https://bodybydarwin.com
Slider Image

Els materials més intel·ligents, segurs, més forts i extrems del futur

2020

Stauber

La ciència dels materials ha estat l’arrel del progrés material i, de fet, de tot el progrés, durant tant de temps que podem tenir la temptació de pensar que les seves majors contribucions queden al nostre darrere. L’edat de la pedra, l’edat del bronze, l’edat del ferro: es van definir per millores dramàtiques en la manera com fabriquem i manipulem objectes quotidians, des de la pedreria punxeguda per als caps més fins a l’alumini aliat per a ales més lleugeres. Però ara, a l’edat del silici, no s’ha avançat només la manipulació dels zeros i els zeros?

La resposta és un rotund no. Els materials importen més avui que mai, és per això que la ciència popular els va dedicar gran part d’aquest tema. En els laboratoris de tot el món, els científics treballen de valent per crear els fonaments dels productes de demà: recobriments ultraviolats que repel·len tot, des del gel (en aquestes ales d'avió lleuger) fins a Staphylococcus aureus (als hospitals conduïts per gèrmens); materials autoregulats que alteren les seves propietats amb temperatura o pH; i pel·lícules piezoelèctriques que capten l'energia desaprofitada, fins i tot quan altres materials intel·ligents utilitzen aquesta energia per a un ús més eficient. A mesura que els enginyers demostren aquests materials als laboratoris de prova i els incorporen a dissenys que aprofiten les noves capacitats, tot queda per millorar, des dels vestits espacials preparats per a l’exploració interplanetària fins als reactors nuclears.

De fet, la llei de Moore, el principi central de l’edat del silici, descriu un principi no de la ciència de dades, sinó de la ciència de materials, cada 18 mesos, trobarem la manera d’agafar el doble de components en un xip finit. Així doncs, els materials estan fent millors ordinadors, que al nostre torn ens ajuden a dissenyar materials encara millors. Després d’un parell de milions d’anys d’avanç en la ciència dels materials, només acabem de començar.

—Editors

Whetzel

El teixit humà es llueix massa fàcilment; la seda aranya és més forta que l’acer. Així, a l'estat de Utah, els investigadors estan fent girar la seda aranya per solucionar les espatlles i els genolls danyats. Van criar cabres transgèniques per produir grans volums de proteïnes de seda aranya, van girar aquestes proteïnes en fils i van trenar les fibres en una fibra. Els filaments conserven l’estirament de la seda però són 100 vegades més forts que els lligaments humans i fins a 20 vegades més forts que els tendons. La seda aranya també podria fer que els empelts òssims siguin menys trencadissos, afirma Markus Buehler, que combina proteïnes de seda aranya amb col·lagen al MIT. Els dos grups estimen que els implants de seda aranya podrien aprovar-se per a ús humà per a 2030.

Sarah Fecht

Stauber

La pell no només protegeix el cos transmet sensacions. Amb l’electrònica suau i carnosa, els enginyers han trobat una manera de fer que la pell artificial que cobreixi els empelts i les pròtesis també sentin alguna cosa. Els investigadors de la Universitat d'Illinois han creat circuits prou prims i flexibles per tapar un dit, on converteixen la pressió en senyals elèctrics. Un gel desenvolupat a Stanford, capaç d’emmagatzemar electricitat, podria convertir-se en una bateria modelable. I Carmel Majidi de Carnegie Mellon està intentant convertir el cautxú en sensors de pressió i fricció. L'encarna amb petits canals de metall líquid, que canvien la conductivitat a mesura que es mou el líquid. La pell electrònica també pot ser útil per als no humans. "Aquest enfocament de l'enginyeria podria fer que els robots i les màquines siguin molt més realistes segons Majidi.

Lauren Aaronson

Stauber

Les 104 centrals nuclears del país depenen molt de l'acer per a molts dels seus components, inclosos els dipòsits a pressió que contenen urani. Però, amb el temps, la fixació constant de la radiació pot degradar l’acer, fent-lo susceptible de fractures. Els investigadors del laboratori nacional de Caltech i Los Alamos han creat compostos nanolaminats, materials que podrien millorar els futurs reactors a prova de desastres. Les interfícies entre les capes metàl·liques dels compostos absorbeixen els defectes induïts per la radiació que fan que el material irradiat es converteixi en trencadís. En un termini pròxim, els laminats es podrien incorporar a l’acer per substituir les peces d’envelliment de les plantes existents, afirma l’enginyer Caltech, Julia Greer. Els materials de les naus espacials també podrien recobrir-se amb nanolaminats, protegint-los de la radiació còsmica de l’espai profund.

—LA

Whetzel

Els enginyers han estat convertint l’estrès mecànic en electricitat mitjançant dispositius piezoelèctrics des de fa més de cent anys, però l’objectiu d’alimentar un iPod batent el paviment ha continuat sent difícil. Els materials piezoelèctrics actuals són difícils de fabricar i normalment contenen metalls tòxics, com el níquel i el plom. Els investigadors del laboratori nacional de Lawrence Berkeley han resolt els dos problemes mitjançant l'ús d'un virus d'enginyeria genètica que s'autopista en una pel·lícula. Quan s'aplica pressió, les proteïnes helicoïdals sobre les closques dels virus es giren i giren, generant una càrrega. Si toqueu una mostra de tamany, es poden produir 400 milions d’electricitat o suficient per alimentar breument una pantalla LCD. D’entre 5 i 10 anys, segons el bioenginyer Seung-Wuk Lee, la pel·lícula es podria utilitzar per aprofitar el poder de vibracions, pulsacions cardíaques i altres tipus de moviment també.

