Novos materiais, também conhecidos como materiais avançados, referem-se àqueles recentemente desenvolvidos ou em desenvolvimento que apresentam desempenho superior em comparação aos materiais tradicionais.<
Abrangem materiais recentemente desenvolvidos ou em processo de pesquisa, demonstrando capacidades excepcionais que superam os materiais convencionais.
A tecnologia de novos materiais é elaborada de acordo com a intenção humana, através de uma série de processos de pesquisa, incluindo pesquisa física, design de materiais, processamento e avaliação experimental, todos com o objetivo de criar materiais inovadores que atendam a uma variedade de necessidades.
A essência dos novos materiais
- Utilização de novos conceitos, métodos e tecnologias para sintetizar ou preparar materiais de alto desempenho ou funções especiais. Por exemplo, a fibra de carbono representa um conceito completamente novo em novos materiais, produzidos através de um processo especializado de carbonização utilizando fibras precursoras de poliacrilonitrila.
- O redesenvolvimento de materiais tradicionais para melhorar e melhorar significativamente o seu desempenho, como através da nanomodificação e da modificação de terras raras. A modificação de plásticos de engenharia é atualmente uma área ativa, com variedades crescentes e desempenho continuamente melhorado.
Posicionamento estratégico de novos materiais
Isso inclui posicionamento funcional, posicionamento direcional, posicionamento técnico e posicionamento de mercado:
- Posicionamento Funcional: Uma indústria estratégica fundamental e pilar, formando a base e precursora das modernas indústrias e de alta tecnologia. Avanços em materiais poderiam potencialmente desencadear novas revoluções industriais.
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Posicionamento Direcional: Focado no desenvolvimento da economia nacional e nas principais necessidades de engenharia, avançando materiais em áreas-chave como nova energia, tecnologia da informação de próxima geração, biomateriais, aeroespacial, veículos de nova energia, transporte moderno e proteção ambiental com economia de energia. Isto inclui novos materiais funcionais, materiais estruturais de alto desempenho e materiais básicos de última geração. Novos materiais funcionais:
materiais funcionais de terras raras, novos materiais de membrana, materiais cerâmicos funcionais, materiais de iluminação semicondutores e novos materiais poliméricos funcionais. Materiais estruturais de alto desempenho:
Aços especiais de alta qualidade, novas ligas, novos plásticos de engenharia e materiais compósitos de alto desempenho (como compósitos de fibra de carbono). Materiais básicos de última geração:
Nanomateriais, materiais supercondutores e materiais inteligentes. - Posicionamento Técnico: Desenvolvimento de materiais e tecnologias chave com direitos de propriedade intelectual independentes para melhorar as capacidades de auto-inovação, formando um sistema de inovação científica e tecnológica e escala industrial para o desenvolvimento da indústria de novos materiais da China.
- Posicionamento de Mercado: Atendendo principalmente às principais necessidades da economia nacional e da construção da defesa nacional. Visando o mercado de ponta de alta tecnologia internacional, caracterizado por alto conteúdo técnico, alto valor agregado e alta relação custo-benefício.
Tipos de novos materiais
(1) Novos Materiais Compostos
O uso de novos materiais compósitos remonta aos tempos antigos. Exemplos históricos incluem a argila reforçada com palha e o centenário concreto reforçado com aço, ambos compostos de dois materiais diferentes. Na década de 1940, devido às necessidades da indústria da aviação, foram desenvolvidos plásticos reforçados com fibra de vidro (vulgarmente conhecidos como fibra de vidro), marcando o advento dos materiais compósitos. Desde a década de 1950, foram desenvolvidas fibras de alta resistência e alto módulo, como fibras de carbono, grafite e boro. A década de 1970 viu o surgimento das fibras de aramida e de carboneto de silício.
Essas fibras de alta resistência e alto módulo podem ser combinadas com matrizes não metálicas como resinas sintéticas, carbono, grafite, cerâmica, borracha ou matrizes metálicas como alumínio, magnésio, titânio para formar materiais compósitos exclusivos. As fibras de polietileno de altíssimo peso molecular, conhecidas por sua excepcional força e resistência a agentes químicos e ao envelhecimento, também se destacam na transmissão de sonar de alta frequência e na resistência à corrosão da água do mar.
Essas fibras são usadas em carenagens de sonar de alta frequência para embarcações navais, melhorando a detecção de minas e as capacidades de varredura. Além das aplicações militares, eles têm amplas perspectivas na fabricação de automóveis, construção naval, dispositivos médicos e equipamentos esportivos. A sua introdução atraiu atenção e importância significativas nos países desenvolvidos.
(2) Materiais Supercondutores
Alguns materiais apresentam resistência elétrica zero a uma determinada temperatura crítica, um fenômeno conhecido como supercondutividade. Outra característica dos supercondutores é o seu diamagnetismo – a incapacidade das linhas do campo magnético de penetrar num supercondutor quando este se torna livre de resistência. Por exemplo, a resistência elétrica de metais comuns como o cobre diminui com a temperatura e atinge um certo valor próximo de 0K.
Em 1919, o cientista holandês Heike Kamerlingh Onnes descobriu que a resistência do mercúrio desaparece completamente a 4,2K (-269°C), demonstrando supercondutividade e diamagnetismo. A temperatura crítica (TC) na qual a resistência de um supercondutor se torna zero é uma característica fundamental. A pesquisa de materiais supercondutores concentra-se em superar a “barreira de temperatura” para encontrar supercondutores de alta temperatura.
Supercondutores práticos como NbTi e Nb3Sn foram comercializados, encontrando aplicações em imagens de ressonância magnética nuclear (NMRI), ímãs supercondutores e grandes ímãs aceleradores. Os SQUIDs, como exemplos de supercondutores em aplicações elétricas fracas, desempenham um papel crucial na detecção de sinais eletromagnéticos fracos, incomparáveis em sensibilidade a qualquer dispositivo não supercondutor.
No entanto, as baixas temperaturas críticas dos supercondutores convencionais, exigindo sistemas complexos e caros de hélio líquido (4,2K), limitaram significativamente as suas aplicações. O advento dos supercondutores de óxido de alta temperatura rompeu essa barreira de temperatura, elevando a temperatura aplicável dos níveis de hélio líquido (4,2 K) para nitrogênio líquido (77 K). O nitrogênio líquido é um refrigerante mais econômico com maior capacidade térmica do que o hélio líquido, facilitando muito as aplicações de engenharia.
Os supercondutores de alta temperatura também possuem capacidades magnéticas consideráveis, capazes de gerar campos magnéticos acima de 20T. As aplicações de materiais supercondutores incluem geração, transmissão e armazenamento de energia. Geradores supercondutores com bobinas magnéticas podem aumentar a intensidade do campo magnético para 50.000-60.000 Gauss quase sem perda de energia, melhorando a capacidade de uma única unidade em 5 a 10 vezes e a eficiência em 50% em comparação com geradores convencionais.
Linhas de transmissão e transformadores supercondutores podem transmitir eletricidade aos usuários com perdas mínimas. Por exemplo, cerca de 15% da energia eléctrica é perdida em linhas de transmissão de cobre ou alumínio na China, totalizando mais de 100 mil milhões de kWh anualmente. Mudar para a transmissão supercondutora poderia economizar eletricidade suficiente para substituir a necessidade de dezenas de grandes usinas de energia.
Os trens maglev supercondutores operam usando a propriedade diamagnética dos supercondutores, que repelem as linhas do campo magnético, permitindo que o supercondutor levite acima de um ímã permanente ou campo magnético. Este efeito maglev é usado em trens maglev supercondutores de alta velocidade, como o do Aeroporto Internacional de Shanghai Pudong. Em computadores supercondutores, a resistência quase zero dos materiais supercondutores permite circuitos densamente compactados em chips integrados sem superaquecimento, aumentando significativamente a velocidade da computação.
