مواد پیشرفته ای که جهان را تغییر خواهند داد

فهرستی از ده ماده پیشرفته است که به تدریج به زندگی روزمره ما وارد خواهند شد. در حال حاضر انقلابی آرام در حال شکل گیری در آزمایشگاه های سراسر جهان است. دانشمندان به دنبال راه هایی برای تغییر مواد در مقیاس های بسیار کوچک هستند. این تحول موادی را در اختیار ما قرار می دهد که زمانی تنها در رمان های علمی تخلی یافت می شد. اما تولید این مواد چیزی بیش از ماجراجویی های علمی هستند. این مواد کارا هستند و به تدریج با کاربردهایی که در آینده خواهند یافت، جهان را متحول خواهند کرد.

1- سیلیسین (Silicene)
پس از کشف گرافن در سال 2004 این ماده بر تمامی حوزه های علم مواد سایه افکند. اما ماده ای با نام مشابه به نام سیلیسین، می تواند در این حوزه شروع به درخشش کند و صنعت الکترونیک را به طور کامل متحول کند. پروفسور یوکیکو یامادا تاکامورا در انستیتو علم و تکنولوژی پیشرفته ژاپن که در تحقیقات سیلیسین در جهان پیشتاز است می گوید: "سیلیسین کپی سیلیسیمی از گرافن است. " گرافن تک لایه ای از اتم های کربن و سیلیسین تک لایه ای از اتم های سیلیسیم است. در بسیار از موارد سیلیسین مشابه با گرافن عمل می کند. به عنوان مثال هدایت الکتریکی بالایی دارد و تقریبا بدون هیچ گونه مقاومتی به الکترون ها اجازه عبور می دهد. سیلیسین مزیت بزرگی دارد و آن تطابق با صنعت امروزی سیلیکون است. این به معنای زمان تحقیقاتی کمتر برای وارد کردن محصولات حاوی سیلیسین به بازار و هزینه های تولید کمتر است. سرعت محاسبات بالا و اتلاف انرژی کم از دیگر مزیت های این ماده است. بنابراین در آینده سیلیسین تلفن های هوشمند را شارژ می کنند و نه گرافن.
سیلیسین نسبت به گرافن انعطاف پذیری بیشتری دارد. در حالی که گرافن می تواند تنها یک شکل در در شبکه افقی خاص خود داشته باشد، سیلیسین متفاوت عمل می کند. یامادا تاکامورا می گوید" سیلیسین در مقیاس اتمی انعطاف پذیر است و اتم ها می توانند در صفحه جابجا شوند." تغییرات ظریف در ساختار اتمی سیلیسین به معنی افزایش تعداد کاربردهای آن است. البته سیلیسن با نقطه اوج خود فاصله دارد و برای نخستین بار در سال 2012 توسط محققان آلمانی تولید شد. هم چنین تعداد گواهی های ثبت اختراع آن نسبت به گرافن بسیار کمتر است. اما به هر شکل سیلیسین اثر بزرگی بر زندگی ما خواهد گذاشت.کاربردها: چیپ های الکترونیکی، حافظه های دیجیتالی و کاتالیست های ضد آلودگی

2- گرافن (Graphene)
گرافن در جهان امروزی به معنای جادو است. تقریبا هر هفته اخبار و گزارشاتی در مورد کابردهای احتمالی ورق های دو بعدی کربن اعلام می شود. در سال 2012 ده هزار مقاله در مورد گرافن منتشر شد. بر اساس گفته های پروفسور آندره گیم که در سال 2010 برای همکاری در کشف گرافن موفق به دریافت جایزه نوبل فیزیک شد، این ماده مستحکم ترین و سفت ترین ماده ای است که تا کنون بررسی شده و هم چنین دارای بزرگترین نسبت سطح مخصوص به وزن است به نحوی یک گرم گرافن سطحی برابر با چند زمین فوتبال دارد. ساختار فوق العاده نازک گرافن به آن خواص الکتریکی ویژه ای می دهد. گرافن تا ده سال پیش ناشناخته بود ولی در سال 2013، یک میلیارد یورو صرف تحقیقات این زمینه شده است. محصولات حاوی گرافن به تدریج وارد بازار می شوند. به عنوان مثال راکت تنیس ساخت شرکت استرالیایی Head یکی از نخستین محصولات ساخته شده از گرافن است. نگاهی اجمالی به لیست ده گواهی ثبت اختراع برتر گرافن که به شرکت های سامسونگ، سان دیسک 3D (سازه مدارهای 3D) و زیراکس اختصاص دارد، نشان دهنده اثر بزرگ گرافن بر زندگی ماست.کاربردها: نمایشگرهای انعطاف پذیر کامپیوتر، میکروپروسسورهای سریع، کامپوزیت های سبک تر و مستحکم تر، سلول های خورشیدی با بازده بیشتر، سنسورها، تصویربرداری پزشکی و باتری های قابل انعطاف.

