¡Transforma la artesanía celestial como un dios! Revisión del desarrollo de nuevos materiales en el mundo en 2021-
Departamento Internacional del Diario de Ciencia y Tecnología
Los materiales superconductores magnéticos se refieren a materiales superconductores que contienen iones magnéticos, que pueden usarse para acelerar partículas en el Gran Colisionador de Hadrones, construir vehículos maglev, etc. El principal problema actualmente en el desarrollo y producción en masa de superconductores magnéticos es el uso de equipos de refrigeración complejos y costosos. Investigadores del Centro Cuántico Ruso han obtenido por primera vez materiales superconductores magnéticos a temperatura ambiente. Con esta tecnología se podrán crear en el futuro ordenadores cuánticos que no requieran complejos y costosos dispositivos de refrigeración. Los experimentos se realizaron en películas monocristalinas de granate de hierro ytrio, una sustancia que se magnetiza espontáneamente a determinadas temperaturas.
La Universidad Técnica Nacional de Investigación de Rusia y el Instituto de Problemas de Tecnología Microelectrónica de la Academia de Ciencias de Rusia han desarrollado un material nanocompuesto de silicio único mediante tecnología de recubrimiento de grafeno depositado. Este resultado de investigación y desarrollo acelerará el desarrollo de la tecnología de "microplantas de energía" colocadas directamente en la placa de circuito impreso de productos electrónicos.
Las estructuras porosas de silicio se utilizan cada vez más en microelectrónica y biomedicina. Una de sus propiedades importantes es que los poros de diferentes tamaños se distribuyen uniformemente por todo el material. En medicina, las membranas porosas de silicio funcionan como filtros, por ejemplo en hemodiálisis. En la electrónica portátil, se utilizan como electrodos en micropilas de combustible, una prometedora fuente de energía de hidrógeno que puede integrarse en placas de circuito impreso. Pero cuando entra en contacto con el líquido de trabajo (agua o una solución débilmente alcalina), el silicio nanoporoso se destruye gradualmente. Gracias al nuevo método de tratamiento de la estructura del silicio, su resistencia superficial se reduce cientos de veces y su estabilidad frente a soluciones débilmente alcalinas mejora significativamente. Además, debido a la formación de protuberancias adicionales en la superficie interna de los poros, la superficie efectiva del material se duplica con creces. Todo esto mejora enormemente las propiedades de las micropilas de combustible y aumenta la durabilidad de los costosos catalizadores que se utilizan en ellas.
Además, la Universidad Federal del Lejano Oriente de Rusia y el Instituto de Control Automatizado de Procesos de la Rama del Lejano Oriente de la Academia de Ciencias de Rusia han desarrollado una tecnología para la impresión láser de nanopartículas de silicio. Las ventajas de esta tecnología son su velocidad, bajo coste de fabricación y capacidad de cubrir grandes áreas con partículas. Esto permitirá que las gafas de realidad virtual y otros dispositivos electrónicos sean más pequeños y más baratos de fabricar. Las nanopartículas de silicio son los componentes básicos para producir pequeños interruptores fotoeléctricos, chips informáticos ultrafinos, sensores microbianos y revestimientos protectores. Los nanobloques de silicio impresos con láser se pueden utilizar para controlar propiedades clave como la amplitud, el espectro y la dirección de propagación de las ondas de luz que inciden sobre ellos.
Investigadores de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido han creado una película de polímero estirable, sostenible y de origen vegetal que imita las propiedades de la seda de araña, uno de los materiales más resistentes de la naturaleza. El nuevo material es tan resistente como muchos plásticos comunes que se utilizan hoy en día y podría reemplazar los plásticos de un solo uso en muchos productos domésticos comunes. Al mismo tiempo, el material puede degradarse de forma segura en la mayoría de los entornos naturales sin necesidad de equipos de compostaje industrial, y también puede industrializarse para una producción a gran escala.
Investigadores de la Universidad de Cambridge combinan la fabricación de robótica blanda, electrónica ultrafina y microfluidos para desarrollar un dispositivo inflable ultrafino que puede tratar los dolores más severos en las extremidades, como aquellos que no pueden curarse con analgésicos Pierna y espalda dolor sin cirugía invasiva. El dispositivo podría ser una solución eficaz a largo plazo para tratar el dolor intratable de millones de personas en todo el mundo.