(3) Materiais Energéticos
Os materiais energéticos incluem materiais de células solares, materiais de armazenamento de hidrogênio e materiais de células de combustível de óxido sólido. Os materiais de células solares, um novo material energético, tiveram avanços como as células solares compostas multicamadas da IBM, com eficiências de conversão de até 40%. O hidrogénio, uma fonte de energia eficiente e livre de poluição, enfrenta desafios importantes no armazenamento e no transporte. Cerca de 50% do financiamento da investigação sobre hidrogénio do Departamento de Energia dos EUA é atribuído à tecnologia de armazenamento de hidrogénio.
O hidrogênio pode corroer materiais, causando fragilização e vazamento, além de representar risco de explosão durante o transporte. Os materiais de armazenamento de hidrogênio podem formar hidretos com hidrogênio, liberando hidrogênio após aquecimento e recarregando após esgotamento. Os materiais atuais de armazenamento de hidrogênio são principalmente compostos metálicos, como LaNi5H e Ti1.2Mn1.6H3. A pesquisa em células a combustível de óxido sólido está ativa, com foco em materiais como membranas eletrolíticas sólidas, materiais de cátodo celular e membranas orgânicas de troca de prótons para células a combustível de membrana de troca de prótons.
(4) Materiais Inteligentes
Os materiais inteligentes representam a quarta geração de materiais, depois dos polímeros naturais, sintéticos e dos materiais projetados artificialmente. Eles são uma direção significativa no desenvolvimento de novos materiais modernos de alta tecnologia. Internacionalmente, numerosos avanços técnicos foram alcançados em materiais inteligentes. Por exemplo, a BAE Systems do Reino Unido desenvolveu sensores de fio para testar deformação e temperatura em revestimentos de aeronaves.
O Reino Unido também desenvolveu uma liga com memória de forma de resposta rápida, com vida útil de um milhão de ciclos e alta potência de saída, útil em freios com tempos de resposta tão curtos quanto 10 minutos. Ligas com memória de forma foram aplicadas com sucesso em antenas de satélite, áreas médicas e muito mais. Outros materiais inteligentes incluem materiais piezoelétricos, materiais magnetostritivos, polímeros condutores, fluidos eletrorreológicos e fluidos magnetoreológicos, servindo como componentes de acionamento em diversas aplicações.
(5) Materiais Magnéticos
Os materiais magnéticos são categorizados em materiais magnéticos macios e duros (permanentes).
(1) Materiais magnéticos macios
Materiais magnéticos macios são facilmente magnetizados e desmagnetizados, perdendo seu magnetismo quando o campo magnético é removido. Caracterizados pela alta permeabilidade magnética (μ=B/H), eles são facilmente magnetizados até alta resistência em campos magnéticos, mas retêm pouco magnetismo residual quando o campo é removido.
Esses materiais são amplamente utilizados em tecnologia eletrônica, particularmente em aplicações de alta frequência, como núcleos magnéticos, cabeçotes e núcleos de memória, e em engenharia elétrica para transformadores e interruptores de relé. Os materiais magnéticos moles comuns incluem ligas de ferro-silício, ligas de ferro-níquel e metais amorfos. A liga Fe-(3%-4%)Si, o material magnético macio mais comumente usado, é usada em transformadores, motores e geradores de baixa frequência.
Ligas de ferro-níquel, como Permalloy (79%Ni-21%Fe), oferecem maior permeabilidade magnética e menor perda do que ligas de ferro-silício e são usadas em telecomunicações, computadores e sistemas de controle. Os metais amorfos, diferindo dos metais típicos pela sua estrutura não cristalina, são compostos de Fe, Co, Ni e metalóides como B, Si.
Produzidos pelo resfriamento rápido de metal fundido para obter uma estrutura atômica não cristalina, os metais amorfos exibem excelentes propriedades magnéticas e são usados em transformadores com eficiência energética, sensores magnéticos, cabeçotes de gravação e muito mais. Alguns metais amorfos também apresentam excelente resistência à corrosão, alta resistência e boa tenacidade.
(2) Materiais Magnéticos Permanentes (Materiais Magnéticos Duros)
Os materiais magnéticos permanentes retêm seu magnetismo após a magnetização, mesmo quando o campo magnético externo é removido. Eles são caracterizados por alto magnetismo residual e alta coercividade, tornando-os adequados para ímãs permanentes usados em bússolas, instrumentos, micromotores, motores elétricos, gravadores, telefones, aplicações médicas e muito mais. Os materiais magnéticos permanentes incluem ferritas e ímãs permanentes de metal.
As ferritas, amplamente utilizadas por seu grande volume, ampla aplicação e baixo custo, possuem propriedades magnéticas moderadas e são adequadas para aplicações gerais de ímã permanente. Os ímãs permanentes de metal começaram com aço de alto carbono, mas evoluíram para materiais de maior desempenho, como ligas de Al-Ni-Co e Fe-Cr-Co; ímãs de terras raras, como ligas anteriores de terras raras-cobalto (Re-Co) (principalmente SmCo5 e Sm2Co17 feitas usando metalurgia do pó) e ímãs de terras raras amplamente utilizados de nióbio-ferro-boro (Nb-Fe-B). Os ímãs Nb-Fe-B não apenas oferecem desempenho superior, mas também carecem do escasso elemento cobalto, tornando-se rapidamente representantes de ímãs permanentes de alto desempenho, usados em alto-falantes de alto desempenho, hidrômetros eletrônicos, instrumentos de ressonância magnética nuclear, micromotores, motores de partida de automóveis e muito mais.
(6) Nanomateriais
A nanotecnologia é um sistema integrado que combina alta tecnologia e ciência de ponta, envolvendo fundamentalmente a compreensão e a modificação da natureza em nanoescala, manipulando e organizando diretamente átomos e moléculas para criar novos materiais. A nanotecnologia abrange sete áreas: física de nanossistemas, nanoquímica, ciência de nanomateriais, nanobiologia, nanoeletrônica, nanofabricação e nanomecânica.
Os nanomateriais, nomeados na década de 1980, são materiais sólidos compostos de nanopartículas com tamanho não superior a 100 nanômetros. A preparação e síntese de nanomateriais continuam a ser o principal foco de investigação e, embora tenham sido feitos alguns progressos na síntese de amostras, a produção em larga escala de amostras a granel ainda é um desafio, tornando o estudo da preparação de nanomateriais crítico para a sua aplicação.
Os 20 principais novos materiais
A indústria de materiais é a indústria básica da economia nacional, e os novos materiais são os precursores do desenvolvimento da indústria de materiais.
Grafeno, nanotubos de carbono, ligas amorfas, metais espumosos, líquidos iônicos… 20 novos materiais trazem oportunidades ilimitadas para o desenvolvimento da indústria de materiais.
Hoje, a revolução científica e tecnológica está a desenvolver-se rapidamente, novos produtos materiais estão a mudar a cada dia que passa e o ritmo da modernização industrial e da substituição de materiais está a acelerar.
A nova tecnologia de materiais está integrada à nanotecnologia, biotecnologia e tecnologia da informação.
A integração estrutural e funcional e os materiais funcionais estão se tornando mais inteligentes.
As características ecológicas dos materiais, de baixo carbono, verdes e recicláveis, atraíram muita atenção.
Com base no progresso da pesquisa de instituições e empresas de pesquisa nacionais e estrangeiras conhecidas, nas análises da mídia científica e tecnológica e na pesquisa de pontos críticos da indústria, este artigo selecionou 20 novos materiais.
A seguir estão as informações detalhadas dos materiais relevantes (sem ordem específica).
1. Grafeno
Avanço:
Condutividade elétrica extraordinária, resistividade extremamente baixa, velocidade de migração de elétrons extremamente baixa e extremamente rápida, resistência dezenas de vezes maior e excelente transmissão de luz sobre o aço.
Tendência de desenvolvimento :
O Prêmio Nobel de Física de 2010 tornou o grafeno popular na tecnologia e nos mercados de capitais nos últimos anos.
Nos próximos 5 anos, o uso do grafeno crescerá explosivamente nas áreas de displays fotoelétricos, semicondutores, telas sensíveis ao toque, dispositivos eletrônicos, baterias de armazenamento de energia, displays, sensores, semicondutores, aeroespacial, militar, materiais compósitos e biomedicina.
