Rewolucja materiałowa nie wyszła jeszcze z laboratoriów
Bo czymże innym jak nie wspomnieniem obejrzanych filmów czy przeczytanych książek są projekty zapisu danych w krysztale a nawet w szkle? Nad szkłem jako nośnikiem pamięci specjaliści z Uniwersytetu Harvarda pracowali już w 1996 r.
Polegać to miało na tworzeniu w nim defektów za pomocą silnej wiązki laserowej, co sprzyjało zmianie współczynnika refrakcji względem otoczenia. Odczyt oznaczał pomiary efektów świetlnych. Rynkowe rozwiązanie tego typu, oparte na szkle krzemianowym, obiecuje w 2015 r. japońska firma Hitachi.
Główna przewaga tej techniki zapisu nad pamięciami magnetycznymi i masowymi polega na jej trwałości. Jak podał w jednym z październikowych wydań magazyn „New Scientist”, naukowcy z brytyjskiego Uniwersytetu Southampton pracują nad czymś znacznie dalej idącym – zapisem w „pięciu wymiarach” (1).
Brzmi sensacyjnie, ale w rzeczywistości polegać by to miało na wykorzystaniu, oprócz trzech wymiarów przestrzennych, również zmiennej intensywności i polaryzacji wiązki laserowej. Głównym wyzwaniem jest przyspieszenie procesu zapisu z kb/s na Mb/s.
Pojemność takiej pamięci ośmiokrotnie przekraczałaby wspomniane rozwiązanie proponowane przez Hitachi i oznaczałaby możliwość upakowania terabajtów danych w module o rozmiarach kciuka. Zapis w takiej technologii potrafiłby wytrzymać temperatury do 1000°C, przetrwać wojnę nuklearną i zachować dane nawet 10 miliardów lat!
Owady i materiał w teorii
Żyjemy w epoce plastiku. To oznacza także, że nie potrafimy się go pozbyć, bo zwykle nie jest szybko biodegradowalny. Po Pacyfiku pływają całe „kontynenty” plastikowych, zbitych w masę, odpadów. Szacuje się, że rozkładające się tworzywa, pochodzące głównie z naturalnej celulozy, stanowią wciąż nie więcej niż 1 procent rynku materiałów plastikowych.
Być może jednak jest szansa na większe spopularyzowanie biologicznie nietrwałych materiałów sztucznych. Naukowcy wzięli bowiem pod lupę chitynę – wytrzymały składnik pancerzy owadów. W Wyss Institute na Uniwersytecie Harvarda wymyślono materiał będący kombinacją chityny z pancerzy krewetek i fibroiny – nierozpuszczalnego białka wchodzącego w skład nici pajęczej.
Powstał „shrilk” (2), materiał wytrzymalszy niż oba główne składniki z osobna, ponadto niepalny i elastyczny. Zużyty można wyrzucić do kompostownika, gdzie mikroby w ciągu kilku tygodni przerobią go na wartościowy nawóz. Póki co jednak produkcja „shrilku” i pokrewnego chitynowego materiału – chitosanu, jest na tyle kosztowna, że nie należy się spodziewać szybkiego wdrożenia ich na masową skalę.
Stanen (3) to materiał, po którym inżynierowie wiele sobie obiecują. Przede wszystkim ma pozwolić na bezstratny i pozbawiony efektów nagrzewania się przesył prądu elektrycznego. Nie jest to bynajmniej nadprzewodnik pracujący w temperaturach zbliżonych do zera absolutnego, bo o takich materiałach i efektach wiemy od dawna i wiemy też, że ich użycie to kosztowna i kłopotliwa zabawa.
Nazwa pochodzi od łacińskiego słowa stannum (cyna), do którego dodano końcówkę podobną do słowa „grafen”. Odkrycie stanenu miało swój początek w trwających od kilku lat badaniach nad tzw. topologicznymi izolatorami, czyli niezwykle cienkimi warstwami różnych substancji, które przewodzą prąd elektryczny na swoich zewnętrznych powierzchniach, nie zaś wewnątrz.
