• Wednesday July 17,2019

Mit Chemikalien eine bessere Welt aufbauen

Anonim

Im Uhrzeigersinn von links: AN Sreeram, Vizepräsident für Forschung und Entwicklung, Dow Chemical; Greg Nelson, Chief Technology Officer von Eastman Chemical; Mark Doriski, Technologiemanager für globale Zwischenprodukte, Exxon-Mobile; Ivan Amato, Moderator; Thomas Connelly, Chief Innovation Officer von DuPont; Ryan Dirkx, Vizepräsident von R & D, Arkema; Christopher Pappas, Präsident und CEO von Styron

Foto: Bill Cramer

Wenn Materialwissenschaftler das Periodensystem betrachten

von Elementen sehen sie kein Diagramm voller Symbole und Zahlen; Sie sehen eine riesige molekulare Speisekammer, die eine nahezu unendliche Anzahl von Rezepten erlaubt. Erfolgreiche Überfälle auf diese Speisekammer können uns allen zugute kommen. Nehmen Sie Sonnenenergie. In den 113 Jahren zwischen der Entdeckung der Physik hinter Photovoltaik-Solarzellen und dem Jahr 2000 weniger

Weltweit wurden 2 Gigawatt Solarstrom installiert. Durch die jüngsten Verbesserungen der molekularen Struktur des Siliziums in Photovoltaik-Panels konnten allein im Jahr 2011 mehr als 10 Gigawatt neuer Solarstrom online gebracht werden. Oder betrachten Sie die Verbesserungen in Entsalzungsanlagen, wo in den letzten vier Jahrzehnten die Energie, die erforderlich ist, um Meerwasser in sauberes Trinkwasser umzuwandeln, um 90 Prozent gesunken ist, was weitgehend auf Verbesserungen bei den Filtern zur Entfernung von Salzen zurückzuführen ist. Sauberere Energie und effizientere Nutzungsmöglichkeiten: Da die Weltbevölkerung ständig mehr Ressourcen benötigt, wird der Einfallsreichtum der Materialwissenschaftler immer wichtiger.

Um zu verstehen, welche Neuerungen sich jetzt ergeben - und welche möglicherweise noch vor uns liegen - hat DISCOVER mit der Chemical Heritage Foundation in Philadelphia zusammengearbeitet, um sechs Experten für Materialwissenschaften zusammenzubringen. Thomas Connelly ist Chief Innovation Officer bei DuPont; Er hat die Geschäftsbereiche Kevlar und Teflon des Unternehmens geleitet. Der Materialwissenschaftler Ryan Dirkx ist Vizepräsident für Forschung und Entwicklung bei Arkema, wo er mit Acrylglas aus Plexiglas gearbeitet hat. Mark Doriski, globaler Technologie-Manager für Zwischenprodukte bei ExxonMobil, hat die Herstellung der molekularen Bausteine ​​für die Herstellung der vielseitigen, als Polymere bekannten, kettenartigen Moleküle angeführt. Der Chemiker Greg Nelson ist Chief Technology Officer von Eastman Chemical. Chris Pappas ist Präsident von Styron, einem Unternehmen, das Kunststoffe, Latex und synthetischen Kautschuk entwickelt. Und

AN Sreeram, Vizepräsident von R & D in der Advanced Materials Division von Dow, arbeitet an der Anwendung neuer Materialien in der Gesundheits- und Automobilindustrie. Ivan Amato, Autor von Stuff: Die Materialien, aus denen die Welt besteht, moderierten ihr Gespräch.

WIE VERÄNDERT DIE WISSENSCHAFT MATERIALIEN JETZT DIE WELT?

AN Sreeram : Die einfache Antwort lautet, die persönliche Elektronik zu betrachten. Aber die Materialwissenschaft hat zu aggressiven Innovationen in anderen, grundlegenderen Bereichen geführt, die für uns von entscheidender Bedeutung sind, wie etwa in der Unterkunft. 48% des Energie-Fußabdrucks der USA entfallen darauf, dass unsere Wohnräume im Winter beheizt und im Sommer gekühlt werden. Wir müssen diese Energie sparen. Wenn Sie Ihre Häuser gut isolieren, können Sie viel sparen. Produkte wie blaue Polystyrol-Dämmplatten können zusammen mit anderen Materialien zum Abdichten Ihrer Fensterbänke den Energieverlust aus Ihrem Haus erheblich reduzieren.

