Choć termin „materiał kompozytowy” brzmi niesłychanie nowocześnie, technologia ta znana jest od co najmniej 2,5 tys. lat! Wtedy to Chińczycy wynaleźli lakę – ciemne drewnopodobne tworzywo, używane do wyrobu naczyń, ozdób, puzderek, biżuterii, a nawet mebli. Otrzymywane było poprzez układanie wielu warstw cieniutkiego papieru czy tkaniny, podlanych następnie sokiem z sumaka rhus, który ma własności samoutwardzające. Taka kompozycja nadawała lace wyśmienite własności mechaniczne – łączyła w sobie zarówno twardość żywicy, jak i odporność na pękanie tkaniny. Podobno równie starym kompozytem jest zwykła sklejka – zlepione ze sobą klejem kostnym warstwy cienkiego drewna.
Dziś takie materiały możemy spotkać na każdym kroku. Idea jest zawsze taka sama: połączyć ze soba dwa (a czasami i więcej) różne składniki, które dadzą kompozytowi część swoich właściwości. Wynik nigdy nie jest prostym dodawaniem cech komponentów, lecz ich skomplikowaną wypadkową, zależną od zawartości w miksturze i sposobu organizacji przestrzennej.
TAJNIKI TECHNOKUCHNI
Prawdziwy boom zaczął się dopiero w latach 50. XX w., gdy chemicy opanowali tajniki przemysłowego procesu syntezy żywic. Najwięcej zastosowań w kompozytach znalazły żywice poliestrowe i epoksydowe, ale ostatnio dołączają do nich poliuretany i żywice silikonowe. Te ostatnie mają bardzo obiecujące własności, ale ich synteza jest tak trudna, że wciąż pozostają technologiczną i rynkową ciekawostką. Wypełnienie materiałów kompozytowych (tzw. komponent konstrukcyjny) stanowią najczęściej włókno szklane, kwarc, włókna węglowe (karbonowe) i drogie, choć rewelacyjne włókno aramidowe – kewlar. Dawniej częstym składnikiem był też całkowicie niepalny minerał – azbest, który zaczął szybko wypadać z rynku po tym, jak wyszło na jaw, że jest rakotwórczy.
Jednak właściwe składniki to najwyżej połowa sukcesu. Dziś sekret tkwi głównie w sposobie ich ułożenia. Producenci zazdrośnie strzegą swych przepisów na organizację przestrzenną mat szklanych czy przeplatanie się warstw włókien węglowych. Znane są tylko ogólne trendy, takie jak czerpanie inspiracji ze świata przyrody. Naukowcy starają się „zaplatać” włókna w taki sposób, by przypominały wytrzymałą konstrukcję plastra miodu. Inne ekipy próbują naśladować wewnętrzną strukturę drewna – tyle, że chcą zamienić skręcone pęczki włókien celulozowych połączonych ligniną na bardziej wytrzymałe materiały syntetyczne. Jakie? Tego oczywiście koncerny nie chcą zdradzić.
Najnowsze kierunki badań związane są z nanotechnologią, a więc projektowaniem nowych materiałów na poziomie pojedynczych atomów. Okazuje się bowiem, że nawet zwykły metal – jak srebro czy złoto – może mieć np. zupełnie różne własności biologiczne w zależności od tego, czy jego atomy zbija się w „grudki” wielkości kilkudziesięciu nanometrów, czy kilkakrotnie większe „grona”.
Dla współczesnych twórców materiałów najbardziej obiecujące dziedziny to nowe źródła energii, medycyna oraz transport informacji i towarów. Pierwsza z nich stanowi wielkie wyzwanie w dobie kurczących się zasobów paliw kopalnych i globalnego ocieplenia. Nanotechnologia i kompozyty pozwoliły na opracowanie nowych, bardziej wydajnych ogniw fotowoltaicznych (popularnie zwanych bateriami słonecznymi). Do niedawna zasilanie słoneczne było co najwyżej ciekawostką – na prąd udawało się zamienić tylko 20 proc. energii niesionej przez światło.
WYDRUKUJ SOBIE BATERIĘ
Jednak nowe prototypy ogniw opracowane na University of Delaware czy w Berkeley Labs Materials Sciences Division przesuwają poprzeczkę blisko 50 proc. – a taka wydajność mogłaby sprawić, że opłacalne stałoby się budowanie prawdziwych elektrowni słonecznych. Sekret oczywiście tkwi w konstrukcji ogniwa, które potrafi zamieniać w elektryczność światło o bardzo szerokim zakresie: od podczerwieni po ultrafiolet. Ekipa z Berkeley posłużyła się wyrafinowanym nanomateriałem z azotkami indu i galu, zaś na University of Delaware postawiono na miniaturowe układy optyczne, skupiające i rozdzielające promienie słońca.
