Los nuevos materiales, también conocidos como materiales avanzados, se refieren a aquellos desarrollados recientemente o en desarrollo que exhiben un rendimiento superior en comparación con los materiales tradicionales.
Abarcan materiales recientemente desarrollados o en proceso de investigación, demostrando capacidades excepcionales que superan a los materiales convencionales.
La tecnología de nuevos materiales se diseña según la intención humana a través de una serie de procesos de investigación, que incluyen investigación física, diseño de materiales, procesamiento y evaluación experimental, todo con el objetivo de crear materiales innovadores que satisfagan una variedad de necesidades.
La esencia de los nuevos materiales.
- Uso de nuevos conceptos, métodos y tecnologías para sintetizar o preparar materiales de altas prestaciones o funciones especiales. Por ejemplo, la fibra de carbono representa un concepto completamente nuevo en nuevos materiales, producido mediante un proceso de carbonización especializado que utiliza fibras precursoras de poliacrilonitrilo.
- La remodelación de materiales tradicionales para mejorar significativamente su rendimiento, por ejemplo mediante nanomodificación y modificación de tierras raras. La modificación de plásticos de ingeniería es actualmente un área activa, con variedades cada vez mayores y rendimiento en mejora continua.
Posicionamiento estratégico de nuevos materiales.
Esto incluye posicionamiento funcional, posicionamiento direccional, posicionamiento técnico y posicionamiento de mercado:
- Posicionamiento funcional: Una industria estratégica fundamental y pilar, que forma la base y precursora de las industrias modernas de alta tecnología. Los avances en materiales podrían potencialmente desencadenar nuevas revoluciones industriales.
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Posicionamiento direccional: Centrado en el desarrollo de la economía nacional y las necesidades clave de ingeniería, avanzando materiales en áreas clave como nuevas energías, tecnología de la información de próxima generación, biomateriales, aeroespacial, vehículos de nuevas energías, transporte moderno y energía de protección ambiental que ahorra energía. Esto incluye nuevos materiales funcionales, materiales estructurales de alto rendimiento y materiales base de última generación. Nuevos materiales funcionales:
materiales funcionales de tierras raras, nuevos materiales de membranas, materiales cerámicos funcionales, materiales de iluminación semiconductores y nuevos materiales poliméricos funcionales. Materiales estructurales de alto rendimiento:
Aceros especiales de alta calidad, nuevas aleaciones, nuevos plásticos de ingeniería y materiales compuestos de alto rendimiento (como los compuestos de fibra de carbono). Materiales básicos de última generación:
Nanomateriales, materiales superconductores y materiales inteligentes. - Posicionamiento técnico: Desarrollo de materiales y tecnologías clave con derechos de propiedad intelectual independientes para mejorar las capacidades de autoinnovación, formando un sistema de innovación científica y tecnológica y una escala industrial para el desarrollo de la industria de nuevos materiales de China.
- Posicionamiento en el Mercado: Principalmente satisfacer las principales necesidades de la economía nacional y la construcción de la defensa nacional. Dirigido al mercado internacional de alta tecnología de vanguardia, caracterizado por un alto contenido técnico, alto valor agregado y alta relación costo-beneficio.
Tipos de nuevos materiales.
(1) Nuevos materiales compuestos
El uso de nuevos materiales compuestos se remonta a la antigüedad. Los ejemplos históricos incluyen la arcilla reforzada con paja y el centenario hormigón armado con acero, ambos compuestos de dos materiales diferentes. En la década de 1940, debido a las necesidades de la industria de la aviación, se desarrollaron plásticos reforzados con fibra de vidrio (comúnmente conocidos como fibra de vidrio), lo que marcó la llegada de los materiales compuestos. Desde la década de 1950 se han desarrollado fibras de alta resistencia y alto módulo, como las fibras de carbono, grafito y boro. En la década de 1970 aparecieron las fibras de aramida y carburo de silicio.
Estas fibras de alta resistencia y alto módulo se pueden combinar con matrices no metálicas como resinas sintéticas, carbono, grafito, cerámica, caucho o matrices metálicas como aluminio, magnesio y titanio para formar materiales compuestos únicos. Las fibras de polietileno de peso molecular ultraalto, conocidas por su excepcional fuerza y resistencia a los agentes químicos y al envejecimiento, también destacan en la transmisión de sonar de alta frecuencia y en la resistencia a la corrosión del agua de mar.
Estas fibras se utilizan en carenados de sonar de alta frecuencia para buques de guerra, lo que mejora las capacidades de detección y escaneo de minas. Además de las aplicaciones militares, tienen amplias perspectivas en la fabricación de automóviles, la construcción naval, los dispositivos médicos y los equipos deportivos. Su introducción ha atraído gran atención e importancia en los países desarrollados.
(2) Materiales superconductores
Algunos materiales exhiben resistencia eléctrica cero a una determinada temperatura crítica, un fenómeno conocido como superconductividad. Otra característica de los superconductores es su diamagnetismo: la incapacidad de las líneas de campo magnético para atravesar un superconductor cuando éste queda libre de resistencia. Por ejemplo, la resistencia eléctrica de metales comunes como el cobre disminuye con la temperatura y alcanza un cierto valor cercano a 0K.
En 1919, la científica holandesa Heike Kamerlingh Onnes descubrió que la resistencia del mercurio desaparece por completo a 4,2 K (-269 °C), lo que demuestra superconductividad y diamagnetismo. La temperatura crítica (TC) a la que la resistencia de un superconductor se vuelve cero es una característica fundamental. La investigación de materiales superconductores se centra en superar la "barrera de temperatura" para encontrar superconductores de alta temperatura.
Se han comercializado superconductores prácticos como NbTi y Nb3Sn, que han encontrado aplicaciones en imágenes por resonancia magnética nuclear (NMRI), imanes superconductores e imanes de aceleradores grandes. Los SQUID, como ejemplos de superconductores en aplicaciones eléctricas débiles, desempeñan un papel crucial en la detección de señales electromagnéticas débiles, cuya sensibilidad no tiene comparación con ningún dispositivo no superconductor.
Sin embargo, las bajas temperaturas críticas de los superconductores convencionales, que requieren complejos y costosos sistemas de helio líquido (4,2 K), han limitado significativamente sus aplicaciones. La llegada de los superconductores de óxido de alta temperatura ha roto esta barrera de temperatura, elevando la temperatura aplicable desde los niveles de helio líquido (4,2 K) a nitrógeno líquido (77 K). El nitrógeno líquido es un refrigerante más económico y con mayor capacidad calorífica que el helio líquido, lo que facilita mucho las aplicaciones de ingeniería.
Los superconductores de alta temperatura también tienen capacidades magnéticas considerables, capaces de generar campos magnéticos superiores a 20T. Las aplicaciones de los materiales superconductores incluyen la generación, transmisión y almacenamiento de energía. Los generadores superconductores con bobinas magnéticas pueden aumentar la intensidad del campo magnético a 50.000-60.000 Gauss casi sin pérdida de energía, mejorando la capacidad de una sola unidad entre 5 y 10 veces y la eficiencia en un 50% en comparación con los generadores convencionales.
Las líneas de transmisión y los transformadores superconductores pueden transmitir electricidad a los usuarios con pérdidas mínimas. Por ejemplo, alrededor del 15% de la energía eléctrica se pierde en líneas de transmisión de cobre o aluminio en China, por un total de más de 100 mil millones de kWh al año. Cambiar a la transmisión superconductora podría ahorrar suficiente electricidad para reemplazar la necesidad de docenas de grandes centrales eléctricas.
Los trenes maglev superconductores funcionan utilizando la propiedad diamagnética de los superconductores, que repelen las líneas del campo magnético, lo que permite que el superconductor levite sobre un imán permanente o un campo magnético. Este efecto maglev se utiliza en trenes maglev superconductores de alta velocidad, como el del Aeropuerto Internacional Pudong de Shanghai. En las computadoras superconductoras, la resistencia casi nula de los materiales superconductores permite circuitos densamente empaquetados en chips integrados sin sobrecalentamiento, lo que aumenta significativamente la velocidad de la computación.
