7 ابرماده‌‌ای که دنیا را تغییر خواهد داد

امروزه ما از پیشرفت‌های فناوری زیاد می‌شنویم؛ از پیشرفت‌ها در زمینه ربات‌ها، گجت‌ها، تلفن‌ها و وسایل نقلیه گرفته تا پیشرفت‌های پزشکی و بسیاری زمینه‌های علمی دیگر، اما اینها همه فقط بخشی از دستاوردهای علمی سال‌های اخیر را تشکیل می‌دهند. مهندسی شیمی نیز یکی دیگر از زمینه‌های علمی است که در سال‌های اخیر توانسته مواد شگفت‌انگیزی را ابداع کند؛ موادی که شاید بتواند زندگی ما را برای همیشه تغییر دهد. در ادامه با هفت نمونه از مواد شگفت‌انگیز و قدرتمندی آشنا خواهیم شد که علم در سال‌های اخیر موفق به ابداع آنها شده است.

ایروژل؛ کلید مواد در فناوری فضایی

ایروژل یا هواژل ماده‌ای است که افتخار ثبت(Aerogel) 15 رکورد ـ بیشترین رکوردی که درمورد یک ماده ثبت شده است- در کتاب رکوردهای گینس را به خود اختصاص داده است. ایروژل که 8/99 درصد آن را فضای خالی تشکیل می‌دهد و سبک‌ترین ماده جامد در جهان است، با نام‌های دیگری همچون دود منجمد، دود جامد، هوای جامد یا دود آبی نیز شناخته می‌شود. این نامگذاری‌ها به دلیل ظاهر شفاف و نیز نحوه پخش نور در این ماده‌ است. ایروژل یک عایق گرمایی بسیار عالی است، به گونه‌ای که پوشش تهیه شده از آن می‌تواند بدون هرگونه خطری از شما در مقابل هر نوع شعله‌افکنی محافظت کند ـ پوشش ایروژلی، همه گرما را به خود جذب می‌کند، بدون آن‌که چیزی احساس کنید. ایروژل در برابر سرما نیز به همین شکل عمل می‌کند. برای مثال، مهندسان ناسا از هواژل برای جلوگیری از یخ‌‌زدگی ربات مریخ ‌نورد در شب‌های سیاره سرخ استفاده کردند. ویژگی‌های منحصر به ‌فرد این ماده، آن را به یکی از پرکاربردترین مواد به کار رفته در ماموریت‌های فضایی تبدیل کرده ‌است. با مقدار کافی از ایروژل می‌توان خانه راحتی در کره ماه ساخت. به عنوان یک ویژگی شگفت‌انگیز دیگر ایروژل می‌توان گفت ساختار درونی این ماده آنقدر پیچیده است که فقط یک اینچ از آن می‌تواند سطحی به اندازه یک زمین فوتبال داشته باشد.

گرافن، ابر ماده فوق سبک (Graphene)

