Розділ 8.11: Передові матеріали: надпровідники, магніти та матеріали для батарей

Удосконалені матеріали — це матеріали, які виявляють чудові властивості з точки зору своїх фізичних, хімічних, механічних або електронних характеристик. Ці матеріали часто розробляються за допомогою досліджень у галузі нанотехнологій або матеріалознавства та мають широкий спектр потенційних застосувань у таких галузях, як електроніка, зберігання енергії, транспорт та охорона здоров’я.

Надпровідники

Надпровідники — це матеріали, які мають здатність проводити електрику з нульовим опором при охолодженні до надзвичайно низьких температур, як правило, нижче -270°C. Перший надпровідник був відкритий у 1911 році голландським фізиком Хайке Камерлінг Оннесом, який виявив, що опір ртуті повністю зникає при температурі 4,2 К (-269°C).

З тих пір вчені виявили багато інших надпровідних матеріалів, включаючи кераміку, таку як ітрій-барій-мідний оксид (YBCO) і вісмут-стронцій-кальцій-мідний оксид (BSCCO), які виявляють надпровідність при вищих температурах, ніж металеві надпровідники. Розробка високотемпературних надпровідників відкрила нові можливості для таких застосувань, як передача електроенергії та поїзди магнітної левітації.

магніти

Магніти - це матеріали, які створюють магнітне поле, яке можна використовувати для притягування або відштовхування інших матеріалів. Постійні магніти виготовляються з таких матеріалів, як залізо, кобальт і нікель, тоді як електромагніти виготовляються шляхом пропускання електричного струму через дротяну котушку, намотану навколо матеріалу сердечника.

В останні роки вчені розробили нові типи магнітів із покращеними властивостями, наприклад рідкоземельні магніти, виготовлені з неодиму, заліза та бору, які набагато сильніші за традиційні магніти. Ці високоефективні магніти знайшли застосування в таких технологіях, як вітрові турбіни, електродвигуни та медична візуалізація.

Матеріали акумулятора

Акумуляторні матеріали використовуються у виробництві акумуляторів, які необхідні для багатьох електронних пристроїв, від мобільних телефонів до електромобілів. Традиційні батареї використовують такі матеріали, як свинцево-кислотні, нікель-кадмієві та нікель-метал-гідридні, але їх замінюють літій-іонні батареї, які легші та ефективніші.

Літій-іонні батареї використовують такі матеріали, як графіт і оксид літію-кобальту, але дослідники досліджують нові матеріали для покращення продуктивності батареї, включаючи кремній, алюміній і сірку. Ці матеріали можуть збільшити ємність батареї та скоротити час зарядки, що робить їх ідеальними для використання в електромобілях і системах накопичення відновлюваної енергії.

Інші передові матеріали

Інші сучасні матеріали включають напівпровідники, які використовуються в електронних пристроях, таких як транзистори та сонячні елементи, а також розумні матеріали, які можуть змінювати свої властивості у відповідь на зміни в навколишньому середовищі. Наприклад, сплави з пам’яттю форми можуть повертатися до своєї первісної форми при нагріванні, тоді як п’єзоелектричні матеріали можуть перетворювати механічну напругу в електричну енергію.

Загалом розробка передових матеріалів сприяє інноваціям у багатьох галузях, від охорони здоров’я та енергетики до електроніки та транспорту. Оскільки дослідники продовжують досліджувати нові матеріали та розробляти нові програми, потенціал передових матеріалів змінити наш світ є величезним.