۶ سوپر ماده كه مي‌توانند جهان ما را تغيير دهند

مواد خود ترميم - پلاستيك‌هايي با خواص برگرفته از موجودات جاندار

بدن ما انسان‌ها قابليت بسيار خوبي دارد و آن ترميم سلول‌هاي بدن در صورت آسيب ديدن است. اسكات وايت از دانشگاه ايلينوي، پلاستيك‌هايي را با خواص برگرفته از موجودات زنده توليد كرده كه مي‌توانند خود را ترميم كنند. سال گذشته وي در آزمايشگاه موفق به ساخت پليمري شد كه بصورت آهسته و با تراوشاتي مي‌توانست سوراخ قابل مشاهده‌‌اي را در سطح خود ترميم كند. پليمر توليد شده از يك سيستم عروقي با محتويات مايعي همراه شده بود كه در زمان آسيب ديدن، مايعي از آن خارج شده و همچون خود در محل آسيب ديده لخته مي‌شد. هرچند پيش از اين نيز دانشمندان موفق به توليد مواد خود ترميم در مقياس‌هاي بسيار پايين شده‌اند، اما اين پليمر موفق شده تا شكافي به عرض چهار ميلي‌متر را كه در اطراف آن ايجاد شده، بدون مشكلي ترميم كند. شايد اين موضوع براي پوست انسان چندان مهم نباشد، اما ترميم شكافي به عرض چهار ميلي‌متر در پلاستيك بسيار مهم است.

دانشمندان در تلاش هستند تا قابليت خود ترميمي را به موادي نظير بتون، آسفالت و آهن اضافه كنند تا از اين طريق در صورت شكافتن يا آسيب ديدن قسمتي از اين ماده، محل آسيب‌ديده بصورت خودكار ترميم شود. اصلي‌ترين مساله در توليد چينن موادي، كاهش قيمت مواد خود ترميم به اندازه‌اي است كه بتوان آن‌ها را بصورت تجاري و روزمره مورد استفاده قرار داد.

مواد ترموالكتريك - توليد انرژي الكتريكي از گرما

مطمئنا تا به حال گرماي حاصل از كار كردن پردازنده و ساير ماژول‌هاي لپ‌تاپ يا خودروي خود را با لمس قسمت پشتي لپ‌تاپ با كاپوت خودرو از نزديك ديده‌ايد. ايجاد گرما در تمام ابزار‌هايي كه براي ارائه‌ي سرويس از انرژي استفاده مي‌كنند، پديدار مي‌شود. براساس اطلاعات حاصل از تحقيقات دانشمندان در حدود ۷۰ درصد از انرژي مورد استفاده در هر ابزاري در قالب گرما به هدر مي‌رود. اما آيا راهي براي ممانعت از اتلاف اين ميزان انرژي وجود دارد؟ پاسخ اين سوال در مواد ترموالكتريك نهفته است كه با استفاده از آن مي‌توان از طريق اختلاف دماي موجود، انرژي الكتريكي توليد كرد.

سال گذشته كمپاني آمريكايي Alphabet Ebergy يك ژنراتور ترموالكتريك معرفي كرد كه با قراردادن آن در مجاورت لوله‌ي اگزوز يك ژنراتور كه از سوخت‌هاي فسيلي براي توليد انرژي استفاده مي‌كند، انرژي اتلاف شده بصورت گرما را به انرژي الكتريكي قابل استفاده تبديل مي‌كند. براساس اطلاعات ارائه شده، الفابت انرژي از يك ماده‌ي طبيعي ترموالكتريك در ژنراتور خود استفاده كرده است. اين كمپاني اعلام كرده كه با استفاده از اين ماده، مي‌توان ۵ تا ۱۰ درصد به بهره‌وري سيستم اضافه كرد.

گروه ديگري از دانشمندان در حال كار روي نوع ديگري از ماده‌ي ترموالكتريك هستند كه اسكوترودايت (Skutterudite) نام دارد. اين ماده‌ي ترموالكتريك حاوي كوبالت است. مواد ترموالكتريك پيش از استفاده در توليد ژنراتور‌ها براي توليد الكتريسيته از گرما كاربردهاي ديگري نيز دارند كه از جمله‌ي آن مي‌توان به استفاده از اين مواد در فضاپيماها اشاره كرد. دانشمندان در پي آن هستند تا اسكوترودايت‌ها را بصورت ارزان‌تر و بهينه‌تري توليد كنند. در صورت توليد چنين ماده‌اي مي‌توان از آن در اگزوز خودروها، لوله‌هاي مورد استفاده در پشت يخچال‌ها و فريزرها و هر نوع ماشيني كه در آن از انرژي استفاده مي‌شود، براي توليد انرژي تلف شده استفاده كرد.

