Каковы некоторые правдоподобные суперматериалы? [закрыто]

Ваше заключительное замечание: помните, что свойства сыпучего материала зависят от силы химической связи, поэтому мы ограничены силой ковалентной связи. заставляет меня думать «может быть, нет ».

Большой передовой темой исследования для научной фантастики ближайшего будущего является использование закрепления магнитного потока и сверхпроводников для создания крупномасштабных структур. Космическая станция может быть скреплена потоком, более сильным, чем физический материал, и в то же время может подвергаться нагрузке и заменяться без необратимых повреждений. Два модуля могут удерживаться в относительном положении невидимыми силовыми линиями, столь же сильными, как энергия, которую вы можете подать, чтобы увеличить их, используя электромагнетизм для компенсации или восстановления любой внешней силы. Обычно он пассивен в том смысле, что сила, действующая на один объект, которая заставляет его двигаться относительно другого, будет индуцировать электрические токи в сверхпроводнике, которые генерируют силы, компенсирующие и реверсирующие движение. Таким образом, сила, пытающаяся разорвать его на части, используется против него самого .противостоять разделению, пока сверхпроводник может его буферизовать. На самом деле вам нужно добавить немного силы, чтобы преодолеть потери и заставить ее «вернуться», а не быть в состоянии идеально противостоять силе с бесконечно малым движением.

Результатом большого обзора является нерушимый луч кажущейся неограниченной прочности. Для сетевой сетки элементов она может быть эластичной (позволять им перемещаться и накапливать энергию в сверхпроводниках или в виде магнитных полей) или жесткой, или переходить от одного к другому, или переконфигурироваться по команде, изменяя представленные трубки магнитного потока и захватывая точки.

Теперь уменьшите масштаб: вместо того, чтобы узлы были многотонными модулями космического корабля, что, если бы они были построены с использованием нанотехнологий, с одним узлом размером с минеральную крупицу? То, что кажется обычным кирпичом или камнем, будет удерживаться вместе не за счет остаточных ковалентных сил между минеральными зернами, а за счет закрепления магнитного потока и способности вернуть все зерна на свои места без необратимого повреждения после прохождения огромного напряжения. .

Это был бы материал человеческого масштаба с неограниченной прочностью, гораздо большей, чем вы можете предположить, исходя из обычных сил атомных связей, даже с тем, что вы получаете от фуллеренов !

Как насчет суперматериала?

Предполагается, что страпельки из кварковой материи обладают интересными свойствами (в том числе апокалиптической способностью заражать и превращать обычную материю в «странную» материю) .

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

Странная материя — это особая форма кварковой материи, обычно рассматриваемая как «жидкость» из верхних, нижних и странных кварков. Его следует противопоставить ядерной материи, которая представляет собой жидкость из нейтронов и протонов (которые сами состоят из верхних и нижних кварков), и нестранной кварковой материи, которая представляет собой кварковую жидкость, содержащую только верхние и нижние кварки. Ожидается, что при достаточно высокой плотности странная материя будет цветной сверхпроводимостью. Предполагается, что странная материя находится в ядре нейтронных звезд или, более гипотетически, в виде изолированных капель, размер которых может варьироваться от фемтометров (стрэнджлеты) до километров (кварковые звезды).

Истинная красота странной материи раскрывается, когда вы взаимодействуете с обычной материей со страпелькой.

... с каждым поглощенным нейтроном, высвобождающим ~ 10 МэВ энергии (Fahri & Jaffel984), ...

Остановитесь и подумайте об этом; это во много раз больше энергии, выделяемой в реакциях ядерного синтеза. Стрепелька будет испускать фотоны с фантастическими энергиями, просто питая ее медленным потоком нейтронов. Корабль, оснащенный страпельным двигателем, был бы фантастическим оружием, если бы он просто поворачивал судно, чтобы направить луч привода на то, что кажется угрожающим.

Так что, хотя вы, возможно, и не захотите строить что-либо из странной материи, вы можете использовать ее как довольно компактный источник энергии.