Un equipo de investigación colaborativo liderado por la Universidad de Liverpool ha descubierto un nuevo material inorgánico con la conductividad térmica más baja, también conocida como conductividad térmica, jamás alcanzada. Este descubrimiento representa un nuevo avance en el diseño de materiales para controlar el flujo de calor a escala atómica, lo que promoverá el desarrollo acelerado de nuevos materiales termoeléctricos que conviertan el calor residual en electricidad y utilicen combustibles de manera efectiva, y encuentren nuevas formas de construir una sociedad sostenible.
La Universidad de Cambridge ha encontrado una manera de crear purpurina sostenible, no tóxica y biodegradable a partir de celulosa, el componente principal de las paredes celulares de plantas, frutas y verduras, utilizando tecnología de autoensamblaje para producir purpurina brillante. películas coloreadas.
Investigadores de la Universidad de Cambridge han desarrollado un nuevo material suave pero resistente que se ve y se siente como gelatina blanda pero que puede soportar el peso de un elefante parado sobre él y colapsa cuando se comprime como un trozo de vidrio súper duro e irrompible. . También puede volver completamente a su forma original, aunque esté compuesta en un 80% de agua.
En el campo de los nuevos materiales, los científicos estadounidenses han utilizado sus ideas únicas y han logrado muchos avances. En 2004 apareció el grafeno, el “rey de los nuevos materiales”. Desde entonces, se ha intentado constantemente diseñar nuevos materiales bidimensionales. Se considera que el boreno es más fuerte, más ligero y más flexible que el grafeno, y puede llegar a serlo. el siguiente material después del grafeno. Un "nanomaterial milagroso".
El Laboratorio Nacional Argonne y otras instituciones han desarrollado borofeno, que está compuesto de átomos de boro e hidrógeno. Este material bidimensional tiene sólo dos átomos de espesor y es más resistente que el acero. Se espera que se utilice en nanoelectrónica. y tecnología de la información cuántica. Ingenieros de la Universidad Northwestern han creado por primera vez una capa de borofeno de doble átomo de espesor, que se espera que traiga cambios revolucionarios a las células solares y la computación cuántica.
Por primera vez, científicos de la Universidad de California, Berkeley, han desarrollado un imán ultrafino que tiene un átomo de espesor y puede funcionar a temperatura ambiente. Se espera que sea utilizado en la próxima generación. de la memoria, las computadoras, la espintrónica, la física cuántica y otros campos.
Además, científicos de la Universidad Carnegie han desarrollado un nuevo método para sintetizar un nuevo tipo de silicio cristalino con estructura hexagonal, que podrá utilizarse para fabricar una nueva generación de dispositivos electrónicos y energéticos. El nuevo dispositivo superará el de los dispositivos existentes fabricados de silicio con estructuras cúbicas ordinarias. Investigadores de la Universidad de Princeton han desarrollado el arseniuro de galio más puro del mundo hasta el momento, que contiene sólo una impureza por cada 10 mil millones de átomos, allanando el camino para una mayor exploración de los fenómenos cuánticos.
El Instituto de Investigación de Materiales de Japón ha producido una prueba de una "batería de diamante", también conocida como "batería betavoltaica", que es un tipo de "batería nuclear" hecha de materiales radiactivos. Los núcleos de sustancias radiactivas son inestables y liberarán diversas radiaciones y se desintegrarán. Entre ellos, el carbono 14 y el isótopo radiactivo del níquel, el níquel 63, liberarán rayos beta. La vida media del carbono-14 es de unos 5.700 años, y la del níquel-63 es de unos 100 años, por lo que se pueden conseguir baterías de larga duración. Las "baterías de diamante" utilizan materiales radiactivos para liberar rayos beta y generar electricidad. La "batería de diamante" que se está probando actualmente en Japón tiene una vida útil de hasta 100 años y puede utilizarse como fuente de energía para equipos espaciales y subterráneos.
Un equipo de investigación de la Universidad Tecnológica de Kochi en Japón ha desarrollado un "catalizador nanoporoso supermúltiple" con una estructura de esponja que contiene uniformemente 14 elementos y tiene microporos a nanoescala conectados aleatoriamente. Este catalizador se logra preparando una aleación de aluminio que contiene 14 elementos, disolviendo preferiblemente el aluminio en una solución alcalina para desalearlo y luego reuniendo elementos distintos del aluminio. Como la aleación sólo necesita disolverse, se puede producir a gran escala.