3- مایعات یونی (Ionic Liquids)
اگر نمک طعام را تا دمای 800 درجه سانتی گراد حرارت بدهید به ماده ای نادر دست می یابید. این ماده بدون ایجاد بخارات سمی و بدون هیچ تجزیه شیمیایی به مایع تبدیل می شود. نمک در این حالت یک حلال بسیار خوب است. اگر چنین ماده ای در دمای اتاق به شکل مایع باشد یک مایع یونی یا نمک مایع را ایجاد می کند. مایعات یونی بر خلاف صنعت چندین میلیاردی حلال ها که دنیای امروزه ما را به حرکت در می آورند، بخار ایجاد نمی کنند. ممکن است چنین خاصیتی به نظر جذاب نباشد ولی این ویژگی به معنی حلال هایی کم خطر تر و آلودگی بسیار کمتر است. می توان از این مایعات به عنوان حامل بار الکتریکی در باتری ها و سلول های خورشیدی ارزان استفاده کرد. این مواد توانایی حل کردن تقریبا هر چیزی را دارند از باکتری خطرناک MRSAتا جیوه سمی موجود در گاز طبیعی. علاوه بر این، مایعات یونی به علت واکنش های غیر معمولی که با سایر مواد دارند می توانند برای ساخت نوع جدیدی از محصولات شیمیایی به کار گرفته شوند.
یکی از کاربردهای مایعات یونی در ذخیره هیدروژن در ماشین های سازگار با محیط زیست است. در حال حاضر از مخازن فشار بالا برای ذخیره هیدروژن استفاده می کنند ولی برای مسافت های طولانی باید از مخازن بزرگ استفاده شود. مایع یونی می تواند حجم زیادی هیدروژن در فضای کم ذخیره کند و در زمان نیاز آن را آزاد کند. کاربردهای بی شماری برای این مواد وجود دارد. پروفسور کن سدون معاون آزمایشگاه مایعات یونی در دانشگاه کوئین دوبلین می گوید: "در هر جایی از مایعات معمولی استفاده می شود می توان مایعات یونی را جایگزین کرد."کاربردها: حلال سبز، پیل های سوختی برای اتومبیل ها و سل های خورشیدی

4- هیدروژل DNA یا (DNA Hydrogel)
معمولا اضافه کردن آب به مواد موجب افزایش سیالیت آن ها می شود اما ماده جدیدی وجود دارد که با افزودن آب شکل جدیدی به خود می گیرد. این ماده جدید هیدروژل پر شده با DNAاست. هیدروژل ها به شدت جاذب هستند و شبکه ای اسفنجی از پلمیر ها هستند که می توانند به سرعت تا صد برابر جرم خود آب جذب کنند. این مواد در لنز های تماسی و پدهای مانیتورهای قلبی EEG استفاده می شوند. ولی در دانشگاه کرنل آمریکا، پروفسور دن لو رشته های مصنوعی از مواد ژنتیکی را در ژل ها قرار داده است. لو و گروه وی هیدروژل ها را در قالب هایی به شکل DNA قرار دادند. هنگامی این قطعاتآب از دست دادند به گلوله های آمورف تبدیل شدند و پس از قرار گرفتن در آب مجددا به شکل اولیه تبدیل شده اند. رشته های DNA در داخل ژل ها مانند لاستیک های به هم چسبیده عمل می کنند. رشته های DNA با سیستم های پیچیده ای به سایر رشته ها اتصال پیدا می کنند. با طراحی مواد ژنتیکی که نحوه اتصال خاصی دارند می توان خواص ژل ها را بهبود داد.از هیدروژل می توان در پزشکی استفاده کرد به عنوان مثال ژل حاوی دارو را کاملا درون زخم قرار داد. هم چنین در تجهیزات الکترونیکی به عنوان سوئیچی که با آب فعال می شود، استفاده کرد. در یکی از تست ها در دانشگاه کرنل ژلی محتوی ذرات فلزی که بین دو کنتاکت الکتریکی قرار گرفت ، خاصیت هدایت الکتریکی را از خود نشان داد. با اضافه کردن آب، ژل انقباض پیدا کرده و اتصال الکتریکی قطع می شود.کاربردها: داربست های مورد استفاده در مهندسی بافت، پانسمان های زخم حاوی دارو و سوئیج هایی که با آب فعال می شوند.