Gdy warstwy topologicznych izolatorów mają grubość jednego atomu, przewodnictwo elektryczności osiąga 100 procent, czyli właściwie zostaje pozbawione oporu. Drogą eksperymentów naukowcy z Uniwersytetu Stanforda doszli do wniosku, że najlepsze, jak do tej pory, właściwości tego typu ma struktura składająca się z atomów cyny i fluoru.
Stuprocentowe przewodnictwo wykazuje przy temperaturze od nieco wyższej niż pokojowa do ok. 100°C. Tego rodzaju superprzewodzące warstwy mogą znacznie zwiększyć wydajność obwodów elektronicznych, a także znacznie zmniejszyć zużycie energii.
Problem ze stanenem jest jednak taki, że w sensie materialnym… nie istnieje. Jest to bowiem coś, co jak dotąd wyłącznie opisano w pracach naukowych i co jest wprawdzie możliwe do wykonania, ale póki co tylko teoretycznie. Wciąż nie ma na świecie ani jednego kawałka stanenu.
Gąbczaste perspektywy
Dla odmiany aerożele jak najbardziej istnieją i mimo swojej delikatnej struktury są całkiem namacalne. Gdy w latach 30. XX wieku amerykański chemik Samuel Kistler po raz pierwszy wydobył z cieczy krzemionkowej „zamrożony dym”, była to głównie efektowna wizualnie ciekawostka.
Pozostała taką przez lata, gdyż trudno było znaleźć jakieś praktyczne zastosowanie dla czegoś równie delikatnego. Od niedawna jednak zaczyna się wokół aerożeli znów robić głośniej, w miarę jak powstają nowe ich odmiany. Chemicy wzmocnili je włóknami szklanymi i przez dodanie łańcuchów polimerowych sprawili, że stały się elastyczne.
W należącym do NASA Centrum Badawczym im. Johna H. Glenna w Cleveland powstał nawet aerożel w całości polimerowy, o elastyczności zbliżonej do gumy. Jednocześnie materiały te znajdują pola praktycznych zastosowań. W dziedzinie izolacji trudno znaleźć lepsze rozwiązania. 1 cm aerożelu sprawuje się tak, jak 5 cm pianki.
Sprawdzają się w konstrukcji okien i w profesjonalnych strojach sportowych. Służyć mogą również jako obudowa tabletu, co widzimy w Nexusie 7 Google’a – jest ona o połowę lżejsza niż zwykła plastikowa. Najnowszym jednak krzykiem mody w świecie tych ulotnych materiałów są „nanopianki” metaliczne.
Metoda ich wytwarzania została przypadkowo odkryta w 2005 r. w Narodowym Laboratorium w Los Alamos, w USA. Tym, co kusi w żelach metalowych, nie są właściwości izolacyjne, lecz wielka powierzchnia tych materiałów – do trzech tysięcy m2/gram.
Przy jednoczesnej wysokiej aktywności chemicznej, aerożele takie mają niewyobrażalny wprost potencjał jako np. katalizatory. Gąbki wykonane z berylu okazują się doskonałym sposobem na magazynowanie wodoru, co oczywiście od razu nasuwa pomysł na zastosowanie ich w pojazdach napędzanych wodorem.
Badacze ze szwedzkiego Uniwersytetu w Uppsali stworzyli nowy, niezwykły materiał – węglan magnezu o strukturze tak porowatej, że jeden gram tej substancji ma łączną powierzchnię ok. 800 m2. Dzieje się tak ze względu na ogromną kumulację mikroskopijnych porów o rozmiarach ok. 6 nanometrów.
Nowy materiał cechuje się niewiarygodnymi zdolnościami adsorpcji wody. Jego pojemność adsorpcyjna jest o połowę wyższa niż najbardziej spośród dotychczas znanych adsorpcyjnych materiałów. Potrafi również zatrzymać 75 procent zaadsorbowanej wody podczas znacznych zmian wilgotności otoczenia.
Materiał, który ma już swoją „handlową” nazwę – Upsalit (4) może być wykorzystywany w przemyśle farmaceutycznym i elektronice, w procesach technologicznych wymagających kontroli poziomu wilgotności. Może być stosowany jako izolacja termiczna i akustyczna, a także do magazynowania toksycznych odpadów, chemikaliów, olejów. Nadaje się również do filtrów.