(3) Materiales Energéticos
Los materiales energéticos incluyen materiales de células solares, materiales de almacenamiento de hidrógeno y materiales de pilas de combustible de óxido sólido. Los materiales de células solares, un nuevo material energético, han experimentado avances como las células solares compuestas multicapa de IBM, con eficiencias de conversión de hasta el 40%. El hidrógeno, una fuente de energía eficiente y libre de contaminación, enfrenta importantes desafíos en almacenamiento y transporte. Alrededor del 50% de la financiación para la investigación del hidrógeno del Departamento de Energía de EE.UU. se asigna a la tecnología de almacenamiento de hidrógeno.
El hidrógeno puede corroer los materiales, provocando fragilidad y fugas, además de suponer un riesgo de explosión durante el transporte. Los materiales de almacenamiento de hidrógeno pueden formar hidruros con hidrógeno, liberando hidrógeno al calentarse y recargándose al agotarse. Los materiales actuales para almacenar hidrógeno son principalmente compuestos metálicos como LaNi5H y Ti1.2Mn1.6H3. La investigación sobre pilas de combustible de óxido sólido está activa y se centra en materiales como membranas de electrolitos sólidos, materiales de cátodos celulares y membranas orgánicas de intercambio de protones para pilas de combustible de membranas de intercambio de protones.
(4) Materiales inteligentes
Los materiales inteligentes representan la cuarta generación de materiales, después de los polímeros naturales, los sintéticos y los materiales diseñados artificialmente. Son una dirección importante en el desarrollo de nuevos materiales modernos de alta tecnología. A nivel internacional se han logrado numerosos avances técnicos en materiales inteligentes. Por ejemplo, BAE Systems del Reino Unido ha desarrollado sensores de alambre para probar la tensión y la temperatura en los revestimientos de los aviones.
El Reino Unido también ha desarrollado una aleación con memoria de forma de respuesta rápida con una vida útil de un millón de ciclos y una alta potencia, útil en frenos con tiempos de respuesta de tan solo 10 minutos. Las aleaciones con memoria de forma se han aplicado con éxito en antenas de satélite, campos médicos y más. Otros materiales inteligentes incluyen materiales piezoeléctricos, materiales magnetoestrictivos, polímeros conductores, fluidos electrorreológicos y fluidos magnetorreológicos, que sirven como componentes impulsores en diversas aplicaciones.
(5) Materiales magnéticos
Los materiales magnéticos se clasifican en materiales magnéticos blandos y duros (permanentes).
(1) Materiales magnéticos blandos
Los materiales magnéticos blandos se magnetizan y desmagnetizan fácilmente, perdiendo su magnetismo cuando se elimina el campo magnético. Caracterizados por una alta permeabilidad magnética (μ=B/H), se magnetizan fácilmente a alta intensidad en campos magnéticos, pero retienen poco magnetismo residual cuando se elimina el campo.
Estos materiales se utilizan ampliamente en tecnología electrónica, particularmente en aplicaciones de alta frecuencia como núcleos magnéticos, cabezales y núcleos de memoria, y en ingeniería eléctrica para transformadores e interruptores de relé. Los materiales magnéticos blandos comunes incluyen aleaciones de hierro-silicio, aleaciones de hierro-níquel y metales amorfos. La aleación Fe-(3%-4%)Si, el material magnético blando más comúnmente utilizado, se utiliza en transformadores, motores y generadores de baja frecuencia.
Las aleaciones de hierro y níquel, como Permalloy (79%Ni-21%Fe), ofrecen mayor permeabilidad magnética y menores pérdidas que las aleaciones de hierro y silicio y se utilizan en telecomunicaciones, computadoras y sistemas de control. Los metales amorfos, que se diferencian de los metales típicos por su estructura no cristalina, se componen de Fe, Co, Ni y metaloides como B, Si.
Producidos enfriando rápidamente metal fundido para obtener una estructura atómica no cristalina, los metales amorfos exhiben excelentes propiedades magnéticas y se utilizan en transformadores, sensores magnéticos, cabezales de grabación y más de bajo consumo energético. Algunos metales amorfos también tienen una excelente resistencia a la corrosión, alta resistencia y buena tenacidad.
(2) Materiales magnéticos permanentes (materiales magnéticos duros)
Los materiales magnéticos permanentes conservan su magnetismo después de la magnetización, incluso cuando se elimina el campo magnético externo. Se caracterizan por un alto magnetismo residual y una alta coercitividad, lo que los hace adecuados para imanes permanentes utilizados en brújulas, instrumentos, micromotores, motores eléctricos, grabadoras, teléfonos, aplicaciones médicas y más. Los materiales magnéticos permanentes incluyen ferritas e imanes permanentes metálicos.
Las ferritas, ampliamente utilizadas por su gran volumen, amplia aplicación y bajo costo, tienen propiedades magnéticas moderadas y son adecuadas para aplicaciones generales de imanes permanentes. Los imanes permanentes metálicos comenzaron con acero con alto contenido de carbono, pero han evolucionado hacia materiales de mayor rendimiento, como las aleaciones Al-Ni-Co y Fe-Cr-Co; imanes de tierras raras, como las aleaciones anteriores de tierras raras y cobalto (Re-Co) (principalmente SmCo5 y Sm2Co17 fabricadas mediante pulvimetalurgia) e imanes de tierras raras de niobio, hierro y boro (Nb-Fe-B) ampliamente utilizados. Los imanes Nb-Fe-B no sólo ofrecen un rendimiento superior, sino que también carecen del escaso elemento cobalto, convirtiéndose rápidamente en representantes de los imanes permanentes de alto rendimiento, utilizados en altavoces de alto rendimiento, hidrómetros electrónicos, instrumentos de resonancia magnética nuclear, micromotores, arrancadores de automóviles y mucho más.
(6) Nanomateriales
La nanotecnología es un sistema integrado que combina alta tecnología y ciencia de vanguardia, involucrando fundamentalmente la comprensión y modificación de la naturaleza a nanoescala, manipulando y organizando directamente átomos y moléculas para crear nuevos materiales. La nanotecnología abarca siete áreas: física de nanosistemas, nanoquímica, ciencia de nanomateriales, nanobiología, nanoelectrónica, nanofabricación y nanomecánica.
Los nanomateriales, llamados así en la década de 1980, son materiales sólidos compuestos de nanopartículas de no más de 100 nanómetros de tamaño. La preparación y síntesis de nanomateriales sigue siendo un foco importante de investigación y, aunque se han logrado algunos avances en la síntesis de muestras, la producción a gran escala de muestras a granel sigue siendo un desafío, lo que hace que el estudio de la preparación de nanomateriales sea fundamental para su aplicación.
Los 20 mejores materiales nuevos
La industria de materiales es la industria básica de la economía nacional y los nuevos materiales son los precursores del desarrollo de la industria de materiales.
Grafeno, nanotubos de carbono, aleaciones amorfas, metales espumosos, líquidos iónicos… 20 nuevos materiales brindan oportunidades ilimitadas para el desarrollo de la industria de materiales.
Hoy en día, la revolución científica y tecnológica se está desarrollando rápidamente, cada día cambian nuevos productos materiales y se acelera el ritmo de la modernización industrial y la sustitución de materiales.
La tecnología de nuevos materiales está integrada con la nanotecnología, la biotecnología y la tecnología de la información.
La integración estructural y funcional y los materiales funcionales son cada vez más inteligentes.
Las características ecológicas de los materiales, bajas en carbono, verdes y reciclables, han llamado mucho la atención.
Basado en el progreso de la investigación de reconocidas instituciones y empresas de investigación nacionales y extranjeras, el análisis de los medios científicos y tecnológicos y la investigación de puntos críticos de la industria, este artículo seleccionó 20 nuevos materiales.
La siguiente es información detallada de los materiales relevantes (sin ningún orden en particular).
1. grafeno
Avance:
Conductividad eléctrica extraordinaria, resistividad extremadamente baja, velocidad de migración de electrones extremadamente baja y extremadamente rápida, resistencia decenas de veces mayor y excelente transmisión de luz sobre el acero.
Tendencia de desarrollo:
El Premio Nobel de Física de 2010 ha popularizado el grafeno en la tecnología y los mercados de capital en los últimos años.