—SF

Stauber

Igual que els girasols que s’inclinen cap a la llum, els panells solars poden augmentar la seva producció d’energia girant a mesura que es mou el sol. Però girar també requereix energia. "No molts materials poden respondre a la llum solar i també tenen una resposta mecànica, afirma Hongrui Jiang, un enginyer de la Universitat de Wisconsin a Madison. Jiang va desenvolupar un material que podria desplaçar passivament la base d'una matriu solar. Va combinar nanotubs de carboni, que absorbeixen. la llum del sol, amb
un elastòmer líquid-cristal·lí (LCE) que es contrau quan s'escalfa. A mesura que l’energia solar s’escalfa a un costat de la base, la LCE s’encongeix, fent que el panell solar s’inclini cap al sol; un cop que aquest costat cau a l'ombra, la LCE es refreda i torna a la seva alçada original. Les proves de camp demostren que el sistema augmenta l'eficiència de les plaques solars en una mitjana d'un 10 per cent.

—SF

Stauber

Les infeccions bacterianes capturades als hospitals nord-americans maten prop de 100.000 pacients anuals; el personal ha d’esterilitzar contínuament les superfícies per aturar-ne la propagació. Un material pioner en un laboratori de Harvard podria evitar que els organismes poguessin créixer en equipament mèdic com els catèters en primer lloc. És tan relliscós ni tan sols els bacteris s'hi poden enganxar. Basat en la tecnologia SLIPS (superfícies poroses relliscades amb infusió de líquids), es basa en el mateix mecanisme que fa que els insectes es llisquen en una planta càntera. Els nanòfors que tenen una textura sòlida, com el tefló o el metall, li enganxen un lubricant ultrarigent; tota la resta, inclosos els gèrmens, simplement llisca el recobriment líquid. El científic de materials de Harvard, Tak-Sing Wong, assegura que els SLIPS tenen el mateix efecte sobre la pols, el gel i la pintada, cosa que els pot ser útil per a moltes més indústries.

Laura Geggel

Stauber

Els avions d'avui no es troben a prop de l'agilitat i la precisió dels millors voladors de la natura. "Ratpenats
són diferents de la majoria dels animals i de la majoria de materials dissenyats perquè tenen ales molt flexibles que ofereixen moltes propietats aerodinàmiques interessants, diu Kenny Breuer, enginyer mecànic de la Brown University. Patrick T. Mather i el seu equip de la Universitat de Syracuse han creat un material de qualitat similar: Les cadenes de polímer s’uneixen per fer-lo dur i estable en una direcció, però 12 vegades més elàstica en l’altra. D’aquí a cinc o deu anys, un material així podria permetre que les ales dels petits avions no tripulats caiguessin expandint-se i contractant-se, cosa que permetria que els avions volessin a velocitat lenta i pivotessin precisament durant les missions de vigilància.

—LA

Stauber

Amb vestits diferents, les persones poden preparar-se per al sol, la pluja i el fred, però mai abans s’han fet camises o pantalons de forma intel·ligent al seu entorn. Anna Balazs, enginyer de la Universitat de Pittsburgh, diu que en dues dècades "la teva roba podria fer el pensament per a tu". Un material desenvolupat a Pitt i Harvard pot regular la temperatura per mantenir-la dins d’un rang determinat. Un bucle de reacció química i mecànica dins de les seves capes converteix una reacció productora de calor en graus preprogramats. La mateixa estratègia es podria utilitzar per fer materials que s’autoregulessin en resposta a altres estímuls, com ara el pH, la llum o la glucosa, és a dir, les canonades d’aigua, les finestres i els dispositius mèdics podrien ser igual d’intel·ligents.

—SF

Stauber

És possible que els circuits integrats hagin permès l'era digital, però encara estan subjectes a una gran limitació: els danys físics. Un nou revestiment desenvolupat a la Universitat d’Illinois podrà tornar a la vida a un circuit mort en menys d’un mil·lisegon, fins i tot si “agafeu un ganivet X-Acto i trinxeu-lo”, diu l’enginyer Nancy Sottos. El seu equip recobrí fils d’or amb càpsules microscòpiques de metall líquid. Quan un filferro es trenca, les càpsules s’obren i el metall líquid omple la fissura, restablint la conductivitat elèctrica.D’entre 5 i 10 anys, recobriments d’autocuració similars podrien cobrir els cables que connecten els components de les plaques de circuit, Diu Sottos, donant a gairebé qualsevol ordinador o gadget la possibilitat de reparar-se.

—LA

Stauber

"En moltes àrees de la ciència dels materials, hem aconseguit el millor que podem fer amb les tècniques d'enginyeria, diu l'enginyer de la Universitat McGill Francois Barthelat." Crec que la natura té molts nous trucs per ensenyar-nos. "L'armadura protectora de molts animals marins és fins a 3.000 vegades més dures que els materials que el formen. En replicar l'estructura de les escales de peix, Barthelat va amplificar la resistència d'un material compost de forma similar.Els enginyers de la Universitat de Villanova apilaven cristalls de ceràmica en un compost més suau en angles similars als d'una petxina. Com que les escletxes fan ziga-zaga i peter en lloc de trencar el material, és deu vegades més fort que la ceràmica de base. Aquests avenços podrien fortificar l'armadura en tres a cinc anys.

—LA

Les Carolines lluiten contra els mosquits huracans de mida níquel

Les Carolines lluiten contra els mosquits huracans de mida níquel

L’antic cosí del cocodril va desafiar les normes familiars, va donar vida a viure joves

L’antic cosí del cocodril va desafiar les normes familiars, va donar vida a viure joves

Ara és la vostra oportunitat d’enviar el vostre nom fent malbé a l’atmosfera del Sol

Ara és la vostra oportunitat d’enviar el vostre nom fent malbé a l’atmosfera del Sol