Zjadacz ciepła z silników
Zadaniem skutterudytów (z grupy minerałów rzadkich) ma być żerowanie na energii cieplnej wydzielanej przez maszyny termodynamiczne, np. silniki spalinowe. Ciepło jest tam niepożądane i traktowane jako strata obniżająca ogólną sprawność maszyny.
Jego poławiacze to niewielkie struktury z atomów metali rzadkich, w przypadku silników – iterbu i ceru, uwięzione w „klatkach” z kobaltu i antymonu. Skutterudyty pozwalają elektryczności przepływać swobodnie, zatrzymują natomiast energię cieplną. Ich wydajność rośnie w miarę wzrostu temperatury.
Nad budową generatora wykorzystującego tego rodzaju materiały pracuje zespół Gregory’ego Meisnera z firmy General Motors. Badacze chcą zbudować termoelektryczny generator zdolny do przekształcenia energii cieplnej z układu wydechowego na elektryczną, która zasilałaby samochodowe światła, radio itd.
Problemem jest fakt, że do budowy skutterudytów potrzebne są rzadkie metale, a te są – jak sama nazwa wskazuje – rzadkie, czyli drogie i w dodatku występują głównie w Chinach. Dlatego Japończycy z Uniwersytetu w Osace pracują nad zastąpieniem drogich metali tańszymi – żelazem i niklem.
Jednak ich konstrukcja wymaga dodatku toksycznego talu. Zespół Meisnera z kolei bada możliwość podobnej konstrukcji opartej na żelazie z wapniem zamiast metali rzadkich. Jasne jest, że generatory termoelektryczne upowszechnią się tylko wtedy, gdy będą znacznie tańsze i bezpieczne dla środowiska.
Grafen i jego bracia
Oczywiście królem materiałowych obietnic, które mają się spełnić w przyszłości, pozostaje grafen. Wciąż pojawiają się potencjalnie nowe sposoby wykorzystania tego niezwykłego materiału. Naukowcy z Laboratorium Argonne, należącego do amerykańskiego Departamentu Energii, zastosowali pojedynczą warstwę grafenu pomiędzy stalową kulką a stalową powierzchnią obręczy, zupełnie jak to ma miejsce w dobrze znanych łożyskach.
Okazało się, że grafen radzi sobie z tarciem znacznie lepiej niż znane substancje smarujące. Fizycy z Uniwersytetu Technicznego z Monachium budują sztuczną siatkówkę oka z grafenu. Polscy uczeni z Akademii Górniczo-Hutniczej pracują nad technologią wykorzystania grafenu w przesyłowych sieciach energetycznych.
Celem projektu jest znaczne zmniejszenie strat w sieciach transportujących energię elektryczną. Jednocześnie grafenowi rośnie chemiczna konkurencja. Toczy się bowiem technologiczna batalia o inne materiały, które będą mieć podobne do grafenu „cudowne” właściwości, bez jego wad, czyli wysokiego kosztu produkcji i braku pasma wzbronionego, stanowiącego w elektronice właściwość kluczową.
Pasmo wzbronione pozwala włączać i wyłączać przepływ prądu w układach scalonych. Pozbawiony go czysty, niezmodyfikowany grafen nie nadaje się na budulec w elektronice. Zdaniem badaczy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) doskonałą alternatywą dla „materiału przyszłości” jest jednak substancja o symbolu chemicznym Ni3 (HITP)2.
Zachowuje niezwykłe cechy podobne do grafenu, a jednocześnie ma pożądane pasmo wzbronione. Innym materiałem z pasmem wzbronionym, rozwijanym przez zespoły pracujące równolegle w USA i Chinach, jest fosforen, czyli fosfor spreparowany, podobnie jak węgiel w grafenie, w postaci warstw o grubości jednego atomu.