En los próximos cinco años, el uso del grafeno crecerá explosivamente en las áreas de pantallas fotoeléctricas, semiconductores, pantallas táctiles, dispositivos electrónicos, baterías de almacenamiento de energía, pantallas, sensores, semiconductores, aeroespacial, militar, materiales compuestos y biomedicina.
Principales institutos de investigación (empresas):
Tecnologías de grafeno, materiales Angstron, Graphene Square, tecnología Forsman, etc.
2. aerogel
Avance:
Alta porosidad, baja densidad, peso ligero, baja conductividad térmica, excelentes propiedades de aislamiento térmico.
Tendencia de desarrollo:
Nuevos materiales con gran potencial.
Tienen un gran potencial en las áreas de conservación de energía y protección del medio ambiente, aislamiento térmico en electrodomésticos y construcción.
Principales institutos de investigación (empresas):
Fosman Technology, WR Grace, Fuji-Silysia, Japón, etc.
3. Nanotubos de carbono
Avance:
Alta conductividad eléctrica, alta conductividad térmica, alto módulo de elasticidad, alta resistencia a la tracción, etc.
Tendencia de desarrollo:
Electrodos para dispositivos funcionales, portadores de catalizadores, sensores, etc.
Principales institutos de investigación (empresas):
Unidym, Inc., Toray Industries, Inc., Bayer Materials Science AG, Mitsubishi Rayon Co., Ltd., Forsman Technology, Suzhou First Element, etc.
4. Fullerenos
Avance:
Con propiedades ópticas lineales y no lineales, superconductividad de fullereno de metales alcalinos, etc.
Tendencia de desarrollo:
El futuro tiene importantes perspectivas en las áreas de las ciencias de la vida, la medicina, la astrofísica, etc., y se espera que se utilice en dispositivos fotoeléctricos como convertidores ópticos, conversiones de señales y almacenamiento de datos.
Principales institutos de investigación (empresas):
Universidad Estatal de Michigan, nuevos materiales Xiamen Funa, etc.
5. Aleación amorfa
Avance:
Alta resistencia y tenacidad, excelente permeabilidad magnética y baja pérdida magnética, así como excelente flujo de líquido.
Tendencia de desarrollo:
Se puede utilizar en transformadores de alta frecuencia y bajas pérdidas, partes estructurales de equipos terminales móviles, etc.
Principales institutos de investigación (empresas):
Liquidmetal Technologies, Inc., Instituto de Investigación de Metales, Academia China de Ciencias, BYD, etc.
6. Espuma Metálica
Avance:
Peso ligero, baja densidad, alta porosidad y gran superficie específica.
Tendencia de desarrollo:
Tiene conductividad y puede reemplazar campos de aplicación donde los materiales inorgánicos no metálicos no pueden conducir electricidad.
Tiene un gran potencial en el área de aislamiento acústico y reducción de ruido.
Principales institutos de investigación (empresas):
Alcan (Aluminum Association, EE. UU.), Rio Tinto, Symat, Norwegian Hydro, etc.
7. Líquido iónico
Avance:
Con alta estabilidad térmica, amplio rango de temperatura del líquido, ácido y álcali ajustable, polaridad, capacidad de coordinación, etc.
Tendencia de desarrollo:
Tiene amplias perspectivas de aplicación en el campo de la industria química verde, así como en biología y catálisis.
Principales institutos de investigación (empresas):
Innovación en Solventes, BASF, Instituto de Física de Lanzhou, Academia de Ciencias de China, Universidad de Tongji, etc.
8. Nanocelulosa
Avance:
Tiene buena biocompatibilidad, capacidad de retención de agua y un amplio rango de estabilidad de pH.
También tiene una estructura de nanored y altas propiedades mecánicas.
Tendencia de desarrollo:
Tiene grandes perspectivas en biomedicina, mejorador, industria papelera, purificación, alimentos compuestos conductores e inorgánicos, así como compuestos magnéticos industriales.
Principales institutos de investigación (empresas):
Cellu Force (Canadá), Servicio Forestal de Estados Unidos, Innventia (Suecia), etc.
9. Namómetro Perocakita
Avance:
La perocakita namómetro tiene una resistencia magnética gigante, una alta conductividad iónica y desempeña un papel catalítico en la precipitación y reducción de oxígeno.
Tendencia de desarrollo:
En el futuro tendrá un enorme potencial en las áreas de catálisis, almacenamiento, sensores y absorción de luz.
Principales institutos de investigación (empresas):
Epry, AlfaAesar, etc.
10. Materiales de impresión 3D
Avance:
Cambiar los métodos tradicionales de procesamiento industrial puede lograr rápidamente la formación de estructuras complejas.
Tendencia de desarrollo:
El revolucionario método de moldeo tiene grandes perspectivas en el campo del moldeo de estructuras complejas y el moldeo de procesamiento rápido.
Principales institutos de investigación (empresas):
Objeto, 3DSystems, Stratasys, Huashu Hi-Tech, etc.
11. Vidrio flexible
Avance:
Cambia las características rígidas y quebradizas del vidrio tradicional y realiza la innovación revolucionaria de la flexibilidad del vidrio.
Tendencia de desarrollo:
Las perspectivas serán enormes en el campo de las futuras pantallas flexibles y dispositivos plegables.
Principales institutos de investigación (empresas):
Corning, Alemania SCHOTT, etc.
12. Materiales de autoensamblaje (autoreparación)
Avance:
El autoensamblaje de las moléculas del material permitirá realizar la “inteligencia” del propio material.
Cambiar el método de preparación del material anterior para lograr que el material forme una determinada forma y estructura de forma espontánea.
Tendencia de desarrollo:
Cambiar los métodos tradicionales de preparación y reparación de materiales tiene grandes perspectivas en las áreas de dispositivos moleculares, ingeniería de superficies y nanotecnología.
Principales institutos de investigación (empresas):
Universidad de Harvard, etcétera.
13. Plásticos biodegradables
Avance:
Los plásticos se pueden degradar de forma natural y las materias primas provienen de recursos renovables, lo que cambia la dependencia de los plásticos tradicionales de los recursos fósiles como el petróleo, el gas natural y el carbón, y también reduce la contaminación ambiental.
Tendencia de desarrollo:
Reemplazará a los plásticos tradicionales en el futuro y tiene grandes perspectivas.
Principales institutos de investigación (empresas):
Natureworks, Basf, Kaneka, etc.
14. Compuestos de titanio y carbono.
Avance:
Este tipo de material tiene alta resistencia, baja densidad y excelente resistencia a la corrosión.
Y también tiene perspectivas ilimitadas en el ámbito aeronáutico y civil.
Tendencia de desarrollo:
En el futuro, los materiales tendrán una amplia gama de aplicaciones potenciales en cuanto a peso ligero, alta resistencia y resistencia a la corrosión.
Principales institutos de investigación (empresas):
Instituto de Tecnología de Harbin.
15. Metamateriales
Avance:
Tiene propiedades físicas que los materiales convencionales no tienen, como permeabilidad negativa y permitividad negativa.
Tendencia de desarrollo:
Cambió el concepto tradicional de procesamiento según la naturaleza del material.
En el futuro, las características de los materiales podrán diseñarse según las necesidades, y el potencial será infinito y revolucionario.
Principales institutos de investigación (empresas):
Boeing, Kymeta, Instituto de Investigación Shenzhen Guangqi, etc.
16. Material superconductor
Avance:
En estado superconductor, el material tiene resistencia cero, no hay pérdida de corriente y exhibe propiedades antimagnéticas en un campo magnético.
Tendencia de desarrollo:
Si en el futuro se desarrolla la tecnología superconductora de alta temperatura, se espera que resuelva los problemas de pérdida de transmisión de energía, calentamiento de dispositivos electrónicos y nueva tecnología de suspensión magnética de transmisión ecológica.
Principales institutos de investigación (empresas):
Sumitomo Japón, Bruker Alemania, Academia China de Ciencias, etc.
17. Aleación con memoria de forma
Avance:
Después de la preformación, después de haber sido obligado a deformarse por condiciones externas, se procesa bajo ciertas condiciones y se restaura a su forma original para realizar el diseño y la aplicación de la deformación reversible del material.