گرافن را شاید بتوان ماده‌ای ساخته و پرداخته یک داستان شورانگیز علمی – تخیلی دانست، اما این ماده در واقعیت وجود دارد. شکی وجود ندارد ‌که این ماده یک ابرماده شگفت‌انگیز است. این ابرماده فوق‌سبک که می‌تواند به هر شکلی که بتوان تصور کرد درآید، از جنس کربن خالص، با ضخامتی به اندازه‌ یک اتم و تقریبا شفاف است که در صورت قرار گرفتن ورقه‌های آن روی یکدیگر می‌تواند تا 200 برابر سخت‌تر از فولاد باشد، درحالی که 60 هزار برابر نازک‌تر از فولاد است! استحکام بالای گرافن باعث شده برخی آن را سخت‌ترین ماده موجود در جهان بدانند. در صورت امکان تولید این ماده در مقادیر زیاد، می‌توان از آن در ساخت صفحه‌های گوشی‌های تلفن همراه، هدفن‌ها و ابررایانه‌ها استفاده کرد. تا همین چندی پیش گرافن فقط می‌توانست در مقادیر بسیار کم با مشکلات زیاد و هزینه بالا تولید شود، اما در مطالعه‌ای که بتازگی در نشریه علمی نیچر کامیونیکیشنز(Nature Communications) منتشر شده نشان داده شد که حرارت دادن روغن دانه سویا تا 800 درجه سانتی‌گراد می‌تواند باعث شود اتم‌های کربن، ساختاری شامل ورقه‌هایی به ضخامت یک اتم کربن تشکیل دهند. این روش ساده و یک‌مرحله‌ای هزینه تولید گرافن را تا 10 برابر کاهش می‌دهد، اما مقدار گرافنی که در این روش تولید می‌شود، به میزان کافی زیاد نیست. این ماده‌ برتر، هنوز برای مصارف بزرگ آماده نشده، اما کاربردهای فراوانی که این ماده در فناوری خواهد داشت، احتمالا آینده‌ دنیای فناوری را بسیار هیجان‌انگیز خواهد کرد. باتری‌های با کیفیت بالاتر، گوشی‌های هوشمند نشکن و مقاوم و درعین حال قابل انعطاف، سلول‌های خورشیدی و کاربرد در بافت‌های زنده بخشی از کاربردهای این ابرماده در فناوری‌های نوین خواهد بود.

نانولوله‌های کربنی، قوی‌ترین مواد ساخته شده (Carbon Nanotubes)

نانولوله‌های کربنی شامل زنجیره‌هایی طولانی از کربن هستند. درواقع نانولوله‌‌های کربنی‌ از صفحات کربن به ضخامت یک اتم و به شکل استوانه‌ای توخالی ساخته شده‌اند. این ابرساختارها با قدرتمندترین نیرویی که در دنیای شیمی وجود دارد ـ پیوند sp2ـ به یکدیگر متصل شده‌اند. در ساختار نانولوله‌های کربنی، نسبت طول به قطر، 1 به 132000000 است. این نسبت بسیار بیشتر از نسبتی است که در هر ماده دیگری وجوددارد. این به آن معناست که این مواد به شکلی استثنایی مستحکم و قدرتمند هستند. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که قدرت این مواد 300 برابر بیشتر از فولاد است؛ به این معنا که به شکل بالقوه می‌توان برج‌هایی با صدها کیلومتر ارتفاع را با استفاده از این مواد ساخت! نانولوله‌های کربنی شاید تنها موادی باشند که انسان بتواند با استفاده از آن «آسانسور فضایی» بسازد که نقل و انتقال انسان‌ها و محموله‌ها را از زمین به ایستگاه‌های فضایی و برعکس انجام می‌دهد. طبق برخی برآوردها، یک رشته نانولوله‌ای نازک‌تر از موی انسان می‌تواند یک دستگاه تریلی را آویزان نگه دارد! بسیاری از متخصصان فناوری نانو تصریح می‌کنند که نانولوله‌ها نه‌تنها قوی‌ترین موادی هستند که تاکنون ساخته شده‌اند، بلکه در زمره قوی‌ترین موادی هستند که ممکن است حتی در آینده ساخته شوند.

آلومینیوم شفاف؛ کارا و بادوام (Transparent Alumina)

این ماده علاوه بر شفاف بودن بسیار مستحکم‌تر، سخت‌تر و مقاوم‌تر از شیشه است؛ به طوری ‌که می‌توان گفت دارای استحکامی سه‌برابر فولاد معمولی است. کاربردهای زیادی برای این ماده وجود دارد که ذهن را مبهوت می‌کنند. ساختمان‌هایی را تصور کنید که از ماده‌ای شفاف و درعین حال محکم‌تر از فولاد ساخته شده‌اند. چنین ساختمان‌هایی علاوه بر آن‌که در محیط‌های نامساعد مقاومت بیشتری از خود نشان می‌دهند، در مقابل فرسایش ناشی از طوفان شن و باران دوام بیشتری دارند و آلودگی بصری را نیز در شهرها کاهش می‌دهند. بسیاری از ساختارهایی که به صورت منفرد قرار می‌گیرند می‌توانند غیرقابل مشاهده یا نامرئی باشند (البته با مقداری تیره‌ترشدن می‌توانیم وجود آنها را مشاهده کنیم). درصورتی که هزینه‌ تولید این ماده بیش از پیش کاهش یابد، باید در انتظار استفاده از این محصول در گوشی‌های هوشمند و سایر گجت‌های دیجیتال نیز باشیم.

