¿Cuáles son algunos súper materiales plausibles? [cerrado]

Su comentario final: Recuerde que las propiedades del material a granel dependen de la fuerza de los enlaces químicos, por lo que estamos limitados por la fuerza de los enlaces covalentes. me hace pensar "tal vez no ".

Un gran tema de investigación de vanguardia para la ciencia ficción del futuro cercano es el uso de superconductores y pinning de flujo magnético para crear estructuras a gran escala. Una estación espacial puede mantenerse unida por un flujo que es más fuerte que el material físico y, sin embargo, puede someterse a esfuerzos y reemplazarse sin daño permanente. Dos módulos se pueden mantener en posición relativa mediante líneas de fuerza invisibles, tan fuertes como la potencia que pueda alimentar para aumentarlas, utilizando el electromagnetismo para compensar o restaurar cualquier fuerza externa. Normalmente es pasivo en el sentido de que una fuerza sobre un objeto que hace que se mueva en relación con el otro inducirá corrientes eléctricas en el superconductor que generarán fuerzas para compensar e invertir el movimiento. Así que la fuerza que trata de desgarrarlo está siendo utilizada contra sí misma .para resistir la separación, siempre que el superconductor pueda amortiguarla. En realidad, necesita agregar algo de poder para superar las pérdidas y hacer que "retroceda" en lugar de poder resistir perfectamente una fuerza con un movimiento infinitesimal producido.

El resultado de una gran vista es un rayo irrompible de aparente fuerza ilimitada. Para una malla de red de elementos, puede ser elástica (permitir que se muevan y almacenen energía en los superconductores o como campos magnéticos) o rígida o cambiar de uno a otro, o reconfigurar a pedido cambiando los tubos de flujo magnético presentados y capturando puntos.

Ahora reduzca eso: en lugar de que los nodos sean módulos de naves espaciales de varias toneladas, ¿qué pasaría si se construyeran utilizando nanotecnología, con un nodo del tamaño de un grano mineral? Lo que parece ser un ladrillo o piedra común se mantendría unido no con fuerzas covalentes residuales entre los granos minerales, sino con la fijación de flujo magnético y la capacidad de colocar los granos en su lugar sin daños permanentes después de que pasa una gran tensión. .

¡Sería un material a escala humana con una fuerza ilimitada, mucho más de lo que puede suponer a partir de las fuerzas de enlace atómico normales, incluso con lo que se obtiene de los fullerenos !

¿Cómo es eso de super-material?

Se teoriza que los extraños de la materia de quarks tienen propiedades interesantes (incluida la apocalíptica de infectar y convertir la materia normal en materia "extraña").

https://en.wikipedia.org/wiki/Strange_matter

La materia extraña es una forma particular de materia de quarks, generalmente considerada como un "líquido" de quarks arriba, abajo y extraños. Debe contrastarse con la materia nuclear, que es un líquido de neutrones y protones (que a su vez están formados por quarks arriba y abajo), y con la materia de quarks no extraños, que es un líquido de quarks que contiene solo quarks arriba y abajo. A una densidad lo suficientemente alta, se espera que la materia extraña sea superconductora de color. Se supone que la materia extraña se encuentra en el núcleo de las estrellas de neutrones o, más especulativamente, como gotas aisladas que pueden variar en tamaño desde femtómetros (strangelets) hasta kilómetros (estrellas de quarks).

La verdadera belleza de la materia extraña se revela cuando interactúas con materia normal con un extraño.

... con cada neutrón absorbido liberando ~10 MeV de energía (Fahri & Jaffel984), ...

Deténgase y piense en eso; esto es muchas veces la liberación de energía de las reacciones de fusión nuclear. Un extraño estaría liberando fotones a energías fantásticas simplemente alimentándolo con una corriente lenta de neutrones. Una nave propulsada por un motor strangelet sería un arma fantástica simplemente girando la nave para apuntar el rayo de propulsión hacia cualquier cosa que parezca amenazante.

Entonces, si bien es posible que no desee construir nada con materia extraña, puede usarla como una fuente de energía bastante compacta.

Hay muchísimos materiales naturales y artificiales que hoy en día sólo están disponibles en pequeñas cantidades. ¿En el futuro, a granel? Los ejemplos incluyen seda de araña (y espinaretas para fabricar con ella) y buckminsterfullerenos con sustituciones químicas controladas con precisión para que puedan incorporarse en moléculas y polímeros. Ah, y telas no humectables que desprenden suciedad nanoestructuradas como hojas de loto.