Tendencia de desarrollo:
Tiene un gran potencial en tecnología espacial, equipos médicos, equipos mecanoelectrónicos y otros campos.
Principales institutos de investigación (empresas):
Youyan Nuevos materiales, etc.
18. Material magnetoestrictivo
Avance:
Bajo la acción del campo magnético, puede producir un rendimiento de estiramiento o compresión y realizar la interacción entre la deformación del material y el campo magnético.
Tendencia de desarrollo:
Se usa ampliamente en dispositivos estructurales inteligentes, dispositivos de absorción de impactos, estructuras de conversión de energía, motores de alta precisión y otros campos, y tiene un mejor rendimiento que la cerámica piezoeléctrica en algunas condiciones.
Principales institutos de investigación (empresas):
ETREMA, empresa estadounidense y británica de productos de tierras raras, empresa japonesa de metales ligeros Sumitomo, etc.
19. Materiales fluidos magnéticos (eléctricos)
Avance:
Estado líquido, que combina las propiedades magnéticas de los materiales magnéticos sólidos y la fluidez de los líquidos.
Tiene características y aplicaciones que los materiales magnéticos a granel tradicionales no tienen.
Tendencia de desarrollo:
Se utiliza en los campos del sellado magnético, refrigeración magnética, bomba de calor magnética, etc., y reemplaza la refrigeración sellada tradicional y otros métodos.
Principales institutos de investigación (empresas):
American ATA Applied Technology Corporation, Japón Panasonic, etc.
20. Gel de polímero inteligente
Avance:
Puede sentir y responder a cambios en el entorno circundante y tiene características de respuesta biológica similares.
Tendencia de desarrollo:
El ciclo de expansión-contracción del gel polimérico inteligente se puede utilizar para válvulas químicas, separación por adsorción, sensores y materiales con memoria.
La potencia proporcionada por el ciclo se utiliza para diseñar el “motor químico”.
La controlabilidad de la malla es adecuada para sistemas inteligentes de administración de fármacos, etc.
Principales institutos de investigación (empresas):
Universidades americanas y japonesas.
21. película holográfica
Introducción:
La película holográfica es una aplicación innovadora de la tecnología de hologramas. Se trata de una película de proyección patentada que, por primera vez a nivel internacional, permite ver las imágenes directamente desde delante y desde atrás, en múltiples ángulos, incluidos 360 grados, independientemente de las condiciones de iluminación.
La película holográfica proporciona visualizaciones aéreas dinámicas con imágenes nítidas y al mismo tiempo permite a los espectadores ver el fondo a través de la película. Se puede combinar con software interactivo para crear imágenes interactivas tridimensionales, sumergiendo al público en una experiencia espacial cautivadora.
Con ventajas incomparables como alta definición, resistencia a la luz brillante, propiedades ultrafinas y antienvejecimiento, está preparado para convertirse en uno de los materiales más prometedores del futuro.
Futuras tendencias:
Dada su capacidad para proporcionar visualizaciones aéreas dinámicas e imágenes nítidas, al mismo tiempo que permite al público ver el fondo e interactuar con imágenes tridimensionales, la película holográfica presenta numerosos beneficios incomparables. Está a la vanguardia de la innovación material, con el objetivo de atraer más investigación científica.
Las predicciones sobre las tendencias futuras en el desarrollo de películas holográficas incluyen dos aspectos principales:
En primer lugar, componentes nanoópticos a nivel molecular, centrados en el cristal de filtro de color holográfico (HCFC) e integrando la nanotecnología con un enfoque multidisciplinario que combina la ciencia de los materiales, la óptica y la ciencia de los polímeros.
En segundo lugar, la película contará con estructuras ópticas de precisión avanzada en su diseño liviano, lo que garantizará imágenes de alta definición y alto brillo.
La claridad excepcional del material y su diseño elegante y minimalista contribuyen a su uso en dispositivos electrónicos y películas ópticas. El desarrollo de la tecnología de películas holográficas es un foco de atención para muchos países y, sin exagerar, resume el futuro. Cualquier nación que domine y utilice esta tecnología primero abrirá el camino hacia la era tecnológica avanzada.
22. Hidrógeno metálico
Introducción:
El hidrógeno metálico es un estado conductor de hidrógeno líquido o sólido formado bajo presiones de millones de atmósferas. Su conductividad eléctrica es similar a la de los metales, de ahí el nombre de hidrógeno metálico. Como material de almacenamiento de alta densidad y alta energía, se predijo anteriormente que el hidrógeno metálico sería un superconductor a temperatura ambiente.
Contiene una enorme cantidad de energía, entre 30 y 40 veces mayor que la de los explosivos TNT convencionales. El 26 de enero de 2017, la revista Science informó que el laboratorio de la Universidad de Harvard había creado con éxito hidrógeno metálico. Sin embargo, el 22 de febrero de 2017, debido a un error de manejo, la única muestra de hidrógeno metálico del mundo desapareció.
En teoría, es ciertamente posible obtener hidrógeno metálico a una presión extremadamente alta, pero se necesita más investigación antes de que los científicos puedan adquirir muestras. La mayoría de los superconductores conocidos requieren refrigeración con helio líquido (-269°C) o nitrógeno líquido (-196°C), lo que limita el desarrollo de la tecnología superconductora.
A diferencia de los químicos, los astrónomos se refieren a todos los elementos excepto al hidrógeno y al helio como metales. En condiciones de alta temperatura y alta presión, el hidrógeno gaseoso también puede convertirse en hidrógeno metálico conductor.
Por ejemplo, la capa exterior de Júpiter consta de 1.000 kilómetros de hidrógeno molecular gaseoso, debajo de la cual se encuentra una capa de 24.000 kilómetros de hidrógeno molecular líquido, seguida de una capa de 45.000 kilómetros de hidrógeno metálico líquido.
En 1936, el científico estadounidense Wigner calculó por primera vez la presión a la que el hidrógeno se transforma en metal, sugiriendo que la presión crítica para esta transformación oscilaba entre uno y diez millones de atmósferas.
Tendencias de desarrollo futuras:
La temperatura crítica superconductora del hidrógeno metálico, que es la temperatura máxima a la que exhibe superconductividad, oscila entre -223 °C y -73 °C. Podría utilizarse potencialmente a temperaturas cercanas a las del dióxido de carbono sólido (-78,45°C), lo que haría avanzar significativamente la tecnología superconductora.
Dado que el hidrógeno metálico es un material de alta densidad, usarlo como combustible reduciría en gran medida el tamaño y el peso de los cohetes, lo que supondría un salto monumental en la exploración espacial. La llegada del hidrógeno metálico, similar al nacimiento de la máquina de vapor, desencadenará una era revolucionaria en el campo de la ciencia y la tecnología.
El hidrógeno metálico existe en un estado metaestable y podría usarse para crear "jaulas magnéticas" para confinar el plasma que contiene el gas ionizado hirviendo. Las reacciones de fusión nuclear controladas convertirían la energía nuclear en energía eléctrica, ofreciendo una fuente de energía barata y limpia. Esta energía permitiría la construcción de “fábricas que imitan al sol” en la Tierra, lo que en última instancia resolvería la crisis energética de la humanidad.
23. supersólido
Descripción general: un supersólido es en realidad similar a un superfluido, y denota una sustancia sólida que posee propiedades de superfluido, combinando esencialmente las características de "superfluido + sólido". En términos simples, un supersólido no sólo mantiene la disposición atómica ordenada típica de un estado cristalino, sino que también fluye sin fricción, como un superfluido.
A temperaturas extremadamente bajas, los agujeros dentro de la estructura cristalina de un supersólido pueden agruparse y fluir libremente por todo el material. Si un objeto sólido se coloca dentro de los espacios en un lado del supersólido, pasará a través del supersólido con estos espacios, moviéndose tan libremente como si estuviera atravesando paredes.
Tendencias futuras: este nuevo estado de la materia sólo puede existir en condiciones de frío extremo y vacío ultraalto, lo que indica que por ahora no podemos aplicarlo ampliamente. Sin embargo, una comprensión más profunda de este estado aparentemente paradójico de la materia podría mejorar nuestra comprensión de las propiedades de los superfluidos y superconductores, lo que haría avanzar significativamente industrias como los imanes superconductores, los sensores superconductores y la transmisión de energía.
