare stof). Deze stof, ook wel "Quantum Stealth-camouflage" genoemd, bereikt onzichtbaarheid door lichtgolven te buigen.
Toekomstige trends:
Dit materiaal kan worden gebruikt om onzichtbaarheidsmantels te maken, waardoor soldaten op het slagveld zeer uitdagende missies kunnen uitvoeren door zich te verbergen. De CEO van het bedrijf, Guy Cramer, verklaarde: "Het 'Quantum Stealth' materiaal kan niet alleen speciale troepen helpen bij het uitvoeren van invallen bij daglicht, maar kan ook de ontsnapping van een soldaat vergemakkelijken wanneer ze op onverwacht gevaar stuiten.
Bovendien houdt dit materiaal de belofte in van toepassing in de volgende generatie stealth vliegtuigen, onderzeeërs en tanks, waardoor ze echte onzichtbaarheid kunnen bereiken en troepen ongezien de vijand kunnen aanvallen."
Overzicht: Dit materiaal, samengesteld uit polymeren en water, is geleidend en blijft voortdurend vochtig.
Toekomstperspectief: In de toekomst heeft dit materiaal het potentieel om gebruikt te worden in de creatie van kunstmatige huid en flexibele robots met biomimetische capaciteiten.
Inleiding:
Dichalcogeniden van overgangsmetalen (TMDC's) hebben een eenvoudige tweedimensionale structuur en zijn superinnovatieve materialen die vergelijkbaar zijn met grafeen. Ze zijn typisch samengesteld uit een overgangsmetaalelement M (zoals molybdeen, wolfraam, niobium, rhenium, titanium, enz.) en een chalcogeenelement X (zoals zwavel, selenium, tellurium, enz.).
Door hun relatief lage kosten en het gemak waarmee ze gemaakt kunnen worden tot zeer dunne en stabiele lagen, samen met hun halfgeleidende eigenschappen, zijn TMDC's ideale materialen geworden voor opto-elektronica.
Toekomstige ontwikkelingstrends:
Als elektronen en gaten in TMDC's worden geïnjecteerd, zullen ze recombineren als ze elkaar tegenkomen en vervolgens fotonen uitzenden. Dit vermogen tot fotonisch-elektronische conversie is veelbelovend voor TMDC's op het gebied van optische informatieoverdracht, waar ze zouden kunnen dienen als miniatuurlichtbronnen met laag vermogen of lasers.
TMDC's kunnen ook worden gecombineerd met verschillende tweedimensionale materialen om heterojuncties te maken met minimale roosterafwijkingen. Dergelijke heterojunctie fotonische apparaten zullen naar verwachting superieure prestaties over een breder spectraal bereik laten zien.
Overzicht:
Cryogeen kokende materialen zijn stoffen die zich tegengesteld gedragen aan thermisch kokende materialen, waarbij ze bij afnemende temperatuur overgaan van vast naar vloeibaar naar gas. Deze materialen blijven vast bij hoge en omgevingstemperaturen, waarbij hun sterkte toeneemt naarmate de temperatuur stijgt. Ze zijn bestand tegen temperaturen van meer dan 10.000 graden Celsius.
Ze worden vloeibaar bij -121°C en veranderen in gas bij -270°C. Cryogeen kokende materialen worden beschouwd als supermaterialen. Vergeleken met de meest geavanceerde hogetemperatuurbestendige en supergeleidende materialen die momenteel worden ontwikkeld, vertonen ze een superieure hogetemperatuurbestendigheid en supergeleiding.
Wanneer gedoteerd met inerte thermisch kokende materialen, kan de sterkte bij lage temperatuur en ultralage temperatuur van cryogeen kokende materialen worden verbeterd, waardoor uitzonderlijke sterkte wordt verkregen over een breder temperatuurbereik.
Cryogene metaalmaterialen vertonen supergeleidende eigenschappen bij kamertemperatuur, waardoor er geen dure omgevingen met lage temperaturen nodig zijn. Daarom hebben ze een enorm potentieel voor onderzoek en praktische toepassingen.
Toekomstige ontwikkelingstrends:
Industrieanalisten suggereren dat cryogeen kokende materialen op grote schaal gebruikt zouden kunnen worden in de ruimtevaart, supermachines en elektronische apparaten. In de lucht- en ruimtevaart zouden deze materialen bijvoorbeeld gebruikt kunnen worden om superieure motoren en omhulsels van ruimtevaartuigen te maken.
Ze zijn ideaal voor ruimtevaartuigen die reizen met de derde kosmische snelheid of hoger, waar onderdelen een ultrahoge hardheid moeten behouden onder extreme temperaturen die ontstaan door reizen met hoge snelheid, en nog steeds effectief moeten functioneren in de koude en ultrakoude omstandigheden van de ruimte.
Cryogene kokende materialen zouden een technologische revolutie teweeg kunnen brengen in de lucht- en ruimtevaartindustrie. De synthese of extractie van deze materialen uit de maan brengt echter aanzienlijke uitdagingen met zich mee en er is nog een lange weg te gaan voordat deze materialen kunnen worden toegepast.
Inleiding:
Magnetorheologische vloeistoffen, ook bekend als magnetische vloeistoffen, ferrofluïda of kortweg magfluïda, vertegenwoordigen een innovatieve klasse functionele materialen die de vloeibaarheid van vloeistoffen combineren met de magnetische eigenschappen van vaste magneten. Deze stabiele colloïdale vloeistoffen zijn samengesteld uit magnetische vaste deeltjes op nanometerschaal, dragervloeistoffen en oppervlakteactieve stoffen en vertonen in rust geen magnetische aantrekkingskracht.