Una cosa sobre la que no tenemos pistas. La teoría sugiere que los superconductores a temperatura ambiente son posibles. Si se descubriera uno, tendría un gran impacto. La superconductividad sigue siendo muy poco conocida en comparación con la mayoría de las otras propiedades de la materia.

No es realmente un supermaterial, pero si alguien pudiera descubrir cómo producir muones de una manera eficiente en energía, tendríamos nuestras necesidades energéticas satisfechas a través de la fusión catalizada por muones: un proceso trivialmente simple si tienes los muones.

Lo más probable es que sea una batería o un condensador de densidad de energía realmente alta que dure bien y no sea propenso a explotar cuando se le provoque. Soy optimista, veré el almacenamiento de energía eléctrica resquebrajado en mi vida y la llegada de un futuro completamente alimentado por energía solar.

No olvide la "materia programable" inventada por Wil McCarthy .

nanomateriales cuasi vivos que tienen el equivalente de "sangre" (distribución de recursos) y metabolismo, y pueden o no tener una estructura celular (piense en el hueso como ejemplo natural).

estructuras o capas a escala atómica que permiten combinaciones novedosas u óptimas de propiedades, sin ser demasiado misteriosas en los límites fundamentales de lo que pueden permitir las propiedades individuales (como la fuerza).

Mire lo que se ha descubierto sobre el grafeno y los semiconductores ahora mundanos en general. Las características eléctricas pueden no ser interesantes para el "material", pero imagine que se aplica el mismo tipo de control a los enlaces atómicos que son responsables de las propiedades mecánicas a granel.

Esta respuesta se basa en el conocimiento de mi respuesta en ¿Siempre se mantiene la escala de dureza mineral de Mohs? así que le sugiero que lo lea antes de continuar leyendo esta respuesta.

Diferentes materiales son mejores para diferentes propósitos, por lo que puede que no sea mejor crear un solo material para usar con muchos propósitos. Para cada propósito, existe una compensación entre diferentes propiedades ventajosas.

Dado un conjunto de propiedades que queremos que un material tenga todas, existe una cantidad de cada propiedad que puede existir un material con cada una de las cuales puede existir un material con incluso más de una de esas propiedades pero no sin tener menos de una de las otras propiedades.

A veces puede ser deseable crear un solo material con muchos propósitos porque permite que muchos objetos diferentes se reciclen juntos porque todos están hechos del mismo material.

Aquí hay algunos posibles rasgos deseables para un material multipropósito de este tipo: estabilidad nuclear, ductilidad infinita, resistencia teórica, estabilidad térmica, reactividad, amorfo y antiadherente.

Puedo pensar en un material tan bueno, pero no sé si es lo suficientemente estable como para poder producirlo. Haga crecer un cristal perfecto de nitruro de carbono (IV) alrededor de un cristal semilla congelándolo lentamente fuera de su estado fundido en un ambiente con una temperatura controlada con precisión para eliminar todas las impurezas.

Derrítalo y agregue un poco de exceso de átomos de nitrógeno, luego deje que se enfríe lentamente desde una temperatura muy alta en un crisol al que no se pegue para estar libre de estrés después de pasar por la transición vítrea.

Creo que su tasa de nucleación homogénea máxima es lo suficientemente baja como para que pueda sufrir la transición vítrea porque no se liberaría mucha energía volumétrica en la nucleación del estado cristalino porque cuando el nitrógeno forma 3 enlaces, sus enlaces pueden flexionarse hacia adelante y hacia atrás con facilidad.

A continuación, grabe nanosmooth con un líquido que tenga un ángulo de contacto superior a 90 ° con él. Debido a que tiene un ángulo de contacto superior a 90°, no se apilará sobre el objeto ni dejará una gota sobre él después de que se extraiga la última parte del objeto, por lo que no se evaporará de la sustancia y volverá a depositar lo que grabó como un superficie áspera.