En el futuro, las vacantes en un supersólido se convertirán en entidades coherentes que podrán moverse libremente dentro del sólido restante, similar a un superfluido. El condensado de Bose-Einstein es un estado peculiar de la materia que se produce a temperaturas ultrafrías, donde las propiedades cuánticas de los átomos se vuelven extremadamente pronunciadas y exhiben un comportamiento ondulatorio significativo.
24. Esponja de madera
Visión general:
La esponja de madera, creada mediante el tratamiento químico de la madera para eliminar la hemicelulosa y la lignina, es excelente para absorber aceites del agua. Puede absorber hasta 16-46 veces su propio peso en aceite y puede reutilizarse hasta 10 veces. Esta innovadora esponja supera a todas las demás esponjas y almohadillas que se utilizan actualmente en términos de capacidad, calidad y reutilización.
Desarrollo futuro:
Los derrames de petróleo y productos químicos han causado daños sin precedentes a masas de agua en todo el mundo. Como solución ecológica para la limpieza de los océanos, la esponja de madera presenta un medio eficaz para solucionar este problema.
25. Cristales del tiempo
Visión general:
Los cristales de tiempo, también conocidos como cristales de espacio-tiempo, son cristales de cuatro dimensiones que exhiben estructuras periódicas tanto en el espacio como en el tiempo. Normalmente, encontramos tres estados fundamentales de la materia: sólido, líquido y gaseoso.
Sin embargo, a medida que avanzó la ciencia, el concepto de estados de la materia se amplió para incluir plasma, condensados de Bose-Einstein, fluidos supercríticos y más. Los cristales de tiempo representan un nuevo estado de la materia y una fase de desequilibrio que rompe la simetría traslacional temporal.
El concepto de cristales de tiempo fue propuesto por primera vez por el premio Nobel Frank Wilczek en 2012. Estamos familiarizados con los cristales tridimensionales, como el hielo y los diamantes, estructuras geométricamente simétricas creadas por la disposición periódica de partículas microscópicas en el espacio.
Mientras enseñaba a sus alumnos, Wilczek se preguntaba si el concepto de cristales tridimensionales podría extenderse al reino tetradimensional del espacio-tiempo, permitiendo que la materia exhibiera disposiciones periódicas a lo largo del tiempo.
En otras palabras, los cristales de tiempo cambian de estado en diferentes momentos y estos cambios son cíclicos. Por ejemplo, un cristal de tiempo podría ser azúcar un segundo, azúcar moreno al siguiente y luego volver a azúcar el tercer segundo.
Futuras tendencias:
En septiembre de 2021, cuatro científicos teóricos (Norman Yao, Vedika Khemani, Dominic Else y Masaki Watanabe) recibieron conjuntamente el “Premio a la Innovación en Física Fundamental”, lo que supone un reconocimiento más amplio para el nuevo campo de los cristales de tiempo discreto.
A finales de 2021, el experimento de cristales de tiempo discreto dirigido por el equipo de computación cuántica de Google fue nombrado uno de los principales avances en física del año por la Sociedad Estadounidense de Física (APS) Physics y el Instituto de Física (IOP) Physics World.
La investigación sobre cristales de tiempo discreto ha revolucionado nuestra comprensión de los sistemas impulsados periódicamente, la localización de muchos cuerpos, la pretermalización y los procesos de termalización cuántica. También animó a un amplio abanico de investigadores de diferentes áreas a profundizar en este ámbito.
La evolución de los cristales de tiempo discreto muestra que la exploración científica suele ser un desafío y requiere refutaciones y debates académicos rigurosos. En el ámbito del descubrimiento científico, los errores reveladores son más valiosos que las verdades mediocres porque pueden albergar nuevas ideas.
Los cristales de tiempo se han beneficiado de los rápidos avances en la tecnología de computación cuántica, que han permitido su rápido desarrollo en lugar de su oscuridad.
26. Material sigiloso cuántico
Introducción:
La empresa canadiense de biotecnología Hyperstealth Biotechnology ha desarrollado un material avanzado conocido como “Quantum Stealth” (Tejido Invisible). Esta tela, denominada “camuflaje Quantum Stealth”, logra la invisibilidad al doblar ondas de luz.
Futuras tendencias:
Este material podría usarse para crear capas de invisibilidad, ayudando a los soldados en el campo de batalla a llevar a cabo misiones altamente desafiantes mediante la ocultación. El director general de la empresa, Guy Cramer, afirmó: “El material 'Quantum Stealth' no sólo puede ayudar a las fuerzas especiales a llevar a cabo ataques durante el día, sino que también puede facilitar que un soldado escape cuando se encuentre con un peligro inesperado.
Además, este material promete aplicarse a la próxima generación de aviones, submarinos y tanques furtivos, permitiéndoles alcanzar una verdadera invisibilidad y permitir que las tropas ataquen al enemigo sin ser vistas”.
27. Material eterno que no se seca
Descripción general: Este material, compuesto de polímeros y agua, es conductor y permanece perpetuamente húmedo.
Perspectivas de futuro: En el futuro, este material tiene potencial para usarse para crear piel artificial y robots flexibles con capacidades biomiméticas.
28. Dicalcogenuros de metales de transición
Introducción:
Los dicalcogenuros de metales de transición (TMDC) tienen una estructura bidimensional simple y son materiales súper innovadores, a la par del grafeno. Por lo general, están compuestos por un elemento de metal de transición M (como molibdeno, tungsteno, niobio, renio, titanio, etc.) y un elemento calcógeno X (como azufre, selenio, telurio, etc.).
Debido a su costo relativamente bajo y su facilidad de fabricación en capas extremadamente delgadas y estables, junto con sus propiedades semiconductoras, los TMDC se han convertido en materiales ideales en el campo de la optoelectrónica.
Tendencias de desarrollo futuras:
Si se inyectan electrones y huecos en los TMDC, se recombinarán cuando se encuentren y luego emitirán fotones. Esta capacidad de conversión fotónica-electrónica es prometedora para los TMDC en el dominio de la transmisión de información óptica, donde podrían servir como fuentes de luz o láseres en miniatura de baja potencia.
Los TMDC también se pueden combinar con varios materiales bidimensionales para crear heterouniones con problemas mínimos de desajuste de la red. Se espera que estos dispositivos fotónicos de heterounión demuestren un rendimiento superior en un rango espectral más amplio.
29. Materiales criogénicos en ebullición
Visión general:
Los materiales en ebullición criogénica son sustancias que se comportan de manera opuesta a los materiales en ebullición térmica, cambiando de sólidos a líquidos y gaseosos a medida que la temperatura disminuye. Estos materiales permanecen sólidos en ambientes y temperaturas altas, aumentando su resistencia a medida que aumenta la temperatura, pudiendo soportar temperaturas superiores a los 10.000 grados centígrados.
Se licuan a -121°C y se convierten en gas a -270°C. Los materiales criogénicos en ebullición se consideran supermateriales. En comparación con los materiales superconductores y resistentes a altas temperaturas más avanzados actualmente en desarrollo, exhiben una resistencia y superconductividad superiores a las altas temperaturas.
Cuando se dopan con materiales de ebullición térmica inertes, se puede mejorar la resistencia a bajas y temperaturas ultrabajas de los materiales de ebullición criogénicos, proporcionando una resistencia excepcional en un rango de temperaturas más amplio.
Los materiales metálicos criogénicos exhiben propiedades superconductoras a temperatura ambiente, lo que elimina la necesidad de entornos de baja temperatura y alto costo. Por lo tanto, tienen un inmenso potencial para la investigación y las aplicaciones prácticas.
Tendencias de desarrollo futuras:
Los analistas de la industria sugieren que los materiales criogénicos en ebullición podrían usarse ampliamente en la industria aeroespacial, supermáquinas y dispositivos electrónicos. Por ejemplo, en la industria aeroespacial, estos materiales podrían usarse para fabricar motores de mayor rendimiento y carcasas de naves espaciales.
Son ideales para naves espaciales que viajan a una tercera velocidad cósmica o superior, donde los componentes deben mantener una dureza ultraalta bajo temperaturas extremas generadas por viajes a alta velocidad y aún funcionar eficazmente en las condiciones frías y ultrafrías del espacio.