Ze vertonen echter magnetische eigenschappen wanneer ze worden blootgesteld aan een extern magnetisch veld. Dergelijke unieke eigenschappen hebben geleid tot hun brede toepassing en aanzienlijke academische waarde.
Magnetorheologische vloeistoffen geproduceerd uit nanometaal- en legeringspoeders laten superieure prestaties zien en worden op grote schaal gebruikt in veeleisende omgevingen voor magnetische vloeistofafdichtingen, dempingssystemen, medische apparatuur, geluidsmodulatie, optische displays en magnetorheologische scheidingsprocessen.
Toekomstige trends:
De afgelopen jaren zijn er talloze wetenschappelijke doorbraken geweest in de toepassing van magnetorheologische materialen in nieuwe sectoren zoals ruimtevaart, defensie, gezondheidszorg en transport. Naarmate de technologie voortschrijdt, breiden deze toepassingen zich uit en neemt de vraag naar gerelateerde wetenschappelijke en technische expertise gestaag toe.
Magnetorheologische vloeistoffen worden erkend als een van de materialen met het grootste potentieel voor toekomstige ontwikkeling en hebben internationaal de aandacht getrokken.
Hoewel China het magnetorheologisch onderzoek later heeft opgestart dan andere landen, wint het snel aan kracht. Nu het monopolie van ontwikkelde landen zoals het Verenigd Koninkrijk en de Verenigde Staten op geavanceerde toepassingstechnologieën geleidelijk afneemt, wordt verwacht dat de concurrentie op het gebied van magnetorheologisch materiaalonderzoek de komende jaren zal toenemen.
Inleiding:
Dit bekledingsmateriaal is een glasachtige legering op ijzerbasis die speciaal is ontworpen voor industriële boren en boorgereedschappen en biedt een verhoogde weerstand tegen breuk onder zware belasting. Het is aanzienlijk kosteneffectiever dan conventionele materialen zoals harde legeringen van wolfraamcarbide en kobalt en verbetert ook de tunnelefficiëntie dankzij de langere levensduur.
Toekomstige trends:
Dit materiaal heeft in de toekomst potentiële toepassingen in industrieën zoals de productie en de bouw.
Overzicht:
Perovskiet nanodots, bekend om hun kolossale magnetoresistentie, hoge ionische geleidbaarheid, elektrokatalytische eigenschappen en redoxactiviteit, bieden een enorm potentieel voor toepassingen in lichtabsorptie, opslag, katalyse en detectie.
Perovskieten zijn kristallijne structurele materialen en vertegenwoordigen een nieuwe klasse functionele materialen. Momenteel vormen hun stabiliteitsproblemen een belangrijke belemmering voor ontwikkeling. Er wordt echter steeds meer onderzoek gedaan naar nieuwe perovskietstructuren, waarbij perovskiet nanodots veel aandacht krijgen.
Toekomstige trends:
Volgens het "China Perovskite Nanodot Market Development Status and Industry Outlook Forecast Research Report" van het marktonderzoeksnetwerk in Australië integreert een team van de Queensland University of Technology (QUT) perovskiet nanodots, gemaakt van menselijk haar, in zonnecellen.
Deze nanodots vormen een beschermende laag op het oppervlak van het perovskiet, beschermen het materiaal tegen verschillende externe factoren, verbeteren de stabiliteit en verhogen de fotovoltaïsche omzettingsefficiëntie. Dit kan ook de productiekosten verlagen.
Dergelijke vorderingen zijn cruciaal voor de grootschalige ontwikkeling van perovskietzonnecellen, wat duidt op een veelbelovende toekomst voor perovskiet nanodots.
Inleiding:
Metalen met micro-roosters zijn opgebouwd uit minuscule holle buisjes die onderling verbonden zijn om een structuur te vormen, met een diameter van elk buisje van ongeveer 100 micrometer en een wanddikte van slechts 100 nanometer. Door de holle aard bestaat de binnenkant van het metaal uit 99,99% lucht.
Dit metaal bestaat voornamelijk uit lichtgewicht lucht, waardoor het op een paardenbloem kan rusten of als een veertje van een hoogte naar de grond zweeft. Velen zullen zich afvragen hoe sterk zo'n licht metaal is en denken dat het extreem breekbaar is. Dit is echter niet het geval. Metalen met microroosters zijn uitzonderlijk sterk en hebben een hoge druksterkte.
Toekomstige ontwikkelingstrends:
Als batterijelektroden en katalysatordragers zullen microroostermetalen een revolutie teweegbrengen in de toekomst van de productie van lucht- en ruimtevaartuigen. Ze beloven de massa van NASA's ruimteverkenningsvoertuigen met 40% te verminderen, wat cruciaal is voor toekomstige missies naar Mars en verder.
Overzicht:
Staneen, ook bekend als een enkele laag tinatomen, heeft een tweedimensionale honingraatstructuur die lijkt op grafeen, waardoor het een nieuw kwantummateriaal is. De kristalstructuur is gebaseerd op diamantachtig alfa-tin en vanwege de niet-gelaagde configuratie kan het niet worden geproduceerd door mechanische exfoliatie, wat resulteert in extreem hoge technologische productiedrempels.