Существует очень много натуральных и искусственных материалов, которые сегодня доступны лишь в ничтожных количествах. В будущем оптом? Примеры включают шелк паука (и спинареты для изготовления из него) и бакминстерфуллерены с точно контролируемыми химическими заменами, поэтому их можно встраивать в молекулы и полимеры. О, и несмоченные грязеотталкивающие ткани с наноструктурой, похожей на листья лотоса.

В одном у нас нет зацепок. Теория предполагает, что сверхпроводники при комнатной температуре возможны. Если бы кто-то был обнаружен, это имело бы огромное влияние. Сверхпроводимость остается очень плохо изученной по сравнению с большинством других свойств материи.

На самом деле это не суперматериал, но если бы кто-то смог разработать энергосберегающий способ производства мюонов, наши энергетические потребности были бы удовлетворены с помощью синтеза, катализируемого мюонами: тривиально простой процесс, если у вас есть мюоны.

Скорее всего, это батарея или конденсатор с очень высокой плотностью энергии, которые хорошо работают и не склонны к взрыву при провокации. Я настроен оптимистично, я увижу, что накопители электроэнергии взломаны еще при моей жизни, и наступит будущее, полностью работающее на солнечной энергии.

Не забывайте о «программируемой материи», изобретенной Уилом Маккарти .

квазиживые наноматериалы, которые имеют эквивалент «крови» (распределение ресурсов) и метаболизма и могут иметь или не иметь клеточную структуру (например, кость).

структуры или слои атомарного масштаба, которые допускают новые или оптимальные комбинации свойств, но при этом не являются чрезмерно загадочными в фундаментальных пределах того, что могут допускать отдельные свойства (например, прочность).

Посмотрите, что было открыто о графене и полупроводниках в целом. Электрические характеристики могут быть не интересны для «материала», но представьте, что такой же контроль применяется к атомным связям, которые отвечают за объемные механические свойства.

Этот ответ основан на знаниях из моего ответа на вопрос Всегда ли соблюдается шкала твердости минералов Мооса? поэтому я предлагаю вам прочитать его, прежде чем продолжить чтение этого ответа.

Разные материалы лучше всего подходят для разных целей, поэтому не стоит создавать только один материал для многих целей. Для каждой цели существует компромисс между различными выгодными свойствами.

Учитывая набор свойств, которыми мы хотим, чтобы материал обладал всеми, существует количество каждого свойства, с которым может существовать материал, для каждого из которых может существовать материал с еще большим количеством одного из этих свойств, но не без меньше одного из других свойств.

Иногда бывает желательно создать один материал для многих целей, потому что это позволяет перерабатывать множество разных объектов вместе, потому что все они сделаны из одного и того же материала.

Вот некоторые возможные желательные свойства такого многоцелевого материала: ядерная стабильность, бесконечная пластичность, теоретическая прочность, термическая стабильность, реакционная способность, аморфность и антипригарность.

Я могу придумать такой хороший материал, но не знаю, достаточно ли он стабилен, чтобы его можно было производить. Вырастите идеальный кристалл нитрида углерода (IV) вокруг затравочного кристалла, медленно вымораживая его из расплавленного состояния в среде с точно контролируемой температурой, чтобы избавиться от всех примесей.

Растопите его и добавьте небольшое количество избыточных атомов азота, затем дайте ему медленно остыть от очень высокой температуры в тигле, к которому он не прилипает, чтобы избежать напряжения после стеклования.

Я думаю, что его максимальная скорость гомогенного зародышеобразования достаточно низка, чтобы он мог пройти стеклование, потому что при зарождении кристаллического состояния будет высвобождаться не очень много объемной энергии, потому что, когда азот образует 3 связи, его связи могут с легкостью изгибаться вперед и назад.

Затем протравите его наногладкой жидкостью, угол контакта с которой превышает 90°. Поскольку он имеет контактный угол больше 90°, он не прилипнет к объекту и даже не оставит на нем ни одной капли после того, как будет вытащен последний кусочек объекта, поэтому он не испарится из вещества, повторно откладывающего то, что оно вытравило в виде остатка. шероховатая поверхность.