La ebullición de materiales criogénicos podría impulsar una revolución tecnológica en la industria aeroespacial. Sin embargo, su síntesis o extracción de la Luna presenta importantes desafíos y queda un largo camino por recorrer antes de que estos materiales puedan aplicarse.
30. Fluidos magnetorreológicos
Introducción:
Los fluidos magnetorreológicos, también conocidos como fluidos magnéticos, ferrofluidos o simplemente magfluidos, representan una clase innovadora de materiales funcionales que combinan la fluidez de los líquidos con las propiedades magnéticas de los imanes sólidos. Compuestos por partículas sólidas magnéticas a escala nanométrica, líquidos portadores y tensioactivos, estos líquidos coloidales estables no exhiben atracción magnética en reposo.
Sin embargo, exhiben propiedades magnéticas cuando se exponen a un campo magnético externo. Estas características únicas han llevado a su amplia aplicación y su importante valor académico.
Los fluidos magnetorreológicos producidos a partir de polvos nanometálicos y de aleaciones demuestran un rendimiento superior y se utilizan ampliamente en entornos exigentes para sellos de fluidos magnéticos, sistemas de amortiguación, dispositivos médicos, modulación de sonido, pantallas ópticas y procesos de separación magnetorreológica.
Futuras tendencias:
En los últimos años, hemos visto numerosos avances científicos en la aplicación de materiales magnetorreológicos en nuevas fronteras como la aeroespacial, la defensa, la atención sanitaria y el transporte. A medida que avanza la tecnología, estas aplicaciones se expanden y la demanda de conocimientos científicos y técnicos relacionados aumenta constantemente.
Reconocidos como uno de los materiales con mayor potencial de desarrollo futuro, los fluidos magnetorreológicos han atraído la atención internacional.
Aunque China entró en el campo de la investigación magnetorreológica más tarde que otros, está ganando impulso rápidamente. Con la disminución gradual del monopolio sobre tecnologías de aplicación de vanguardia que alguna vez tuvieron países desarrollados como el Reino Unido y los EE. UU., se espera que la competencia en la investigación de materiales magnetorreológicos se intensifique en los próximos años.
31. Material de revestimiento sólido
Introducción:
Este material de recubrimiento es una aleación vítrea a base de hierro diseñada específicamente para taladros industriales y herramientas de mandrinado, que ofrece una mayor resistencia a la fractura bajo cargas pesadas. Es significativamente más económico que los materiales convencionales como el carburo de tungsteno duro y las aleaciones de cobalto, y también aumenta la eficiencia de la construcción de túneles debido a su vida útil prolongada.
Futuras tendencias:
Este material tiene aplicaciones potenciales en industrias como la manufactura y la construcción en el futuro.
32. Nanopuntos de perovskita
Visión general:
Los nanopuntos de perovskita, conocidos por su colosal magnetorresistencia, alta conductividad iónica, propiedades electrocatalíticas y actividad redox, tienen un gran potencial para aplicaciones en absorción, almacenamiento, catálisis y detección de luz.
Las perovskitas son materiales estructurales cristalinos y representan una nueva clase de materiales funcionales. Actualmente, sus problemas de estabilidad constituyen una barrera importante al desarrollo. Sin embargo, la investigación sobre nuevas estructuras de perovskita está avanzando, atrayendo considerable atención a los nanopuntos de perovskita.
Futuras tendencias:
Según el “Informe de investigación sobre el estado de desarrollo del mercado de nanopuntos de perovskita de China y el pronóstico de la industria” publicado por Market Research Network, un equipo de la Universidad Tecnológica de Queensland (QUT) en Australia, está integrando nanopuntos de perovskita, hechos de cabello humano, en energía solar. células. .
Estos nanopuntos forman una capa protectora en la superficie de la perovskita, protegiendo el material de diversos factores externos, mejorando su estabilidad y aumentando la eficiencia de conversión fotovoltaica. Esto también puede reducir los costos de producción.
Estos avances son cruciales para el desarrollo a gran escala de células solares de perovskita, lo que indica un futuro prometedor para los nanopuntos de perovskita.
33. Microrred de metales
Introducción:
Los metales de microred se construyen a partir de pequeños tubos huecos interconectados para formar una estructura, con cada tubo con un diámetro de aproximadamente 100 micrómetros y un espesor de pared de sólo 100 nanómetros. Debido a su naturaleza hueca, el interior del metal está compuesto en un 99,99% por aire.
Este metal está hecho principalmente de aire ligero, lo que le permite descansar sobre un diente de león o flotar en el suelo como una pluma en altura. Muchos pueden cuestionar la resistencia de un metal tan ligero, sospechando que es extremadamente frágil. Sin embargo, éste no es el caso. Los metales microreticulados son excepcionalmente fuertes y tienen un alto nivel de resistencia a la compresión.
Tendencias de desarrollo futuras:
Como electrodos de batería y portadores de catalizadores, se espera que los metales microentrecruzados revolucionen el futuro de la fabricación de aviación y naves espaciales. Prometen reducir la masa de los vehículos de exploración del espacio profundo de la NASA en un 40%, lo cual es crucial para futuras misiones a Marte y más allá.
34. Las ciudades
Visión general:
El staneno, también conocido como una sola capa de átomos de estaño, presenta una estructura de panal bidimensional similar al grafeno, lo que lo convierte en un nuevo material cuántico. Su estructura cristalina se basa en alfa-estaño similar al diamante y, debido a su configuración sin capas, no puede producirse mediante exfoliación mecánica, lo que genera barreras tecnológicas de producción extremadamente altas.
En comparación con otros materiales bidimensionales como el grafeno, el siliceno y el germaneno, el estaneno tiene enlaces más largos y una conductividad eléctrica superior y está preparado para convertirse en el primer supermaterial del mundo capaz de alcanzar una conductividad eléctrica del 100,0 % a temperatura ambiente.
Futuras tendencias:
Los analistas de la industria indican que, como material bidimensional emergente, el estaneno tiene una amplia perspectiva de aplicación. Con la innovación continua y los avances en la tecnología de investigación y desarrollo, se espera que la gama de aplicaciones de estaneno se amplíe y es probable que la industria logre un desarrollo comercial.
Las barreras técnicas en la industria del estaneno son altas y, en los últimos años, numerosos equipos de investigación chinos han logrado avances significativos en el estudio de los materiales de estaneno, lo que ha impactado positivamente el crecimiento de la industria.
35. Superpegamento molecular
Visión general:
El superpegamento molecular es un adhesivo descubierto en 2013 por Mark Howarth y su equipo de investigación en el Departamento de Bioquímica de la Universidad de Oxford, derivado de proteínas liberadas por la bacteria Streptococcus pyogenes durante la invasión celular.
Inspirado en las proteínas emitidas por Streptococcus pyogenes, el adhesivo se compone de dos componentes proteicos que pueden separarse, pero volverse a conectar como pegamento al contacto. Conocido como superpegamento molecular, este adhesivo presenta una alta fuerza de adhesión, una excelente tolerancia a temperaturas extremas y resistencia en ambientes ácidos y otros ambientes agresivos.
Perspectivas futuras:
De cara al futuro, este material tiene posibles aplicaciones en el diagnóstico del cáncer; El superpegamento molecular puede adherirse a metales, plásticos y otras sustancias diversas, superando el problema común de la mala adhesión entre los recubrimientos convencionales y los metales.
36. Metamateriales
Introducción:
Los metamateriales, un término que surgió en el siglo XXI, se refieren a materiales o estructuras compuestos especiales que tienen propiedades físicas extraordinarias que no se encuentran en los materiales convencionales. Esto se logra mediante un diseño estructural ordenado de importantes dimensiones físicas.
Los metamateriales se cruzan con numerosas disciplinas como la física, la química, la optoelectrónica, la ciencia de los materiales, la ciencia de los semiconductores y la fabricación de equipos, lo que los posiciona a la vanguardia de la investigación global con importancia estratégica.