Vergeleken met andere tweedimensionale materialen zoals grafeen, siliceen en germaneen, heeft staneen langere bindingen en een superieure elektrische geleiding, en staat het op het punt om 's werelds eerste supermateriaal te worden dat een elektrische geleiding van 100,0% bij kamertemperatuur kan bereiken.
Toekomstige trends:
Industrieanalisten geven aan dat staneen, als opkomend tweedimensionaal materiaal, een breed toepassingsgebied heeft. Met voortdurende innovatie en doorbraken in onderzoek en ontwikkelingstechnologie zal het aantal toepassingen van stanene naar verwachting toenemen en zal de industrie waarschijnlijk een commerciële ontwikkeling doormaken.
De technische barrières in de staneenindustrie zijn hoog en de afgelopen jaren hebben talrijke Chinese onderzoeksteams aanzienlijke vooruitgang geboekt in het onderzoek naar staneenmaterialen, wat een positieve invloed heeft gehad op de groei van de industrie.
Overzicht:
Moleculaire superlijm is een kleefstof die in 2013 werd ontdekt door Mark Howarth en zijn onderzoeksteam van de afdeling Biochemie van de Universiteit van Oxford, afgeleid van eiwitten die vrijkomen uit de bacterie Streptococcus pyogenes tijdens celinvasie.
De lijm is geïnspireerd op de eiwitten die worden uitgestoten door Streptococcus pyogenes en bestaat uit twee eiwitcomponenten die zich kunnen scheiden, maar zich bij contact weer binden als lijm. Deze lijm, die bekend staat als moleculaire superlijm, heeft een hoge hechtsterkte, een uitstekende tolerantie voor extreme temperaturen en is bestand tegen zure en andere ruwe omgevingen.
Toekomstperspectieven:
Vooruitkijkend heeft dit materiaal potentiële toepassingen in de kankerdiagnostiek; moleculaire superlijm kan zich hechten aan metalen, kunststoffen en verschillende andere stoffen, waardoor het veelvoorkomende probleem van slechte hechting tussen conventionele coatings en metalen wordt opgelost.
Inleiding:
Metamaterialen, een term die opkwam in de 21e eeuw, verwijzen naar speciale samengestelde materialen of structuren die buitengewone fysische eigenschappen bezitten die niet voorkomen in conventionele materialen. Dit wordt bereikt door een geordend structureel ontwerp van de belangrijkste fysieke dimensies.
Metamaterialen hebben raakvlakken met tal van disciplines, zoals natuurkunde, scheikunde, opto-elektronica, materiaalwetenschap, halfgeleiderwetenschap en de productie van apparatuur, waardoor ze in de voorhoede van wereldwijd onderzoek met strategisch belang worden geplaatst.
Het prestigieuze tijdschrift Science noemde metamaterialen als een van de tien belangrijkste wetenschappelijke ontwikkelingen in het eerste decennium van deze eeuw, terwijl het tijdschrift Materials Today ze ook noemde als een van de tien belangrijkste doorbraken in de materiaalkunde van de afgelopen vijftig jaar.
Toekomstige trends:
Metamaterialen staan op het punt om een nieuw materiaal met grenzeloos potentieel te worden. Ze zijn echter nog ver verwijderd van echte industrialisatie op grote schaal en er moeten nog veel uitdagingen worden overwonnen. Deze uitdagingen zullen richting geven aan het mainstream onderzoek in metamaterialen, en mogelijk leiden tot verdere technologische doorbraken en successen op dit gebied.
Overzicht:
Quantum is een essentieel concept in de moderne natuurkunde en vertegenwoordigt de kleinste fundamentele eenheid van materie en energie. Kwantummetaal is een metaal dat bestaat uit de kleinste deeltjeseenheden en is een uniek tweedimensionaal materiaal. Het bezit de eigenschappen van gewone metalen, maar ook isolerende en supergeleidende eigenschappen.
Onder matige magnetische velden gedraagt het zich als een kwantummetaal, onder sterke magnetische velden gaat het over in een isolator en onder -272°C wordt het een supergeleider. Dit toont het potentieel aan voor onderzoek naar de tweedimensionale toestanden van kwantummetalen.
Toekomstige trends:
Analisten uit de industrie geven aan dat supergeleiding een belangrijke richting is voor onderzoek naar kwantummetalen. Supergeleiders, die onder hun kritische temperatuur een elektrische weerstand van nul vertonen, kunnen elektriciteit zonder verlies overbrengen en hebben brede toepassingen in de elektronica, telecommunicatie, energie, transport, medische en nucleaire industrie, ruimtevaart en nog veel meer.
In 2021 werd de wereldwijde supergeleidermarkt gewaardeerd op ongeveer $7,6 miljard en blijft deze een groeitrend vertonen. Supergeleiders kunnen worden onderverdeeld in supergeleiders met een lage temperatuur en supergeleiders met een hoge temperatuur, waarbij de eerstgenoemde een dominante positie en een sterk ontwikkelingsmomentum hebben. Kwantummetaal, een type supergeleider met een lage temperatuur, heeft een aanzienlijke waarde in onderzoek en toepassing.
Inleiding:
Boorgrafeen, een tweedimensionaal materiaal, is een enkellaagse vlakke atomaire structuur die lijkt op grafeen en bestaat uit het element boor. Deze dunne film is slechts één atoom dik.
Van kunstmatig gesynthetiseerd boorgrafeen wordt voorspeld dat het verschillende structuren zal hebben, unieke eigenschappen zal bezitten en veel metallische eigenschappen zal vertonen, met name uitzonderlijke elektronische eigenschappen. Het vertegenwoordigt een nieuwe klasse van tweedimensionale materialen.