Kolejną rewolucją mogą być ogniwa zbudowane w oparciu o tworzywa sztuczne przewodzące prąd elektryczny oraz nanorurki. Według naukowców z New Jersey Institute of Technology baterie takie będzie można drukować w taki sam sposób, jak dziś działają domowe drukarki atramentowe! To oznacza bardzo niskie koszty produkcji, co w połączeniu z elastycznością ogniwa pozwoli na pokrywanie nimi np. dachów budynków.
DIAMENTY W KOLANIE
Nowoczesne nanomateriały i kompozyty znalazły też liczne zastosowania w medycynie. Prezydent George W. Bush odwiedził niedawno ośrodek rehabilitacyjny dla amerykańskich weteranów. Wielu z nich to ofiary irackich i afgańskich min. Przed prezydentem paradowali na sztucznych śródstopiach z kompozytów węglowych i lśniących tytanowo- karbonowych łydkach. Wytrzymałość tych materiałów jest tak ogromna, że wielu żołnierzy ma szansę na odzyskanie samodzielności. W jakim stopniu? Wystarczy przypomnieć sobie wyczyn Toma Whittakera z Wielkiej Brytanii, który, idąc na wytrzymałej protezie nogi, zdobył w 1998 roku Mount Everest.
Bardziej kłopotliwe są endoprotezy, czyli części zamienne wszczepiane do środka organizmu. Jednymi z najczęściej stosowanych są sztuczne stawy biodrowe i kolanowe. Pierwsze próby zastosowania takich protez podjęto ponad 100 lat temu, ale mimo użycia najszlachetniejszych materiałów epoki – srebra, platyny i kości słoniowej (!) – rezultaty były bardzo słabe. Ta dziedzina medycyny ruszyła z kopyta dopiero w latach 60. XX w., gdy naukowcy sięgnęli po polietylen, cement akrylowy, a z czasem po kompozyty ceramiczne, wielowarstwowe polimery i napylane tytanowe warstwy. Najnowszym pomysłem, który na razie nie wyszedł poza laboratorium, jest powlekanie czoła pracującego elementu stawu albo powierzchni sztucznej zastawki serca tzw. filmem diamentowo-lodowym. Kryształy wodnego lodu wbudowane między diamenty powleczone warstewką kationów sodu nie rozpuszczą się nawet w temperaturze 42 st. C. Za to zabezpieczą skutecznie protezę przed ścieraniem i nadmiernym „zarastaniem” ludzkimi białkami.
NAUKA KONTRA POLITYKA
W kolejnej z „gorących” dziedzin możemy się pochwalić własnym wkładem. „Polscy naukowcy mają niesłychane osiągnięcia w dziedzinie optoelektroniki” – mówi prof. Krzysztof Kurzydłowski z Politechniki Warszawskiej, podsekretarz stanu w Ministerstwie Nauki i Szkolnictwa Wyższego, autor ponad 200 publikacji naukowych dotyczących nowoczesnych materiałów. Kilka lat temu głośno było o skonstruowaniu przez polskich naukowców z Instytutu Wysokich Ciśnień UniPress pierwszego na świecie półprzewodnikowego niebieskiego lasera. Jego sercem jest wielowarstwowa „nanokanapka” zawierająca kryształ azotku galu. Niejako przy okazji programu budowy lasera w warszawskim Instytucie Techniki Materiałów Elektronicznych powstały również rewelacyjne detektory światła niebieskiego i ultrafioletu. Znajdą zapewne zastosowanie militarne, ale również przemysłowe – mogą pomóc m.in. w śledzeniu na żywo procesu spalania paliwa w elektrowni i jego ustawieniu tak, by przebiegał jak najbardziej ekonomicznie.
„Współczesna inżynieria materiałowa idzie jak burza. Jest tak skuteczna, że rozprawia się z wszelkimi stawianymi przed nią problemami” – uważa prof. Kurzydłowski. Ten optymizm studzą jednak dotychczasowe wyniki prac nad technologiami wodorowymi. Chodzi o opracowanie takich metod otrzymywania, składowania i wykorzystywania tego gazu, by był on prawdziwym konkurentem dla ropy naftowej. Jednak to nie tylko kwestia techniczna. „To problem czysto i wyłącznie polityczny” – pisał niedawno na łamach „Dziennika” prof. Łukasz Turski, fizyk z Polskiej Akademii Nauk. A na twarde głowy polityków – uparcie broniących interesów producentów ropy czy węgla – technologia materiałowa na razie jeszcze sposobu nie znalazła.