La prestigiosa revista Science catalogó a los metamateriales como uno de los diez principales avances científicos de la primera década de este siglo, mientras que la revista Materials Today también los aclamó como uno de los diez avances más significativos en ciencia de materiales de los últimos cincuenta años.
Futuras tendencias:
Los metamateriales están a punto de convertirse en un nuevo material con un potencial ilimitado. Sin embargo, todavía están a cierta distancia de una verdadera industrialización a gran escala y aún quedan muchos desafíos por superar. Estos desafíos guiarán la investigación general sobre metamateriales, lo que potencialmente conducirá a nuevos avances tecnológicos y logros en este campo.
37. Metales cuánticos
Visión general:
El cuanto es un concepto esencial en la física moderna y representa la unidad fundamental más pequeña de materia y energía. El metal cuántico es un metal compuesto por las unidades de partículas más pequeñas y es un material bidimensional único. Tiene características de los metales comunes, además de propiedades aislantes y superconductoras.
Bajo campos magnéticos moderados, se comporta como un metal cuántico, se convierte en un aislante bajo campos magnéticos fuertes y se convierte en un superconductor por debajo de -272°C. Esto demuestra el potencial para la investigación de los estados bidimensionales de los metales cuánticos.
Futuras tendencias:
Los analistas de la industria indican que la superconductividad es una dirección importante para la investigación de metales cuánticos. Los superconductores, que presentan una resistencia eléctrica nula por debajo de su temperatura crítica, pueden transmitir electricidad sin pérdidas y tienen amplias aplicaciones en electrónica, telecomunicaciones, energía, transporte, medicina, industrias nucleares, aeroespacial y más.
En 2021, el mercado mundial de superconductores estaba valorado en aproximadamente 7.600 millones de dólares y sigue creciendo. Los superconductores se pueden clasificar en superconductores de baja y alta temperatura, manteniendo los primeros una posición dominante y un fuerte impulso de desarrollo. El metal cuántico, como tipo de superconductor de baja temperatura, tiene un valor sustancial en la investigación y aplicación.
38. Grafeno de boro
Introducción:
El grafeno de boro, un material bidimensional, es una estructura atómica plana de una sola capa similar al grafeno, compuesta por el elemento boro. Esta fina película tiene sólo un átomo de espesor.
Se predice que el grafeno de boro sintetizado artificialmente tendrá una variedad de estructuras, poseerá propiedades únicas y exhibirá muchas características metálicas, particularmente propiedades electrónicas excepcionales. Representa una nueva clase de materiales bidimensionales.
Futuras tendencias:
Los analistas de la industria sugieren que para impulsar los avances tecnológicos en la industria, existe un alto nivel de interés en la investigación y aplicación de nuevos materiales en el mercado global.
La inversión gubernamental y de capital en la investigación de nuevos materiales aumenta continuamente y se desarrollan y comercializan nuevos materiales de alto rendimiento a un ritmo acelerado. Como nuevo material bidimensional, el grafeno de boro tiene excelentes propiedades electrónicas y un enorme potencial de crecimiento en industrias como la electrónica y la energía.
A corto plazo, su mercado de aplicaciones aún no se ha formado ya que todavía se encuentra en fase de investigación. Sin embargo, a largo plazo, en comparación con el grafeno, tiene un importante potencial de mercado.
39. Cemento programable
Visión general:
El cemento programable, al gestionar la microestructura de las partículas de cemento, programa estas partículas para formar hormigones especializados con alta densidad y baja porosidad. Esto aumenta la resistencia, impermeabilización y resistencia a la corrosión del hormigón.
El cemento programable es un tipo de cemento innovador y de alta tecnología. No sólo tiene un mejor rendimiento general, sino que también reduce significativamente el daño ambiental durante la producción y aplicación.
Tendencias de desarrollo futuras:
Los analistas de la industria indican que China actualmente tiene menos participación en la investigación del cemento programable en comparación con Estados Unidos. Sin embargo, mientras el país aspira a pasar de ser un gigante manufacturero a una potencia industrial y lograr la neutralidad de carbono y los objetivos de desarrollo sostenible, el gobierno chino está promoviendo activamente la investigación de nuevos materiales de alto rendimiento y respetuosos con el medio ambiente.
En el futuro, se espera que la inversión en la investigación de nuevos materiales de construcción en China aumente de manera constante y que aumenten los resultados en la investigación de cemento programable.
40. Platino ultrafino
Visión general:
Ultra-Thin Platinum es un nuevo método para depositar películas delgadas de platino de forma rápida y económica, lo que reduce significativamente la cantidad de metal necesaria para los catalizadores de pilas de combustible y, por lo tanto, reduce en gran medida su costo.
Perspectiva del futuro:
Este material podría emplearse en campos como el de las pilas de combustible de hidrógeno en el futuro.
41. Aleaciones de platino.
Visión general:
Las aleaciones de platino están compuestas de platino mezclado con otros metales como paladio, rodio, itrio, rutenio, cobalto, osmio y cobre. Como materiales funcionales se utilizan en la medición de temperatura, como catalizadores, para contactos eléctricos, materiales para electrodos, materiales elásticos y materiales magnetohidrodinámicos.
Las aleaciones de platino para medición de temperatura presentan alta estabilidad termoeléctrica y precisión a altas temperaturas, involucrando principalmente sistemas platino-rodio, platino-molibdeno y platino-cobalto. Las aleaciones de platino y rodio tienen una excelente resistencia a la oxidación a altas temperaturas y estabilidad química.
Los termopares de aleación de platino-molibdeno se utilizan para mediciones de alta temperatura en vacío o atmósferas inertes y campos nucleares. Las aleaciones de platino y cobalto, utilizadas en termómetros de resistencia, funcionan con alta precisión y sensibilidad por encima de 20K.
Los catalizadores de aleación de platino son el único material utilizado en el proceso de oxidación de amoníaco para la producción de ácido nítrico y consisten principalmente en mallas de aleación de platino-rodio o platino-rodio-paladio.
Futuras tendencias:
Las aleaciones de platino tienen una amplia gama de aplicaciones en materiales de deformación a alta temperatura, materiales de bobinado de potenciómetros de precisión, materiales médicos, joyas y monedas, con un importante potencial para el desarrollo futuro.
42. Materiales autocurativos
Visión general:
Los materiales autorreparables, como su nombre indica, son capaces de reparar daños automáticamente sin necesidad de una intervención importante. Esta propiedad no sólo alarga la vida útil de los artículos, sino que también garantiza su seguridad e integridad, al tiempo que reduce los costes de mantenimiento.
La investigación sobre materiales autorreparantes comenzó en la década de 1990 en el ámbito del hormigón arquitectónico. Sin embargo, no fue hasta 2001 que se lograron avances significativos, cuando el electroquímico de renombre mundial, el estadounidense Scott White, y su equipo publicaron un artículo en Nature. Desarrollaron materiales poliméricos autorreparables incorporando microcápsulas llenas de agentes curativos en una resina epoxi que contenía un catalizador, lo que atrajo una amplia atención internacional a este campo.
Futuras tendencias:
Con el rápido avance de la tecnología de autorreparación, una variedad de materiales autorreparables están preparados para encontrar aplicaciones más amplias en industrias como la construcción, la automoción, la aeroespacial, la aviación y la electrónica. Su uso es de gran importancia para conservar los recursos y lograr un desarrollo sostenible.
43. Revestimiento de vidrio que bloquea la luz solar
Visión general:
Este innovador revestimiento puede autoajustar la transparencia del vidrio. A temperaturas superiores a 67ºC, este revestimiento transparente se transforma en una superficie reflectante con acabado de espejo para desviar la luz solar.
Perspectivas futuras:
Este material tiene aplicaciones potenciales en la construcción, el transporte y otros sectores.
44. Plásticos biomiméticos
Visión general:
Los materiales biomiméticos se desarrollan para emular diversos rasgos o características de los organismos vivos. Los materiales artificiales diseñados y fabricados para imitar los modos operativos de los sistemas vivos y los principios estructurales de los materiales biológicos se conocen como materiales biomiméticos.
Los plásticos biomiméticos no sólo tienen una resistencia mucho mayor que los plásticos de ingeniería, sino que también exhiben una notable tenacidad y resistencia a la propagación de grietas. Sufren cambios dimensionales mínimos dentro de un rango de temperatura de -130°C a 150°C, y a temperatura ambiente su coeficiente de expansión térmica es sólo aproximadamente una décima parte del de los plásticos convencionales.