5- سیمان خود ترمیم شونده (Self Healing Concrete)
به نظر نمی آید که مخلوط باکتری و بتن ماده مناسبی برای ساخت و ساز باشد ولی در واقع این ترکیب می تواند عمر پل ها، ساختمان ها و جاده ها را تا 40 درصد افزایش دهد. در حال حاضر آمریکا 50 میلیارد دلار را صرف تعمیر بزرگراه ها، پل ها و فرودگاه ها می کند و با در نظر داشتن این هزینه، اهمیت عمر بیشتر این سازه ها بیشتر مشخص می شود. دکتر هنک جانکرز میکروبیولوژیست در داشنگاه دلفت هلند نوعی بتن حاوی میکروب را ساخته است که توانایی تعمیر و از بین بردن میکروترک ها را دارد. اگر چه ترک هایی زیر 0.4 میلیمتر استحکام کلی را کاهش نمی دهند اما نفوذ آب به درون بتن موجب تضعیف آن می شود و در هنگام انجماد محصولات تخریب شده را به درون بتن می برد. دکتر جانکرز می گوید : " ما یک عامل ترمیم کننده را به مخلوط بتن اضافه کردیم که شامل نوعی هاگ باکتری غیر فعال و غذای مناسب آن است که به وسیله پوشش روی آن ایجاد شده است. هنگامی که آب وارد بتن می شود این باکتری ها فعال شده و غذا رابه آهک تبدیل می کند." گونه باکتری استفاده شده در این تحقیق Bacillus cohnii و Bacillus pasteurii هستند و خود را با شرایط بسیار قلیایی بتن تطبیق می دهند. این باکترها کلسیم لاکتیت را به کلسیم کربنات سخت تبدیل می کند. اگر آزمایشات با موفقیت انجام شود، سیمان خود ترمیم کننده ظرف 4 سال آینده به بازار عرضه خواهد شد.کاربردها: تونل ها، پل های دره ای، جاده ها و سازه های دریایی

6- مواد قابل برنامه ریزی (Programmable Matter)
موادی که اکنون اطراف ما را احاطه کرده اند دارای شکلی از پیش تعیین شده هستند و تنها در هنگام هوازدگی و تخریب تغییر شکل می دهند. اما چه می شد اگر مواد اطراف ما به اصطلاح زنده بودند و می توانستند بسته به نیاز تغییر شکل دهند؟ مثلا یک آچار پیچ گوشتی به آچار تخت تبدیل می شد یا یک کمد لباس تخت در پیش چشمان شما سر هم می شد؟ اگر چه این وسایل رویایی به نظر می آیند اما مواد قابل برنامه ریزی می توانند چنین محصولاتی را در دنیای ما ایجاد کنند. مواد قابل برنامه ریزی هم اکنون در آزمایشگاهی در انستیتو تکنولوژی ماساچوست (MIT) وجود دارند و آلیاژهای حافظه دار و مدارهای الکترونیکی بسیار نازک تشکیل شده اند. این مدارها قابلیت ایجاد گرما را در محل مناسب برای تغییر شکل فلزات دارا هستند. پروفسور دنیلا روس از دانشگاه MIT می گوید: "این مواد امکان ایجاد دنیایی را به ما می دهد که نه تنها کامپیوترهای قابل برنامه ریزی بلکه مواد قابل برنامه ریزی نیز دارد."کاربردها: ربات های خود مونتاژ، جعبه ابزار های یونیورسال