Creo que, como resultado del ligero exceso de átomos de nitrógeno, será una red covalente con mitades de antienlaces que caminan al azar y si el ácido de grabado está lo suficientemente diluido, los átomos se disolverán mucho más rápido de lo que precipitan en la superficie porque es una disolución por reacción química, por lo que la mitad de los antienlaces caminarán aleatoriamente hacia la superficie más rápido de lo que los átomos de la superficie se graban dando a los átomos de la superficie una capa exterior completa haciendo que el material sea lo suficientemente antiadherente para que el ácido no lo moje y, por lo tanto, lo deje nanosuave después el material se extrae del ácido. El material probablemente tendrá una resistencia teórica tan alta que será mejor que cualquier material infinitamente dúctil que pueda producirse.

Tendrá una fuerza muy alta para empezar porque fue grabado nanosmooth, y será tan duro que casi nada puede rayarlo mucho, por lo que su fuerza no se reducirá mucho con el uso. Un plato hecho con él sería verdaderamente irrompible debido a su alta resistencia. De acuerdo con mi respuesta en ¿Por qué el vidrio es tan frágil? , para cualquier material, la velocidad con la que dos esferas de ese material que son del mismo tamaño deben chocar entre sí para formar una grieta es el módulo puro elevado a la potencia de -2 veces la fuerza elevada a la potencia de 5/2 veces la densidad a la potencia de -1/2 veces alguna constante, pero esa sustancia tendría una fuerza que es una fracción significativa de su módulo puro.

Su fuerza disminuirá aún menos con el uso porque es amorfa. Además, debido a que es tan suave, cualquier borde de contacto entre el agua, el aire y esa sustancia vibrará debido al equilibrio dinámico de la evaporación y condensación del agua, lo que hace que el ángulo de contacto del agua que avanza y retrocede esté tan cerca que las gotas de agua en platos hechos de esa sustancia se deslizará fácilmente en el lavavajillas.

Incluso las gotas de un líquido que tiene un ángulo de contacto inferior a 90° pero que no se humedece por completo se deslizarán con facilidad hasta que alcancen el punto más bajo localmente en la superficie de la parte inferior. Debido a que es amorfo, se deformará con temperaturas muy altas, por lo que otro material podría ser mejor para temperaturas de 2000°C.

Es un corindón de cristal perfecto con una pequeña fracción de sus átomos de aluminio reemplazados con átomos de silicio grabados nanosuavemente. El corindón en realidad es una red covalente según una definición alternativa a pesar de la diferencia de electronegatividad de más de 1,7 porque cada enlace tiene 2 electrones localizados en ese enlace.

Dado que es una red covalente, reemplazar una pequeña fracción de los átomos de aluminio con átomos de silicio crearía semiantienlaces que caminan aleatoriamente, algunos de los cuales caminarían aleatoriamente hacia la superficie haciéndola antiadherente.

Creo que un cristal perfecto de esa sustancia puede crecer lentamente a partir de una mezcla fundida de aluminio, silicio y oxígeno donde la cantidad de silicio en la mezcla es muy pequeña y la cantidad de átomos de oxígeno es ligeramente inferior a 1,5 veces la cantidad de aluminio. átomos más el número de átomos de silicio. En realidad estarían nucleados 2 cristales, uno de esa sustancia y otro de silicio puro. Esa sustancia en realidad podría grabarse en un crisol para nitruro de carbono (IV) fundido porque sería muy antiadherente.

Probablemente también sería una sustancia muy oscura porque sería ligeramente conductora de electricidad. Una vez que exista un grupo de investigación que realice toda la investigación útil de manera muy eficiente, podrían hacer una barra gigante de la versión microcristalina de esa sustancia que yace en el suelo al verter su forma fundida en un molde y luego congelarla desde el fondo a un ritmo controlado por Enfriando con láser la pieza justo debajo de la superficie congelada y luego cincelándola en un ferrocarril elevado.

Ese ferrocarril solo se desgastaría en la superficie porque no sería poroso porque los granos no se separarían de otros granos en ninguna parte de su superficie porque los límites de los granos no estarían bajo mucha tensión porque los átomos podrían moverse a través del límite del grano para liberar el estrés. causado por los diferentes granos que se contraen más en una dirección diferente porque todos los granos son la misma sustancia.

Creo que debería considerarse un tipo de roca porque es un sólido duro, opaco, quebradizo y sin brillo. El agua no podía entrar y congelarse agrietándolo.