پروسكايت - سلول‌هاي باتري خورشيدي ارزان قيمت

بزرگ‌ترين چالش پيش روي دوستداران و دست‌اندركاران استفاده از انرژي‌هاي تجديدپذير، هزينه‌ي بالاي ايجاد بستر و سخت‌افزار مورد نياز براي استفاده از اين انرژي‌ها است. در مقايسه با سال‌هاي گذشته، ساختن مزارعي متشكل از پنل‌هاي خورشيدي كريستال سيليكون بسيار ارزا‌ن‌تر شده است، اما همچنان در مقايسه با ساير منابع انرژي بسيار بهينه‌تر از پيش است. دانشمندان براي ارزان كردن هر چه بيشتر استفاده از پنل‌هاي خورشيدي، ماده‌ي ديگري را سراغ دارند كه پروسكايت (Perovskites) نام دارد.

پروسكايت در واقع ماده‌ي معدني اكسيد كلسيم تيتانيوم است كه در سال ۱۸۳۹ توسط گوستاو رز در دامنه‌‌هاي كوه اورال پيدا شد، اما دانشمندان اخيرا به ويژگي‌هاي خارق‌العاده و پتانسيل بالاي اين ماده پي برده‌اند. در سال ۲۰۰۹، سلول‌هاي خورشيدي توسعه يافته با استفاده از پروسكايت از نظر بهينگي انرژي توليد شده به آمار ۳.۸ درصد دست يافتند. در سال ۲۰۱۴ ميلادي اين ميزان به ۱۹.۳ درصد افزايش يافت. هرچند پروسكايت از نظر بهينگي توليد انرژي به كريستال سيليكون با آمار ۲۰ درصد نزديك شده، اما همچنان دو نكته وجود دارد كه بايد به آن توجه داشت:

با توجه به فراز و نشيب اين ماده در بهينگي تبديل انرژي خورشيدي به انرژي الكتريكي، دانشمندان اميدوارند با تحقيقات بيشتر، سلول‌هاي خورشيدي بهينه‌تري را توليد كند. پروسكايت در مقايسه با كريستال سيليكون بسيار ارزان‌تر است.

پروسكايت در واقع نوعي ماده است كه از ساختار كريستالي مخصوص بهره مي‌برد. پروسكايت ساختار سه‌تايي از مواد با  فرمول عمومي ABO3 دارد. اين ساختار از هشت وجهي‌‌هاي BO6 تشكيل شده كه كاتيون‌هاي بزرگ Aدر هشت وجهي قرار دارد. در واقع اتم‌هاي B همان كاتيون‌هاي فلزي كوچك و اتم‌هاي A‌كاتيون‌هاي فلزي بزرگ هستند كه در ساخت پروسكايت براي سلول‌‌هاي خورشيدي از سرب و قلع استفاده مي‌شود. سرب و قلع در مقايسه با كريستال سيليكون بسيار ارزان‌‌تر هستند و مي‌توان به‌راحتي اين ماده را روي شيشه براي ساخت سلول خورشيدي اسپري كرد. آكسفورد فوتوولتايكس يكي از پيشروترين كمپاني‌ها در زمينه‌ي تجاري‌سازي پروسكايت است.

 آئروژل - سبك و مقاوم

آئروژل‌ بسيار شبيه به موادي است كه در فيلم‌هاي علمي-تخيلي و داستان‌هي اينچنين ديده و درباره‌ي آن خوانده‌ايم. اگرچه اين ماده بسيار سبك و شفاف است اما به‌راحتي مي‌تواند زير وزن يك خودرو و گرماي چند صد درجه‌ي سانتي‌گراد دوام آورد. نام اين ماده كاملا گوياي ماهيت آن است. آئروژل ماده‌اي است ژل مانند كه در آن مايع جاي خود را به گاز و در واقع هوا داده است. آئروژل را با نام دود منجمد يا دود آبي نيز مي‌خوانند. آئروژل را مي‌توان با مواد مختلفي ايجاد كرد، اما اصلي‌ترين موارد براي ساخت آن شامل سيليس، اكسيد آهن و گرافين است.