7- شنل نامرئی کننده متامتریال (Metamaterial Invisibility Cloaks)
خواص ویژه متامتریال ها از اجزای بسیار آن ها ناشی نمی شود بلکه از چیدمان پیچده این اجزا ایجاد می شود. معماری پیچیده این مواد خواصی به آن ها می دهد که در طبیعت یافت نمی شود. پروفسور سوکولیس از دانشگاه ایالتی لوا می گوید: "معمولا دانشمندان مواد، خواص یک ماده را تعریف می کنند و سپس کاربردی برای آن می یابند، اما متامتریال ها در جهت معکوس حرکت کرده اند."هدف دانشمندان علم مواد تولید شنل نامرئی کننده برای مصارف شخصی و نظامی است. برای ایجاد چنین شنلی نیاز به موادی نانوساختار با ضریب شکست منفی است که به نور اجازه می دهند تا به صورت غیر طبیعی خم شده و از اطراف شی عبور کنند. اگر این پدیده با موفقیت رخ دهد، جسم (به عنوان مثال هواپیما یا یک انسان) نامرئی می شود. دانشمندان تا کنون موفق شده اند تا به جای نور مرئی، امواج مایکروویو را خم کنند. این دستگاه های خم کننده امواج بسیار بزرگ بوده و تنها توانایی نامرئی کردن اشیایی با اندازه خاص را دارند. اگرچه در نوامبر 2012 گروهی از محققان در دانشگاه یونسی سئول در کوره جنوبی و دانشگاه دوک در آمریکا اعلام کرده اند که شنلی با قابلیت تطبیق با شکل جسم را ساخته اند، اما این تغییرات نمی تواند بیشتر از 10 میلی متر باشد.کاربردها: تجهیزات مخفی کننده، محاسبات نوری، محافظ فضاپیما در برابر حرارت مادون قرمز یا پرتوهای کیهانی و تصویر برداری پزشکی

8- کوپلیمر پلی یورتان (Polyurethane Block Copolymer)
ماده ای را در نظر بگیرید که می تواند گلوله ای با ضخامت 3 سانتی متر و سرعت 350 متر بر ثانیه را متوقف کند و هیچ ترک یا خراشی را روی سطح آن باقی نماند. این ماده در شیشه اتومبیل های حامل شخصیت های مهم یا تانک های نظامی می تواند مورد استفاده قرار گیرد. نام این ماده پلی یورتان است. توانایی این ماده در پر کردن شکاف محل ورود گلوله توسط پروفسور ند توماس، مهندس دانشگاه هوستون این چنین توضیح داده شده است: "هنگامی که گلوله با سرعت بالا به ماده برخورد می کند آن را ذوب می کند. این بخش نقش مهمی در توقف حرکت گلوله بازی می کند. سپس سوراخ ایجاد شده، بسته شده و فضای خالی را پر می کند." پروفسور توماس با بررسی ماده توسط میکروسکوپ الکترونی این مراحل را تحلیل کرده است. مانند شیشه های ضد گلوله، پلی یورتان می تواند برای محافظت از بدن انسان، فضاپیماها و ماهواره ها مورد استفاده قرار گیرد و زباله های فضایی و سایر پرتابه ها را چذب کرده و از آسیب زدن به فضا پیما یا ماهواره جلوگیری کند.کاربردها: محافظت از پره های توربین موتور جت، حفاظت از ماهواره ها، شیشه های ضد گلوله، زره های ضد گلوله

