Тезисы из текста в личном блоге американского ученого-футуролога Питера Диамандиса.
Когда-то новые материалы помогли сделать смартфоны доступными для широких масс населения. Сейчас, в условиях распространения SARS-CoV-2, материаловеды проводят исследования в области биоматериалов и нанотехнологий, чтобы ускорить поиск решения этой глобальной проблемы. О том, какие события и разработки в этой области станут ключевыми для развития инноваций в мире, инженер рассказал в своей подборке.
Инициатива «Геном материала»
Концепция «Геном материала» реализуется в США с 2011 года в рамках инициативы «Materials genome initiative» (MGI). В России существует множество коллективов, применяющих отдельные методы, вошедшие в MGI.
Ускорение темпов инноваций важно для глобальной конкурентоспособности любой страны. С помощью искусственного интеллекта, который отобразил сотни миллионов возможных комбинаций элементов, в США создали огромную базу данных для экспериментов. Она позволяет ученым воспроизводить своего рода джазовую импровизацию с помощью периодической таблицы. Так они могут создавать и комбинировать новые элементы, работать быстрее — и в совершенно новых масштабах.
Крупнейшие открытия в области материаловедения
Новые инструменты помогли создать метаматериалы, используемые в композитах из углеродного волокна для разработки более легких транспортных средств, усовершенствованные сплавы — для более долговечных реактивных двигателей и биоматериалы — для замены суставов человека.
Мы также видим прорывы в области сохранения энергии и квантовых вычислений. В робототехнике новые материалы помогают нам выращивать искусственные мышцы, необходимые для создания гуманоидных роботов.
- Литий-ионные аккумуляторы
Такого рода аккумулятор, который сегодня питает все — от наших смартфонов до автономных автомобилей — был впервые разработан в 1970-х годах, но не мог полноценно выйти на рынок вплоть до 1990-х годов. Производство достаточного их количества для удовлетворения спроса было постоянной проблемой. Но компания Tesla шагнула навстречу этому вызову: одна из гигафабрик компании в штате Невада производит в год накопители энергии мощностью в 20 ГВт — впервые литий-ионные аккумуляторы производятся в таком масштабе.
Другие компании также быстро двигаются к этой цели: Renault строит домашний накопитель энергии на основе своих батарей Zoe, аккумуляторы BMW 500 i3 интегрируются в национальную энергетическую сеть Великобритании, а Toyota, Nissan и Audi объявили о собственных пилотных проектах.
Американский предприниматель Илон Маск предсказывает, что сотня подобных гигафабрик смогли бы удовлетворить энергетические потребности всего земного шара.
- Графен
Полученный из того же графита, что и обычные карандаши, графен представляет собой лист углерода толщиной всего в один атом. Он почти невесом, но в 200 раз прочнее стали. Этот суперматериал проводит электричество и рассеивает тепло быстрее, чем любое другое известное вещество.
Графен позволяет использовать сенсоры и высокопроизводительные транзисторы. Во многих гибких экранах устройств, 3D-принтерах, солнечных панелях и защитной ткани используется графен. Поскольку производственные затраты снижаются, этот материал способен ускорить прогресс во всех сферах.
- Перовскит
Сейчас «эффективность преобразования» солнечной панели (сколько «захваченного» солнечного света может быть превращено в электричество) составляет в среднем 16%. Светочувствительный минерал перовскит способен довести это значение до 66%, что удвоит возможности кремниевых панелей.
Технологии работы с перовскитом широко доступны и недороги. Что означают все эти факторы в совокупности? Доступная солнечная энергия для всех.
- Материалы нано-мира
Нанотехнологии — это та «точка» материаловедения, где манипуляции становятся наноформатными: это в миллион раз меньше, чем размер муравья, в 8 тыс. раз меньше, чем эритроцит, и в 2,5 раза меньше, чем нить ДНК. Наноботы — это машины, которые могут самовоспроизводиться и разобрать на части любой материал, атом за атомом, и использовать это «сырье» для создания чего угодно.
Прогресс в нано-мире был удивительно быстрым, и сейчас на рынке появилось множество нанопродуктов. Не хочется складывать одежду? Наноразмерные вплетения в ткани делают их немнущимися и стойкими к повреждениям. Не любите мыть окна? Не проблема! Нанопленки могут сделать окна самоочищающимися, «антибликовыми» и даже способными проводить электричество. Хотите пустить солнечную энергию в свой дом? Есть нанопокрытия, которые улавливают энергию солнца.
Наноматериалы позволяют делать более легкие автомобили, самолеты, бейсбольные биты, шлемы, велосипеды, электроинструменты — список можно продолжать долго.
Исследователи из Гарварда создали наноразмерный 3D-принтер, способный производить миниатюрные батареи шириной менее одного миллиметра. Ученые также используют нанотехнологии для создания умных контактных линз с разрешением в шесть раз большим, чем у современных смартфонов. Биоинженер из Гарварда недавно сохранил 700 терабайт данных в одном грамме ДНК.
Дальше — больше. Наноботы для транспортировки лекарств были бы особенно полезны в борьбе с раком. На экологическом фронте ученые могут извлекать углекислый газ из атмосферы и превращать его в сверхпрочные углеродные нановолокна для использования в производстве.
Если мы сможем масштабировать технологию в солнечной энергии, то система размером в 10% пустыни Сахара сможет снизить содержание CO2 в атмосфере до доиндустриального уровня примерно за десятилетие.
И напоследок
С помощью искусственного интеллекта и квантовых вычислений открытие новых материалов в течение следующего десятилетия ускорится в геометрической прогрессии.
При этом персонификация материалов станет обычным делом: будущие имплантаты коленного сустава будут подобраны персонально для точного удовлетворения потребностей каждого организма, как с точки зрения структуры, так и состава.
Наноразмерные материалы, хотя и невидимые невооруженным глазом, будут интегрироваться в нашу повседневную жизнь, плавно улучшая медицину, энергетику, смартфоны и многое другое.
В конечном счете путь к демонетизации и демократизации передовых технологий начинается с изменения материалов — невидимого активатора и катализатора. Наше будущее зависит от материалов, которые мы создаем.
Подписывайтесь на Telegram-канал РБК Тренды и будьте в курсе актуальных тенденций и прогнозов о будущем технологий, эко-номики, образования и инноваций.