Principais institutos de pesquisa (empresas):
Tecnologias de Grafeno, Materiais Angstron, Quadrado de Grafeno, Tecnologia Forsman, etc.
2. Aerogel
Avanço:
Alta porosidade, baixa densidade, peso leve, baixa condutividade térmica, excelentes propriedades de isolamento térmico.
Tendência de Desenvolvimento:
Novos materiais com grande potencial.
Eles têm grande potencial nas áreas de conservação de energia e proteção ambiental, isolamento térmico em aparelhos elétricos e construção.
Principais institutos de pesquisa (empresas):
Tecnologia Fosman, WR Grace, Fuji-Silysia, Japão, etc.
3. Nanotubos de carbono
Avanço:
Alta condutividade elétrica, alta condutividade térmica, alto módulo de elasticidade, alta resistência à tração, etc.
Tendência de Desenvolvimento:
Eletrodos para dispositivos funcionais, portadores de catalisadores, sensores, etc.
Principais institutos de pesquisa (empresas):
Unidym, Inc., Toray Industries, Inc., Bayer Materials Science AG, Mitsubishi Rayon Co., Ltd., Forsman Technology, Suzhou First Element, etc.
4. Os fulerenos
Avanço:
Com propriedades ópticas lineares e não lineares, supercondutividade de fulereno de metal alcalino, etc.
Tendência de Desenvolvimento:
O futuro tem perspectivas importantes nas áreas de ciências da vida, medicina, astrofísica, etc., e espera-se que seja utilizado em dispositivos fotoelétricos, como conversores ópticos, conversões de sinais e armazenamento de dados.
Principais institutos de pesquisa (empresas):
Universidade Estadual de Michigan, Novos Materiais Xiamen Funa, etc.
5. Liga amorfa
Avanço:
Alta resistência e tenacidade, excelente permeabilidade magnética e baixa perda magnética, bem como excelente fluxo de líquido.
Tendência de desenvolvimento :
Pode ser usado em transformadores de alta frequência e baixas perdas, peças estruturais de equipamentos terminais móveis, etc.
Principais institutos de pesquisa (empresas):
Liquidmetal Technologies, Inc., Instituto de Pesquisa de Metais, Academia Chinesa de Ciências, BYD, etc.
6. Espuma Metálica
Avanço:
Peso leve, baixa densidade, alta porosidade e grande área superficial específica.
Tendência de desenvolvimento :
Possui condutividade e pode substituir campos de aplicação onde materiais inorgânicos não metálicos não podem conduzir eletricidade.
Tem grande potencial na área de isolamento acústico e redução de ruído.
Principais institutos de pesquisa (empresas):
Alcan (Associação de Alumínio, EUA), Rio Tinto, Symat, Norwegian Hydro, etc.
7. Líquido Iônico
Avanço:
Com alta estabilidade térmica, ampla faixa de temperatura líquida, ácido e álcali ajustáveis, polaridade, capacidade de coordenação e etc.
Tendência de Desenvolvimento:
Possui amplas perspectivas de aplicação no campo da indústria química verde, bem como biologia e catálise.
Principais institutos de pesquisa (empresas):
Inovação em Solventes, BASF, Instituto de Física de Lanzhou, Academia Chinesa de Ciências, Universidade de Tongji, etc.
8. Nanocelulose
Avanço:
Possui boa biocompatibilidade, capacidade de retenção de água e ampla faixa de estabilidade de pH.
Também possui uma estrutura de nano-rede e altas propriedades mecânicas.
Tendência de desenvolvimento :
Tem grandes perspectivas em biomedicina, melhorador, indústria de papel, purificação, alimentos compostos condutores e inorgânicos, bem como compostos magnéticos industriais.
Principais institutos de pesquisa (empresas):
Cellu Force (Canadá), Serviço Florestal dos EUA, Innventia (Suécia), etc.
9. Namômetro Perocakita
Avanço:
A perocakita namômetro possui resistência magnética gigante, alta condutividade iônica e desempenha um papel catalítico na precipitação e redução de oxigênio.
Tendência de desenvolvimento :
Terá um enorme potencial nas áreas de catálise, armazenamento, sensores e absorção de luz no futuro.
Principais institutos de pesquisa (empresas):
Epry, AlfaAesar, etc.
10. Materiais de impressão 3D
Avanço:
Mudar os métodos tradicionais de processamento industrial pode atingir rapidamente a formação de estruturas complexas.
Tendência de Desenvolvimento:
O método de moldagem revolucionário tem grandes perspectivas no campo de moldagem de estruturas complexas e moldagem de processamento rápido.
Principais institutos de pesquisa (empresas):
Objeto, 3DSystems, Stratasys, Huashu Hi-Tech, etc.
11. Vidro Flexível
Avanço:
Altera as características rígidas e frágeis do vidro tradicional e realiza a inovação revolucionária da flexibilidade do vidro.
Tendência de Desenvolvimento:
A perspectiva será enorme no campo dos futuros monitores flexíveis e dispositivos dobráveis.
Principais institutos de pesquisa (empresas):
Corning, Alemanha SCHOTT, etc.
12. Materiais de auto-montagem (auto-reparação)
Avanço:
A automontagem das moléculas do material realizará a “inteligência” do próprio material.
Mudar o método anterior de preparação de material para realizar o material para formar uma determinada forma e estrutura espontaneamente.
Tendência de Desenvolvimento:
A mudança dos métodos tradicionais de preparação e reparo de materiais tem grandes perspectivas nas áreas de dispositivos moleculares, engenharia de superfície e nanotecnologia.
Principais institutos de pesquisa (empresas):
Universidade de Harvard, etc
13. Plásticos Biodegradáveis
Avanço:
Os plásticos podem ser degradados naturalmente e as matérias-primas provêm de recursos renováveis, o que altera a dependência dos plásticos tradicionais de recursos fósseis como o petróleo, o gás natural e o carvão, e também reduz a poluição ambiental.
Tendência de Desenvolvimento:
Substituirá os plásticos tradicionais no futuro e tem grandes perspectivas.
Principais institutos de pesquisa (empresas):
Natureworks, Basf, Kaneka, etc.
14. Compostos de titânio e carbono
Avanço:
Esse tipo de material possui alta resistência, baixa densidade e excelente resistência à corrosão.
E também tem perspectivas ilimitadas nas áreas de aviação e civil.
Tendência de Desenvolvimento:
No futuro, os materiais terão uma ampla gama de aplicações potenciais em peso leve, alta resistência e resistência à corrosão.
Principais institutos de pesquisa (empresas):
Instituto de Tecnologia de Harbin.
15. Metamateriais
Avanço:
Possui propriedades físicas que os materiais convencionais não possuem, como permeabilidade negativa e permissividade negativa.
Tendência de Desenvolvimento:
Mudou o conceito tradicional de processamento de acordo com a natureza do material.
No futuro, as características dos materiais poderão ser projetadas de acordo com as necessidades, e o potencial será infinito e revolucionário.
Principais institutos de pesquisa (empresas):
Boeing, Kymeta, Instituto de Pesquisa Shenzhen Guangqi, etc.
16. Material Supercondutor
Avanço:
No estado supercondutor, o material tem resistência zero, nenhuma perda de corrente e exibe propriedades antimagnéticas em um campo magnético.
Tendência de Desenvolvimento:
Se a tecnologia supercondutora de alta temperatura for desenvolvida no futuro, espera-se que resolva os problemas de perda de transmissão de energia, aquecimento de dispositivos eletrônicos e nova tecnologia de suspensão magnética de transmissão verde.
Principais institutos de pesquisa (empresas):
Sumitomo Japão, Bruker Alemanha, Academia Chinesa de Ciências, etc.
17. Liga com memória de forma
Avanço:
Após a pré-formação, após ser forçado a deformar-se por condições externas, é então processado sob certas condições e restaurado à sua forma original para realizar o projeto e aplicação da deformação reversível do material.
Tendência de Desenvolvimento:
Tem grande potencial em tecnologia espacial, equipamentos médicos, equipamentos mecanoeletrônicos e outros campos.