La Agencia Japonesa de Investigación y Desarrollo de Ciencia y Tecnología Cuántica, la Universidad de Tohoku y el Instituto de Investigación de Aceleradores de Alta Energía mejoraron la composición de la aleación y descubrieron que el hidrógeno se puede almacenar utilizando aluminio y hierro sin utilizar metales raros. La investigación ha descubierto que, aunque el aluminio y el hierro son metales que no reaccionan fácilmente con el hidrógeno, pueden almacenar hidrógeno y convertirlo en un nuevo metal hidrogenado si reaccionan con el hidrógeno a temperaturas superiores a 650 °C en un entorno con una presión de más de 70.000 atmósferas. . cosas. Japón ha desarrollado este tipo de aleación de almacenamiento de hidrógeno que no utiliza metales raros, lo que permite transportar materiales de almacenamiento de hidrógeno a bajo costo.
Un equipo de investigación compuesto por el Instituto de Tecnología de Tokio, la Universidad de Kumamoto y otros ha desarrollado un nuevo material "complejo de anillo de hierro de catorce miembros" que ayuda a las pilas de combustible a lograr la desplatinización. El equipo de investigación produjo un complejo de anillo de hierro aromático de catorce miembros con 14 átomos que fijan átomos de hierro y una estructura que es un círculo más pequeño que el complejo de anillo de dieciséis miembros. Se utilizaron pruebas de escaneo potenciales para evaluar la actividad catalítica de reducción de oxígeno del catalizador recién preparado y se encontró que tenía mejor actividad catalítica y durabilidad que la ftalocianina de hierro. El objetivo posterior del equipo es aumentar la actividad catalítica a aproximadamente 30 veces el nivel actual optimizando la estructura circundante del anillo de catorce miembros, para que los catalizadores de reemplazo de platino sean prácticos.
En términos de nanotecnología, el Laboratorio de Física del Estado Sólido de la Universidad de París-Sud en Francia y el Instituto de Física de la Universidad Técnica de Graz en Austria realizaron por primera vez imágenes tridimensionales de fonones de nanosuperficies. tiempo, lo que se espera que promueva el desarrollo de nanotecnología nueva y más efectiva. Para desarrollar nuevas nanotecnologías, primero es necesario visualizar los fonones de superficie a escala nanométrica. En el nuevo estudio, los científicos utilizaron un haz de electrones para excitar vibraciones de la red, las midieron utilizando métodos espectroscópicos especiales y luego realizaron reconstrucciones tomográficas.
En términos de energía del hidrógeno, investigadores del Centro Nacional de Investigación Científica de Francia y de la Universidad Técnica de Munich en Alemania han desarrollado un nuevo catalizador de hidrógeno. La hidrogenasa es una enzima que no sólo puede catalizar la electrólisis del agua para producir hidrógeno, sino que también realiza la reacción inversa de convertir hidrógeno en electricidad. Los investigadores incorporaron hidrogenasa en el "polímero redox" para que la hidrogenasa pueda injertarse en el electrodo. Los investigadores utilizaron esto para crear un sistema que puede catalizar reacciones en ambas direcciones, es decir, el sistema puede usarse como celda de combustible o puede realizar la reacción química opuesta para producir hidrógeno electrolizando agua.
En términos de nanomateriales, el Centro Nacional Francés de Investigación Científica y el Centro para la Sostenibilidad del Concreto del MIT han utilizado con éxito negro de nanocarbono para hacer que el cemento sea conductor. Los investigadores lo hicieron introduciendo en la mezcla materiales de nanocarbono, que son baratos y fáciles de producir a gran escala, y verificaron su conductividad. Al agregar un 4% en volumen de partículas de negro de nanocarbono a la mezcla de cemento, la muestra resultante se volvió eléctricamente conductora. La aplicación de un voltaje tan bajo como 5 voltios aumentó la temperatura de la muestra de cemento a 41 grados Celsius. Debido a que proporciona una distribución uniforme del calor, ofrece la posibilidad de calefacción por suelo radiante interior como alternativa a los sistemas de calefacción radiante tradicionales. Además, también se puede utilizar para descongelar superficies de carreteras.
Según el "Plan de implementación del desarrollo de nanotecnología 2021" y el "Séptimo Plan de implementación de tecnología industrial (2019-2023) 2021", la financiación de la investigación en nanotecnología proporcionada por el gobierno coreano ha crecido rápidamente durante tres años consecutivos. .