آئروژل نقطه‌ي ضعف بزرگي نيز دارد و آن شكنندگي اين ماده زماني است كه با استفاده از سيليس ساخته مي‌شود. براي رفع اين مشكل متخصصان ناسا در حال كار براي ساخت آئروژل‌ها با استفاده از پليمر‌ها هستند تا از آن‌ها به‌عنوان عايق روي فضاپيماها استفاده كنند. استفاده از ساير مواد با سيليس در ساخت آئروژل‌ها منجر به انعطاف‌پذيري بيشتر آئروژل مي‌شود. با توجه به قابليت‌هاي نظير وزن سبك، مقاومت بالا در برابر وزن زياد و حرارت بالا، اين ماده بسيار ارزشمند و كاربردي است.

فرامواد - دستكاري امواج نور

فرامواد قابليتي دارند كه با توجه به نانوساختار خود قادرند نور را در جهات متفاوتي از مواد عادي منتشر كنند كه اين قابليت امكان ايجاد پوشش‌هاي نامرئي را براي دانشمندان فراهم مي‌كند.

نكته‌ي جالبي كه در مورد فراماده وجود دارد، امكان پخش ساير امواج توسط اين ماده است. يعني علاوه بر نوري كه مي‌توان به چشم ديد، فرامواد قادرند ساير امواج شامل امواج مايكروويو، امواج راديويي و امواج T را كه بين مادون قرمز و مايكروويو قرار دارند، پراكنده كنند. هر موجي در طيف امواج الكترومغناطيس را مي‌توان با استفاده از فرامواد دستكاري كرد.

از جمله‌ي كاربردهاي اين مواد علاوه بر توليد پوشش‌هاي نامرئي كه البته هنوز راه به جايي نبرده، مي‌توان به ساخت اسكنرهاي T-Ray جديد با كاربرد در پزشكي يا موارد امنيتي يا آنتن‌هاي كوچك راديويي اشاره كرد كه قادرند خاصيت خود را تغيير دهند. فراماده يكي از ساختار شكن‌ترين موادي است كه پتانسيل بالايي براي ايجاد تغييرات انقلابي دارد، اما براي تجاري‌سازي اين ماده راه‌درازي باقي مانده است.

 استانن (Stanene) - رساناي ۱۰۰ درصد بهينه

همانطور كه مي‌دانيد گرافين تركيبي از اتم‌هاي كربن است كه با ايجاد سه‌ پيوند كووالانسي، لايه‌اي از اتم‌ها را با ارتباط بسيار قوي ايجاد كرده‌‌اند. استانن نيز چنين ساختاري دارد و از يك لايه‌ي اتمي تشكيل شده است، اما به‌جاي اتم‌هاي كربن، استانن از اتم‌هاي قلع تشكيل شده و اين موضوع قابليتي را در اختيار استانن گذاشته كه گرافين كاملا از آن بي‌بهره است و اين قابليت چيزي نيست جز رسانايي با بهينگي ۱۰۰ درصد.

استانن براي اولين بار در سال ۲۰۱۳ ميلادي توسط شوچنگ ژانگ، پرفسور دانشگاه استنفورد تعريف شد و وي خواص انتقال الكتريسيته را توسط استانن پيش‌بيني كرده بود. براساس اطلاعات ارائه شده توسط اين دانشمند، استانن در واقع يك عايق توپولوژيكال است. عايق توپولوژيكال بدين معني است كه رويه‌ي اين ماده رسانا و درون آن عايق الكتريسيته است. براي مثال مي‌توان به بستني چوبي با رويه‌ي شكلاتي اشاره كرد كه در آن رويه‌ي شكلاتي رسانا بوده و خود بستني عايق است.

چنين ساختاري بدين معني است كه استانن مي‌تواند الكتريسيته را بدون مقاومت و بصورت ۱۰۰ درصد بهينه در دماي اتاق انتقال دهد. بايد آزمايش‌هاي مختلفي در مورد خواص اين ماده انجام شود. همچنين ساخت لايه‌اي متشكل از يك اتم قلع كار چندان ساده‌اي نيست، از اين‌رو هنوز راه‌درازي تا ساخت اين رساناي بهينه باقي ماده است.

در صورتي كه تمام نظريه‌ها در مورد استانن صحيح باشد، در آينده شاهد انقلابي گسترده در صنعت الكترونيك خواهيم بود و اين ماده مي‌تواند نقش پررنگي در بهبود ميكروتراشه‌هاي مورد استفاده در داخل ابزار‌هاي الكترونيك بر عهده بگيرد و تراشه‌هاي مورد استفاده را در مقايسه با تراشه‌هاي سيليكوني كنوني بسيار پرقدرت‌تر از پيش كند.