Chris Pappas : Die Menschen betrachten Innovation als die Schaffung von brandneuen Dingen. Wenn Sie jedoch Basismoleküle nehmen und sie auf die richtige Weise anordnen, können Sie mit dem, was bereits existiert, viel tun. Sie können das auf etwas wie einen Autoreifen anwenden: Sie können die physikalischen Eigenschaften des Gummis ändern, so dass der Reifen bessere Rollfähigkeiten, keinen Verschleiß und keinen Nasshaftungsverlust aufweist. Es gibt eine Art Kautschuk, den sogenannten Lösungs-Styrol-Butadien-Kautschuk, der im Regen ebenso gut greift, sich aber nicht so schnell abnutzt. Reifen, an denen unsere Partnerfirmen gerade arbeiten, können die Laufleistung um bis zu 10 Prozent verbessern, indem nur die Reifen gewechselt werden, da dieser Gummi mit weniger Widerstand rollt.

Mark Doriski: In gleicher Weise haben wir ein synthetisches Schmiermittel namens SpectraSyn Elite, mit dem wir die Kraftstoffeffizienz sowohl bei niedrigen Temperaturen als auch beim ersten Anfahren einer beliebigen Maschine, beispielsweise eines Automobils, und bei hohen Temperaturen verbessern können. Wenn Sie die gesamte US-amerikanische Fahrzeugflotte (mehr als 200 Millionen Autos) in Anspruch nehmen und ein Drittel der Flotte von herkömmlichem Schmierstoff zu einem synthetischen umbauen, könnten Sie die Kraftstoffeffizienz um 2 Prozent steigern. Das würde knapp eine Milliarde Gallonen Benzin pro Jahr einsparen; Es ist, als würden 1, 5 Millionen Autos von der Straße genommen.

Greg Nelson: In einem Reinraum (einer staubarmen, mikrobenarmen Umgebung, in der Computerchips und andere Elektronikgeräte hergestellt werden) gibt es viele Geräte, um Luft durch Filter zu drücken, die ihn reinigen. Diese Anwendungen erfordern, dass mehr als 99, 97 Prozent aller Partikel, die größer als 0, 3 Mikrometer sind, entfernt werden. Das kann viel Energie verbrauchen. Mit einer neuen Technologie namens Mikrofasern, die derzeit kommerzialisiert wird, können wir in vielen dieser Systeme eine leistungsfähigere Filtration durchführen und dabei Energie sparen.

Ryan Dirkx: Wir haben ein Polymer auf Pflanzenölbasis, das sich selbst heilt. Sie können dieses Material schneiden und wieder zusammenfügen,

und es wird in etwa zwei oder drei Minuten auf 100 Prozent seiner ursprünglichen Stärke zurückkehren. [Mögliche Anwendungen für selbstheilende Materialien sind Förderbänder, Stoßdämpfer, Klebstoffe, Farben und Asphalt.]

WAS SIND DIE NÄCHSTEN GROSSEN HERAUSFORDERUNGEN FÜR DIE CHEMISCHE INDUSTRIE ?

Thomas Connelly: Autos müssen kleiner werden. Ich glaube, es gibt eine Zukunft für das Elektrofahrzeug, aber wir müssen einen Weg finden, um neue Materialien zu finden - für Motoren, für die Energiespeicherung und für Wechselrichter die Geräte, die Gleichstrom in Wechselstrom (Wechselstrom) umwandeln ) - und wir müssen wirklich Gewicht abnehmen. Ohne diese förderlichen Erfindungen und die dazu erforderlichen Materialien können wir die Energieziele, die wir uns gesetzt haben, nicht erreichen. Da ist eine große Herausforderung.

Papps: LED-Beleuchtung ist ein weiteres wichtiges Materialwissenschaftsthema: Das sehr energieeffiziente Licht von LEDs wird durch Materialien gestreut, die über die richtigen optischen Eigenschaften verfügen, um die Art von Licht bereitzustellen, die wir benötigen. Unterbringung der Komponenten in einem Material, das die richtigen physikalischen Eigenschaften für den Aufprall aufweist; Ansprechen auf Verschleiß, Nichtvergilbung usw. LED-Beleuchtung ist eine aufstrebende Technologie, bei der die Materialwissenschaft gerade erst eine große Rolle dabei spielt, etwas für die Gesellschaft mit niedrigerem Energieverbrauch und niedrigeren Energiekosten zu erreichen.

Dirkx: Eine andere Herausforderung ist Verschwendung. Wenn wir mit dem Entwurf von Materialien beginnen, sollten wir für die Wiederverwendung und Wiederverwendung designt werden. Wir würden ein Material anders gestalten, wenn wir die nächsten drei oder vier Dinge im Auge behalten würden, die es in seinen nächsten Leben haben würde. Nehmen Sie Photovoltaik-Module. Es wäre toll, wenn sie in einem dritten oder vierten Leben zu Müllsäcken werden könnten.