Я думаю, что в результате небольшого избытка атомов азота это будет ковалентная сеть со случайно блуждающими полуантисвязями, и если травильная кислота будет достаточно разбавленной, атомы будут растворяться намного быстрее, чем осаждаются на поверхность, потому что это растворение в результате химической реакции, так что половина антисвязей будет случайным образом перемещаться к поверхности быстрее, чем поверхностные атомы вытравливаются, давая поверхностным атомам полную внешнюю оболочку, делая материал достаточно неприлипающим, чтобы кислота не смачивала его, и, следовательно, оставляет его наногладким после материал вытягивается из кислоты. Этот материал, вероятно, будет иметь настолько высокую теоретическую прочность, что будет лучше, чем любой бесконечно пластичный материал, который можно было бы произвести.

Он будет иметь очень высокую прочность для начала, потому что он был выгравирован наногладким, и он будет настолько твердым, что почти ничто не сможет сильно поцарапать его, поэтому его прочность не сильно уменьшится при использовании. Блюдо из него действительно было бы небьющимся из-за его высокой прочности. Согласно моему ответу на Почему стекло такое хрупкое? , для любого материала скорость, с которой две сферы из этого материала одинакового размера должны столкнуться друг с другом, чтобы образовалась трещина, равна модулю сдвига в степени -2, умноженной на прочность в степени, умноженной на 5/2 плотности. в степени -1/2, умноженной на некоторую постоянную, но это вещество будет иметь прочность, составляющую значительную долю его чистого модуля.

Его прочность снизится еще меньше по мере использования, потому что он аморфный. Кроме того, из-за того, что он такой гладкий, любая контактная кромка между водой, воздухом и этим веществом будет вибрировать из-за динамического равновесия испарения и конденсации воды, в результате чего наступающий и удаляющийся контактный угол воды с ним будет настолько близким, что капли воды на тарелках, изготовленных из этого вещества, легко скатывается в посудомоечной машине.

Даже капли жидкости с краевым углом менее 90°, но не смачивающие ее полностью, будут легко скатываться до тех пор, пока не окажутся в самой нижней точке на нижней стороне поверхности. Поскольку он аморфный, он будет деформироваться при очень высоких температурах, поэтому для температуры 2000°C лучше всего подойдет другой материал.

Это совершенный кристаллический корунд, в котором небольшая часть атомов алюминия заменена атомами кремния, вытравленными наногладко. Корунд на самом деле представляет собой ковалентную сеть в соответствии с альтернативным определением, несмотря на разницу в электроотрицательности более 1,7, потому что каждая связь имеет 2 электрона, локализованных на этой связи.

Поскольку это ковалентная сеть, замена небольшой части атомов алюминия атомами кремния создаст беспорядочно блуждающие полуантисвязи, некоторые из которых беспорядочно блуждают по поверхности, делая ее неприлипающей.

Я думаю, идеальный кристалл этого вещества можно медленно вырастить из расплавленной смеси алюминия, кремния и кислорода, где количество кремния в смеси очень мало, а количество атомов кислорода чуть меньше, чем в 1,5 раза больше, чем количество алюминия. атомов плюс количество атомов кремния. На самом деле зародятся 2 кристалла, один из этого вещества и один из чистого кремния. Это вещество можно было бы на самом деле вытравить в тигле для расплавленного нитрида углерода (IV), потому что оно было бы таким антипригарным.

Вероятно, это было бы очень темное вещество, потому что оно обладало бы слабой электропроводностью. Как только появится исследовательская группа, которая очень эффективно проводит все полезные исследования, они смогут создать гигантский стержень из микрокристаллической версии этого вещества, лежащего на земле, выливая его расплавленную форму в форму, а затем замораживая его снизу с контролируемой скоростью с помощью лазерное охлаждение детали прямо под поверхностью замерзания, а затем вырубка ее в надземную железную дорогу.

Эта железная дорога выветривалась бы только на поверхности, потому что она была бы непористой, потому что зерна нигде на их поверхности не отделялись бы от других зерен, потому что границы зерен не подвергались бы очень большому напряжению, потому что атомы могли бы пересекать границу зерен, чтобы снять напряжение. Это вызвано тем, что разные зерна сжимаются больше в разных направлениях, потому что все зерна представляют собой одно и то же вещество.

Я думаю, что его следует считать типом камня, потому что это твердое, непрозрачное, хрупкое, неблестящее тело. Вода не могла попасть внутрь и замерзнуть, растрескав его.

