Was sind einige plausible Supermaterialien? [abgeschlossen]

Ihre Schlussbemerkung: Denken Sie daran, dass die Eigenschaften von Schüttgütern von der chemischen Bindungsstärke abhängen, sodass wir durch die Stärke kovalenter Bindungen begrenzt sind. lässt mich denken "vielleicht nicht ".

Ein großes Spitzenforschungsthema für SF der nahen Zukunft ist die Verwendung von Magnetfluss-Pinning und Supraleitern zur Herstellung großflächiger Strukturen. Eine Raumstation kann durch ein Flussmittel zusammengehalten werden, das stärker ist als physisches Material, und dennoch belastet und ohne dauerhaften Schaden ersetzt werden kann. Zwei Module können durch unsichtbare Kraftlinien in relativer Position gehalten werden, so stark wie die Kraft, die Sie einspeisen können, um sie zu verstärken, indem Sie Elektromagnetismus verwenden, um jede äußere Kraft auszugleichen oder wiederherzustellen. Normalerweise ist es insofern passiv, als eine Kraft auf ein Objekt, die bewirkt, dass es sich relativ zum anderen bewegt, elektrische Ströme im Supraleiter induziert, die Kräfte erzeugen, um die Bewegung zu kompensieren und umzukehren. Die Kraft, die versucht, es auseinanderzureißen, wird also gegen sich selbst verwendetum der Trennung zu widerstehen, solange der Supraleiter sie puffern kann. In Wirklichkeit müssen Sie etwas Kraft hinzufügen, um Verluste zu überwinden und sie "zurückgehen" zu lassen, anstatt in der Lage zu sein, einer Kraft mit unendlich kleiner Bewegung perfekt zu widerstehen.

Das Ergebnis aus einer großen Ansicht ist ein unzerbrechlicher Balken von scheinbar unbegrenzter Stärke. Für ein Netzwerkgeflecht von Elementen kann es elastisch sein (es ihnen ermöglichen, Energie in den Supraleitern oder als Magnetfelder zu bewegen und zu speichern) oder starr oder von einem zum anderen wechseln oder sich auf Befehl neu konfigurieren, indem die präsentierten Magnetflussröhren geändert und eingefangen werden Punkte.

Verkleinern Sie das jetzt: Anstatt dass Knoten tonnenschwere Raumschiffmodule sind, was wäre, wenn sie mit Nanotechnologie gebaut würden und ein Knoten die Größe eines Mineralkorns hätte? Was wie ein gewöhnlicher Ziegel oder Stein aussieht, würde nicht mit kovalenten Restkräften zwischen den Mineralkörnern zusammengehalten, sondern mit Magnetfluss-Pinning und der Fähigkeit, die Körner alle wieder dorthin zu bringen, wo sie hingehören, ohne bleibende Schäden, nachdem eine enorme Belastung durchgegangen ist .

Es wäre ein Material im menschlichen Maßstab mit unbegrenzter Festigkeit, weit mehr als Sie von normalen atomaren Bindungsstärken erwarten können, selbst mit dem, was Sie von Fullerenen erhalten !

Wie ist das für Super-Material?

Strangelets aus Quark-Materie sollen interessante Eigenschaften haben (einschließlich der apokalyptischen, normale Materie zu infizieren und in „seltsame“ Materie umzuwandeln).

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

Seltsame Materie ist eine besondere Form von Quark-Materie, die normalerweise als „Flüssigkeit“ aus Up-, Down- und Strange-Quarks angesehen wird. Es ist der Kernmaterie gegenüberzustellen, die eine Flüssigkeit aus Neutronen und Protonen ist (die selbst aus Up- und Down-Quarks aufgebaut sind), und der Non-strange-Quark-Materie, die eine Quarkflüssigkeit ist, die nur Up- und Down-Quarks enthält. Bei ausreichend hoher Dichte wird erwartet, dass seltsame Materie farbsupraleitend ist. Es wird die Hypothese aufgestellt, dass seltsame Materie im Kern von Neutronensternen oder, spekulativer, als isolierte Tröpfchen auftritt, deren Größe von Femtometern (Strangelets) bis zu Kilometern (Quarksterne) variieren kann.

Die wahre Schönheit seltsamer Materie offenbart sich, wenn Sie normale Materie mit einem Strangelet interagieren.