MATERIAŁOWY ZAWRÓT GŁOWY,
czyli najnowsze osiągnięcia laboratoriów z całego świata
TĘCZA W PUŁAPCE
Użycie materiałów optycznych o ujemnym współczynniku załamania światła umożliwiło naukowcom opracowanie technologii spowalniania biegu jego promieni. Zdaniem naukowców z University of Surrey technika nazwana „tęczą w pułapce” umożliwi np. sterowanie ruchem pakietów informacji w Internecie, tak by jak najrzadziej zdarzały się w niej „korki uliczne”.Czytaj więcej
INTELIGENTNY MASZT
Żeglarze mają do dyspozycji coraz więcej nowych technologii. Obok rewelacyjnych laminatów i ogniw słonecznych naukowcy ostatnio zaprojektowali dla nich inteligentny maszt! Konstrukcja brytyjskiej firmy Smart Fibres, złożona z kompozytów nafaszerowanych włóknami światłowodowymi, jest w stanie „wyczuć” mogące grozić katastrofą naprężenia i dostarcza ich obraz na mostek kapitański w czasie rzeczywistym.
Czytaj więcej
NA CO KOMU BATERIE?
Amerykanie z firmy Nanotron Technologies pokazali niedawno urządzenie, umożliwiające przesyłanie danych i głosu bez żadnego zasilania! Jest to możliwe dzięki wyrafinowanemu piezoelektrycznemu „żagielkowi”, który zbiera drgania otoczenia i zamienia je na prąd elektryczny niezbędny do działania radyjka. Tego typu urządzenia znajdą zastosowanie w trudno dostępnych miejscach, z których trzeba ciągle odczytywać dane – np. na przęsłach mostów.
Czytaj więcej
PIASKOWE CIEPŁO
Aerożel składający się w 96 proc. z powietrza skonstruowali naukowcy z University of California w Berkeley. Pozostałe 4 proc. materiału to matryca z dwutlenku krzemu, czyli zwykłego piasku. Ten jeden z najlżejszych materiałów wyprodukowanych kiedykolwiek przez człowieka może w przyszłości posłużyć jako izolator w lodówkach, kuchenkach, samolotach oraz jako podłoże dla reakcji elektrochemicznych.
Czytaj więcej
LASER W WERSJI NANO
Jedne z najmniejszych na świecie laserów stworzyli naukowcy z Lawrence Berkeley National Laboratory. Urządzenia „rosną” na płytce przewodzącej niczym las stojących jedna za drugą nanorurek z tlenku cynku, mierzących ok. 100 nanometrów średnicy. Świecą błyskami światła ultrafioletowego. Mogą znaleźć zastosowanie w nowej generacji urządzeń optoelektronicznych (np. miniaturowych analizatorów chemicznych).
Czytaj więcej
NIE PĘKAJ, PILOCIE!
Zmyślny materiał kompozytowy wytworzyli niedawno Amerykanie. W strukturze materiału zamknęli mikroskopijne kapsułki zawierające czystą żywicę i utwardzacz. W razie pojawienia się pęknięcia materiału składniki wylewają się w szczelinę i zaklejają uszkodzenie bez pomocy serwisantów. Zdaniem naukowców idealnym miejscem zastosowania ich wynalazku będą skrzydła najnowszych, w pełni kompozytowych kadłubów Boeinga 787 i Airbusa A350.
Czytaj więcej
ZNIKAJĄCY WÓR
Mocny plastikowy worek rozpuszczalny w gorącej wodzie opracowali naukowcy z wytwórni tkanin technicznych Dubar-Warneton we Francji. Na co to komu? Na razie nie wiadomo, choć spekulacji nie brakuje, skoro zleceniodawcą była sama Komisja Energii Atomowej….
Czytaj więcej
DMUCHANE BUDOWLE
Naukowcy z Centrum Badawczego US Army pracują nad wypełnianymi powietrzem materiałami konstrukcyjnymi, z których stawiać się będzie w błyskawicznym tempie wytrzymałe wojskowe hangary. Największe belki mają 25 m długości. Cały nienadmuchany hangar zmieści się na kilku furgonetkach.
Czytaj więcej
RADIO Z RURKI
I na koniec – rekordowo małe radyjko opracowane na zlecenie National Science Foundation, wykonane z jednej nanorurki węglowej. Z takich komponentów może powstać nowa generacja telefonów komórkowych.
Czytaj więcej
Marcin Jamkowski
Niezależny dziennikarz naukowy, fotograf, filmowiec i podróżnik. Przez wiele lat związany z „Gazetą Wyborczą” i „National Geographic Polska”.
http://www.adventurepictures.eu