Inżynieria materiałowa rozwija się bardzo szybko. Coraz częściej pojawiają się pomysły na innowacyjne materiały przyszłości, dzięki którym możliwe będzie tworzenie niezwykle wytrzymałych budowli, pojazdów czy urządzeń. Specjaliści pracują nad tym, aby były one trwałe, lekkie, a co najważniejsze – tanie.
Dyscyplina przyszłości, czyli inżynieria materiałowa
Inżynieria materiałowa to jedna z najbardziej dynamicznie rozwijających się dziedzin. Bardzo często nazywana jest dyscypliną przyszłości – i nie bez powodu! Nieustanny postęp w dziedzinie nowych materiałów powoduje, że tworzywa stosowane dotychczas zastępuje się znacznie bardziej innowacyjnymi. Nie chodzi jednak tylko o innowacyjność. Liczy się przede wszystkim oszczędność i ekologia.
Dyscyplina, jaką jest inżynieria materiałowa, obecnie przechodzi prawdziwy renesans. Naukowcy pracują nad stworzeniem i praktycznym zastosowaniem materiałów przyszłości w najróżniejszych gałęziach przemysłu. Prace w tym zakresie są przede wszystkim ukierunkowane na wykorzystanie nano- i biomateriałów. Niektóre z nich mogą być z powodzeniem stosowane w przestrzeni kosmicznej, z kolei inne doskonale spełnią swoje zadanie na Ziemi. Oto najciekawsze materiały przyszłości – od przemysłu spożywczego do szeroko pojętej techniki.
Materiały przyszłości i nanotechnologia – czego można się spodziewać?
Nanotechnologia to nauka, która nie została jeszcze do końca poznana i odkryta. Z tego powodu określana jest wschodzącą nauką, a jej czasy świetności dopiero się zaczynają. Ta dziedzina skupia się na tworzeniu skomplikowanych struktur na poziomie atomowym oraz odkrywaniu nowych zależności i właściwości badanych tworzyw. Mówiąc w skrócie, zadaniem nanotechnologii jest projektowanie, wytwarzanie i wykorzystywanie określonych struktur, których własności można kontrolować w skali nanometrowej. Ta stosunkowo młoda nauka już zdążyły otworzyć wiele drzwi w kwestii badań w zakresie technologii materiałowej – inżynierowie mają spore pole do popisu.
Wśród najpopularniejszych nanomateriałów znajdują się tworzywa sztuczne, których strukturę można kontrolować w taki sposób, aby uzyskać pożądane właściwości mechaniczne i wytrzymałościowe. Innymi ciekawymi przykładami są nanorurki oraz włókna sztuczne. Te pierwsze to długie, puste cząsteczki, których struktura oparta jest na węglu; włókna sztuczne charakteryzują się z kolei niezwykle dokładnie uporządkowaną budową molekularną, co wpływa na ich liczne właściwości.
Pomimo dużego potencjału wykorzystania nanomateriałów w przeróżnych dziedzinach gospodarki pojawiają się pewne zagrożenia, które skutecznie spowalniają pracę naukowców. Głównym problemem jest brak wystarczających informacji na temat wpływu materiałów nanocząsteczkowych na zdrowie. Z tego względu konieczne jest przeprowadzenie badań z tego zakresu i zachowanie należytej ostrożności w ich stosowaniu. Jeśli jednak inżynierom uda się przebrnąć przez ten etap, nanotechnologie będą mogły być wykorzystywane na szeroką skalę między innymi w przemyśle spożywczym, chemicznych, farmacji i medycynie. Ponadto, biologiczne nanomateriały znajdą zastosowanie w takich miejscach jak oczyszczalnie ścieków i wszędzie tam, gdzie konieczne będzie oczyszczenie powietrza.
Inteligentny beton, czyli materiały przyszłości w budownictwie
Od lat najnowsze zdobycze techniki wykorzystuje się do rozwiązywania różnego rodzaju problemów. Budownictwo i architektura obecnie mierzą się przede wszystkim z wysokimi kosztami, rosnącym znaczeniem ochrony środowiska oraz kwestią wytrzymałości materiałów. Już niebawem z tym wszystkim będzie można sobie poradzić – a wszystko to za sprawą inteligentnego betonu.
Beton to jeden z najchętniej wykorzystywanych obecnie materiałów. Zachęca do siebie przede wszystkim niskim kosztem i szerokim spektrum zastosowań. Trudno jednak pominąć jego wady. Trzeba przyznać, że nie jest to materiał dostatecznie odporny na działanie skrajnych temperatur. Bardzo często można się spotkać z pęknięciami bądź innymi uszkodzeniami mechanicznymi, które przysparzają wiele problemów konstruktorom. Na szczęście technologia cały czas idzie do przodu. Zamiast łatania, kucia czy nakładania nowych warstw specjaliści proponują zastosowanie inteligentnego betonu.
Samonaprawialny materiał
Inteligentny beton, nazywany także samonaprawialnym, to jeden z wielu materiałów przyszłości, które w najbliższych latach z dużym prawdopodobieństwem zdominują rynek.
Jednym z najważniejszych zadań, nad którym pracują inżynierowie materiałowi, jest opracowanie tworzywa o wystarczająco dużej twardości oraz zdolności do samoistnej odbudowy struktury. Dzięki temu liczba napraw związana z uszkodzeniem konstrukcji budowlanych zmalałaby do minimum. Proponowanym rozwiązaniem jest zastosowanie inteligentnego betonu. Na skutek procesów, które zachodziłyby wewnątrz jego struktury, dochodziłoby do tzw. samoleczenia, które nie wymagałoby interwencji człowieka oraz stosowania dodatkowych środków.