Los edificios también podrían estar hechos de ese material y ser lo suficientemente fuertes como para sostenerse por sí mismos e incluso resistir un terremoto, siempre que no tengan un borde cóncavo afilado y también sean a prueba de fuego.

En teoría, la lonsdalita podría ser mucho más irrompible en las condiciones adecuadas. Supongamos que tiene una hoja paralela a su propio plano de ruptura que se hace fracturándola a lo largo de su plano de ruptura.

Creo que conservará su resistencia a la tracción teórica extremadamente alta incluso después del rayado porque si sufre tensión después del rayado, la punta de la grieta iniciada se propagará paralela a la superficie en lugar de propagarse más adentro.

Si la lonsdalita tuviera una pequeña impureza de átomos de nitrógeno, la superficie fracturada quebradiza también sería muy antiadherente y de baja fricción y dado que también tiene una alta conductividad térmica, ninguna parte de su superficie se calentaría mucho por el rayado y dado que es de baja fricción y no se calienta fácilmente al rayarlo, sería muy lento para rayarlo conservando su fuerza teórica a medida que se raya.

Esa propiedad es una propiedad que depende de la orientación, por lo que no sería posible construir un objeto de ninguna forma y que fuera tan irrompible.

Materiales inteligentes

Hace décadas trabajé en algunos proyectos investigando qué podíamos hacer con materiales y estructuras. El proyecto general los etiquetó como "materiales inteligentes", sin embargo, los detalles de lo que hizo cada idea individual fueron bastante diferentes.

Algunas de las cosas que investigamos:

Diagnóstico de daños

En el caso de los materiales compuestos, incluir en las fibras de refuerzo algunas que también podrían utilizarse como fibras ópticas. Luego transmita luz cuidadosamente calibrada a través de las fibras. Pudimos determinar el estrés, la tensión, la temperatura y muchas otras propiedades del material en el que se incrustó la fibra. Teóricamente, esto nos permitiría obtener información instantánea sobre el estado del objeto/vehículo en el que se utilizó este material, incluida la evaluación de los daños de la batalla.

Materiales adaptables

Resulta que algunos materiales cambian de forma cuando se exponen a corrientes eléctricas (por ejemplo, cristales piezoeléctricos). Al usar esta propiedad, los investigadores esperaban poder cambiar la forma del ala para que siempre tuviera la forma perfecta para el régimen de vuelo en el que volaba un avión. También hay muchos otros usos posibles para este tipo de tecnología.

Pero estos materiales también funcionaron a la inversa, ejerciendo presión sobre el material hizo que produjeran corriente eléctrica. Esto permitiría que cualquier cosa que monitoree esa salida sepa exactamente qué tipo de carga experimentó la estructura. Había posibles aplicaciones en la identificación de cargas más allá del límite de diseño de la estructura (bueno para determinar cuándo un vehículo requería mantenimiento más allá de lo que normalmente se requiere).

Recubrimientos especiales

Estos incluyeron recubrimientos que cambiaron de color e intensidad según la temperatura, la presión, las señales eléctricas, etc. Esto fue muy útil en el laboratorio para determinar qué partes de una muestra estaban expuestas a diferentes condiciones. Sin embargo, también podría ser útil para el camuflaje adaptativo.

Dispositivos integrados

Los bienes fabricados tradicionalmente poseen una estructura (tonta), con cada componente aislado individualmente (motor, habitáculo, suspensión, etc.). Los dispositivos integrados eran la práctica de desdibujar la línea entre estas diferentes entidades aisladas.

Imagine sensores incrustados a lo largo del exterior de la estructura del vehículo para detectar enemigos con otros sensores incrustados a lo largo del interior de la estructura para el autodiagnóstico.

Además, unidades informáticas y de memoria sencillas y pequeñas rastrearían toda la información de mantenimiento y uso de un vehículo. Integraría toda la tecnología de sensores a bordo en un único punto de acceso. Encontrar el mantenimiento requerido para cada vehículo sería tan simple como tocar una pestaña/botón de memoria. El vehículo sabría lo que hay que hacer y podría decirle a cualquier personal de mantenimiento sus requisitos. Esto alivia la necesidad de realizar todo el mantenimiento en una sola instalación que estaba rastreando las necesidades de ese vehículo.

El neutronio bien puede tener una conducción de calor y sonido casi perfecta, y ser un aislante eléctrico casi perfecto. pero solo sería útil en la escala nanométrica.