... wobei jedes absorbierte Neutron ~10 MeV Energie freisetzt (Fahri & Jaffel984), ...

Halten Sie inne und denken Sie darüber nach; dies ist ein Vielfaches der Energiefreisetzung von Kernfusionsreaktionen. Ein Strangelet würde Photonen mit fantastischen Energien freisetzen, indem er es einfach mit einem langsamen Neutronenstrom füttert. Ein Schiff, das von einem Strangelet-Motor angetrieben wird, wäre eine fantastische Waffe, indem man das Schiff einfach herumschwenkt, um den Antriebsstrahl auf alles zu richten, was bedrohlich erscheint.

Obwohl Sie vielleicht nichts aus seltsamer Materie bauen möchten, können Sie sie als ziemlich kompakte Energiequelle verwenden.

Es gibt sehr viele natürliche und künstliche Materialien, die heute nur noch in winzigen Mengen verfügbar sind. In Zukunft in großen Mengen? Beispiele sind Spinnenseide (und daraus herzustellende Spinarets) und Buckminster-Fullerene mit genau kontrollierten chemischen Substitutionen, damit sie in Moleküle und Polymere eingebaut werden können. Oh, und nicht benetzbare, schmutzabweisende Stoffe, die wie Lotusblätter nanostrukturiert sind.

Zu einer Sache haben wir keine Hinweise. Die Theorie legt nahe, dass Supraleiter bei Raumtemperatur möglich sind. Wenn einer entdeckt würde, hätte das enorme Auswirkungen. Die Supraleitung ist im Vergleich zu den meisten anderen Eigenschaften von Materie noch sehr wenig verstanden.

Es ist nicht wirklich ein Supermaterial, aber wenn jemand herausfinden könnte, wie man Myonen auf energieeffiziente Weise produziert, würden wir unseren Energiebedarf durch myonenkatalysierte Fusion decken: ein trivial einfacher Prozess, wenn Sie die Myonen haben.

Eher eine Batterie oder ein Kondensator mit wirklich hoher Energiedichte, die gut halten und nicht dazu neigen, zu explodieren, wenn sie provoziert werden. Ich bin optimistisch, dass ich noch in meinem Leben sehen werde, wie elektrische Energiespeicher geknackt werden und eine vollständig solarbetriebene Zukunft anbricht.

Vergessen Sie nicht "programmierbare Materie", wie sie von Wil McCarthy erfunden wurde .

Quasi-lebende Nanomaterialien, die das Äquivalent von „Blut“ (Ressourcenverteilung) und Stoffwechsel haben und eine Zellstruktur haben können oder nicht (denken Sie an Knochen als natürliches Beispiel).

Strukturen oder Schichten auf atomarer Ebene, die neuartige oder optimale Kombinationen von Eigenschaften ermöglichen, ohne allzu mysteriös in Bezug auf die grundlegenden Grenzen dessen zu sein, was einzelne Eigenschaften (wie Festigkeit) zulassen können.

Schauen Sie sich an, was über Graphen und heute alltägliche Halbleiter im Allgemeinen entdeckt wurde. Elektrische Eigenschaften sind für "Material" möglicherweise nicht interessant, aber stellen Sie sich vor, dass die gleiche Art von Kontrolle auf die Atombindungen angewendet wird, die für die mechanischen Eigenschaften des Volumens verantwortlich sind.

Diese Antwort stützt sich auf das Wissen aus meiner Antwort unter Gilt die Mohs-Skala der Mineralhärte immer? Daher schlage ich vor, dass Sie es lesen, bevor Sie mit dem Lesen dieser Antwort fortfahren.

Unterschiedliche Materialien eignen sich am besten für unterschiedliche Zwecke, daher ist es möglicherweise nicht das Beste, nur ein Material für viele Zwecke zu erstellen. Für jeden Zweck gibt es einen Kompromiss zwischen verschiedenen vorteilhaften Eigenschaften.

Bei einer Reihe von Eigenschaften, die ein Material alle haben soll, gibt es eine Menge von jeder Eigenschaft, mit der ein Material existieren kann, für die es ein Material mit noch mehr einer dieser Eigenschaften geben kann, aber nicht ohne weniger von einer der anderen Eigenschaften.

Es kann manchmal wünschenswert sein, ein einziges Material für viele Zwecke zu schaffen, weil es ermöglicht, viele verschiedene Objekte zusammen zu recyceln, weil sie alle aus demselben Material bestehen.

