Mam coraz większe wrażenie, że najciekawsze materiały przyszłości coraz częściej wyglądają jak “materiały przeszłości”. Nie świecą, kształtem nie powalają i nie mają też jakiejś futurystycznej nazwy pokroju durabetonu, a czasem wyglądają raczej jak kawałek porowatego gruzu, resztka ceramiki albo dziwny odpad po produkcji. Jednak pod taką oto mało efektowną powierzchnią potrafi kryć się pomysł, który zahacza jednocześnie o motoryzację, lotnictwo, recykling i surowce krytyczne, mogąc rozwiązać część problemów tych ogromnych sektorów.
Muszle ostryg jako składnik metalowej pianki
Badacze z Helmholtz-Zentrum Hereon opracowali piankę magnezową, która powstaje z magnezu, wapnia i zmielonych muszli ostryg. W tym przepisie najbardziej zaskakują oczywiście ostrygi, ale nie są ot dodatkiem w imię recyklingu czy mariażu technologii z przyrodą “bo tak”. Zamiast tego proszek z muszli pełni rolę środka spieniającego, czyli składnika, który pomaga stworzyć w metalu sieć porów. Jest on na tyle ważny, że ponoć oto właśnie po raz pierwszy udało się uzyskać taki magnezowy materiał wyłącznie z naturalnych surowców morskich i to bez toksycznych dodatków w procesie spieniania.
Czytaj też: Pijesz sobie z butelki, a ta żyje sobie w najlepsze i czeka na znak. Czy to właśnie plastik przyszłości?
Czy więc muszle ostryg mają jakąś tajemnicę, którą właśnie ludzkość odkryła? Wcale nie. Po prostu składają się głównie z węglanu wapnia, czyli związku dobrze znanego z wapienia. W efekcie po dodaniu sproszkowanych muszli do stopu magnezowo-wapniowego i podgrzaniu całości dochodzi do reakcji, w której powstaje gaz. Ten z kolei tworzy pęcherzyki w gęstniejącym metalu, a po jego ochłodzeniu zostaje właśnie porowata struktura. Innymi słowy, coś, co wygląda jak ciężki, zwarty materiał, w środku jest pełne zamkniętych komórek.
Nie oznacza to oczywiście, że oto właśnie naukowcy zrobili metal z muszli. Metal nadal jest metalem, a muszle w tym dziele nie zastępują magnezu. Są narzędziem do kontrolowania struktury, co akurat stanowi tutaj zasadniczą różnicę, bo w całym skomplikowanym materiałoznawstwie sama receptura rzadko jest najważniejsza. Liczy się to, jak skład, temperatura, mieszanie, chłodzenie i późniejsza mikrostruktura przekładają się na zachowanie pod obciążeniem.
Dlaczego taka pianka metalowa ma sens w samochodzie?
W badaniu średnia gęstość uzyskanej pianki wyniosła około 0,48 g/cm3, czyli około 480 kg/m3. Dla porównania czysty magnez ma około 1740 kg/m3. Różnica jest więc ogromna, bo porowata budowa mocno obniża masę materiału. Same próby ściskania pokazały też zależność między gęstością a wytrzymałością, bo próbka o gęstości 0,37 g/cm3 osiągała wytrzymałość na ściskanie około 3 MPa, a próbka o gęstości 0,59 g/cm3 już około 6,8 MPa.
Czytaj też: Ceny miedzi wreszcie spadną? Opracowali unikalny materiał na ich zastąpienie
Pianki metalowe są więc ciekawe dlatego, że ich dziury mogą pracować na korzyść konstrukcji. Porowata struktura pozwala bowiem pochłaniać energię, tłumić uderzenia, redukować drgania i obniżać masę względem tradycyjnego kawału metalu. W samochodzie można więc takie pianki zastosować w strefach zgniotu, elementach chroniących pasażerów i po prostu wszędzie tam, gdzie konstrukcja ma nie tyle przetrwać zupełnie nietknięta, ile kontrolowanie się odkształcić. W odzieży ochronnej podobny materiał może zapewnić lżejsze elementy ochronne, kamizelki albo wkłady tłumiące uderzenia.
Oczywiście nie oznacza to wszystko, że z takiej oto imponującej pianki zbudujemy nośną ramę samochodu albo kadłub samolotu. Nie o to tu chodzi. Taki materiał ma większy sens jako element pochłaniający energię, wypełniający, tłumiący albo wspierający konstrukcję tam, gdzie masa i zachowanie przy zgniataniu są ważniejsze od klasycznej sztywności litego metalu. Wszystko to przy wykorzystaniu odpadu przemysłu spożywczego, bo muszli ostryg, które nie tak dawno opisywałem przy okazji betonu inspirowanego chemią ostryg.
Na tym wyjątkowość tej metalowej pianki się nie kończy, ale…
Co ciekawe, po zużyciu taka pianka mogłaby rozpuścić się w wodzie morskiej. Przeprowadzone przez badaczy testy w sztucznej wodzie morskiej oraz analizy chemiczne nie wykazały problemu z uwalnianiem toksykologicznie istotnych metali z zanieczyszczeń surowców. Jednak w prawdziwym zamkniętym obiegu taki materiał byłby raczej przetopiony i wykorzystany ponownie jako stop magnezu. Zresztą recykling zaawansowanych materiałów wcale nie jest tematem prostym. Widać to przy żywicach epoksydowych możliwych do wielokrotnego przetwarzania, gdzie problemem nie jest tylko stworzenie świetnego materiału, ale także jego powrót do obiegu po latach pracy w łopacie turbiny, skrzydle samolotu czy elemencie konstrukcyjnym.
Czytaj też: Chińczycy wzięli materiał z Księżyca i rzucili go na pustynię. Efekty mają powalić świat
Gdzie więc leży problem z rozpowszechnieniem takiej pianki? Ano tam, gdzie zawsze, kiedy tylko słyszymy o obiecującym materiale przyszłości – skali produkcji. Aktualnie nie wiemy nic na temat potencjalnego wprowadzenia jej do masowej produkcji, a nawet dostaliśmy informację, że jej produkcja może być wyzwaniem. Okazało się bowiem, struktura pianki po produkcji nie jest idealnie jednakowa w całej objętości. Górna część miała niższą gęstość i większą porowatość, dolna była gęstsza, z mniejszymi porami i grubszymi ściankami komórek. Z punktu widzenia zastosowań przemysłowych oznacza to opracowanie znacznie lepszej kontroli spieniania, ale tutaj naukowcy zapowiedzieli już dalsze próby z innymi systemami stopów oraz z dodatkiem recyklingowanych włókien węglowych, które mają stabilizować stop i pozwolić lepiej panować nad porami. Innymi słowy, są szanse, że to nie jest ostatni raz, kiedy słyszymy o metalowej piance z ostrygami w tle.
Źródła: Helmholtz-Zentrum Hereon, Springer Link