Principais institutos de pesquisa (empresas):
Youyan Novos materiais, etc.
18. Material Magnetostritivo
Avanço:
Sob a ação do campo magnético, pode produzir desempenho de alongamento ou compressão e realizar a interação entre a deformação do material e o campo magnético.
Tendência de Desenvolvimento:
É amplamente utilizado em dispositivos estruturais inteligentes, dispositivos de absorção de choque, estruturas de conversão de energia, motores de alta precisão e outros campos, e tem melhor desempenho do que a cerâmica piezoelétrica sob algumas condições.
Principais institutos de pesquisa (empresas):
ETREMA, American, British Rare Earth Products Company, Japan Sumitomo Light Metal Company, etc.
19. Materiais Fluidos Magnéticos (Elétricos)
Avanço:
Estado líquido, combinando as propriedades magnéticas dos materiais magnéticos sólidos e a fluidez dos líquidos.
Possui características e aplicações que os materiais a granel magnéticos tradicionais não possuem.
Tendência de Desenvolvimento:
É usado nas áreas de vedação magnética, refrigeração magnética, bomba de calor magnética, etc., e altera a refrigeração selada tradicional e outros métodos.
Principais institutos de pesquisa (empresas):
American ATA Applied Technology Corporation, Japão Panasonic, etc.
20. Gel de polímero inteligente
Avanço:
Ele pode sentir e responder a mudanças no ambiente circundante e possui características de resposta biológica semelhantes.
Tendência de Desenvolvimento:
O ciclo de expansão-contração do gel de polímero inteligente pode ser usado para válvulas químicas, separação por adsorção, sensores e materiais de memória.
A potência fornecida pelo ciclo é utilizada para projetar o “motor químico”.
A controlabilidade da malha é adequada para sistemas inteligentes de liberação de medicamentos e etc.
Principais institutos de pesquisa (empresas):
Universidades americanas e japonesas.
21. Filme holográfico
Introdução:
O filme holográfico é uma aplicação inovadora da tecnologia de holograma. É um filme de projeção patenteado que, pela primeira vez internacionalmente, permite que as imagens sejam visualizadas diretamente de frente e de trás, em vários ângulos, incluindo 360 graus, independentemente das condições de iluminação.
O filme holográfico oferece exibições aéreas dinâmicas com imagens nítidas, ao mesmo tempo que permite que os espectadores vejam o fundo através do filme. Pode ser combinado com software interativo para criar imagens interativas tridimensionais, imergindo o público em uma experiência espacial cativante.
Com vantagens incomparáveis, como alta definição, resistência à luz brilhante, ultrafina e propriedades antienvelhecimento, está prestes a se tornar um dos materiais mais promissores do futuro.
Tendências futuras:
Dada a sua capacidade de fornecer exibições aéreas dinâmicas e imagens nítidas, ao mesmo tempo que permite ao público ver o fundo e interagir com imagens tridimensionais, o filme holográfico apresenta inúmeros benefícios incomparáveis. Está na vanguarda da inovação material, destinada a atrair mais investigação científica.
As previsões para tendências futuras no desenvolvimento de filmes holográficos incluem dois aspectos principais:
Primeiro, componentes nanoópticos de nível molecular, centrados em cristal de filtro de cor holográfico (HCFC) e integrando nanotecnologia com uma abordagem multidisciplinar que combina ciência de materiais, óptica e ciência de polímeros.
Em segundo lugar, o filme contará com estruturas ópticas de precisão avançadas em seu design leve, garantindo imagens superiores de alta definição e alto brilho.
A clareza excepcional e o design minimalista e elegante do material contribuem para seu uso em dispositivos eletrônicos e filmes ópticos. O desenvolvimento da tecnologia de filmes holográficos é um foco para muitos países e, sem exagero, encapsula o futuro. Qualquer que seja a nação que domine e utilize esta tecnologia primeiro, liderará o caminho para a era tecnológica avançada.
22. Hidrogênio Metálico
Introdução:
O hidrogênio metálico é um estado condutor de hidrogênio líquido ou sólido formado sob pressões de milhões de atmosferas. Sua condutividade elétrica é semelhante à dos metais, daí o nome hidrogênio metálico. Como um material de armazenamento de alta densidade e alta energia, previu-se anteriormente que o hidrogênio metálico seria um supercondutor à temperatura ambiente.
Ele contém uma enorme quantidade de energia, 30-40 vezes maior que a dos explosivos convencionais de TNT. Em 26 de janeiro de 2017, a revista Science informou que o laboratório da Universidade de Harvard havia criado com sucesso hidrogênio metálico. Porém, em 22 de fevereiro de 2017, devido a um erro de manuseio incorreto, a única amostra mundial de hidrogênio metálico desapareceu.
Teoricamente, a obtenção de hidrogênio metálico sob pressão extremamente alta é certamente possível, mas são necessárias mais pesquisas para que os cientistas possam adquirir amostras. A maioria dos supercondutores conhecidos requer resfriamento com hélio líquido (-269°C) ou nitrogênio líquido (-196°C), o que limita o desenvolvimento da tecnologia supercondutora.
Ao contrário dos químicos, os astrônomos referem-se a todos os elementos, exceto hidrogênio e hélio, como metais. Sob condições de alta temperatura e alta pressão, o hidrogênio gasoso também pode se tornar hidrogênio metálico condutor.
Por exemplo, a camada exterior de Júpiter consiste em 1.000 quilómetros de hidrogénio molecular gasoso, abaixo dos quais se encontra uma camada de 24.000 quilómetros de hidrogénio molecular líquido, seguida por uma camada de 45.000 quilómetros de hidrogénio metálico líquido.
Em 1936, o cientista americano Wigner calculou pela primeira vez a pressão à qual o hidrogénio faz a transição para um metal, sugerindo que a pressão crítica para esta transformação variava entre um e dez milhões de atmosferas.
Tendências de Desenvolvimento Futuro:
A temperatura crítica supercondutora do hidrogênio metálico, que é a temperatura máxima na qual ele apresenta supercondutividade, varia de -223°C a -73°C. Poderia potencialmente ser usado em temperaturas próximas às do dióxido de carbono sólido (-78,45°C), o que avançaria significativamente a tecnologia supercondutora.
Como o hidrogênio metálico é um material de alta densidade, usá-lo como combustível reduziria bastante o tamanho e o peso dos foguetes, levando a um salto monumental na exploração espacial. O advento do hidrogénio metálico, semelhante ao nascimento da máquina a vapor, desencadeará uma era revolucionária no campo da ciência e da tecnologia.
O hidrogénio metálico existe num estado metaestável e poderia ser usado para criar “gaiolas magnéticas” para confinar o plasma, contendo o gás ionizado escaldante. As reações controladas de fusão nuclear converteriam então a energia nuclear em energia elétrica, oferecendo uma fonte de energia barata e limpa. Essa energia permitiria a construção de “fábricas que imitam o sol” na Terra, resolvendo em última análise a crise energética da humanidade.
23. Supersólido
Visão geral: Um supersólido é na verdade semelhante a um superfluido, denotando uma substância sólida que possui propriedades superfluidas, combinando essencialmente as características de “superfluido + sólido”. Em termos simples, um supersólido não apenas mantém o arranjo atômico ordenado típico de um estado cristalino, mas também flui sem atrito, como um superfluido.
Em temperaturas extremamente baixas, as lacunas dentro da estrutura cristalina de um supersólido podem se agrupar e fluir livremente por todo o material. Se um objeto sólido for colocado dentro das lacunas de um lado do supersólido, ele atravessará o supersólido com essas lacunas, movendo-se tão livremente como se estivesse atravessando paredes.
Tendências Futuras: Este novo estado da matéria só pode existir sob condições de frio extremo e vácuo ultra-alto, indicando que, por enquanto, não podemos aplicá-lo amplamente. No entanto, uma compreensão mais profunda deste estado aparentemente paradoxal da matéria poderia melhorar a nossa compreensão das propriedades dos superfluidos e supercondutores, avançando significativamente indústrias como ímanes supercondutores, sensores supercondutores e transmissão de energia.
