Майбутнє виробництва залежить від ряду технічних проривів у робототехніці, сенсорах, обчислювальній техніці та багатьох інших галузях. Проте ніщо не вплине на власне процес виробництва і подальші властивості виробу більше, аніж матеріали, які використовуються при його створенні.

Спеціальний травневий репортаж у Scientific American «How to Make the Next Big Thing» охоплює деякі нові матеріали, над якими зараз працюють, щоб допомоги винахідникам і інженерам у створенні технологій нового покоління. До таких матеріалів входять суперізолюючі аерогелі для космічних костюмів, гнучке бетонне покриття для будівельних проектів та комплексні природні полімери, які прийдуть на зміну токсичному пластику.

Та ця лінійка новітніх матеріалів заледве помітна на тлі інших. Наприклад, виробники автомобілів розробляють пористі полімери і нові сталеві сплави, які будуть міцніші та легші за сталь і можливо дозволять робити автомобілі одночасно безпечнішими та вигіднішими у плані витрат палива. А підприємці, обізнані в екології, створюють пакувальні матеріали на основі грибків, аби мати біорозкладну альтернативу пінопласту.

Нижче висвітлено ці та деякі інші матеріали, якими колись зможуть скористатися виробники, щоб створювати багато речей із нашого щоденного вжитку.

Грибна піна:

 Цей матеріал називали вигідною, приязною до довкілля та високопродуктивною альтернативою до пінопласту. Компанія «Ecovative Design» виробляє свій пакувальний матеріал «Mushroom Packaging» із відходів сільськогосподарських культур — стебел рослин і оболонок рису та пшениці — поєднуючи їх із міцелієм грибів. Зараз компанія адаптує цей грибний матеріал, щоб створити біорозкладну альтернативу пластиковим пінам на нафтовій основі, що використовуються у бамперах автомобілів, дверях, дахах, відсіках двигунів, лайнерах, панелях і сидіннях. Також можливе використання у стільницях, дошках для серфінгу та одязі.

Електрочорнило:

 Магія квантової електроніки може породити дивні, проте корисні напівпровідники: ізолятори всередині і провідники зовні. Такий матеріал у товщі має ізолюючі властивості і блокує потік електронів, проте на поверхні матеріалу вони рухаються дуже добре, наче по металевому провіднику. Через це електрони можуть вільно пересуватися зі швидкістю, близькою до світової; їм не заважають домішки, які зазвичай перешкоджають руху електронів крізь матеріал. Безметалеві провідні чорнила зіграють свою роль у створенні друкованих електронних матеріалів, які використовуються у екранах, датчиках та акумуляторах. Наприклад, дослідники із Університету Іллінойс створили електрочорнило на основі срібла, яке після випаровування залишає електропровідний слід. Новий матеріал легше робити, аніж звичайні електронні чорнила, він не вимагає занадто багато ресурсів і його можна надрукувати за нижчої температури на звичайному настільному приладі.

Термоелектрика із надлишкової енергії:

 Вчені з Північнозахідного університету та Університету штату Мічиган представилитермоелектричний матеріал, що напрочуд ефективно конвертує надлишкове тепло у електроенергію. Це дуже добрі новини, якщо згадати, що понад дві третини усієї використовуваної енергії втрачається у вигляді надлишкового тепла. Неефективність сучасних термоелектричних матеріалів обмежує їх комерційне використання. Очікується, що рекордний екологічно стабільний склад зможе конвертувати від 15 до 20 відсотків надлишкового тепла у корисну електроенергію, що дозволить термоелектроніці отримати ширше використання у промисловості. Системи перетворення надлишкового тепла у електрику можна буде приєднати, наприклад, до вихлопних труб автомобіля, або ж вони могли би працювати від вихлопних потоків на заводах з виготовлення цегли і скла, нафтопереробних заводах, електростанціях на викопному паливі та великих транспортних кораблях і танкерах.

Покриття твердіше каменю:

 Інженери із національних лабораторій Окриджа та Лоренс Лівермор, Колорадської гірничої школи та інших установ розробили надзвичайно стійке, подібне до скла покриття на основі заліза. Воно призначене для промислових свердел, фрез та ножів, аби робити їх більш витривалими до поломки навіть при великих навантаженнях. Для нанесення покриття «NanoSHIELD Coatings» (абревіатура до Nano Super Hard Inexpensive Laser Deposited Coatings — супертверді недорогі лазерні депоновані нанопокриття) потрібно лише наплавити лазером спеціальний порошок на поверхню різака чи інших бурильних приладів. Вартість такого покриття набагато нижча за звичайні матеріали, наприклад вольфрам-карбід-кобальт, а довший термін служби підвищує ефективність процесу риття тунелів.