Una investigación en la Universidad Sungkyunkwan en Corea del Sur demuestra una nueva dirección en la preparación de cátodos que contienen activos altamente conductores sin el uso de agentes conductores tradicionales mediante el recubrimiento de grafeno sobre óxidos ricos en níquel, lo que revela aún más la viabilidad de la aplicación de la nanotecnología Gr .
Un equipo de investigación coreano ha desarrollado el cátodo de nanopelícula de mejor rendimiento hasta el momento que utiliza disulfuro de titanio como material activo y no utiliza un electrolito sólido.
El Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología ha completado la tecnología de producción en masa de nanopartículas metálicas para catalizadores de pilas de combustible de hidrógeno mediante el uso del proceso de deposición de película delgada metálica utilizado en los procesos de fabricación de semiconductores. Se utilizan sustratos especiales durante el proceso de fabricación para evitar la deposición de metal en forma de película delgada.
Un equipo de investigación coreano logró crear un canal conductor con un ancho de línea de 4,3 angstroms. El estudio utilizó fósforo negro bidimensional transparente, de un átomo de espesor, como material conductor. Se espera que este material se convierta en una nueva generación de dispositivos semiconductores que sustituyan al grafeno. Los hallazgos se verificaron mediante microscopía electrónica de transmisión con resolución atómica.
El láser de pulso ultrarrápido desarrollado por el Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología inserta un resonador adicional que contiene grafeno en un oscilador láser de pulso de fibra que opera en el rango de femtosegundos, aumentando la frecuencia de pulso de los láseres existentes 10.000 veces.
La empresa israelí Polaris Solutions dijo que ha cooperado con el Ministerio de Defensa israelí para desarrollar un material furtivo de visión térmica llamado "Kit 300". El material está compuesto de metal, polímero y microfibra y se utiliza principalmente para ayudar a los soldados a evitar ser detectados por equipos de imágenes térmicas durante la noche, pero también se puede personalizar con colores y patrones según las necesidades de los entornos de combate (como Gobi, selva, etc.). Ayuda a los soldados a disfrazarse bajo ciertas condiciones. Además, el material es impermeable, tiene alta resistencia y flexibilidad, y puede doblarse en forma de U como camilla temporal.
Investigadores de la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática del Instituto Tecnológico Technion-Israel publicaron un artículo en la revista Science afirmando que han desarrollado un material "bidimensional" ultrafino (compuesto por una sola capa de átomos)" que los materiales pueden "atrapar" la luz, y los científicos pueden utilizar "microscopios cuánticos" especiales para observar la propagación de la luz a través de ellos. Se espera que este material allane el camino para una nueva generación de tecnología microóptica. El profesor Kamina del Instituto de Tecnología de Israel dijo que este descubrimiento puede reducir el diámetro de las fibras ópticas de 1 micrón a 1 nanómetro.
Un equipo de investigación del Instituto Tecnológico de Israel publicó un artículo en el que afirma que eliminar un átomo de oxígeno de la estructura original puede mejorar significativamente las propiedades conductoras de los materiales ferroeléctricos. Los investigadores descubrieron que los átomos del material ferroeléctrico titanato de bario forman una estructura reticular en forma de cubo. Al eliminar un átomo de oxígeno en la estructura reticular, se puede formar una estructura topológica única llamada "cuadrupolo" que aumenta la conductividad eléctrica del material. mejorado significativamente y esta investigación ayudará a reducir el consumo de energía de los dispositivos electrónicos en el futuro.
El Centro Helmholtz para la Investigación de Energía y Materiales de Alemania en Berlín utilizó tecnología de microscopía de rayos X para tomar 1.000 imágenes tomográficas en 1 segundo, estableciendo un nuevo récord mundial en el campo de la investigación de materiales. El centro inventó un material de película monocapa de metilo autoensamblado colocado entre silicio y perovskita, que mejoró el rendimiento de llenado y la estabilidad de las células solares, y estableció un récord mundial de eficiencia de las células solares en tándem de perovskita-silicio. El Centro de Investigación Jülich et al. sintetizaron y caracterizaron el llamado material bidimensional y demostraron que el material es un aislante topológico de magnones. La Universidad de Augsburgo ha desarrollado un compuesto estable basado en el principio de los efectos cuánticos que obstaculizan el orden magnético, que puede sustituir a las sales paramagnéticas para alcanzar temperaturas ultrabajas.
El Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces ha desarrollado una película de nanotubos de nitruro de carbono que puede catalizar diversas reacciones fotoquímicas con altas tasas de conversión. Estos nanotubos de carbono actúan como nanorreactores espacialmente aislados para convertir las aguas residuales en agua limpia. El acelerador de radiación sincrotrón de electrones de Alemania utiliza rayos X de alta intensidad para observar el funcionamiento de nanopartículas catalíticas individuales, dando un paso importante hacia una mejor comprensión de los materiales catalíticos industriales reales. Utilizando el acelerador de partículas en Darmstadt, Alemania, los científicos alemanes sintetizaron y estudiaron con éxito el elemento 114, iridio. Los resultados mostraron que el núcleo de iridio no es la llamada "isla de estabilidad".
El Instituto Fritz Haber ha descubierto que al iluminar con luz láser el óxido de zinc del semiconductor, la superficie del semiconductor puede volverse metálica y luego volver a metalizarse. La Universidad Técnica de Munich y otros descubrieron que recubrir la interfaz de la batería de estado sólido con nanorrevestimientos puede hacer que la batería sea estable. El Instituto de Tecnología de Karlsruhe ha descubierto que recubrir y secar dos capas de electrodos simultáneamente puede acortar el tiempo de secado a menos de 20 segundos, aumentando la velocidad de producción de baterías de iones de litio en al menos un tercio.
Por primera vez en el mundo, el Instituto Federal Alemán de Ensayos de Materiales ha certificado estándares para medir la eficiencia cuántica de la fluorescencia, que pueden proporcionar una caracterización fiable y comparable de nuevas sustancias fluorescentes y sus técnicas de medición. La Universidad de Friburgo ha desarrollado un proceso de moldeo de vidrio por inyección que puede utilizarse para producir en masa estructuras y dispositivos de vidrio complejos para reemplazar los productos de plástico anteriores. El Instituto Fraunhofer de Física de la Construcción ha desarrollado un proceso de desmineralización que separa completamente el negro de humo industrial de las cenizas minerales de los neumáticos de los vehículos.
En las últimas décadas, la comunidad científica se ha interesado cada vez más en el uso de la nanotecnología y las oportunidades que ofrece en los campos de la ciencia, la ingeniería y la biomedicina. Los nanocristales tienen propiedades físicas únicas en comparación con sus homólogos en masa y, debido a su pequeño tamaño, pueden penetrar fácilmente en las células vivas e incluso en los orgánulos individuales. Esto permite utilizar con éxito los nanocristales como portadores de medicamentos, lo que facilita enormemente su administración dirigida a células individuales y tiene un gran potencial, especialmente en la quimioterapia del cáncer.
Aún más interesantes son los nanocristales, que no sólo sirven como agentes pasivos para la administración dirigida de fármacos, sino que también pueden participar activamente en procesos biológicos dentro de las células vivas. En octubre de 2021, el Instituto de Materiales de Centelleo de la Academia Nacional de Ciencias de Ucrania anunció que la Sala de Materiales Nanoestructurados del instituto había realizado una investigación sobre un nuevo tipo de nanocristales bioactivos (nanozimas) en el campo de los nanobiomateriales. Los cristales tienen propiedades similares a las enzimas y. Función en el control de la velocidad de los procesos bioquímicos en las células. Descubrieron que las propiedades de estos nanocristales dependían principalmente de su extremadamente fuerte actividad antioxidante.
Es bien sabido que las llamadas especies reactivas de oxígeno se forman constantemente en las células vivas y, debido a su altísima capacidad oxidativa, pueden destruir diversos componentes de las células vivas y, por tanto, tener un impacto negativo en la cuerpo. Estas lesiones se acumulan a medida que envejecemos y muchos científicos creen que esta acumulación de cambios estructurales en el cuerpo es una de las causas clave del envejecimiento. En otras palabras, regular eficazmente el nivel de especies reactivas de oxígeno en las células vivas puede convertirse en uno de los factores que previene diversas enfermedades e incluso retrasa el envejecimiento. Las moléculas de enzimas pueden controlar los niveles de especies reactivas de oxígeno en las células vivas, y uno de los tipos de nanocristales con actividad antioxidante similar a una enzima más estudiados son los nanocristales de óxido de cerio. Los científicos del instituto han confirmado que los nanocristales pueden ralentizar el proceso de envejecimiento en ratones. Durante el proceso de investigación, los científicos también establecieron el mecanismo específico por el cual los nanocristales promueven la actividad oxidativa en ambientes con diferente acidez.