Nowe materiały na horyzoncie

Materiały przyszłości. Cztery związki, o których będzie głośno

Kilka lat temu termin „materiały przyszłości” był jak wytrych, otwierający szeroko drzwi wyobraźni. Dzisiaj naukowcy tworzą je w warunkach laboratoryjnych praktycznie na każdym kroku – oto kilka przykładów, które warto znać.

Geneza terminu „materiał przyszłości” nie jest prosta. Przecież każde pokolenie zna takie substancje/tworzywa/związki, które w ich mniemaniu są traktowane jak „materiał przyszłości”. Tak przecież kiedyś było z kevlarem, tak jeszcze niedawno mówiono o grafenie. Inżynierowie materiałowi nie próżnują i stale próbują tworzyć związki lepsze od tych, które znamy. Wszystko po to, by żyło nam się lepiej.

Czytaj też: Sztuczna inteligencja przewidzi syntezę nowych materiałów

Jakie materiały mogą zdominować kolejne dekady? Trudno wskazać murowanego faworyta, bo dzięki zastosowaniu sztucznej inteligencji, tempo projektowania nowych materiałów jest większe niż kiedykolwiek wcześniej. Na pewno znamy substancje, które będą dopracowywane w kolejnych latach – oto kilka przykładów.

Aerożele

Aerożele wcale nie są nowymi materiałami. Po raz pierwszy otrzymał je Samuel Stephens w 1931 r., jednak przez długi czas nie było żadnego praktycznego ich zastosowana. A to dziwne, bo aerożele są uważane za najlżejsze materiały stałe na świecie. Mają postać sztywnej piany o małej gęstości: od 1,9-150 mg/cm3, przy czym gęstość powietrza wynosi 1,2 mg/cm3. Warto wspomnieć, że balsa – najlżejsze drewno stosowane w modelarstwie i lotnictwie – ma gęstość na poziomie 40-180 mg/cm3. Aerożele są tak lekkie, bo na ich masę składa się w większości powietrze (90-99,8%).

Aerożel

Aerożele powstają w wyniku stapiania czystej krzemionki w atmosferze nadkrytycznego dwutlenku węgla i rozdmuchiwania jej za pomocą rozpuszczalników organicznych przy jednoczesnym zmniejszaniu ciśnienia. Aerożele mają obecnie aż 15 wpisów w Księdze Rekordów Guinnessa dotyczących ich właściwości. Czasami nazywa się je „zamrożonym dymem”, mają doskonałe właściwości izolacyjne – są materiałami o najmniejszym dla ciał stałych współczynniku przewodnictwa ciepła. Mimo pozornej delikatności, wiele aerożeli ma dobre właściwości mechaniczne (odporność na ściskanie i rozciąganie).

Czytaj też: Opracowano najwydajniejszy termoelektryczny materiał. Przekształca niepotrzebne ciepło w energię

Aerożele wydają się być idealne do budowy statków kosmicznych, a także jako warstwa izolacyjna w skafandrach astronautów. Coraz częściej stosuje się je jako termoizolację w samolotach oraz jako katalizatory niektórych reakcji chemicznych. Wciąż jednak są drogie, więc wszystko co najlepsze związane z aerożelami, dopiero przed nami.

Nanorurki węglowe

Nanorurki węglowe (CNT) to tak naprawdę cylindryczne struktury grafenu. Mogą być jednościenne, o średnicy poniżej 1 nanometra, lub wielościenne, o średnicy sięgającej nawet 100 nm. Długość nanorurek węglowych jest różna i może nawet sięgać kilku milimetrów.

Nanorurki węglowe mają wiele wspólnego z grafenem (co oczywiste). Są połączone ze sobą wiązaniami sp2 (silniejszymi niż w diamencie) i siłami van der Waalsa. Cechuje je wysoka wytrzymałość i niska masa (jak aerożele), a przy tym dobre właściwości elektryczne i termiczne. Są nawet 300 bardziej wytrzymałe od stali. Nanorurki węglowe wydają się być idealne do zastosowania w elektronice, a niektórzy naukowcy spekulują, że dzięki nim udałoby się stworzyć kosmiczną windę.

Czytaj też: Naukowcom z Berkeley udało się ustabilizować pole magnetyczne grafenowych nanowstążek

Obecnie nanorurki węglowe stosuje się głównie jako dodatek do materiałów syntetycznych. Są szeroko dostępne w postaci proszku, choć mogą być także przędzone we włókna, co oznacza, że pewnego dnia mogą zrewolucjonizować branżę tekstylną. Ubrania, które się nie niszczą? Brzmi pięknie, ale kto wtedy by zarabiał?

Metamateriały

Mianem metamateriałów określamy materiały, których właściwości zależą od ich struktury w skali większej niż cząsteczkowa. Często tym terminem określa się materiały o własnościach nie występujących w przyrodzie, np. materiały lewoskrętne. Są testowane w optyce, np. do budowy mikrofalowych peleryn niewidzialności, do produkcji anten, supersoczewek i tworzenia hologramów.

Pierwsze metamateriały były niepraktyczne z powodu dużego rozpraszania i wpływu na wąski zakres częstotliwości. W 2004 r. pokazano pierwsze supersoczewki dla mikrofal, zbudowane z materiałów o ujemnym współczynniku załamania, a w 2005 r. uzyskano analogiczne materiały dla światła widzialnego. Prawdziwy przełom nastąpił w 2006 r., kiedy to opisano, jak za pomocy metamateriałów da się stworzyć optyczną niewidzialność. W 2009 r. zaprezentowano strukturę, która pozwala na ukrycie obiektu przed szerokim zakresem częstotliwości.

Czytaj też: Inżynierowie z MIT wydrukowali metamateriały wykrywające nacisk

Przezroczyste aluminium

Przezroczyste aluminium to materiał rodem ze „Star Treka”. Mało kto o tym wie, ale istnieje on naprawdę, choć nazywa się tleonazotkiem glinu (sprzedawany przez Surmet Corporation pod nazwą handlową ALON). Materiał ten składa się z aluminium, tlenu oraz azotu – jest optycznie przezroczysty w obszarach bliskiego ultrafioletu, środkowej podczerwieni i światła widzialnego.

Struktura ALON

ALON jest nawet czterokrotnie twardszy od szkła krzemionkowego, o 85% twardszy od szafiru i prawie 115% twardszy od spinelu, czyli tlenku magnezu i glinu (MgAl2O4). ALON jest najtwardszą polikrystaliczną przezroczystą ceramiką dostępną komercyjnie. Materiał ten jest kandydatem do tworzenia przezroczystych pancerzy, kamizelek kuloodpornych i odpornych na wybuchy okien, głównie dla wojska.

ALON często nazywa się potocznie „przezroczystym aluminium” po jednej z odsłon serii „Star Trek”. Pancerz ALON o grubości 41 mm jest w stanie zatrzymać pociski .50 BMG, które mogą przebić tradycyjne szkło przeciwpancerne o grubości 94 mm.