Obecna koncepcja zakłada umieszczenie specjalnego materiału wewnątrz betonu – jeszcze przed uszkodzeniem konstrukcji. W momencie, gdy dopuszczalne naprężenia zostaną przekroczone, materiał miałby się aktywować. Mogłoby to następować poprzez zastosowanie odpowiedniego ogrzewania lub wykorzystania do tego celu mikroorganizmów.
Wykorzystanie samonaprawialnego betonu z pewnością przyniosłoby wiele korzyści. Przede wszystkim tego typu materiały przyszłości pozwolą zaoszczędzić cenny czas i jeszcze cenniejsze pieniądze. To także sposób na znaczne ograniczenie powstawania śladu węglowego, który jest nieodłącznym elementem produkcji i transportu materiałów budowlanych.
Grafen – materiał przyszłości czy plaster miodu?
Grafen to jedna z odmian alotropowych węgla. Charakteryzuje się płaską strukturą, która przez specyficzne połączenie poszczególnych atomów przypomina plaster miodu. Materiał ten cieszy się dużym zainteresowaniem głównie ze względu na szereg przydatnych właściwości. W szczególności wyróżnia go względnie duża twardość, niska gęstość, a także przewodnictwo cieplne oraz elektryczne.
Przełom w badaniach nad grafenem nastąpił stosunkowo niedawno, bo w 2004 roku. Andre Geim i Konstantin Novoselov z Uniwersytetu w Manchesterze pomyślnie wyizolowali i szczegółowo scharakteryzowali ten materiał. Za swoje osiągnięcia ci dwaj panowie zostali nawet nagrodzeni nagrodą Nobla. Od tamtej pory zainteresowanie tym materiałem znacząco wzrosło. Naukowcy przede wszystkim skupili się na zastosowaniu grafenu do celów stricte komercyjnych – z tego względu konieczne było wdrożenie nowych technik produkcji.
Obecnie coraz częściej podejmuje się działania, których celem jest wdrożenie grafenu w jak największą liczbę obszarów gospodarki. Najbardziej prawdopodobne jest to, że w niedalekiej przyszłości stanie się on dużo lepszym zamiennikiem krzemu, który jest niezbędny we wszystkich komputerach. Niestety na razie dużą przeszkodą jest jego wysoka cena. Pomimo tego należy spodziewać się, że w najbliższych latach będzie można zobaczyć grafen praktycznie wszędzie. Naukowcy nie zwalniają tempa w dążeniu do swojego celu – zapewnienia trwałości oraz niskiego kosztu produkcji. Warto mieć na uwadze, że nic nie dzieje się z dnia na dzień. Jednego jednak możemy być pewni: grafen jest jednym z materiałów przyszłości, które kiedyś zdominują świat.
Aerożele ochroną przed wysokimi temperaturami
Aerożel to materiał przyszłości, którego zadaniem będzie ochrona przed wysokimi temperaturami. Jest to ultralekkie tworzywo, które w głównej mierze składa się z powietrza lub innego gazu.
Dokładniej mówiąc, aerożele są rodzajem sztywnej piany o bardzo małej gęstości, która charakteryzuje się doskonałą izolacją. Ich struktura pozwala zapobiec przedostawaniu się ciepła. W przyszłości mogłyby zostać wykorzystane jako ochrona przed wysokimi temperaturami w nieustannie ocieplającym się klimacie. Aerożele z pewnością znajdą zastosowanie wszędzie tam, gdzie konieczne będzie zastosowanie izolacyjności cieplnej oraz dodatkowej ochrony przed czynnikami zewnętrznymi.
Materiały przyszłości w kosmosie
Jedną z propozycji zastosowania aerożeli jest wykorzystanie ich do budowy statków kosmicznych, które w szczególności narażone są na działanie skrajnych temperatur. Maszyny te muszą być w stu procentach niezawodne – z tego względu naukowcy pracują nad wieloma aspektami ich budowy. Jeśli chodzi o zabezpieczenie przed wysokimi temperaturami, dobrym rozwiązaniem wydaje się być właśnie zastosowanie aerożeli.
Podobnie jak w przypadku samych statków czy rakiet aerożele mogą być również wykorzystane jako element skafandrów kosmonautów jako warstwa izolacyjna. NASA aktualnie pracuje nad dużym projektem HIAD, czyli nadmuchiwanym pojazdem powrotnym przechowywanym w pojeździe startowym. Głównym założeniem takiej konstrukcji jest możliwość bezpiecznego wylądowania na Ziemi bądź na innym ciele niebieskim posiadającym atmosferę. Jednym z ważnych elementów HIAD jest warstwa izolacyjna z aerożelu. Obecnie NASA prowadzi prace, które pozwolą wykorzystać aerożel wytworzony na bazie czystych polimerów, a nie krzemionki, która zaniża jego elastyczność.
Jeśli chodzi o inne zastosowania, to prezentowany materiał przyszłości z powodzeniem może również być stosowany w tynkach izolacyjnych dla elewacji budynków, płytach izolacyjnych dla systemów wykończeniowych, architektonicznych panelach świetlnych, różnorodnym sprzęcie, odzieży zewnętrznej i wielu innych produktach. Jak widać – możliwości jest całe mnóstwo.