Futuras tendencias:
A medida que se acelera la urbanización en nuestro país, las cuestiones relacionadas con la estabilidad social y la seguridad urbana están ganando cada vez más importancia. La tecnología plástica biomimética es un facilitador clave para el desarrollo de infraestructura. Por lo tanto, con el avance de la tecnología socioeconómica y de la información, la aplicación de plásticos biomiméticos está a punto de convertirse en una nueva tendencia en el futuro.
45. Cristales fotónicos
Introducción:
Los cristales fotónicos son nanoestructuras ópticas periódicas que afectan el movimiento de los fotones de la misma manera que las redes iónicas influyen en los electrones de los sólidos. Ocurren de forma natural, se manifiestan como coloración estructural y reflectores animales, y son prometedores para una variedad de aplicaciones en diferentes formas. Como materiales ópticos atractivos, los cristales fotónicos se utilizan para controlar y manipular el flujo de luz.
Futuras tendencias:
Los cristales fotónicos unidimensionales ya se utilizan ampliamente en óptica de película delgada, con aplicaciones que van desde revestimientos antirreflectantes y altamente reflectantes en lentes y espejos hasta pinturas y tintas que cambian de color. Los cristales fotónicos de dimensiones superiores son de gran interés tanto para la investigación fundamental como para la aplicada, y las estructuras bidimensionales comienzan a encontrar aplicaciones comerciales.
Han surgido productos comerciales que involucran cristales fotónicos periódicos bidimensionales en forma de fibras de cristal fotónico, que utilizan estructuras de escala micrométrica para confinar la luz con propiedades fundamentalmente diferentes de las guiadas por fibras convencionales utilizadas en dispositivos no lineales y para guiar longitudes de onda inusuales.
Aunque sus homólogos tridimensionales están lejos de comercializarse, podrían ofrecer funcionalidades adicionales, como la no linealidad óptica necesaria para operar los transistores ópticos utilizados en los ordenadores ópticos, una vez superados ciertos aspectos técnicos como la capacidad de fabricación y dificultades importantes.
46. Materiales cerámicos resistentes a la erosión
Visión general:
Los materiales cerámicos resistentes a la erosión representan un avance muy prometedor en materiales estructurales de alta temperatura. Con altos puntos de fusión, sirven como materiales refractarios superiores para aplicaciones como hornos y tubos de hornos de alta temperatura. Entre estas cerámicas, las categorizadas como materiales estructurales se componen principalmente de propiedades mecánicas como resistencia, dureza y tenacidad.
Aunque los metales se han utilizado ampliamente como materiales estructurales, su susceptibilidad a la corrosión y oxidación a altas temperaturas los hace inadecuados para tales condiciones. La llegada de la cerámica estructural de alta temperatura aborda las deficiencias de los materiales metálicos más débiles. Estas cerámicas son resistentes a altas temperaturas, oxidación y corrosión ácido-base.
Futuras tendencias:
Las cerámicas resistentes a la erosión y a las altas temperaturas ofrecen aislamiento, resistencia a la temperatura, resistencia a la corrosión y propiedades mecánicas robustas. Los recubrimientos aislantes cerámicos de alta temperatura son reconocidos por su compatibilidad ambiental, eficiencia y multifuncionalidad, asegurándose un lugar importante en el sector de recubrimientos especializados.
47. Alternativas de materiales para paredes de aire acondicionado
Visión general:
La hidrocerámica es un material compuesto por esferas de hidrogel que pueden hincharse hasta 400 veces su volumen original cuando se sumergen en agua.
Futuras tendencias:
Debido a esta notable propiedad, las esferas esféricas absorben líquidos que se evaporarán en el aire circundante durante el clima cálido, proporcionando así un efecto refrescante.
48. Plásticos infinitamente reciclables
Visión general:
Los plásticos infinitamente reciclables se refieren a aquellos que se pueden reciclar indefinidamente. En comparación con los plásticos convencionales, los plásticos infinitamente reciclables pueden reprocesarse, evitando el daño causado por los productos plásticos que ingresan al medio ambiente, ofreciendo así importantes beneficios ecológicos. A diferencia de los plásticos biodegradables, los plásticos infinitamente reciclables no se degradan en la naturaleza, pero pueden reutilizarse, lo que proporciona un valor económico sustancial.
Tendencias de desarrollo futuras:
Los plásticos infinitamente reciclables tienen una amplia perspectiva de mercado en el contexto de las estrategias de desarrollo sostenible. Los analistas de la industria indican que los plásticos comunes enfrentan actualmente varios problemas en cuanto a su valor ecológico y económico. Los plásticos infinitamente reciclables pueden resolver estos problemas en la mayor medida y reemplazar a los plásticos existentes en la fabricación de diversos productos.
49. Materiales de impresión 4D
Introducción:
Los principales materiales utilizados en la impresión 4D son los polímeros. En 2014, los científicos desarrollaron una fibra polimérica sensible a la tensión con la que se pueden fabricar vestidos capaces de ajustarse automáticamente a la forma y los movimientos del cuerpo del usuario.
Futuras tendencias:
Los materiales inteligentes están en el corazón de la tecnología 4D. Sin embargo, como la investigación en este campo aún se encuentra en una etapa temprana, solo hay unos pocos materiales maduros listos para su implementación en el mercado, siendo los polímeros el foco principal. Esto presenta oportunidades y desafíos. Un área clave de la investigación actual es la investigación del potencial de la cerámica, los metales, las sustancias biológicas y los compuestos como materiales de impresión.
50. Material que borra las arrugas
Visión general:
Este polímero delicado y suave, cuando se aplica sobre la piel, puede tensar y levantar instantáneamente, eliminando las arrugas sin esfuerzo.
Perspectiva del futuro:
Este material es muy prometedor para el desarrollo de productos para el cuidado de la piel y el tratamiento de afecciones cutáneas.
¿Cómo acelera la tecnología de IA el proceso de desarrollo de materiales de alto rendimiento?
La tecnología de IA acelera el proceso de desarrollo de materiales de alto rendimiento principalmente a través de los siguientes aspectos:
Mejorar la precisión del modelado y la capacidad de generar nuevas funciones: la principal innovación de la ciencia de materiales de IA radica en la optimización de algoritmos, especialmente la aplicación de tecnología de aprendizaje profundo. Esto mejora significativamente la precisión del modelado, prediciendo así con mayor precisión el rendimiento y las funciones de nuevos materiales.
Iniciativa Genoma de Materiales: Al establecer la infraestructura para la innovación de nuevos materiales, la tecnología de IA ayuda a al menos duplicar la velocidad desde la investigación y el desarrollo hasta la aplicación de materiales, al tiempo que reduce a la mitad el costo. En este proceso, el establecimiento de una base de datos es fundamental, proporcionando una base para la ingeniería del genoma material.
Experimentos inteligentes, automatizados y de alto rendimiento: la tecnología de inteligencia artificial ha promovido el alto rendimiento, la automatización y la inteligencia en los experimentos con materiales. Esto no sólo mejora la eficiencia de los experimentos, sino que también promueve la integración profunda de simulaciones teóricas y datos experimentales, guiando así el diseño y la optimización de nuevos materiales.
Combinación de big data y métodos de aprendizaje automático: el método de aprendizaje automático que combina funciones de alta precisión y un profundo potencial basado en la tecnología de inteligencia artificial con cálculo de alto rendimiento puede predecir materiales fronterizos como aislantes topológicos, materiales catalíticos, bidimensionales, etc.
Resolver el problema del “cuello de botella”: la tecnología de inteligencia artificial, especialmente la investigación impulsada por la tecnología de big data, proporciona medios eficaces para resolver problemas difíciles en el campo de la ciencia de materiales, acelerando el proceso de desarrollo de nuevos materiales.
Aplicación de la informática de materiales: el uso eficiente de la IA para la investigación en informática de materiales, que promueve el desarrollo de materiales a través de la predicción de propiedades, es un aspecto importante de los métodos innovadores de IA en el campo de la ciencia de los materiales.