Hier sind einige mögliche wünschenswerte Eigenschaften für ein solches Mehrzweckmaterial: Kernstabilität, unendliche Duktilität, theoretische Festigkeit, thermische Stabilität, Reaktivität, amorph und nicht haftend.

Ich kann mir ein so gutes Material vorstellen, weiß aber nicht, ob es stabil genug ist, um produziert zu werden. Züchten Sie einen perfekten Kohlenstoff(IV)-Nitrid-Kristall um einen Impfkristall herum, indem Sie ihn in einer Umgebung mit genau kontrollierter Temperatur langsam aus seinem geschmolzenen Zustand ausfrieren, um alle Verunreinigungen zu entfernen.

Schmelzen Sie es und fügen Sie ein wenig überschüssige Stickstoffatome hinzu. Lassen Sie es dann langsam von einer sehr hohen Temperatur in einem Tiegel abkühlen, an dem es nicht haftet, um nach dem Glasübergang spannungsfrei zu sein.

Ich denke, seine maximale homogene Keimbildungsrate ist niedrig genug, dass es den Glasübergang durchlaufen kann, da bei der Keimbildung des kristallinen Zustands nicht sehr viel Volumenenergie freigesetzt würde, denn wenn Stickstoff 3 Bindungen eingeht, können sich seine Bindungen leicht hin und her biegen.

Als nächstes ätzen Sie es nanoglatt mit einer Flüssigkeit, die einen Kontaktwinkel von mehr als 90 ° damit hat. Da es einen Kontaktwinkel von mehr als 90° hat, stapelt es sich nicht auf dem Objekt oder hinterlässt nicht einmal einen Tropfen darauf, nachdem das letzte Stück des Objekts herausgezogen wurde, sodass es nicht aus der Substanz verdunstet und das, was es weggeätzt hat, wieder ablagert raue Oberfläche.

Ich denke, dass es sich aufgrund des leichten Überschusses an Stickstoffatomen um ein kovalentes Netzwerk mit zufällig laufenden halben Antibindungen handelt, und wenn die Ätzsäure verdünnt genug ist, werden sich Atome viel schneller auflösen, als sie auf der Oberfläche ausfallen, weil dies der Fall ist eine Auflösung durch chemische Reaktion, so dass halbe Antibindungen zufällig schneller an die Oberfläche wandern, als die Oberflächenatome weggeätzt werden, wodurch die Oberflächenatome eine vollständige äußere Hülle erhalten, die das Material so antihaftend macht, dass die Säure es nicht benetzt und es daher nanoglatt hinterlässt das Material wird aus der Säure gezogen. Das Material wird wahrscheinlich eine so hohe theoretische Festigkeit haben, dass es besser ist als jedes unendlich duktile Material, das hergestellt werden könnte.

Es wird von Anfang an eine sehr hohe Festigkeit haben, weil es nanoglatt geätzt wurde, und es wird so hart sein, dass fast nichts es sehr zerkratzen kann, so dass seine Festigkeit mit der Verwendung nicht sehr nachlässt. Ein daraus hergestelltes Gericht wäre aufgrund seiner hohen Festigkeit wirklich unzerbrechlich. Laut meiner Antwort auf Warum ist Glas so zerbrechlich? Für jedes Material ist die Geschwindigkeit, mit der zwei gleich große Kugeln dieses Materials zusammenstoßen müssen, um einen Riss zu bilden, der Schermodul hoch 2 mal die Stärke hoch 5/2 mal die Dichte zur Potenz von -1/2 mal eine Konstante, aber diese Substanz hätte eine Stärke, die einen signifikanten Bruchteil ihres reinen Moduls ausmacht.

Seine Stärke wird bei Gebrauch noch weniger abnehmen, da es amorph ist. Auch weil es so glatt ist, vibriert jede Kontaktkante zwischen Wasser, Luft und dieser Substanz aufgrund des dynamischen Gleichgewichts der Verdunstung und Kondensation des Wassers, wodurch der vorrückende und zurückgehende Kontaktwinkel von Wasser so nahe beieinander liegt, dass Wassertropfen auf Tellern aus diesem Stoff perlen problemlos in der Spülmaschine ab.