Toekomstige trends:
Analisten uit de industrie suggereren dat er veel belangstelling is voor het onderzoek naar en de toepassing van nieuwe materialen op de wereldmarkt om de technologische vooruitgang in de industrie te stimuleren.
Overheden en kapitaal investeren steeds meer in onderzoek naar nieuwe materialen en nieuwe materialen met hoge prestaties worden in versneld tempo ontwikkeld en gecommercialiseerd. Als nieuw tweedimensionaal materiaal heeft boorgrafeen uitstekende elektronische eigenschappen en een enorm groeipotentieel in industrieën zoals elektronica en energie.
Op korte termijn heeft de toepassingsmarkt zich nog niet gevormd omdat het zich nog in de onderzoeksfase bevindt. Op lange termijn heeft het echter, in vergelijking met grafeen, een aanzienlijk marktpotentieel.
Overzicht:
Door de microstructuur van cementdeeltjes te beheren, programmeert programmeerbaar cement deze deeltjes om gespecialiseerd beton te vormen met een hoge dichtheid en lage porositeit. Dit verbetert de sterkte, waterdichtheid en corrosiebestendigheid van het beton.
Programmeerbaar cement is een high-tech, innovatief type cement. Het levert niet alleen betere algemene prestaties, maar vermindert ook aanzienlijk de milieuschade tijdens de productie en toepassing.
Toekomstige ontwikkelingstrends:
Industrieanalisten geven aan dat China momenteel minder betrokken is bij onderzoek naar programmeerbaar cement dan de Verenigde Staten. Maar omdat het land wil veranderen van een productiereus in een productiekrachtcentrale en doelstellingen op het gebied van koolstofneutraliteit en duurzame ontwikkeling wil bereiken, stimuleert de Chinese regering actief onderzoek naar hoogwaardige, milieuvriendelijke nieuwe materialen.
In de toekomst zullen de investeringen in onderzoek naar nieuwe bouwmaterialen in China naar verwachting gestaag toenemen en de resultaten op het gebied van programmeerbaar cementonderzoek zullen waarschijnlijk toenemen.
Overzicht:
Ultradun platina is een nieuwe methode voor het snel en goedkoop afzetten van platina dunne films, waardoor de hoeveelheid metaal die nodig is voor brandstofcelkatalysatoren aanzienlijk wordt verminderd en de kosten sterk worden verlaagd.
Toekomstperspectief:
Dit materiaal kan in de toekomst worden gebruikt op gebieden zoals waterstofbrandstofcellen.
Overzicht:
Platinalegeringen bestaan uit platina gemengd met andere metalen zoals palladium, rhodium, yttrium, ruthenium, kobalt, osmium en koper. Als functionele materialen worden ze gebruikt bij temperatuurmetingen, als katalysatoren, voor elektrische contacten, elektrodematerialen, elastische materialen en magneto-hydrodynamische materialen.
Platina legeringen voor temperatuurmetingen vertonen een hoge thermo-elektrische stabiliteit en precisie bij hoge temperaturen, voornamelijk platina-rhodium, platina-molybdeen en platina-kobalt systemen. Platina-rhodiumlegeringen hebben een uitstekende oxidatieweerstand en chemische stabiliteit bij hoge temperaturen.
Thermokoppels van platina-molybdeenlegeringen worden gebruikt voor hoge temperatuurmetingen in vacuüm- of inerte atmosferen en nucleaire velden. Platina-kobaltlegeringen, gebruikt in weerstandsthermometers, presteren zeer nauwkeurig en gevoelig boven 20K.
Katalysatoren van platinalegeringen zijn het enige materiaal dat wordt gebruikt in het ammoniakoxidatieproces voor de productie van salpeterzuur en bestaan voornamelijk uit platina-rhodium of platina-rhodium-palladium legeringsrasters.
Toekomstige trends:
Platinalegeringen hebben een breed scala aan toepassingen in rekmaterialen voor hoge temperaturen, materialen voor het wikkelen van precisiepotentiometers, medische materialen, juwelen en valuta, met een aanzienlijk potentieel voor toekomstige ontwikkeling.
Overzicht:
Zelfherstellende materialen zijn, zoals de naam al aangeeft, in staat om schade automatisch te herstellen zonder dat er noemenswaardig ingrijpen nodig is. Deze eigenschap verlengt niet alleen de levensduur van de voorwerpen, maar garandeert ook hun veiligheid en integriteit terwijl de onderhoudskosten worden verlaagd.
Het onderzoek naar zelfhelende materialen begon in de jaren 1990 op het gebied van architectonisch beton. Maar pas in 2001 werd er significante vooruitgang geboekt toen de wereldberoemde elektrochemicus, de Amerikaan Scott White, en zijn team een artikel publiceerden in Nature. Ze ontwikkelden polymere zelfherstellende materialen door microcapsules gevuld met genezende stoffen in te bedden in een epoxyhars die een katalysator bevatte, wat internationaal veel aandacht trok.
Toekomstige trends:
Met de snelle vooruitgang van de zelfherstellende technologie is een verscheidenheid aan zelfherstellende materialen klaar om bredere toepassingen te vinden in industrieën zoals de bouw, auto-industrie, lucht- en ruimtevaart, luchtvaart en elektronica. Het gebruik ervan is van groot belang voor het behoud van hulpbronnen en het bereiken van duurzame ontwikkeling.