No futuro, as vagas num supersólido tornar-se-ão entidades coerentes que poderão mover-se livremente dentro do sólido restante, semelhante a um superfluido. O condensado de Bose-Einstein é um estado peculiar da matéria que ocorre em temperaturas ultrafrias, onde as propriedades quânticas dos átomos se tornam extremamente pronunciadas, exibindo um comportamento ondulatório significativo.
24. Esponja de madeira
Visão geral:
A esponja de madeira, criada pelo tratamento químico da madeira para remover a hemicelulose e a lignina, é excelente na absorção de óleos da água. Pode absorver até 16-46 vezes o seu próprio peso em óleo e pode ser reutilizado até 10 vezes. Esta esponja inovadora supera todas as outras esponjas e absorventes atualmente em uso em termos de capacidade, qualidade e reutilização.
Desenvolvimento futuro:
Os derrames de petróleo e de produtos químicos causaram estragos sem precedentes nas massas de água em todo o mundo. Sendo uma solução ecológica para a limpeza dos oceanos, a esponja de madeira apresenta um meio eficaz para resolver este problema.
25. Cristais do Tempo
Visão geral:
Os cristais de tempo, também conhecidos como cristais de espaço-tempo, são cristais quadridimensionais que exibem estruturas periódicas tanto no espaço quanto no tempo. Normalmente, encontramos três estados fundamentais da matéria: sólido, líquido e gasoso.
No entanto, à medida que a ciência avançou, o conceito de estados da matéria expandiu-se para incluir plasma, condensados de Bose-Einstein, fluidos supercríticos e muito mais. Os cristais de tempo representam um novo estado da matéria e uma fase de desequilíbrio que quebra a simetria translacional temporal.
O conceito de cristais do tempo foi proposto pela primeira vez pelo ganhador do Nobel Frank Wilczek em 2012. Estamos familiarizados com cristais tridimensionais, como gelo e diamantes – estruturas geometricamente simétricas criadas pelo arranjo periódico de partículas microscópicas no espaço.
Enquanto ensinava seus alunos, Wilczek ponderou se o conceito de cristais tridimensionais poderia ser estendido ao reino quadridimensional do espaço-tempo, permitindo que a matéria exibisse arranjos periódicos ao longo do tempo.
Ou seja, os cristais do tempo mudam de estado em momentos diferentes e essas mudanças são cíclicas. Por exemplo, um cristal de tempo pode ser açúcar em um segundo, açúcar mascavo no próximo e depois voltar a ser açúcar no terceiro segundo.
Tendências futuras:
Em setembro de 2021, quatro cientistas teóricos – Norman Yao, Vedika Khemani, Dominic Else e Masaki Watanabe – foram premiados conjuntamente com o “Prêmio Revelação em Física Fundamental”, marcando um reconhecimento mais amplo para o novo campo dos cristais de tempo discreto.
No final de 2021, o experimento de cristal de tempo discreto conduzido pela equipe de computação quântica do Google foi eleito um dos principais avanços da física do ano pela American Physical Society (APS) Physics e pelo Institute of Physics (IOP) Physics World.
A pesquisa sobre cristais de tempo discreto revolucionou nossa compreensão de sistemas acionados periodicamente, localização de muitos corpos, pré-termalização e processos de termalização quântica. Também incentivou uma ampla gama de pesquisadores de diversas áreas a se aprofundar nesta área.
A evolução dos cristais de tempo discreto mostra que a exploração científica é muitas vezes desafiadora, exigindo refutações e debates acadêmicos rigorosos. No domínio da descoberta científica, os erros perspicazes são mais valiosos do que as verdades medíocres, pois podem abrigar novas ideias.
Os cristais de tempo beneficiaram dos rápidos avanços na tecnologia de computação quântica, o que permitiu o seu rápido desenvolvimento em vez da obscuridade.
26. Material Furtivo Quântico
Introdução:
A empresa canadense de biotecnologia Hyperstealth Biotechnology desenvolveu um material avançado conhecido como “Quantum Stealth” (Tecido Invisível). Este tecido, apelidado de “camuflagem Quantum Stealth”, alcança a invisibilidade ao dobrar as ondas de luz.
Tendências futuras:
Este material poderia ser usado para criar capas de invisibilidade, ajudando os soldados no campo de batalha a realizar missões altamente desafiadoras através da ocultação. O CEO da empresa, Guy Cramer, declarou: “O material ‘Quantum Stealth’ pode não apenas ajudar as forças especiais a realizar ataques durante o dia, mas também pode facilitar a fuga de um soldado quando encontra um perigo inesperado.
Além disso, este material promete ser aplicado na próxima geração de aeronaves furtivas, submarinos e tanques, permitindo-lhes alcançar a verdadeira invisibilidade e permitindo que as tropas ataquem o inimigo sem serem vistas.”
27. Material eterno que não seca
Visão geral: Este material, composto de polímeros e água, é condutor e permanece perpetuamente úmido.
Perspectivas Futuras: No futuro, este material tem potencial para ser utilizado na criação de pele artificial e robôs flexíveis com capacidades biomiméticas.
28. Dichalcogenetos de metais de transição
Introdução:
Os dichalcogenetos de metais de transição (TMDCs) possuem uma estrutura bidimensional simples e são materiais superinovadores, a par do grafeno. Eles são normalmente compostos por um elemento de metal de transição M (como molibdênio, tungstênio, nióbio, rênio, titânio, etc.) e um elemento de calcogênio X (como enxofre, selênio, telúrio, etc.).
Devido ao seu custo relativamente baixo e facilidade de fabricação em camadas extremamente finas e estáveis, juntamente com suas propriedades semicondutoras, os TMDCs emergiram como materiais ideais no campo da optoeletrônica.
Tendências de Desenvolvimento Futuro:
Se elétrons e lacunas forem injetados nos TMDCs, eles se recombinarão quando se encontrarem e então emitirão fótons. Esta capacidade de conversão fotônico-eletrônica é promissora para TMDCs no domínio da transmissão de informações ópticas, onde poderiam servir como fontes de luz ou lasers em miniatura e de baixa potência.
Os TMDCs também podem ser combinados com vários materiais bidimensionais para criar heterojunções com problemas mínimos de incompatibilidade de rede. Espera-se que tais dispositivos fotônicos de heterojunção demonstrem desempenho superior em uma faixa espectral mais ampla.
29. Materiais de ebulição criogênicos
Visão geral:
Materiais em ebulição criogênica são substâncias que se comportam de maneira oposta aos materiais em ebulição térmica, passando de sólido para líquido e para gasoso à medida que a temperatura diminui. Esses materiais permanecem sólidos em altas temperaturas e ambientes, com sua resistência aumentando à medida que a temperatura aumenta, sendo capazes de suportar temperaturas superiores a 10.000 graus Celsius.
Eles se liquefazem a -121°C e se transformam em gás a -270°C. Materiais criogênicos em ebulição são considerados supermateriais. Em comparação com os mais avançados materiais supercondutores e resistentes a altas temperaturas atualmente em desenvolvimento, eles exibem resistência e supercondutividade superiores a altas temperaturas.
Quando dopados com materiais de ebulição térmica inertes, a resistência a baixas temperaturas e temperaturas ultrabaixas dos materiais de ebulição criogênicos pode ser aprimorada, proporcionando resistência excepcional em uma faixa de temperatura mais ampla.
Os materiais metálicos criogênicos exibem propriedades supercondutoras à temperatura ambiente, eliminando a necessidade de ambientes de alto custo e baixa temperatura. Portanto, eles possuem um imenso potencial para pesquisa e aplicações práticas.
Tendências de Desenvolvimento Futuro:
Analistas da indústria sugerem que materiais criogênicos em ebulição poderiam ser amplamente utilizados na indústria aeroespacial, em supermáquinas e em dispositivos eletrônicos. Por exemplo, na indústria aeroespacial, esses materiais poderiam ser usados para fabricar motores de desempenho superior e carcaças de naves espaciais.