Selbst Tropfen einer Flüssigkeit, die einen Kontaktwinkel von weniger als 90° haben, diese aber nicht vollständig benetzen, perlen problemlos bis zum lokal tiefsten Punkt der Oberfläche auf der Unterseite ab. Da es amorph ist, verzieht es sich bei sehr hohen Temperaturen, sodass ein anderes Material möglicherweise am besten für Temperaturen von 2000 ° C geeignet ist.

Es ist perfekter Kristallkorund, bei dem ein kleiner Bruchteil seiner Aluminiumatome durch nanoglatt geätzte Siliziumatome ersetzt wurde. Korund ist nach einer alternativen Definition trotz der Elektronegativitätsdifferenz von mehr als 1,7 tatsächlich ein kovalentes Netzwerk, da jede Bindung 2 Elektronen an dieser Bindung lokalisiert hat.

Da es sich um ein kovalentes Netzwerk handelt, würde das Ersetzen eines kleinen Bruchteils der Aluminiumatome durch Siliziumatome zufällig laufende halbe Antibindungen erzeugen, von denen einige zufällig an die Oberfläche wandern würden, wodurch sie nicht haftend würden.

Ich denke, ein perfekter Kristall dieser Substanz kann langsam aus einer geschmolzenen Mischung aus Aluminium, Silizium und Sauerstoff gezüchtet werden, wobei die Menge an Silizium in der Mischung sehr gering ist und die Anzahl der Sauerstoffatome etwas weniger als das 1,5-fache der Anzahl von Aluminium beträgt Atome plus die Anzahl der Siliziumatome. Tatsächlich würden 2 Kristalle Keime bilden, einer aus dieser Substanz und einer aus reinem Silizium. Diese Substanz könnte tatsächlich in einen Tiegel für geschmolzenes Kohlenstoff(IV)-Nitrid geätzt werden, weil es so nicht kleben würde.

Wahrscheinlich wäre es auch ein sehr dunkler Stoff, weil er leicht elektrisch leitfähig wäre. Sobald es eine Forschungsgruppe gibt, die alle nützlichen Forschungen sehr effizient durchführt, könnten sie tatsächlich einen riesigen Stab aus der mikrokristallinen Version dieser Substanz herstellen, die auf dem Boden liegt, indem sie ihre geschmolzene Form in eine Form gießen und sie dann von unten mit einer kontrollierten Geschwindigkeit einfrieren Laserkühlung des Teils knapp unter der Gefrierfläche und anschließendes Meißeln in eine Hochbahn.

Diese Eisenbahn würde nur an der Oberfläche verwittern, weil sie nicht porös wäre, weil sich Körner nirgendwo auf ihrer Oberfläche von anderen Körnern lösen würden, weil die Korngrenzen nicht sehr stark belastet wären, weil sich Atome über die Korngrenze bewegen könnten, um die Spannung abzubauen Dies wird dadurch verursacht, dass sich die verschiedenen Körner stärker in eine andere Richtung zusammenziehen, da alle Körner die gleiche Substanz sind.

Ich denke, es sollte als eine Art Gestein betrachtet werden, weil es ein harter, undurchsichtiger, spröder, nicht glänzender Feststoff ist. Wasser konnte nicht eindringen und gefrieren und es knacken.

Gebäude könnten auch aus diesem Material hergestellt werden und stark genug sein, um sich selbst zu tragen und sogar einem Erdbeben zu widerstehen, solange sie keine scharfen konkaven Kanten aufweisen, und sie wären außerdem feuerfest.

Lonsdalite könnte unter den richtigen Bedingungen theoretisch viel unzerbrechlicher sein. Angenommen, Sie haben ein Blatt davon parallel zu seiner eigenen Spaltebene, das durch Brechen entlang seiner Spaltebene hergestellt wird.

Ich denke, es behält seine extrem hohe theoretische Zugfestigkeit auch nach dem Kratzen, denn wenn es nach dem Kratzen unter Spannung gerät, breitet sich die Spitze des initiierten Risses parallel zur Oberfläche aus, anstatt sich weiter auszubreiten.

Wenn der Lonsdalit eine kleine Verunreinigung von Stickstoffatomen darin hätte, wäre die spröde gebrochene Oberfläche auch sehr haftfest und reibungsarm, und da sie auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat, würde sich kein Teil seiner Oberfläche durch Kratzen und Kratzen stark erhitzen Da es reibungsarm ist und sich nicht leicht durch Kratzen aufheizt, würde es sehr langsam zerkratzt werden, wobei es seine theoretische Festigkeit behält, wenn es zerkratzt wird.