Overzicht:
Deze innovatieve coating kan de transparantie van glas zelf aanpassen. Bij temperaturen boven 67ºC verandert deze transparante coating in een reflecterend oppervlak met een spiegelachtige afwerking om zonlicht af te buigen.
Toekomstperspectieven:
Dit materiaal heeft potentiële toepassingen in de bouw, transport en andere sectoren.
Overzicht:
Biomimetische materialen worden ontwikkeld om verschillende kenmerken of eigenschappen van levende organismen na te bootsen. Kunstmatige materialen die zijn ontworpen en vervaardigd om de werkingswijzen van levende systemen en de structuurprincipes van biologische materialen na te bootsen, staan bekend als biomimetische materialen.
Biomimetische kunststoffen hebben niet alleen een sterkte die veel hoger is dan die van technische kunststoffen, maar vertonen ook een opmerkelijke taaiheid en weerstand tegen scheurgroei. Ze ondergaan minimale dimensionale veranderingen binnen een temperatuurbereik van -130°C tot 150°C en bij kamertemperatuur is hun thermische uitzettingscoëfficiënt slechts ongeveer een tiende van die van conventionele kunststoffen.
Toekomstige trends:
Naarmate de verstedelijking in ons land versnelt, komen kwesties rond sociale stabiliteit en stedelijke veiligheid steeds meer op de voorgrond. Biomimetische kunststoftechnologie is een belangrijke factor voor de ontwikkeling van infrastructuur. Met de verdere vooruitgang van de sociaaleconomische en informatietechnologie zal de toepassing van biomimetische kunststoffen in de toekomst dan ook een nieuwe trend worden.
Inleiding:
Fotonische kristallen zijn periodieke optische nanostructuren die de beweging van fotonen beïnvloeden op ongeveer dezelfde manier als ionische roosters elektronen beïnvloeden in vaste stoffen. Ze komen in de natuur voor als structurele kleurstoffen en dierreflectoren en zijn veelbelovend voor verschillende toepassingen in verschillende vormen. Als aantrekkelijke optische materialen worden fotonische kristallen gebruikt om de lichtstroom te controleren en te manipuleren.
Toekomstige trends:
Eendimensionale fotonische kristallen worden al op grote schaal gebruikt in dunne-film optica, met toepassingen variërend van antireflecterende en hoogreflecterende coatings op lenzen en spiegels tot kleurveranderende verf en inkt. Hogere fotonische kristallen zijn van groot belang voor zowel fundamenteel als toegepast onderzoek, waarbij tweedimensionale structuren commerciële toepassingen beginnen te vinden.
Commerciële producten met tweedimensionale periodieke fotonische kristallen zijn opgedoken in de vorm van fotonische kristalvezels, die structuren op micronschaal gebruiken om licht op te sluiten met eigenschappen die fundamenteel verschillen van die van conventionele vezels die worden gebruikt in niet-lineaire apparaten en voor het geleiden van ongebruikelijke golflengten.
Hoewel hun driedimensionale tegenhangers nog lang niet op de markt zijn, zouden ze extra functionaliteiten kunnen bieden, zoals de noodzakelijke optische niet-lineariteit voor de werking van optische transistors die worden gebruikt in optische computers, zodra bepaalde technische aspecten zoals maakbaarheid en grote moeilijkheden zijn overwonnen.
Overzicht:
Erosiebestendige keramische materialen vertegenwoordigen een veelbelovende vooruitgang in constructiematerialen voor hoge temperaturen. Met hun hoge smeltpunt dienen ze als superieure vuurvaste materialen voor toepassingen zoals ovens en buizen voor ovens op hoge temperatuur. Van deze keramische materialen zijn die welke gecategoriseerd zijn als structurele materialen voornamelijk samengesteld uit mechanische eigenschappen zoals sterkte, hardheid en taaiheid.
Hoewel metalen op grote schaal zijn gebruikt als constructiematerialen, maakt hun gevoeligheid voor corrosie en oxidatie bij hoge temperaturen hen ongeschikt voor dergelijke omstandigheden. De komst van structurele keramiek voor hoge temperaturen biedt een oplossing voor de tekortkomingen van zwakkere metalen. Deze keramieken zijn bestand tegen hoge temperaturen, oxidatie en zuur-base corrosie.
Toekomstige trends:
Erosiebestendige keramiek voor hoge temperaturen biedt isolatie, temperatuurbestendigheid, corrosiebestendigheid en robuuste mechanische eigenschappen. Keramische isolerende coatings voor hoge temperaturen worden erkend om hun milieuvriendelijkheid, efficiëntie en multifunctionaliteit en hebben een belangrijke plaats veroverd in de sector van gespecialiseerde coatings.
Overzicht:
Hydroceramics is een materiaal dat bestaat uit hydrogelbolletjes die tot 400 keer hun oorspronkelijke volume kunnen opzwellen wanneer ze in water worden ondergedompeld.
Toekomstige trends:
Door deze opmerkelijke eigenschap absorberen de bolvormige parels vloeistoffen die bij warm weer in de omringende lucht verdampen en zo voor verkoeling zorgen.
Overzicht:
Oneindig recyclebare kunststoffen zijn kunststoffen die oneindig gerecycled kunnen worden. Vergeleken met conventionele kunststoffen kunnen oneindig recyclebare kunststoffen opnieuw worden verwerkt, waardoor wordt voorkomen dat kunststof producten in het milieu terechtkomen. In tegenstelling tot biologisch afbreekbare kunststoffen breken oneindig recyclebare kunststoffen niet af in de natuur, maar kunnen ze worden hergebruikt, wat een aanzienlijke economische waarde oplevert.