9- نانوذرات طلا (Gold Nanoparticles)
هنرمندان شیشه کار قرون وسطی نخستین متخصصان نانوتکنولوژی بودند. آن ها نسبت به دانشی که در ساخت شیشه ها به کار می بردند، بی اطلاع بودند، اما، روش آن ها منجر به حبس نانو ذرات طلا در شیشه می شد و به آن رنگ قرمز یاقوتی می داد. امروزه نانوذرات طلا در آزمایشات پزشکی برای تشخیص بیماری های خطرناک مورد استفاده قرار می گیرند. این آزمایش ها دقیق تر و حساس تر از آزمون های قبلی هستند. در مقیاس بسیار کوچک و در قلمرو نانوتکنولوژی، مواد می توانند خواص جدیدی پیدا کنند. اگر چه یک تکه طلا، رنگ طلایی دارد ولی اگر به ابعاد نانو متری برسد بسته به اندازه خوشه های طلا قادر به ایجاد رنگ های مختلف خواهند بود. محققان کالج سلطنتی لندن کاربرد مفیدی برای این مواد یافته اند. محلول تست HIV که آن ها تولید کرده اند حاوی یون های طلا است. اگر یک قطره سرم خون به داخل محلول ریخته شود مشخص می شود که آیا حاوی ویروس HIV است یا نه. اگر خون حاوی ویروس HIV باشد مقدار پراکسید هیدروژن در محلول کاهش پیدا کرده و خوشه های نامنظم نانومتری طلا ایجاد می شود و در نتیجه رنگ محلول آبی می شود. اگر ویروس HIV وجود نداشته باشد. سطح پراکسید هیدروژن بالا رفته و نانو ذرات کروی طلا ایجاد می شوند و رنگ قرمز ایجاد می کنند. این محلول بسیار حساس است و توانایی تشخیص آتوگرم یا تریلیونیوم گرم (10−18) پروتئین HIV را در یک میلی لیتر خون انسان داراست. رنگ ایجاد شده نیز چنان واضح است که با چشم غیر مسلح قابل تشخیص است. پروفسور مولی استیونز که سرپرستی این تحقیقات را در کالج سلطنتی لندن بر عهده دارد، می گوید: "تا کنون توانسته ایم که کارایی این سیستم را با نمونه های انسانی حاوی ویروس HIV اثبات کنیم. در گام بعدی این تکنولوژی نیاز دارد تا به صورت قابل حمل درآید و کار با آن برای کاربران آسان تر شود. این اتفاق در کمتر از 5 سال آینده رخ خواهد داد." این تست همچنین می تواند برای تشخیص سایر بیماری ها مانند مالاریا، سرطان پروستات و سل نیز مورد استفاده قرار گیرد.کاربردها: تشخیص HIV، سرطان پروستات، سل و مالاریا

10- فروفلوئیدها (FerroFluids)
فروفلوئیدها فلزات مایعی هستند که توانایی تغییر شکل دارند. این مواد حاوی ذرات میکروسکپی مگنتیت، هماتیت یا برخی دیگر از ترکیبات حاوی آهن هستند که در یک مایع پراکنده شده اند. فروفلوئیدها به شکل خزنده وارد زندگی روزمره شده اند. این مواد به عنوان عایق برای قطعات چرخنده داخل کامپیوتر مورد استفاده قرار می گیرند و از تخریب داده ها به وسیله خاک و آلودگی جلوگیری می کنند. اما نقشه های بزرگتری برای استفاده از این مواد وجود دارد. ناسا قصد دارد تا در سیستم های کنترل فضاپیما از آن ها استفاده کند و محققان کانادایی می گویند که با استفاده از این مواد می توان نسل آینده آینه های تلسکوپ را ساخت. یکی از بزرگترین پتانسیل های استفاده از این مواد در پزشکی است. محققان ویرجینیا تک در آمریکا روی درمان سرطان با فروفلوئیدهای حاوی نانوذرات اکسید آهن تحقیق می کنند. این مایع به وسیله آهنربا به سمت تومور هدایت می شود و سپس میدان مغناطیسی نوسانی اعمال می شود. این کار سبب می شود تا فروفلوئید ارتعاش پیدا کرده و تولید حرارت کند و در نتیجه سبب مرگ سلول های سرطانی می شود. سرپرست این تحقیقات می گوید: در درمان ایده آل دمای سلول های سرطانی را تا سی دقیقه افزایش می دهد، در حالی که دمای بافت ها سالم در حد مناسب باقی می ماند.کاربردها: کنترل فضا پیما، آینه های تلسکوپ، درمان سرطان