Nelson: Ja, die große Herausforderung besteht darin, die Lebensdauer eines Produkts zu verlängern, indem es dauerhafter gemacht wird, und durch einen End-of-Life-Pfad mehr Verwendungen zu erzielen. Wenn wir diese Herausforderung annehmen, haben wir viel Spielraum für die neuen Verbraucher, die in aufstrebenden Märkten auftauchen, um in die Mittelschicht einzusteigen und ein Teil davon zu werden. Wenn wir uns dieser Herausforderung nicht stellen, wird es eine viel schwierigere Welt, in der man leben kann, denn es ist nicht für jeden Raum vorhanden, Energie in dem Maße zu nutzen, in dem wir sie heute verwenden.

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Gleich um die Ecke?

WAS PASSEN DURCH, DASS LÜGEN NUR DIE ECKE?

Pappas: Eine werden Kohlenstoffnanoröhren sein [siehe „Was ist mit Nanotech passiert?“ Unten], die faszinierende Material- und elektrische Eigenschaften haben. Sie werden jedoch in unordentlichen Paketen hergestellt, und die Trennung in einer Weise, dass sie verwendet werden können, hat sehr niedrige Ausbeuten von 2 oder 3 oder 4 Prozent. Der Rest ist Müll. Das ist sehr teuer. Die Trennung mit hohen Erträgen wird das Spiel verändern. Es gibt heute Technologien, die kurz vor der Kommerzialisierung stehen und meines Erachtens einen großen Beitrag zur Lösung des Problems leisten werden. Dann werden Sie sehen, dass die Kosten für Nanoröhrchen so niedrig sind, dass sie in den Alltag integriert werden können - vielleicht Reifen, um die Haltbarkeit zu erhöhen.

Nelson: Die größte Quelle für neue Energie in den nächsten 30 Jahren wird Energieeinsparung sein: Energie, die wir jetzt verwenden und die wir durch effizientere Energieeinsparungen einsparen werden. Dort wird echte Innovation stattfinden.

Connelly: Ich denke, es wird eine grundlegende Veränderung in der Art und Weise geben, in der die Biologie die Welt der Materialwissenschaften beeinflussen wird [siehe „Aufstieg der biologischen Maschinen“ (weiter unten). Sie werfen einen Blick auf die Fähigkeit, Organismen zu konstruieren, um eine breite Palette von Materialien bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck in wässrigen Medien ohne exotische Metalle herzustellen. Dies beeinflusst die Art und Weise, wie wir Materialien für die Zukunft herstellen. Hinzu kommt die exquisite Besonderheit der Biologie, die es uns ermöglicht, Materialien kostengünstiger als herkömmliche thermochemische Verfahren herzustellen und Materialien herzustellen, die Sie mit herkömmlicher Katalyse nicht herstellen können. Das ist eine wirklich transformative Veränderung, die gerade jetzt stattfindet.

WAS IST MIT NANOTECH PASSIERT?

In den 1990er Jahren überzeugte die Erfindung von Kohlenstoff-Zylindern im atomaren Maßstab, die als Kohlenstoff-Nanoröhrchen bekannt sind, viele Wissenschaftler davon, dass die Nanotechnologie - die Herstellung von Materialien auf molekularer Ebene - die Computer-, Medizin- und andere Bereiche revolutionieren sollte. Zwanzig Jahre später gibt es keine mikroskopisch kleinen Roboter, die unseren Körper von innen heilen, aber einige nanoelektronische Geräte sind fast marktreif, und einige spekulative Anwendungen erscheinen plausibler:

Der Physik- Wissenschaftler der Wake Forest University, David Carroll, hat ein auf Nanoröhren basierendes Gewebe namens Power Felt entwickelt, das aus einem Temperaturunterschied eine elektrische Spannung erzeugt - beispielsweise zwischen Ihrem Telefon und Ihrer Hand. Wärmeenergie auf einer Seite des Materials setzt Elektronen in Bewegung; Sie verlangsamen sich schließlich und sammeln sich auf der Kühlerseite an, wodurch eine Spannung erzeugt wird. In Carrolls Prototypen können Power Felt-Farbfelder Handys und Taschenlampen teilweise laden. Er schätzt, dass der Stoff in einem Jahr kommerzialisiert werden könnte.

