Materiały i rozwój technologii materiałowych zawsze wywierały wpływ na historię ludzkości. Być może obecnie jesteśmy na progu kolejnego przełomu technologicznego, który umożliwi powstanie produktów o właściwościach, jakie dotąd wydawały się nieprawdopodobne.
Przemysł potrzebuje materiałów lżejszych, wytrzymalszych, cieńszych, gęstszych, bardziej elastycznych lub sztywniejszych, a także odpornych na wysokie temperatury i zużycie. Jednocześnie naukowcy przesuwają granice możliwości, doskonaląc istniejące materiały i opracowując nowe. Te ostatnie wytyczają nowe ścieżki rozwoju technologicznego, choć miną lata, zanim znajdą się w powszechnym użyciu.
Bez ograniczeń
Na podstawie prowadzonych obecnie badań widać, że stosowana inżynieria materiałowa rozwija się w kierunku, któremu blisko do science-fiction. Coraz większy niedostatek zasobów będzie wymagać innowacyjnego i niestandardowego myślenia. Jeśli chodzi o materiały, to coraz większy udział w rynku będą mieć kompozyty charakteryzujące się tak pożądanymi cechami jak mała masa, duża wytrzymałość i trwałość. Coraz więcej materiałów będzie też bazować na odnawialnych źródłach energii, zgodnie z rosnącym zapotrzebowaniem w tym zakresie. Na tym polu największe nadzieje budzi grafen.
Grafen to materiał o grubości pojedynczego atomu. Jest milion razy cieńszy od ludzkiego włosa, ale 200 razy wytrzymalszy od stali pod względem masy, bardzo elastyczny, ultralekki i niemal przezroczysty. Ma też dużą przewodność cieplną i elektryczną. To materiał-legenda.
Naukowcy z Uniwersytetu Nankai w Tianjinie (Chiny) odkryli niedawno, że grafenowa gąbka przekształca światło na energię. To odkrycie zbliża ludzkość o kolejny krok do bezpaliwowych statków kosmicznych, zasilanych światłem słonecznym.
W stronę grafenowej rewolucji
Grafen został odkryty niemal przypadkowo w 2004 roku, gdy Andre Geim i Konstantin Nowosiołow, profesorowie Uniwersytetu w Machester (Anglia), eksperymentowali z ołówkami i taśmą samoprzylepną. W 2010 Geim i Nowosiołow otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za badania nad grafenem. Unia Europejska przeznaczyła 1 miliard euro na Graphene Flagship, inicjatywę badawczą mającą na celu przyspieszenie komercyjnego wdrożenia tego materiału. Potencjalne obszary zastosowań grafenu obejmują m. in. oczyszczanie wody i przechowywanie energii, sprzęt AGD, komputery i inne urządzenia elektroniczne. Na razie, mimo że patenty dotyczące zastosowań grafenu można liczyć w tysiące, to masowe zastosowania tego materiału są ograniczone kosztami jego produkcji. To się jednak zmienia. Naukowcy z Uniwersytetu w Glasgow opracowali metodę produkcji dużych arkuszy grafenu, która jest około 100 razy tańsza od dotychczasowej.
Skóra syntetyczna dostarczająca wrażeń zmysłowych osobom z protezami kończyn to jedna z wielu możliwości związanych z tym nowym odkryciem. „Bardzo elastyczna powierzchnia grafenowa o dużej przewodności mogłaby umożliwić ludziom z protezami doświadczanie wrażeń dotykowych, czego obecnie nie zapewniają nawet najlepsze protezy” - mówi dr Ravinder Dahiya, który stał na czele zespołu badaczy z Uniwersytetu w Glasgow.
Koniec ery metali?
Dominacja metali w przemyśle zaważyła na wielu epokach ludzkiej historii. Dzięki tak długotrwałej eksploatacji metali dysponujemy bogactwem informacji i wiedzy na ich temat. Naukowcy i badacze nie ustają jednak w pracach mających na celu przekroczenie ograniczeń związanych z tymi materiałami. Nanomateriały zajmują istotne miejsce w tych badaniach. Ich zastosowanie pozwala udoskonalić metale i otwiera nowe obszary zastosowań. Możliwe, że rozwój nanokompozytów na matrycy metalowej – kompozytów zbudowanych częściowo z węglowych nanorurek lub nanocząstek – rozpocznie nową epokę w przemyśle lotniczym, zdolnym konstruować lekkie statki powietrzne o większej wytrzymałości i sztywności.
Samonaprawiające się uszkodzenia
Efektem badań w dziedzinie nanokompozytów mogą być materiały zdolne do samonaprawy, podobnie jak ludzkie ciało. Naukowcy z niezależnej grupy badawczej systemów materiałowych w Instytucie Beckmana na Uniwersytecie Illinois (USA) pracują nad kompozytami wzmacnianymi włóknami o takich właściwościach. Samonaprawa miałaby odbywać się przez absorpcję czynników uwalnianych w razie wykrycia uszkodzenia, ich wymieszanie i polimeryzację.
„Nadchodzi epoka materiałów samonaprawiających się” - twierdzi materiałoznawca Mark Miodownik. Obecne możliwości techniczne w tym zakresie nie znajdują uzasadnienia ekonomicznego, ale na horyzoncie pojawiają się szanse naprawy na miejscu skrzydła samolotu, ramy roweru czy części samochodowej odpowiedzialnej za bezpieczeństwo pasażerów. Takie odkrycie będzie miało ogromny wpływ na udoskonalanie produktów, ich żywotność i zgadnienie zrównoważonego rozwoju. Naukowcy pracują nawet nad materiałami, dzięki którym drogi będą naprawiać się samoczynnie, bez udziału wiecznie spóźnionych, przepracowanych i cierpiących na braki kadrowe techników.
Lepsi od Natury
Od tysięcy lat inżynieria materiałowa rozwijała się dzięki przypadkowym odkryciom materiałów naturalnych. Dziś naukowcy wykraczają poza prawa natury i łączą ze sobą różne materiały lub ich części, skupiając się na ich wewnętrznej strukturze lub wzorze, aby tworzyć materiały o właściwościach nieistniejących w naturze, a przynajmniej przez nikogo dotąd nieodkrytych.
Jednym z takich odkryć jest użebrowanie wzorowane na budowie skóry rekina. Ten mikrowzór o nazwie Sharklet zabezpiecza przed gromadzeniem się i przenoszeniem bakterii. Docelowo będzie wykorzystywany w szpitalach i placówkach ochrony zdrowia.
Inne nowe materiały działają jak czapka-niewidka. Lekarze z różnych krajów pracują nad metamateriałami, z którymi wiążą się nadzieje na niewidzialność. Po przykryciu przedmiotu materiałem, który ugina fale elektromagnetyczne np. światło, powstaje złudzenie, że tego przedmiotu nie ma.
Priorytet: zrównoważenie
Inżynieria materiałowa i rozwój nowych materiałów oraz ulepszanie istniejących mogą mieć duże znaczenie w związku z niedostatkiem zasobów i zrównoważonym rozwojem. Nowe materiały – np. materiały budowlane pochłaniające światło – mogą być pomocne w walce z globalnym ociepleniem.
Stoimy na progu nowej epoki, którą wyróżnia nie tylko internet rzeczy, ale – co ważniejsze – nowe materiały, dzięki którym w przyszłości będziemy żyć prościej, bezpieczniej i w sposób bardziej zrównoważony. Bez ograniczeń.