Здания также могут быть сделаны из этого материала и быть достаточно прочными, чтобы поддерживать себя и даже противостоять землетрясению, если в них нет острых вогнутых краев, и они также будут огнеупорными.

Теоретически лонсдалит может быть гораздо более прочным при правильных условиях. Предположим, у вас есть его лист, параллельный его собственной плоскости спайности, полученный путем его разрушения вдоль плоскости спайности.

Я думаю, что он сохранит свою чрезвычайно высокую теоретическую прочность на растяжение даже после царапания, потому что, если он подвергнется растяжению после того, как его поцарапают, вершина инициированной трещины будет распространяться параллельно поверхности, а не распространяться дальше.

Если бы в лонсдалите была небольшая примесь атомов азота, то хрупкая поверхность излома также была бы очень антипригарной и с низким трением, а поскольку он также обладает высокой теплопроводностью, ни одна часть его поверхности не сильно нагревалась бы от царапания и так как он имеет низкое трение и не легко нагревается от царапин, он будет очень медленно царапаться, сохраняя свою теоретическую прочность по мере царапания.

Это свойство зависит от ориентации, поэтому было бы невозможно построить из него объект любой формы и сделать его настолько нерушимым.

Умные материалы

Десятилетия назад я работал над несколькими проектами, исследуя, что мы можем делать с материалами и конструкциями. В целом проект назвал их «умными материалами», однако детали того, что делала каждая отдельная идея, были совершенно разными.

Некоторые из вещей, которые мы исследовали:

Диагностика повреждений

Для композитных материалов включите в состав армирующих волокон некоторые волокна, которые также можно использовать в качестве оптических волокон. Затем передайте тщательно откалиброванный свет по волокнам. Мы смогли определить напряжение, деформацию, температуру и многие другие свойства материала, в который было заложено волокно. Теоретически это позволило бы нам получить мгновенную информацию о состоянии объекта/машины, на которой использовался этот материал, включая оценку боевых повреждений.

Адаптивные материалы

Оказывается, некоторые материалы изменяют форму под воздействием электрического тока (например, пьезоэлектрические кристаллы). Используя это свойство, исследователи надеялись изменить форму крыла так, чтобы крыло всегда имело идеальную форму для режима полета, в котором летал самолет. Есть много других возможных применений для такого рода технологий.

Но эти материалы также работали и в обратном направлении: напряжение в материале заставляло их производить электрический ток. Это позволит любому, отслеживающему этот вывод, точно знать, какую нагрузку испытала конструкция. Были возможные приложения для определения нагрузок, превышающих расчетные пределы конструкции (хорошо для выяснения, когда транспортному средству требуется техническое обслуживание сверх того, что обычно требуется).

Специальные покрытия

К ним относятся покрытия, которые меняли цвет и интенсивность в зависимости от температуры, давления, электрических сигналов и т. д. Это было очень полезно в лаборатории, чтобы определить, какие части образца подвергались воздействию различных условий. Однако он также может быть полезен для адаптивного камуфляжа.

Встроенные устройства

Традиционно производимые товары обладают (глупой) структурой, в которой каждый компонент отдельно изолирован (двигатель, салон, подвеска и т. д.). Встроенные устройства были практикой стирания границы между этими разными изолированными сущностями.

Представьте себе датчики, встроенные вдоль внешней части конструкции транспортного средства для обнаружения врагов, с другими датчиками, встроенными вдоль внутренней части конструкции для самодиагностики.

Кроме того, простые и небольшие компьютеры и блоки памяти будут отслеживать всю информацию об обслуживании и использовании транспортного средства. Вы бы интегрировали все бортовые сенсорные технологии в единую точку доступа. Чтобы найти техническое обслуживание, необходимое для каждого автомобиля, достаточно коснуться вкладки/кнопки памяти. Транспортное средство будет знать, что нужно сделать, и может сообщить любому обслуживающему персоналу о своих требованиях. Это устраняет необходимость выполнять все техническое обслуживание на одном объекте, который отслеживает потребности этого транспортного средства.

Нейтроний вполне может обладать почти идеальной звуко- и теплопроводностью и быть почти идеальным электрическим изолятором. но это было бы полезно только в наномасштабе.