فلزات آمورف، رسانای قوی (Amorphous Metal)

فلزات آمورف با سرد کردن سریع فلز مذاب، قبل از آن‌که فلز بتواند دوباره اجزای خود را به شکل منظمی به حالت جامد درآورد، ایجاد می‌شود. فلزات آمورف، ساختار اتمی به‌هم‌ریخته دارند و به دلیل داشتن ساختار غیرعادی استحکام آنها دو برابر فولاد است. برخی از ارتش‌های جهان درحال توجه به استفاده از این مواد در ساخت زره‌ها هستند. فلزات آمورف افزون بر استحکامشان، رسانایی الکتریکی بالایی نیز دارند و می‌توانند کارایی شبکه برق را تا 40 درصد افزایش داده و به میزان زیادی در انرژی و سوخت‌های فسیلی صرفه‌جویی کنند.

متا متریال یا فرامواد؛ کلید تولید مواد نامرئی (Metamaterial)

نوعی مواد مصنوعی است که به منظور داشتن ویژگی‌های مهندسی در طبیعت یافت نمی‌شود. به عبارت دیگر فرا مواد مجموعه‌ای از عناصر که از اجزای میکروسکوپی مواد معمولی مانند پلاستیک و فلزات تشکیل شده است. اجزای تشکیل‌دهنده متا متریال در یک ترکیب و آرایش خاص و مشخص کنار هم قرار گرفته‌اند و این آرایش خاص اتم‌هاست که به این مواد ویژگی‌های خاص الکترومغناطیسی می‌دهد. به عبارت دیگر ویژگی‌های خاص فرامواد از مواد تشکیل‌دهنده آنها ناشی نمی‌شود، بلکه ناشی از ساختار به دقت طراحی شده آنهاست. شکل دقیق این مواد، هندسه، اندازه و نحوه آرایش به کار رفته در آنها می‌تواند امواج نوری و صورتی را به شکل غیرمعمولی که در طبیعت و مواد معمولی دیده نمی‌شود، تحت تاثیر قراردهد. برای مثال می‌توان با استفاده از متامتریال ماده‌ای را طراحی کرد که نوری که به آن برخورد می‌کند، بازتاب نمی‌دهد، بلکه باعث می‌شود امواج نوری در اطراف آن ماده خمیده شده، آن را دور بزنند و به مسیر خود ادامه دهد. به این ترتیب نور دیگر از آن سطح بازتاب پیدا نمی‌کند و آن جسم دیده نشده و نامرئی می‌شود.

نانو الماس؛ رسانای شگفت‌انگیز و سرسخت (Nano-Diamond)

نانو الماس از رایج‌ترین عنصری که می‌شناسید ساخته شده است: کربن. نانوالماس از فشرده‌سازی گرافیت به دست می‌آید و ماده حاصل از این فشرده‌سازی بسیار سخت‌تر از الماس طبیعی است. شاید بتوان گفت نانوالماس یکی از سخت‌ترین مواد شناخته شده در جهان بوده که درعین حال بسیار سبک و محکم است. این ماده یک رسانای گرمای شگفت‌انگیز است که بالاترین نقطه ذوب را در میان همه مواد دارد. ماشین‌هایی که با این ماده ساخته می‌شوند، سبک‌تر، مقاوم‌تر و قدرتمندتر از هر چیز دیگری خواهند بود که تا به امروز داشته‌ایم.