Tak jak w grafenie siatka w fosforenie ma układ heksagonalny, lecz jest nieco bardziej pomarszczona niż grafenowa. Uczeni zapewniają, że właściwości fosforenu są identyczne jak węglowej struktury. Do otrzymywania warstw nowego materiału wykorzystali metodę odrywania warstw z powierzchni czarnego fosforu (5) za pomocą taśmy przylepnej, identyczną jak ta, która w 2004 r. doprowadziła do wytworzenia grafenu.
Nie udało im się jednak jeszcze uzyskać warstwy o grubości pojedynczego atomu. Francuscy naukowcy opracowali silicen (6) – materiał o grubości jednego atomu, oparty na krzemie. Uważa się go za tworzywo konkurencyjne wobec grafenu pod względem właściwości i zastosowań.
Przewiduje się, że znajdzie zastosowanie w konstrukcji nanokomputerów. Podobieństwo do grafenu jest oczywiste, gdyż silicen to po prostu niezwykle cienka warstwa krzemu, o grubości zaledwie jednego atomu.
Jego przewaga nad grafenem ma z kolei wynikać z tego, że przy podobnych właściwościach elektronicznych lepiej będzie pasować do opartej na krzemie elektroniki, mikroprocesorów, układów scalonych, linii produkcyjnych itd. Silicen ma jednak podobną wadę jak grafen – wysokie koszty wytwarzania. Ponadto nie jest stabilny.
Materiały programowalne
Z nowych materiałów powstają w laboratoriach prototypy nowej elektroniki. Stworzono np. mikroprocesor, który zamiast z krzemu zbudowano z grafenu. Ma on o 10 tys. lepsze parametry niż poprzednie prototypy tego rodzaju. Autorem rozwiązania jest laboratorium firmy IBM w Yorktown Heights, w USA.
Procesor IBM-a to wielostopniowy odbiornik fal w zakresie radiowym, najbardziej złożone tego typu urządzenie, jakie kiedykolwiek powstało. Nowe materiały jednak to nie tylko elektronika. Także konstrukcje w skali makro, chociaż rozwiązań problemów poszukuje się tu w najmniejszej skali.
W MIT powstały oparte na nanostrukturach metamateriały, które cechują się ogromną wytrzymałością. Według informacji wydziału mechaniczno-inżynieryjnego tej uczelni, są odporne na obciążenie nawet 160 tys. razy przekraczające ich masę. Strukturą przypominają znaną z budowy mostów i wież strukturę kratownicową.
Z tą tylko różnicą, że chodzi tym razem o konstrukcję mikroskopijnych rozmiarów, wytworzoną techniką druku 3D. Stworzona z metamateriałów nowej generacji struktura pokrywana jest warstwą metalu o grubości od 200 do 500 nanometrów. A czy możliwe są materiały konstrukcyjne nieprzenoszące drgań?
Według badaczy z Politechniki ETH w Zurichu – jak najbardziej, a wprowadzone do praktycznych zastosowań zmienią na zawsze świat mechaniki i konstrukcji. Opracowana przez nich technika tzw. materiałów programowalnych, ma zakończyć problem drgań w inżynierii.
Opisano ją w czasopiśmie „Advanced Materials”. Szwajcarscy badacze zbudowali model – kawał blachy aluminiowej o długości 1 m, szerokości 1 cm, a grubości 1 mm. Do płaskownika zamocowano cylindry, również z aluminium, służące do kontroli drgań; pomiędzy nimi znajdują się piezoelektryczne sensory, za pomocą których kontrolowane są kierunki i moc fal rozchodzących się w materiale.
Zależnie od konfiguracji piezokontrolery sprawiają, że drgania rozchodzą się równomiernie lub są absorbowane. Z kolei międzynarodowy zespół badawczy z udziałem naukowców z Japonii, Niemiec i Finlandii opracował nowy rodzaj technologii materiałowej, która przez łapanie elektronów w pułapki (trapping) zamienia płynny cement w płynny metal.
Powstaje z tego materiał odporniejszy np. na korozję niż metale i w odróżnieniu od cementu przewodzący prąd elektryczny. Naukowcy pracujący nad tym rozwiązaniem mieszali tlenki aluminium i wapnia (cement) w temperaturze ok. 2000°C.