Der Nanoingenieur Joseph Wang von der University of California in San Diego arbeitet an verschiedenen Arten von Nanomaschinen. Sein jüngstes ist ein zylindrisches "U-Boot" von etwa der Größe einer roten Blutkörperchen, das aus Gold, Nickel, Platin und einem Polymer besteht und Öltröpfchen im Wasser sammeln kann. Schwärme der U-Boote, die das 10-fache ihres eigenen Volumens tragen können, könnten helfen, Ölverschmutzungen zu beseitigen.

Intelligente Materie Die ultimative Anwendung von Nanotech kann programmierbare Materie sein, eine Substanz, die auf Befehl die Form, Farbe und andere Merkmale verändern kann. Eine Ansammlung von Partikeln, die Computer im Nanomaßstab enthalten, um diese Transformationen zu orchestrieren, könnte theoretisch jede Form annehmen. Der MIT-Roboticist Daniela Rus hat einen Prototyp für diese Geräte im Makromaßstab entwickelt. Ihre 1 Zentimeter „intelligenten Kieselsteine“, Würfel, die aus einem Mikroprozessor und Elektromagneten bestehen, können die Form eines Objekts aus anderen Würfeln erkennen und zusammenfügen, um es zu replizieren. Rus entwickelt auch programmierbare Glasfaserplatten, die sich in verschiedene Formen falten können, darunter ein Miniaturflugzeug (rechts).

- Jennifer Barone


Roy Kaltschmidt / Mit freundlicher Genehmigung des Berkeley National Lab

AUFSTIEG DER BIOLOGISCHEN MASCHINEN

Die ständig sinkenden Kosten für die Gensequenzierung haben nicht nur die Biologie revolutioniert. Es hat Ingenieuren auch die Werkzeuge zur Verfügung gestellt, um die natürlichen Funktionen von Organismen auf eine Weise zu manipulieren, die noch vor einem Jahrzehnt unvorstellbar war, und eröffnen damit reichhaltige Quellen neuen biologischen Materials. Zwei in diesem Jahr angekündigte Innovationen zeigen das Potenzial dieser Materialien für die tragbare Stromerzeugung und das Hochgeschwindigkeits-Computing.

Virus Batteries Seung-Wuk Lee, ein Bioingenieur an der University of California, Berkeley, hat herausgefunden, dass ein Virus namens M13 ein natürlicher Generator ist, der auf Bewegungen (wie z. B. das Klopfen eines Fußes oder den Herzschlag) reagiert, indem er sich aufbaut eine elektrische Ladung. Wenn ein dünner Film aus technischem M13 zwischen zwei Elektroden liegt und einer mechanischen Beanspruchung ausgesetzt ist, erzeugt er eine Leistung, die einem Viertel der einer AAA-Batterie entspricht - genug, um einen kleinen LCD-Bildschirm zu beleuchten (siehe rechts). Lee ist der Meinung, dass er durch die weitere genetische Veranlagung der Virusproteine ​​eine 20-mal höhere Ladung auslösen kann. "Dieses Virusmaterial könnte eines Tages in unseren Körper implantiert werden, weil das Virus für den Menschen harmlos ist", sagt Lee. "Dann könnte Ihr Herzschlag in Elektrizität umgewandelt werden." Er sieht implantierte, virenbasierte Generatoren vor, die permanente Energiequellen für Hörgeräte und Handys sein würden. Eine solche Technologie könnte in etwas mehr als einem Jahrzehnt kommerziell werden, behauptet Lee.

Kidney Computers An der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) in Zürich hat ein Team um Bioingenieur Martin Fussenegger menschliche Zellen entwickelt, um die binären Berechnungen durchzuführen, die die Grundlage für die Berechnung bilden. Fussenegger entwickelte seinen biologischen Rechner, indem er eine embryonale Nierenzelle entwickelte, um auf zwei verschiedene Chemikalien zu reagieren:

Erythromycin (ein Antibiotikum) und Phloretin (eine Verbindung, die in Apfel gefunden wird

Bäume). Die Zellen reagierten auf diese "Eingaben", indem sie entweder rot oder grün leuchten - das Äquivalent digitaler Einsen und Nullen. Organische Schaltungen könnten eines Tages selbst als Computer verwendet werden; Interessanterweise könnten sie in unseren Körper eingebettet sein, um eine Reihe medizinischer Funktionen zu erfüllen. Zum Beispiel stellt sich Fussenegger vor, dass biologische Schaltkreise so komplex werden, dass sie krankheitsbezogene Proteine ​​als Input verwenden können. Solche Kreisläufe könnten Insulin oder andere therapeutische Verbindungen freisetzen, sobald sie den relevanten Gesundheitszustand erkennen.

- Emma Bryce


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