Eles são ideais para naves espaciais que viajam na terceira velocidade cósmica ou superior, onde os componentes devem manter uma dureza ultra-alta sob temperaturas extremas geradas por viagens em alta velocidade e ainda funcionar de forma eficaz nas condições frias e ultra-frias do espaço.
Materiais criogênicos em ebulição poderiam impulsionar uma revolução tecnológica na indústria aeroespacial. No entanto, a sua síntese ou extracção da Lua apresenta desafios significativos e há um longo caminho pela frente antes que estes materiais possam ser aplicados.
30. Fluidos Magnetoreológicos
Introdução:
Os fluidos magnetoreológicos, também conhecidos como fluidos magnéticos, ferrofluidos ou simplesmente magfluidos, representam uma classe inovadora de materiais funcionais que combinam a fluidez dos líquidos com as propriedades magnéticas dos ímãs sólidos. Compostos por partículas sólidas magnéticas em escala nanométrica, líquidos transportadores e surfactantes, esses líquidos coloidais estáveis não exibem atração magnética em repouso.
No entanto, eles apresentam propriedades magnéticas quando expostos a um campo magnético externo. Essas características únicas levaram à sua ampla aplicação e valor acadêmico significativo.
Os fluidos magnetoreológicos produzidos a partir de nanometálicos e pós de liga demonstram desempenho superior e são amplamente utilizados em ambientes exigentes para vedações de fluidos magnéticos, sistemas de amortecimento, dispositivos médicos, modulação de som, displays ópticos e processos de separação magnetoreológica.
Tendências futuras:
Nos últimos anos, assistimos a numerosos avanços científicos na aplicação de materiais magnetoreológicos em novas fronteiras, como aeroespacial, defesa, saúde e transporte. À medida que a tecnologia avança, estas aplicações expandem-se e a procura de conhecimentos científicos e técnicos relacionados aumenta constantemente.
Reconhecidos como um dos materiais com maior potencial para desenvolvimento futuro, os fluidos magnetoreológicos têm atraído atenção internacional.
Embora a China tenha entrado no campo da investigação magnetoreológica mais tarde do que outros, está rapidamente a ganhar impulso. Com o monopólio sobre tecnologias de aplicação de ponta, outrora detido por países desenvolvidos como o Reino Unido e os EUA, diminuindo gradualmente, prevê-se que a concorrência na investigação de materiais magnetoreológicos se intensifique nos próximos anos.
31. Material de revestimento sólido
Introdução:
Este material de revestimento é uma liga vítrea à base de ferro projetada especificamente para brocas industriais e ferramentas de mandrilamento, oferecendo maior resistência à fratura sob cargas pesadas. É significativamente mais econômico do que materiais convencionais, como ligas duras de carboneto de tungstênio e cobalto, e também aumenta a eficiência da escavação de túneis devido à sua vida útil prolongada.
Tendências futuras:
Este material tem aplicações potenciais em indústrias como manufatura e construção no futuro.
32. Nanopontos de perovskita
Visão geral:
Os nanopontos de perovskita, conhecidos por sua colossal magnetorresistência, alta condutividade iônica, propriedades eletrocatalíticas e atividade redox, possuem um vasto potencial para aplicações em absorção de luz, armazenamento, catálise e detecção.
As perovskitas são materiais estruturais cristalinos e representam uma nova classe de materiais funcionais. Actualmente, os seus problemas de estabilidade constituem uma barreira significativa ao desenvolvimento. No entanto, a pesquisa sobre novas estruturas de perovskita está avançando, atraindo atenção considerável para os nanopontos de perovskita.
Tendências futuras:
De acordo com o “Relatório de pesquisa sobre o status de desenvolvimento do mercado de nanopontos de perovskita da China e previsão da indústria”, divulgado pela rede de pesquisa de mercado, uma equipe da Universidade de Tecnologia de Queensland (QUT), na Austrália, está integrando nanopontos de perovskita, feitos de cabelo humano, em células solares. .
Esses nanopontos formam uma camada protetora na superfície da perovskita, protegendo o material de diversos fatores externos, melhorando sua estabilidade e aumentando a eficiência de conversão fotovoltaica. Isso também pode reduzir os custos de produção.
Tais avanços são cruciais para o desenvolvimento em larga escala de células solares de perovskita, indicando um futuro promissor para os nanopontos de perovskita.
33. Metais Micro-rede
Introdução:
Os metais micro-rede são construídos a partir de minúsculos tubos ocos interconectados para formar uma estrutura, com diâmetro de cada tubo de aproximadamente 100 micrômetros e espessura de parede de apenas 100 nanômetros. Devido à sua natureza oca, o interior do metal é composto por 99,99% de ar.
Este metal é feito principalmente de ar leve, permitindo que ele repouse sobre um dente-de-leão ou flutue no chão como uma pena em altura. Muitos podem questionar a resistência de um metal tão leve, suspeitando que seja extremamente frágil. No entanto, este não é o caso. Os metais microrreticulados são excepcionalmente fortes e possuem um alto nível de resistência à compressão.
Tendências de Desenvolvimento Futuro:
Como eletrodos de bateria e transportadores de catalisadores, os metais microrreticulados deverão revolucionar o futuro da aviação e da fabricação de espaçonaves. Eles prometem reduzir a massa dos veículos de exploração do espaço profundo da NASA em 40%, o que é crucial para futuras missões a Marte e além.
34. As cidades
Visão geral:
O estaneno, também conhecido como uma camada única de átomos de estanho, apresenta uma estrutura bidimensional em favo de mel semelhante ao grafeno, tornando-o um novo material quântico. Sua estrutura cristalina é baseada no alfa-estanho semelhante ao diamante e, devido à sua configuração sem camadas, não pode ser produzido por esfoliação mecânica, resultando em barreiras tecnológicas de produção extremamente altas.
Comparado com outros materiais bidimensionais, como grafeno, siliceno e germaneno, o estaneno tem ligações mais longas e condutividade elétrica superior e está prestes a se tornar o primeiro supermaterial do mundo capaz de atingir 100,0% de condutividade elétrica à temperatura ambiente.
Tendências futuras:
Analistas da indústria indicam que, como material bidimensional emergente, o estaneno tem uma ampla perspectiva de aplicação. Com inovação contínua e avanços em tecnologia de pesquisa e desenvolvimento, espera-se que a gama de aplicações de estaneno se expanda e que a indústria provavelmente alcance o desenvolvimento comercial.
As barreiras técnicas na indústria de estaneno são elevadas e, nos últimos anos, numerosas equipas de investigação chinesas fizeram progressos significativos no estudo de materiais de estaneno, impactando positivamente o crescimento da indústria.
35. Supercola Molecular
Visão geral:
A supercola molecular é um adesivo descoberto em 2013 por Mark Howarth e sua equipe de pesquisa do Departamento de Bioquímica da Universidade de Oxford, derivado de proteínas liberadas pela bactéria Streptococcus pyogenes durante a invasão celular.
Inspirado nas proteínas emitidas pelo Streptococcus pyogenes, o adesivo é formado por dois componentes proteicos que podem se separar, mas se religarem como cola ao entrar em contato. Conhecido como supercola molecular, este adesivo apresenta alta resistência de adesão, excelente tolerância a temperaturas extremas e resiliência em ambientes ácidos e outros ambientes agressivos.
Perspectivas futuras:
Olhando para o futuro, este material tem aplicações potenciais no diagnóstico do câncer; a supercola molecular pode se ligar a metais, plásticos e várias outras substâncias, superando o problema comum de má adesão entre revestimentos convencionais e metais.
36. Metamateriais
Introdução:
Metamateriais, um termo que surgiu no século 21, referem-se a materiais compósitos especiais ou estruturas que possuem propriedades físicas extraordinárias não encontradas em materiais convencionais. Isto é conseguido através de um projeto estrutural ordenado de dimensões físicas importantes.
Os metamateriais cruzam-se com inúmeras disciplinas, como física, química, optoeletrônica, ciência dos materiais, ciência de semicondutores e fabricação de equipamentos, posicionando-os na vanguarda da pesquisa global com significado estratégico.