Toekomstige ontwikkelingstrends:
Oneindig recyclebare kunststoffen hebben een breed marktperspectief binnen de context van strategieën voor duurzame ontwikkeling. Analisten uit de industrie geven aan dat gewone kunststoffen momenteel te maken hebben met verschillende problemen op het gebied van ecologische en economische waarde. Oneindig recyclebare kunststoffen kunnen deze problemen maximaal aanpakken en bestaande kunststoffen vervangen bij de productie van diverse producten.
Inleiding:
De belangrijkste materialen die gebruikt worden bij 4D printen zijn polymeren. In 2014 ontwikkelden wetenschappers een spanningsgevoelige polymeervezel die kan worden verwerkt tot jurken die zich automatisch aanpassen aan de vorm en bewegingen van het lichaam van de drager.
Toekomstige trends:
Slimme materialen vormen de kern van 4D-technologie. Omdat het onderzoek op dit gebied echter nog in de kinderschoenen staat, zijn er slechts een paar volwassen materialen die klaar zijn voor markttoepassing, waarbij polymeren de belangrijkste focus vormen. Dit biedt zowel kansen als uitdagingen. Een belangrijk gebied van huidig onderzoek is het onderzoeken van het potentieel van keramiek, metalen, biologische stoffen en composieten als printmaterialen.
Overzicht:
Wanneer dit delicate en gladde polymeer op de huid wordt aangebracht, kan het onmiddellijk verstevigen en liften, waardoor rimpels moeiteloos worden weggewerkt.
Toekomstperspectief:
Dit materiaal is veelbelovend voor de ontwikkeling van huidverzorgingsproducten en de behandeling van huidaandoeningen.
Hieronder vindt u antwoorden op een aantal veelgestelde vragen:
De nieuwste ontwikkelingen in de materiaalkunde zijn divers en strekken zich uit over verschillende gebieden, wat significante innovaties en toepassingen weerspiegelt. Geavanceerde composieten en slimme materialen staan op de voorgrond, met nieuwe composietmaterialen die eigenschappen als stijfheid en hoge dempingscapaciteit combineren, wat helpt om trillingen en geluid te verminderen. Slimme materialen, zoals vormgeheugenlegeringen, worden ontwikkeld voor adaptieve toepassingen, waaronder vliegtuigvleugels die kunnen reageren op veranderingen in de omgeving.
Biomaterialen en bio-elektronica maken ook een snelle ontwikkeling door. Bio-elektronische materialen verbeteren de interfaces tussen elektronische apparaten en het menselijk lichaam, zoals de brein-computer interface systemen die door Neuralink zijn ontwikkeld. Daarnaast verbeteren nieuwe biokoppelingen en 3D-printtechnieken de kwaliteit en efficiëntie van 3D-geprinte organen en structuren, wat cruciaal is voor medisch onderzoek en het testen van medicijnen.
In de energiesector worden solid-state batterijen met een hogere opslagcapaciteit en kosteneffectiviteit opgeschaald, wat het gebruik van hernieuwbare energiebronnen bevordert. Vooruitgang in de opslag van zonne-energie en de ontwikkeling van hoogwaardige, recyclebare materialen zijn ook opmerkelijk.
De 3D printtechnologie evolueert met technieken zoals "Speed-Modulated Ironing", waarmee oppervlaktetexturen en kleurovergangen met hoge resolutie kunnen worden gemaakt met één enkel materiaal, wat afval vermindert en de efficiëntie verhoogt. Oplosmiddelvrije 3D printmaterialen voor biologisch afbreekbare implantaten worden onderzocht voor medische toepassingen.
Zelfdetecterende en zelfhelende materialen maken vooruitgang, met innovaties die materialen in staat stellen om spanning en schade te detecteren via elektrische stroommetingen, wat ten goede komt aan vliegtuigen, robots en infrastructuur. Zelfhelende materialen worden ook ontwikkeld voor toepassingen in de gezondheidszorg, zoals elektronische huid en draagbare biosensoren.
Nanotechnologie en kwantummaterialen verleggen de grenzen van de materiaalkunde. Ontwikkelingen zijn onder andere MXene nanomaterialen voor draadloos opladen in textiel en kwantumwervelingen die superfluïditeit in supervloeistoffen bevestigen. De vooruitgang op het gebied van de uitlijning van halfgeleiderchips en diamanten spinfotonkwantumcomputers is ook belangrijk.
Medische en biomedische toepassingen zien doorbraken met synthetische spiraalvormige peptiden die de botregeneratie verbeteren en hydrogel halfgeleiders en weefsel-interfaced bio-elektronica die bio-geïntegreerde apparaten en robotica bevorderen.
Milieuduurzaamheid is een belangrijk aandachtspunt, met innovaties in groene chemie en op biologie gebaseerde bouwstenen die de koolstofvoetafdruk verminderen. Methoden voor het recyclen van micro- en nanoplastics en vooruitgang in energie-efficiënte technologieën zoals alkalische membraanelektrolyzers voor de productie van waterstof zijn ook belangrijk.
Deze vooruitgang laat de snelle evolutie van de materiaalkunde zien, gedreven door interdisciplinair onderzoek en de integratie van geavanceerde technologieën.