Дизайнерські нанокристали:

 Три хіміки із Університету Чикаго винайшли новий спосіб збирати те, що називають «дизайнерськими атомами» у новітні матеріали із широкими можливостями корисних властивостей та функцій. Такі дизайнерські атоми — це нанокристали, тобто масиви кристалів настільки маленькі, що на них починають виникати нові квантові феномени; у той же час вони настільки великі, що можуть стати «цеглинками» для нових функціональних матеріалів і субстанцій, які можуть бути корисними у збиранні сонячної енергії та у створенні квантового комп’ютера. На фотографії Ґреґ Енґель (Greg Engel), асоційований професор хімії вмикає фемтосекундну лазерну систему, яку використовують для роз’єднання зчеплень між нанокристалами.

Мегамагніти:

 Рідкоземельні матеріали життєво важливі у створенні вітрогенераторів, електрокарів та гібридних машин, а також побутової електроніки — оскільки вони мають надзвичайні магнітні властивості. Проте вони дуже дорого коштують і практично єдиним постачальником цих матеріалів є Китай. В електричних моторах магніти використовують для перетворення електроенергії у механічну, а спечені рідкоземельні магніти утворюють надзвичайно сильні магнітні поля за власного малого розміру, отже виробники можуть робити менші і легші мотори, каже корпорація «Electron Energy Corp.». Ця фірма та дослідники із Університету Делавар розробили виробничий процес, що підвищує електричний опір спечених рідкоземельних магнітів принаймні на 30 відсотків. Мета дослідників — створити магніти зі збільшеним електричним опором, що зменшить втрати ефективності мотору навіть коли мотор буде працювати на великій швидкості. Показані на фотографії кубики магнітів із нікельованого неодиму — один із найбільш ефективних і широко розповсюджених типів рідкоземельного магніту.

Дешевше і легше вуглецеве волокно:

 Для автомобілів майбутнього потрібні будуть міцні та легкі структури із вуглецевого волокна, щоб підвищити ефективність та дальність пробігу, проте для ринкового успіху вуглецеве волокно повинно бути недорогим. Консорціум національних лабораторій, промисловості та науковців із Дослідного центру технології вуглецевого волокна (Carbon Fiber Technology Facility) Національної лабораторії Окриджа працюють над подоланням перешкод на шляху створення дешевшого вуглецевого волокна. Міністерство енергетики США надало Окриджу грант на 35 мільйонів доларів для створення та роботи лабораторії, куди також включено дослідний завод, здатний виробляти до 25 тон нових матеріалів із вуглецевого волокна на рік. На фотографії зображено полімерну смолу, яка використовується для створення вуглецевого волокна.

Надтонка платина:

 Автомобілі на водневих паливних елементах стануть екологічно чистим транспортом майбутнього, проте вони залишаються доволі дорогими. Частково через те, що у них використовується дорогоцінний матеріал — платина — для кращого протікання хімічних реакцій, що утворюють електричний струм всередині паливного елементу. Внаслідок нового методу швидкого та дешевого нанесення надтонких шарів платини практичніше буде використовувати меншу кількість металу в каталізаторах паливних елементів, що значно знизить їх вартість. Сучасні методи утворення шарів платини товщиною в один атом — головним чином, осадження атомних шарів — повільна та складна справа. Новий підхід дешевий та простий, згідно заяв Національного інституту стандартів і технологій. У цьому методі розчинена платина відкладається одноатомним шаром внаслідок поперемінного застосування позитивного і негативного заряду. Повторюючи цю дію, можна швидко і легко створити шари будь-якої бажаної товщини. Тут показано отримане на скануючому тунельному мікроскопі зображення надтонкого шару платини, який утворився на золоті за п’ять секунд. Більш темні області — це оголена золота підкладка, на яку ще не нанесли платину.

Біопластик:

 Достатньо легкий щоб летіти; достатньо тонкий щоб бути гнучким і достатньо міцний, щоб захистити свого господаря. Таку речовину можна знайти у кутикулі комах — цей матеріал твердих екзоскелетів домашніх мух та коників захищає свого господаря, не додаючи ваги та об’єму. Дослідники із Інституту Вісса з біологічної інженерії Гарвардського університету розробили новий матеріал під назвою «шрилк» (Shrilk), що відтворює міцність, витривалість та універсальність кутикули комах. Шрилк отримав свою дивну назву через те, що складається з хітину, який переважно отримують із оболонок креветок (shrimp shells) та білків шовку (silk). З нього можна робити сміттєві пакети, упаковку та підгузки, які будуть швидко розкладатися. Цей матеріал надзвичайно міцний і біосумісний, тож його також можна використовувати як хірургічний шовний матеріал у місцях великого навантаження, наприклад при лікуванні грижі або як каркас для регенерації тканин.

 Джерело