A prestigiosa revista Science listou os metamateriais como um dos dez principais avanços científicos na primeira década deste século, enquanto a revista Materials Today também os saudou como um dos dez avanços mais significativos na ciência dos materiais nos últimos cinquenta anos.
Tendências futuras:
Os metamateriais estão prestes a se tornar um novo material com potencial ilimitado. No entanto, ainda estão a alguma distância da verdadeira industrialização em grande escala, com muitos desafios ainda por superar. Estes desafios irão orientar a investigação principal em metamateriais, conduzindo potencialmente a novos avanços tecnológicos e conquistas neste campo.
37. Metais Quânticos
Visão geral:
Quantum é um conceito essencial na física moderna, representando a menor unidade fundamental de matéria e energia. O metal quântico é um metal composto pelas menores unidades de partículas e é um material bidimensional único. Possui características de metais comuns, bem como propriedades isolantes e supercondutoras.
Sob campos magnéticos moderados, ele se comporta como um metal quântico, transita para um isolante sob campos magnéticos fortes e se torna um supercondutor abaixo de -272°C. Isso demonstra o potencial para pesquisa sobre os estados bidimensionais dos metais quânticos.
Tendências futuras:
Analistas da indústria indicam que a supercondutividade é uma direção significativa para a pesquisa de metais quânticos. Os supercondutores, que apresentam resistência elétrica zero abaixo de sua temperatura crítica, podem transmitir eletricidade sem perdas e têm amplas aplicações em eletrônica, telecomunicações, energia, transporte, medicina, indústrias nucleares, aeroespacial e muito mais.
Em 2021, o mercado global de supercondutores foi avaliado em aproximadamente US$ 7,6 bilhões e continua apresentando tendência de crescimento. Os supercondutores podem ser categorizados em supercondutores de baixa e alta temperatura, com os primeiros mantendo uma posição dominante e um forte impulso de desenvolvimento. O metal quântico, como um tipo de supercondutor de baixa temperatura, possui um valor substancial em pesquisa e aplicação.
38. Boro Grafeno
Introdução:
O grafeno de boro, um material bidimensional, é uma estrutura atômica planar de camada única semelhante ao grafeno, composta pelo elemento boro. Este filme fino tem apenas um átomo de espessura.
Prevê-se que sintetizado artificialmente, o grafeno de boro tenha uma variedade de estruturas, possuindo propriedades únicas e exibindo muitas características metálicas, particularmente propriedades eletrônicas excepcionais. Representa uma nova classe de materiais bidimensionais.
Tendências futuras:
Analistas da indústria sugerem que, para impulsionar os avanços tecnológicos na indústria, existe um alto nível de interesse na pesquisa e aplicação de novos materiais no mercado global.
O investimento dos governos e do capital na investigação de novos materiais está a aumentar continuamente e novos materiais de alto desempenho estão a ser desenvolvidos e comercializados a um ritmo acelerado. Como um novo material bidimensional, o grafeno de boro tem excelentes propriedades eletrônicas e um enorme potencial de crescimento em indústrias como eletrônica e energia.
No curto prazo, seu mercado de aplicação ainda não está formado por ainda estar em fase de pesquisa. Porém, no longo prazo, comparado ao grafeno, tem um potencial de mercado significativo.
39. Cimento Programável
Visão geral:
O cimento programável, ao gerenciar a microestrutura das partículas de cimento, programa essas partículas para formar concretos especializados com alta densidade e baixa porosidade. Isso aumenta a resistência, impermeabilização e resistência à corrosão do concreto.
O cimento programável é um tipo de cimento inovador e de alta tecnologia. Não só apresenta melhor desempenho geral, mas também reduz significativamente os danos ambientais durante a produção e aplicação.
Tendências de Desenvolvimento Futuro:
Analistas da indústria indicam que a China tem actualmente um menor envolvimento na investigação de cimento programável em comparação com os Estados Unidos. No entanto, à medida que o país pretende passar de um gigante da indústria transformadora para uma potência industrial e alcançar a neutralidade carbónica e os objectivos de desenvolvimento sustentável, o governo chinês está a promover activamente a investigação de novos materiais de alto desempenho e ecológicos.
No futuro, espera-se que os investimentos na investigação de novos materiais de construção na China aumentem de forma constante, e os resultados na investigação do cimento programável deverão aumentar.
40. Platina Ultrafina
Visão geral:
Ultra-Thin Platinum é um novo método para depositar filmes finos de platina de forma rápida e barata, reduzindo significativamente a quantidade de metal necessária para catalisadores de células de combustível, reduzindo assim enormemente seu custo.
Perspectiva futura:
Este material pode ser empregado em campos como células a combustível de hidrogênio no futuro.
41. Ligas de platina
Visão geral:
As ligas de platina são compostas de platina misturada com outros metais, como paládio, ródio, ítrio, rutênio, cobalto, ósmio e cobre. Como materiais funcionais, são utilizados na medição de temperatura, como catalisadores, para contatos elétricos, materiais de eletrodos, materiais elásticos e materiais magneto-hidrodinâmicos.
As ligas de platina para medição de temperatura apresentam alta estabilidade termoelétrica e precisão em altas temperaturas, envolvendo principalmente sistemas de platina-ródio, platina-molibdênio e platina-cobalto. As ligas de platina-ródio têm excelente resistência à oxidação em altas temperaturas e estabilidade química.
Termopares de liga de platina-molibdênio são usados para medições de alta temperatura em vácuo ou atmosferas inertes e campos nucleares. As ligas de platina-cobalto, utilizadas em termômetros de resistência, apresentam desempenho com alta precisão e sensibilidade acima de 20K.
Os catalisadores de liga de platina são o único material usado no processo de oxidação de amônia para a produção de ácido nítrico, consistindo principalmente em malhas de liga de platina-ródio ou platina-ródio-paládio.
Tendências futuras:
As ligas de platina têm uma ampla gama de aplicações em materiais de deformação de alta temperatura, materiais de enrolamento de potenciômetros de precisão, materiais médicos, joias e moedas, com potencial significativo para desenvolvimento futuro.
42. Materiais de autocura
Visão geral:
Os materiais autocurativos, como o nome indica, são capazes de reparar danos automaticamente sem a necessidade de intervenção significativa. Esta propriedade não só prolonga a vida útil dos itens, mas também garante a sua segurança e integridade, ao mesmo tempo que reduz os custos de manutenção.
A pesquisa sobre materiais autocurativos começou na década de 1990 na área de concreto arquitetônico. Contudo, só em 2001 é que se registaram progressos significativos, quando o electroquímico de renome mundial, o americano Scott White, e a sua equipa publicaram um artigo na Nature. Eles desenvolveram materiais poliméricos autocurativos incorporando microcápsulas cheias de agentes cicatrizantes em uma resina epóxi contendo um catalisador, atraindo ampla atenção internacional para o campo.
Tendências futuras:
Com o rápido avanço da tecnologia de autocura, uma variedade de materiais de autocura estão preparados para encontrar aplicações mais amplas em indústrias como construção, automotiva, aeroespacial, aviação e eletrônica. A sua utilização é de grande importância para a conservação dos recursos e para a consecução do desenvolvimento sustentável.
43. Revestimento de vidro com bloqueio de luz solar
Visão geral:
Este revestimento inovador pode auto-ajustar a transparência do vidro. A temperaturas superiores a 67ºC, este revestimento transparente transforma-se numa superfície reflectora com acabamento espelhado para desviar a luz solar.
Perspectivas futuras:
Este material tem aplicações potenciais na construção, transporte e outros setores.
44. Plásticos Biomiméticos
Visão geral:
Os materiais biomiméticos são desenvolvidos para emular várias características ou características dos organismos vivos. Os materiais artificiais projetados e fabricados para imitar os modos operacionais dos sistemas vivos e os princípios estruturais dos materiais biológicos são conhecidos como materiais biomiméticos.