Diese Eigenschaft ist eine orientierungsabhängige Eigenschaft, so dass es nicht möglich wäre, daraus ein Objekt beliebiger Form zu bauen und es so unzerbrechlich zu machen.

Intelligente Materialien

Vor Jahrzehnten habe ich an einigen Projekten gearbeitet, in denen ich untersucht habe, was wir mit Materialien und Strukturen tun können. Das Gesamtprojekt bezeichnete diese als "intelligente Materialien", die Details dessen, was jede einzelne Idee tat, waren jedoch ziemlich unterschiedlich.

Einige der Dinge, die wir untersucht haben:

Schadensdiagnostik

Bei Verbundwerkstoffen sollten in den Verstärkungsfasern einige enthalten sein, die auch als optische Fasern verwendet werden könnten. Übertragen Sie dann sorgfältig kalibriertes Licht durch die Fasern. Wir konnten Spannung, Dehnung, Temperatur und viele andere Eigenschaften des Materials bestimmen, in das die Faser eingebettet war. Theoretisch würde uns dies sofortige Informationen über den Zustand des Objekts / Fahrzeugs ermöglichen, an dem dieses Material verwendet wurde - einschließlich der Bewertung des Gefechtsschadens.

Adaptive Materialien

Es stellt sich heraus, dass einige Materialien ihre Form ändern, wenn sie elektrischen Strömen ausgesetzt werden (z. B. piezoelektrische Kristalle). Durch die Nutzung dieser Eigenschaft hofften die Forscher, die Flügelform so ändern zu können, dass der Flügel immer die perfekte Form für das Flugregime hatte, in dem ein Flugzeug flog. Es gibt viele andere Anwendungsmöglichkeiten für diese Art von Technologie.

Aber diese Materialien arbeiteten auch umgekehrt, indem sie das Material belasteten und elektrischen Strom erzeugten. Dies würde jedem, der diesen Ausgang überwacht, ermöglichen, genau zu wissen, welche Art von Belastung die Struktur erfahren hat. Es gab mögliche Anwendungen bei der Identifizierung von Lasten, die über die Konstruktionsgrenze der Struktur hinausgehen (gut, um herauszufinden, wann ein Fahrzeug eine Wartung benötigt, die über das hinausgeht, was normalerweise erforderlich ist).

Spezielle Beschichtungen

Dazu gehörten Beschichtungen, die Farbe und Intensität basierend auf Temperatur, Druck, elektrischen Signalen usw. änderten. Dies war im Labor sehr nützlich, um festzustellen, welche Teile einer Probe unterschiedlichen Bedingungen ausgesetzt waren. Es könnte jedoch auch für adaptive Tarnung nützlich sein.

Eingebettete Geräte

Herkömmlich hergestellte Güter besitzen eine (dumme) Struktur, bei der jede Komponente einzeln isoliert ist (Motor, Fahrgastraum, Aufhängung usw.). Eingebettete Geräte waren die Praxis, die Grenze zwischen diesen verschiedenen isolierten Einheiten zu verwischen.

Stellen Sie sich Sensoren vor, die entlang der Außenseite der Fahrzeugstruktur eingebettet sind, um Feinde zu erfassen, während andere Sensoren entlang der Innenseite der Struktur zur Selbstdiagnose eingebettet sind.

Darüber hinaus würden einfache und kleine Computer- und Speichereinheiten alle Wartungs- und Nutzungsinformationen eines Fahrzeugs verfolgen. Sie würden die gesamte Bordsensorik in einen einzigen Zugangspunkt integrieren. Um die für jedes Fahrzeug erforderliche Wartung zu finden, wäre es so einfach wie das Berühren einer Speicherregisterkarte/-taste. Das Fahrzeug würde wissen, was zu tun ist, und könnte jedem Wartungspersonal seine Anforderungen mitteilen. Dies verringert die Notwendigkeit, die gesamte Wartung in einer einzigen Einrichtung durchzuführen, die die Anforderungen dieses Fahrzeugs verfolgt.

Neutronium kann durchaus eine nahezu perfekte Schall- und Wärmeleitung haben und ein nahezu perfekter elektrischer Isolator sein. aber es wäre nur auf der Nanoskala nützlich.