Nieuwe materialen transformeren de bouwsector aanzienlijk door de verbetering van duurzaamheid, efficiëntie, duurzaamheid en energie-efficiëntie. Een van de belangrijkste ontwikkelingen is de ontwikkeling van duurzame materialen zoals bioplastic gevelbekleding op basis van biochar, dat meer CO2 vastlegt dan het uitstoot en zo bijdraagt aan koolstofvastlegging. Op dezelfde manier bieden Bio-Blocks en Sugarcrete koolstofvrije alternatieven voor traditioneel beton, waardoor de koolstofvoetafdruk van de industrie wordt verkleind.
Gerecyclede materialen worden ook steeds populairder, met innovaties zoals gerecyclede plastic bakstenen, staal, glas en synthetisch gips om afval en de impact op het milieu te minimaliseren. Geavanceerde structurele eigenschappen zijn een ander gebied van verbetering, met zelfhelend beton dat zelfstandig scheuren kan repareren, waardoor de levensduur wordt verlengd en de onderhoudskosten worden verlaagd. Grafeen en koolstofvezel worden gebruikt om traditionele materialen te versterken, waardoor ze sterker en flexibeler worden, terwijl Engineered Cementitious Composite (ECC) een buigbaar, duurzaam alternatief biedt voor conventioneel beton.
De energie-efficiëntie wordt verbeterd door materialen zoals met water gevuld glas, dat warmte absorbeert en herverdeelt, en doorschijnend hout, dat een uitstekende warmtegeleiding en sterkte biedt. Hennepbeton, een biocomposietmateriaal, biedt goede isolatie en vochtverwerking, wat bijdraagt aan energie-efficiënte gebouwontwerpen.
Innovatieve constructietechnieken, zoals 3D-printen, maken het mogelijk om snel complexe structuren te bouwen met precisie en minimaal afval. Dit omvat het gebruik van verschillende materialen, waaronder metalen, beton en polymeren. Daarnaast zorgen 3D-geprinte mycelium en levende gebouwen voor een revolutie in duurzame bouw door zelfvoorzienende ecosystemen te creëren en stedelijk afval te gebruiken als grondstof.
Afvalvermindering en upcycling worden ook aangepakt met vervuilingsabsorberende bakstenen die de lucht filteren en sigarettenpeukstenen die afval en energieverbruik verminderen. Gent Waste Bricks, gemaakt van plaatselijk bouwafval, zijn een voorbeeld van hoe gerecycleerde materialen kunnen worden geüpcycled tot duurzame bouwelementen met een verminderde koolstofinhoud.
Tot slot worden verbeterde prestaties en veiligheid bereikt door innovaties zoals lichtgevend cement, dat licht uitstraalt in het donker voor energie-efficiënte toepassingen, en geheugenstaal, dat terugkeert naar zijn oorspronkelijke vorm bij verhitting, waardoor het geschikt is voor het versterken van constructies in aardbevingsgevoelige gebieden.
Deze vooruitgang in nieuwe materialen maakt de bouw niet alleen milieuvriendelijker, maar verbetert ook de structurele integriteit, duurzaamheid en algehele prestaties van gebouwen, wat een belangrijke verschuiving in de richting van een duurzamere en technologisch geavanceerde bouwsector betekent.
Verschillende innovatieve materialen dragen aanzienlijk bij aan energie-efficiëntie en duurzaamheid in verschillende sectoren. Zandbatterijen zijn bijvoorbeeld in opkomst als duurzame oplossing voor energieopslag. Deze batterijen gebruiken laagwaardig zand om thermische energie op te slaan, die vervolgens kan worden gebruikt voor verwarming en warm water, en vormen zo een milieuvriendelijk alternatief voor traditionele chemische batterijen.
In de transportsector worden oplaadbare banden ontwikkeld voor elektrische voertuigen. Deze banden hebben een biologisch afbreekbaar loopvlakmengsel dat kan worden bijgevuld, waardoor minder afval ontstaat en de duurzaamheid toeneemt.
In de bouw worden geavanceerde thermische isolatiematerialen en materialen met faseverandering gebruikt om de temperatuurregeling te verbeteren en de behoefte aan verwarming en koeling te verminderen. Daarnaast worden duurzame bouwmaterialen zoals samengesteld hout, gerecycled metaal en verf met een laag VOS-gehalte steeds populairder, waardoor er minder grondstoffen worden verbruikt en er minder afval is.
Materialen van de volgende generatie, zoals geavanceerde composieten, lichtgewicht materialen en nanomaterialen, maken ook grote vooruitgang op het gebied van energie-efficiëntie. Deze materialen verbeteren de prestaties van apparatuur voor energieproductie en -overdracht, en coatings met nanostructuren worden ontwikkeld voor toepassingen in energieopslag en waterbehandeling.
Inspanningen om goedkope en duurzame materialen te ontwikkelen, zoals alternatieve koolstofvezelprecursors en geavanceerde batterijmaterialen, helpen om de kosten van hernieuwbare energiesystemen te verlagen en tegelijkertijd de efficiëntie ervan te verbeteren.
In het algemeen zijn deze innovatieve materialen van cruciaal belang voor het bevorderen van energie-efficiëntie en duurzaamheid, waarbij zowel ecologische als economische uitdagingen worden aangepakt.