Os plásticos biomiméticos não só possuem uma resistência muito superior à dos plásticos de engenharia, mas também exibem notável tenacidade e resistência à propagação de fissuras. Eles sofrem alterações dimensionais mínimas dentro de uma faixa de temperatura de -130°C a 150°C e, à temperatura ambiente, seu coeficiente de expansão térmica é apenas cerca de um décimo do dos plásticos convencionais.
Tendências futuras:
À medida que a urbanização no nosso país acelera, as questões relativas à estabilidade social e à segurança urbana ganham cada vez mais destaque. A tecnologia plástica biomimética é um facilitador essencial para o desenvolvimento de infraestrutura. Assim, com o avanço da tecnologia socioeconómica e da informação, a aplicação de plásticos biomiméticos está prestes a tornar-se uma nova tendência no futuro.
45. Cristais Fotônicos
Introdução:
Os cristais fotônicos são nanoestruturas ópticas periódicas que afetam o movimento dos fótons da mesma forma que as redes iônicas influenciam os elétrons nos sólidos. Eles ocorrem naturalmente, manifestando-se como coloração estrutural e refletores animais, e são promissores para uma variedade de aplicações em diferentes formas. Como materiais ópticos atraentes, os cristais fotônicos são usados para controlar e manipular o fluxo de luz.
Tendências futuras:
Cristais fotônicos unidimensionais já são amplamente utilizados em óptica de filme fino, com aplicações que vão desde revestimentos anti-reflexos e altamente reflexivos em lentes e espelhos até tintas e tintas que mudam de cor. Cristais fotônicos de dimensões superiores são de grande interesse tanto para pesquisas fundamentais quanto aplicadas, com estruturas bidimensionais começando a encontrar aplicações comerciais.
Produtos comerciais envolvendo cristais fotônicos periódicos bidimensionais surgiram na forma de fibras de cristal fotônico, que usam estruturas em escala micrométrica para confinar a luz com propriedades fundamentalmente diferentes daquelas guiadas por fibras convencionais usadas em dispositivos não lineares e para guiar comprimentos de onda incomuns.
Embora suas contrapartes tridimensionais estejam longe de ser comercializadas, elas poderiam oferecer funcionalidades adicionais, como a não-linearidade óptica necessária para operar transistores ópticos usados em computadores ópticos, uma vez superados certos aspectos técnicos como capacidade de fabricação e grandes dificuldades.
46. Materiais Cerâmicos Resistentes à Erosão
Visão geral:
Materiais cerâmicos resistentes à erosão representam um avanço altamente promissor em materiais estruturais de alta temperatura. Com alto ponto de fusão, eles servem como materiais refratários superiores para aplicações como fornos e tubos de fornos de alta temperatura. Entre essas cerâmicas, aquelas categorizadas como materiais estruturais são compostas principalmente por propriedades mecânicas como resistência, dureza e tenacidade.
Embora os metais tenham sido amplamente utilizados como materiais estruturais, a sua susceptibilidade à corrosão e oxidação a altas temperaturas torna-os inadequados para tais condições. O advento da cerâmica estrutural de alta temperatura aborda as deficiências dos materiais metálicos mais fracos. Essas cerâmicas são resistentes a altas temperaturas, oxidação e corrosão ácido-base.
Tendências futuras:
Cerâmicas resistentes à erosão e de alta temperatura oferecem isolamento, resistência à temperatura, resistência à corrosão e propriedades mecânicas robustas. Os revestimentos isolantes cerâmicos de alta temperatura são reconhecidos pela sua compatibilidade ambiental, eficiência e multifuncionalidade, garantindo um lugar importante no setor de revestimentos especializados.
47. Alternativas de materiais de parede para ar condicionado
Visão geral:
A hidrocerâmica é um material composto por esferas de hidrogel que podem inchar até 400 vezes o seu volume original quando submersas em água.
Tendências futuras:
Devido a esta propriedade notável, as esferas esféricas absorvem líquidos que irão evaporar no ar circundante durante o tempo quente, proporcionando assim um efeito de arrefecimento.
48. Plásticos infinitamente recicláveis
Visão geral:
Plásticos infinitamente recicláveis referem-se àqueles que podem ser reciclados indefinidamente. Em comparação com os plásticos convencionais, os plásticos infinitamente recicláveis podem ser reprocessados, evitando os danos causados pela entrada de produtos plásticos no ambiente, oferecendo assim benefícios ecológicos significativos. Ao contrário dos plásticos biodegradáveis, os plásticos infinitamente recicláveis não se degradam na natureza, mas podem ser reutilizados, proporcionando um valor económico substancial.
Tendências de Desenvolvimento Futuro:
Os plásticos infinitamente recicláveis têm uma ampla perspectiva de mercado no contexto das estratégias de desenvolvimento sustentável. Analistas da indústria indicam que os plásticos comuns enfrentam atualmente vários problemas relativos ao valor ecológico e económico. Os plásticos infinitamente recicláveis podem resolver estes problemas ao máximo e substituir os plásticos existentes na fabricação de vários produtos.
49. Materiais de impressão 4D
Introdução:
Os principais materiais usados na impressão 4D são polímeros. Em 2014, os cientistas desenvolveram uma fibra polimérica sensível à tensão que pode ser fabricada em vestidos capazes de se ajustar automaticamente ao formato e aos movimentos do corpo do usuário.
Tendências futuras:
Os materiais inteligentes estão no centro da tecnologia 4D. No entanto, como a investigação neste campo ainda está numa fase inicial, existem apenas alguns materiais maduros prontos para implantação no mercado, sendo os polímeros o foco principal. Isto apresenta oportunidades e desafios. Uma área-chave da pesquisa atual é a investigação do potencial da cerâmica, dos metais, das substâncias biológicas e dos compósitos como materiais de impressão.
50. Material que apaga rugas
Visão geral:
Este polímero delicado e suave, quando aplicado na pele, pode apertar e levantar instantaneamente, eliminando rugas sem esforço.
Perspectiva futura:
Este material é uma grande promessa para o desenvolvimento de produtos para a pele e para o tratamento de doenças da pele.
Como a tecnologia de IA acelera o processo de desenvolvimento de materiais de alto desempenho?
A tecnologia AI acelera o processo de desenvolvimento de materiais de alto desempenho principalmente através dos seguintes aspectos:
Melhorar a precisão da modelagem e a capacidade de gerar novas funções: A principal inovação da ciência dos materiais de IA reside na otimização de algoritmos, especialmente na aplicação de tecnologia de aprendizagem profunda. Isto melhora significativamente a precisão da modelagem, prevendo assim com mais precisão o desempenho e as funções de novos materiais.
Iniciativa Genoma de Materiais: Ao estabelecer a infraestrutura para a inovação de novos materiais, a tecnologia de IA ajuda a, pelo menos, duplicar a velocidade desde a investigação e desenvolvimento até à aplicação de materiais, ao mesmo tempo que reduz para metade o custo. Neste processo, o estabelecimento de uma base de dados é fundamental, fornecendo uma base para a engenharia do genoma de materiais.
Experimentos de alto rendimento, automatizados e inteligentes: a tecnologia de IA promoveu o alto rendimento, a automação e a inteligência de experimentos com materiais. Isto não só melhora a eficiência dos experimentos, mas também promove a profunda integração de simulações teóricas e dados experimentais, orientando assim o projeto e a otimização de novos materiais.
Combinação de big data e métodos de aprendizado de máquina: O método de aprendizado de máquina que combina função de alta precisão e profundo potencial construído com tecnologia de IA com cálculo de alto rendimento pode prever materiais de fronteira, como isoladores topológicos, materiais catalíticos, materiais bidimensionais, etc.
Resolver o problema do “gargalo”: A tecnologia de IA, especialmente a investigação impulsionada pela tecnologia de big data, fornece meios eficazes para resolver problemas difíceis no campo da ciência dos materiais, acelerando o processo de desenvolvimento de novos materiais.
Aplicação de Informática de Materiais: O uso eficiente de IA para pesquisa de informática de materiais, avançando no desenvolvimento de materiais por meio da previsão de propriedades, é um aspecto importante dos métodos inovadores de IA no campo da ciência de materiais.