Mieszanie i podgrzewanie odbywało się w specjalnie skonstruowanym urządzeniu „lewitacyjnym”, zapobiegającym dotykaniu ścianek i formowaniu kryształów cementu. W ten sposób masa schładza się w formie bezpostaciowego szkła metalicznego. Elektrony zostają uwięzione w materiale, co nadaje mu typowych dla metalu właściwości przewodzących.
Specjaliści z amerykańskiego Uniwersytetu Północnej Karoliny postanowili zaś wykorzystać do konstrukcji metali rozwiązania zaobserwowane w naturze, w strukturze wewnętrznej budowy kości i bambusowych pędów. Ich nowe podejście może zrewolucjonizować metalurgię.
Metale mają ziarnistą strukturę. Jak wyjaśnia profesor ze wspomnianej uczelni, Yuntian Zhu, „stosunkowo małe ziarna na powierzchni oznaczają większą twardość, ale mniejszą rozciągliwość, czyli podatność na pękanie przy obciążeniach wzdłuż metalowej konstrukcji”.
Rozwiązaniem, które pozwalałoby łączyć twardość z odpornością na rozciąganie, byłoby, jak zauważyli Zhu i jego koledzy, zastosowanie stopniowej zmiany ziarnistości w głąb metalu. Nazywają to „strukturą gradientową”.
Podobną strukturę mają np. kości. Badacze z Północnej Karoliny przetestowali tę regułę na wielu metalach, w tym na miedzi, niklu i stali nierdzewnej. Używali własnej metody produkcji takiego metalu. Ich zdaniem, osiąga się w ten sposób metale o właściwościach dotychczas poza zasięgiem metalurgii. Ponadto mają one być bardziej odporne na korozję i zużycie zmęczeniowe.
Tworzywo jak drewno, drewno jak…
Nowe technologie materiałowe wchodzą do medycyny, choćby w postaci pamiętających kształty polimerów, które nadają się np. do rekonstrukcji kości. Zespół uczonych z teksaskiego Uniwersytetu A&M pod kierownictwem dr Melissy Grunlan opracował na podstawie znanego już biodegradowalnego polikaprolaktonu (7) podobną do gąbki substancję.
Materiał zmienia kształt pod wpływem ciepła, co pozwala idealnie dopasować go do ubytku. Do wypełniacza jest dodawana substancja sprzyjająca odtwarzaniu kości. Gdy organizm odbudowuje naturalną tkankę kostną, wypełnienie znika.
Inny dostosowujący swój kształt materiał został nazwany przez swoich twórców z MIT „smorph” (8). Uważa się, że mógłby on sprawdzić się w elementach kształtujących aerodynamikę aut. Polimer zmieniałby strukturę, np. na gładszą, przy większych prędkościach, wspomagałby manewry itd.
Na pobliskim Uniwersytecie Harvarda opracowano z kolei strukturę materiałową, która pozwoli tworzyć „sztuczne drewno balsa” – materiał słynący z rekordowej sztywności przy równie rekordowej lekkości. Powstał dzięki drobiazgowo opracowanej kompozycji włókien i żywicy epoksydowej w mikrostruktury o równych układach, od siatki po plaster miodu (9).
Współczesna inżynieria jest zresztą w stanie i samo drewno zamienić w materiał o właściwościach podobnych do innych materiałów, metali lub tkanin. A właściwie nie tyle samo drewno, ile włókna celulozowe. Niemieccy specjaliści z Centrum Nauki o Drewnie Wallenberg (WWSC) stworzyli z nich nici o grubości 20 mikronów. Zdaniem uczonych, z powodzeniem mogą zastąpić nici bawełniane stosowane w ubraniach.
Cudowne, ale wciąż jeszcze nie dla nas
Wszystko to brzmi bardzo efektownie. Jak widać, nieustannie bombardowani jesteśmy informacjami o „przełomie” i „rewolucji” w technologiach materiałowych. Szkoda tylko, że to wszystko odbywa się wciąż za murami laboratoriów, ośrodków badawczych i uczelni, a cudowne materiały przyszłości okazują się zwykle jeszcze zbyt drogie, niesprawdzone i niestabilne, aby można było je w praktyce wykorzystać.