Geavanceerde materialen transformeren verschillende industriële toepassingen dankzij hun superieure eigenschappen en innovatieve toepassingen. In de energiesector zijn geavanceerde materialen cruciaal voor het verbeteren van de omzetting en opslag van hernieuwbare energie, bijvoorbeeld door de ontwikkeling van natrium-ionbatterijen die de afhankelijkheid van kritieke grondstoffen verminderen. De mobiliteitssector profiteert van geavanceerde composieten zoals met koolstofvezel versterkte polymeren (CFRP's), die het gewicht verminderen en de brandstofefficiëntie verbeteren van voertuigen en vliegtuigen, zoals de Boeing 787 Dreamliner en moderne elektrische voertuigen. In de bouw verbeteren biogebaseerde materialen en geavanceerde composieten de energie-efficiëntie, duurzaamheid en duurzaamheid van gebouwen.
De elektronica-industrie boekt aanzienlijke vooruitgang door het gebruik van nanomaterialen, die de prestaties en energie-efficiëntie van geïntegreerde schakelingen, magnetische gegevensopslag en andere elektronische componenten verbeteren. In de gezondheidszorg en biowetenschappen maken geavanceerde materialen zoals nanomaterialen innovatieve medische procedures en diagnoses mogelijk, waaronder beeldvormingstechnieken voor stamcelbehandelingen en biosensingplatforms voor geneesmiddelenanalyse.
Productie en Industrie 4.0 profiteren van slimme materialen zoals vormgeheugenlegeringen, die worden gebruikt in sensoren en actuatoren voor nauwkeurige besturing en automatisering. De lucht- en ruimtevaartindustrie gebruikt geavanceerde composieten om lichtere, zuinigere vliegtuigen te maken ter vervanging van traditionele aluminiumstructuren. Op dezelfde manier gebruikt de automobielsector nanocomposieten en geavanceerde composieten om lichtgewicht, sterke onderdelen te maken die de prestaties van voertuigen verbeteren en de uitstoot verminderen.
In verpakkingen voor voedsel en consumptiegoederen verbeteren geavanceerde materialen zoals nanocomposieten de barrière-eigenschappen, waardoor de houdbaarheid van bederfelijke producten wordt verlengd. Tot slot worden industriële processen en infrastructuur gerevolutioneerd door additive manufacturing van metaal, waarmee nauwkeurige en efficiënte productie van ingewikkelde metalen onderdelen mogelijk is, en door mineralen zoals magnesiummetaallegeringen, die processen verbeteren en nieuwe toepassingen in verschillende industrieën mogelijk maken. Deze ontwikkelingen stimuleren innovatie, verbeteren de prestaties en ondersteunen duurzaamheid in tal van industriële toepassingen.
Nieuwe materialen hebben een veelzijdige impact op het milieu, die zowel positief als negatief kan zijn afhankelijk van verschillende factoren zoals de bron, de productiemethoden en de levenscyclus van de materialen.
Positief is dat nieuwe materialen de uitstoot van broeikasgassen aanzienlijk kunnen verminderen. Zo helpen biogebaseerde materialen uit hernieuwbare bronnen, zoals biomassabuizen gemaakt van ricinuszaad, de CO2- en broeikasgasemissies te verlagen. Innovaties zoals "groen staal", geproduceerd op basis van waterstof en hernieuwbare elektriciteit, bieden duurzame alternatieven voor traditionele materialen met een hoge uitstoot. Bovendien minimaliseren nieuwe materialen met een hoge energie-efficiëntie en biologische afbreekbaarheid, zoals die welke zijn ontwikkeld met behulp van peptiden en duurzame kunststoffen, de impact op het milieu tijdens zowel de productie als de verwijdering. Bovendien helpen regeneratieve materialen die geproduceerd zijn met behulp van duurzame landbouwpraktijken de biodiversiteit te beschermen en de bodemkwaliteit te behouden.
Er zijn echter uitdagingen waarmee rekening moet worden gehouden. Het beoordelen van de milieu-impact van nieuwe materialen vereist een uitgebreide analyse van de levenscyclus, van de winning van grondstoffen tot de verwijdering aan het einde van de levensduur, met inbegrip van de impact op het klimaat, het waterverbruik en de effecten op de biodiversiteit. Hoge productiekosten en marktacceptatie kunnen de toepassing van duurzame materialen ook belemmeren. Bovendien onderstrepen onbedoelde gevolgen, zoals vervuiling door microvezels van synthetische materialen, de noodzaak van voortdurende beoordeling en verbetering.
Strategieën om de impact op het milieu te beperken zijn onder andere het minimaliseren van onnodige extractie en productie, het gebruik van Environmental Product Declarations (EPD's) om weloverwogen beslissingen te nemen en het toepassen van circulaire ontwerpprincipes om de recyclebaarheid en biologische afbreekbaarheid te verbeteren. Door de voordelen en uitdagingen van nieuwe materialen te evalueren en deze strategieën te implementeren, kunnen industrieën duurzaamheid bevorderen en bijdragen aan wereldwijde inspanningen om de koolstofuitstoot te verminderen.
Als oprichter van MachineMFG heb ik meer dan tien jaar van mijn carrière gewijd aan de metaalbewerkingsindustrie. Door mijn uitgebreide ervaring ben ik een expert geworden op het gebied van plaatbewerking, verspaning, werktuigbouwkunde en gereedschapsmachines voor metalen. Ik denk, lees en schrijf voortdurend over deze onderwerpen en streef er voortdurend naar om voorop te blijven lopen in mijn vakgebied. Laat mijn kennis en expertise een aanwinst zijn voor uw bedrijf.
NL 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
PT 
PT_BR 
RU 
KO