Gennem hele historien har materialer og fremskridt inden for materialeteknologi påvirket menneskeheden. Nu er vi måske lige på tærsklen til det næste skift i denne type teknologi, der vil muliggøre produkter og funktioner, som vi aldrig havde troet mulige.
Krav fra industrien betyder, at materialer skal være lettere, sejere, tyndere, tættere og mere fleksible eller stive, samtidig med at de er varmebestandige og slidstærke. Samtidig flytter forskere grænserne for, hvad vi forestiller os er muligt, idet de forsøger at forbedre og forstærke eksisterende materialer og samtidig finde frem til fuldstændigt nye materialer, der, samtidig med at de er år fra daglig brug, fører os ud ad nye, teknologiske veje.
Himlen er grænsen
På basis af den forskning, vi oplever i dag, er feltet anvendt materialevidenskab klar til at bevæge sig i nye, næsten sciencefiction-agtige retninger. En lurende ressourceknaphed kræver innovationer og ud-af-boksen-tænkning. På materialefronten ser det ud til, at kompositmaterialer med så ønskværdige egenskaber som lav vægt, høj styrke og stor holdbarhed sandsynligvis vil tage en større markedsandel, og flere af disse materialer vil nok være baseret på bæredygtige ressourcer, da behovet herfor bliver større. Den mest funklende juvel i den forbindelse er graphene.
Graphene er et enkelt atom tykt (1 million gange tyndere end et menneskehår) men 200 gange stærkere end stål efter vægt, ekstremt fleksibel, superlet og næsten transparent med stor varme- og elektrisk ledningsevne. Det er det stof, som legender er lavet af.
Faktisk har forskere ved Nankai University i Tianjin, Kina, for nylig fundet ud af, at en graphene-svamp kan omdanne lys til energi, og dermed bringer mennesket et trin nærmere på et brændstofrit rumfartøj, et der drives af solens lys.
På vej mod graphene-revolutionen
Graphene blev opdaget næsten ved et tilfælde, da professors Andre Geim og Kostya Novoselov ved University of Manchester i England eksperimenterede med blyanter og tape i 2004. I 2010 vandt Geim og Novoselov Nobelprisen i fysik for deres grapheneforskning, og EU afsatte efterfølgende 1 billion euro til at finansiere graphene-flagskibet, et forskningsinitiativ der har til formål at sætte mere fart på udviklingen af kommercielle applikationer. Potentielle anvendelsesområder strækker sig fra vandrensning og energiopbevaring til husholdningsprodukter, computere og anden elektronik. I mellemtiden begrænses en udbredt industriel anvendelse af graphene, på trods af at antallet af graphene-relaterede patenter øges med tusinder, af udgifterne til at producere det - men det kan være på vej til at ændre sig. Forskere ved universitetet i Glasgow har fundet en måde til fremstilling af store ark af graphene til en pris, der er omkring 100 gange billigere end den tidligere produktionsmetode.
Syntetisk hud, der er i stand til at give sensorisk feedback til mennesker med arm-/benproteser, er en af de mange muligheder der kunne gro frem af denne udvikling. “Graphene kunne hjælpe med at lave en ultrafleksibel, ledende overflade, der kunne gøre mennesker med proteser i stand til at opnå en følesans på en måde, der er umulig for selv den mest avancerede protese i dag” siger Dr. Ravinder Dahiya, som var leder af forskningsteamet ved universitetet i Glasgow.
Er det metallernes død?
Metaller har domineret industrien og defineret hele perioder i menneskets historie. En sådan, længerevarende brug har skabt en rigdom af information og ekspertise, men videnskabsfolk og forskere fortsætter med at arbejde på at udvide grænserne for disse materialer. Nanomaterialer indtager en fremtrædende plads i denne forskning, forstærker metaller og åbner nye anvendelsesområder. Udviklinger inden for nanokompositmaterialer med metalmatrix – kompositmaterialer der delvist består af kulfiber-nanorør eller nanopartikler – kunne indvarsle en ny æra med vægtreduktion i aerospaceindustrien med øget styrke og stivhed.
Hvis den er gået i stykker, så lad den reparere sig selv
Nanokompositforskning åbner muligheden for materialer, der reparerer sig selv, meget på samme måde som menneskekroppen heler sig selv. Forskere ved Beckman Institute’s Autonomous Materials Systems Group ved universitetet i Illinois i USA arbejder på fiberkompositmateriale med selvhelende egenskaber, der omfatter integrering af helende midler, der frigives, så de blandes og polymeriserer, når der registreres en defekt.
“Materialer der heler sig selv er på vej,” siger materiale-videnskabsmand Mark Miodownik. Her og nu er det, der er teknisk muligt ikke i nærheden af at være rimeligt økonomisk set, men muligheden for at reparere noget på turen, fra flyvinger til cykelstel til bildele, der er afgørende for bilens og passagerernes sikkerhed, er på vej op i horisonten. Og det vil have en massiv indvirkning på produktudvikling, livscyklus og bæredygtighed. Forskere arbejder endog på materialer, der vil gøre det muligt for en vej at reparere sig selv i stedet for at vente på et overbelastet, underbemandet vedligeholdelsesmandskab.
Overgår naturen
I tusindvis af år har materialevidenskaben bevæget sig fremad gennem en serie af tilfældige opdagelser af materialer, der eksisterede i naturen. I dag ser forskere ud over hvad der er i den naturlige verden og kombinerer flere konventionelle materialer eller dele af materialer og fokuserer på iboende strukturer eller mønstre for at skabe egenskaber, der ikke eksisterer i naturen - eller i hvert fald ikke er blevet opdaget endnu.
En af disse udviklinger er et arrangement af kamme, der skal efterligne en hajs skind. Mikromønsteret, der benævnes Sharklet, beskytter mod husly for og overførsel af bakterier, og udvikles til brug i hospitals- og sundhedsmiljøer.
En anden materialeudvikling beskæftiger sig med usynlighed. Fysikere i adskillige lande arbejder på metamaterialer, der har potentiale til at gøre genstande usynlige ved at dække dem med et materiale, der kan bøje den elektromagnetiske stråling, som f.eks. lys, omkring en genstand, hvilket skaber den illusion, at den ikke er der.
Bæredygtighed som en central drivkraft
Materialevidenskab og udvikling af nye materialer, og forbedringen af eksisterende materialer, ser ud til at komme til at spille en afgørende rolle på områder som ressourceknaphed og bæredygtighed. Nye materialer – for eksempel lysabsorberende byggematerialer – kunne hjælpe med at modvirke global opvarmning.
Vi ser ud til at være på kanten af en ny tidsalder, en der er karakteriseret ikke kun ved digitalisering og tingenes internet, men også, og det er vigtigt, ved nye materialer – materialer der kan gøre vores fremtid lettere, sikrere og mere bæredygtig. Himlen er virkelig grænsen.
