Der Begriff "Metamaterial" bezieht sich auf einen Verbundwerkstoff mit künstlich hergestellten Strukturen, die außergewöhnliche physikalische Eigenschaften aufweisen, die in natürlichen Materialien nicht vorkommen.
Die im 21. Jahrhundert entstandenen Metamaterialien stellen eine Klasse neuer Materialien dar, die besondere Eigenschaften besitzen, die in natürlichen Materialien nicht vorhanden sind, wobei diese Eigenschaften in erster Linie auf künstlich hergestellten einzigartigen Strukturen beruhen.
Das Designkonzept der Metamaterialien ist innovativ. Diese Idee beruht darauf, die Beschränkungen bestimmter scheinbarer Naturgesetze durch die Gestaltung verschiedener physikalischer Strukturen zu durchbrechen und dadurch außergewöhnliche Materialfunktionen zu erreichen.
Das Designkonzept der Metamaterialien legt nahe, dass der Mensch künstlich "neue Substanzen" mit außergewöhnlichen physikalischen Eigenschaften schaffen kann, die sich deutlich von denen der Natur unterscheiden, ohne grundlegende physikalische Gesetze zu verletzen.
Typische Beispiele für "Metamaterialien" sind "linkshändige Materialien", photonische Kristalle, "supermagnetische Materialien" und "metallisches Wasser".
Scott White von der University of Illinois hat eine Art biomimetischen Kunststoff mit Selbstheilungskräften entwickelt. Dieses Polymer enthält ein "Gefäßsystem" aus Flüssigkeit. Wenn es beschädigt wird, sickert die Flüssigkeit wie Blut aus und gerinnt.
Im Gegensatz zu anderen Materialien, die nur winzige Risse reparieren können, ist dieser biomimetische Kunststoff in der Lage, Risse von bis zu 4 Millimetern Breite zu reparieren.
Ein Unternehmen namens Alphabet Energy hat einen Hotspot-Generator entwickelt, der direkt in den Auspuff eines herkömmlichen Generators eingesetzt werden kann und so die Abwärme in nutzbaren Strom umwandelt.
Dieser Generator verwendet ein relativ kostengünstiges und natürliches thermoelektrisches Material namens Tetrahedrit, das einen Wirkungsgrad von 5-10% erreichen soll.
Die Wissenschaftler erforschen derzeit ein thermoelektrisches Material mit höherem Wirkungsgrad namens Skutterudit, ein kobalthaltiges Mineral.
Thermoelektrische Materialien werden bereits in kleinem Maßstab eingesetzt, beispielsweise in Raumfahrzeugen.
Skutterudit kann jedoch aufgrund seiner geringen Kosten und seiner hohen Effizienz zur Beschichtung der Auspuffrohre von Autos, Kühlschränken oder anderen Maschinen verwendet werden.
Neben kristallinem Silizium können auch Perowskite als alternative Materialien für die Herstellung von Solarzellen dienen.
Im Jahr 2009 erreichten mit Perowskiten hergestellte Solarzellen eine Umwandlungsrate von 3,8% für Solarenergie. Bis 2014 stieg dieser Wert auf 19,3% und näherte sich damit dem Wirkungsgrad von über 20% herkömmlicher kristalliner Siliziumzellen.
Die Wissenschaftler glauben, dass die Leistung dieses Materials noch verbessert werden kann.
Perowskite sind eine Kategorie von Materialien, die durch eine bestimmte Kristallstruktur definiert sind und eine beliebige Anzahl von Elementen enthalten können, typischerweise Blei und Zinn für Solarzellenanwendungen.
Im Vergleich zu kristallinem Silizium sind diese Rohstoffe wesentlich preiswerter und können auf Glas aufgesprüht werden, so dass eine sorgfältige Montage in Reinräumen nicht mehr erforderlich ist.
Aerogele können aus einer Vielzahl von Substanzen hergestellt werden, darunter Siliziumdioxid, Metalloxide und Graphen.
Da der überwiegende Teil ihres Volumens aus Luft besteht, dienen Aerogele als außergewöhnliche Isolierstoffe. Ihre Struktur verleiht ihnen außerdem eine außergewöhnliche Zähigkeit.
Wissenschaftler der NASA experimentieren derzeit mit einem flexiblen Aerogel aus Polymeren, das als Isoliermaterial für Raumfahrzeuge beim Wiedereintritt in die Atmosphäre verwendet werden soll.
Stanen ist, ähnlich wie Graphen, ein Material, das aus einer einzigen Schicht von Atomen besteht. Durch die Verwendung von Zinnatomen anstelle von Kohlenstoff weist es jedoch eine Eigenschaft auf, die Graphen nicht erreichen kann: 100% Leitfähigkeit.
Stanene wurde erstmals im Jahr 2013 von Professor Shou-Cheng Zhang von der Stanford University theoretisch vorgeschlagen. Die Vorhersage der elektronischen Eigenschaften von Materialien wie Stanene ist eine der Spezialitäten von Professor Zhangs Labor.
Nach ihrem Modell ist Stanene ein topologischer Isolator, d. h. seine Kanten sind leitend, während sein Inneres isolierend ist. Als solcher kann Stanene bei Raumtemperatur Elektrizität mit null Widerstand leiten.
Die Nanostruktur von lichtmanipulierenden Metamaterialien kann das Licht auf bestimmte Weise streuen und so möglicherweise Objekte unsichtbar machen.
Je nach Herstellungsverfahren und verwendeten Materialien können Metamaterialien auch Mikrowellen, Radiowellen und die weniger bekannten T-Strahlen streuen.
In der Tat kann jede Art von elektromagnetischem Spektrum durch diese Metamaterialien kontrolliert werden.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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