Rozważając wdrażanie nowych technologii do zastosowań praktycznych powinniśmy uwzględniać trwałość stosowanych rozwiązań, gdyż jednym z elementów sprzyjających ochronie środowiska naturalnego i zmniejszających zapotrzebowanie na produkcję jest wydłużenie czasu życia produktów. Dodatkowo, dobierając wytrzymałe materiały bardzo twarde lub bardzo elastyczne, jesteśmy w stanie zmniejszyć ich zużycie bez konieczności dokonywania okresowych serwisów lub wymian.
Bardzo dobrym przykładem branży, w której toczy się nieustanny wyścig o nowe rozwiązania jest włókiennictwo. Oprócz zastosowań do produkcji odzieży użytku codziennego, intensywnie rozwijane są włókna o rekordowej odporności na ścieranie, zginanie i łamanie, które znajdują zastosowania w sporcie, wojsku, policji i innych przeznaczeniach o charakterze specjalnym. Testowane są przede wszystkim rozwiązania wykorzystujące nanotechnologię, z grafenem na czele, oraz powstające na bazie aerożelu – wyjątkowego materiału, z którego można tworzyć niezwykle lekkie kamizelki kuloodporne, pancerze do zbiorników i trwałe materiały budowlane. Teoretyczna wytrzymałość popularnego nanomateriału – grafenu jest z kolei na tyle duża, że struktura o grubości pojedynczego atomu jest w stanie wytrzymać bez pęknięcia punktowy nacisk przekraczający tonę. Poza tym, grafen charakteryzuje się znakomitym przewodzeniem energii elektrycznej. Z kolei aerożel składa się w 90-95 proc. z… powietrza. Pozostałą zęść stanowi materiał nanoporowaty uzyskiwany przez usunięcie części płynnej z żelu krzemionkowego. Jest on znakomitym izolatorem termicznym i akustycznym, całkowicie niepalnym i odpornym na agresywne związki chemiczne. Te rozwiązania mają jedną wadę – są bardzo drogie i przez to stosowane zasadniczo wtedy, gdy nie ma dla nich alternatywy lub gdy koszty nie grają roli.
Znakomite materiały projektuje też natura. Nić pajęcza jest pięć razy wytrzymalsza od stali o tej samej grubości. Do tego jest bardzo elastyczna i potrafi się rozciągnąć o 40 proc. nie pękając. Pojedyncza nić składa się z tysięcy nanodrutów o średnicy zaledwie 20-milionowych części milimetra. To sprawia, że jest tak wytrzymała, będąc jednocześnie wodoodporną i niejadalną dla dowolnych organizmów. Gdyby porównać wytrzymałość nici pajęczej do popularnego makaronu spaghetti, to pojedyncza nitka utrzymałaby zawieszony na niej ciężar 1360 kg. Z kolei jeden z gatunków ślimaka morskiego dysponuje zębami wytrzymalszymi od skał podwodnych, na których żeruje. Stąd naukowcy tak chętnie podpatrują przyrodę, kopiując najciekawsze rozwiązania i popularyzując je.
Niewiele osób wie, że drewno potrafi mieć wytrzymałość dorównującą stali. Tak zwana brzoza koreańska Schmidt może zastąpić stal i żeliwo jako materiał konstrukcyjny. Do czasu upowszechnienia stali, była bardzo popularnym materiałem na Półwyspie Koreańskim. Gdyby wykonać z tego drewna kadłub statku, byłby on całkowicie odporny na korozję, gnicie i kwasy. Nie wymagałby także kosztownego malowania i okresowych remontów. Niestety – drewno to ma dużą masę właściwą, przez co zanurzone w wodzie tonie. Co ciekawe, brzoza koreańska jest też odporna na ostrzał z broni strzeleckiej i uderzenia topora. Próby jej cięcia nożem należy traktować jako z góry bezcelowe. W przeszłości prowadzono próby jej zastosowania w charakterze łożysk ślizgowych w maszynach wirujących i spisywała się w tej roli co najmniej dobrze. Do grona najtwardszych metali należy chrom. Ma on również bardzo wysoką odporność na korozję i wysoką temperaturę. Jest powszechnie stosowany w przemyśle przy wytapianiu stali chromowej, do tworzenia powłok antykorozyjnych i ochronnych. Są w niego bogate meteoryty spadające na Ziemię. Naukowcy z Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) i Oak Ridge National Laboratory, badając eksperymentalny stop metaliczny chromu, kobaltu i niklu (CrCoNi), odkryli jego niesamowite właściwości. Zwykle materiały bardzo twarde są jednocześnie kruche, a elastyczne nie są szczególnie wytrzymałe mechanicznie. W tym przypadku osiągnięto obydwie cechy. Co więcej – wraz ze spadkiem temperatury – jego twardość rośnie, ale kruchość nie. W temperaturze 20 stopni Kelwina jest pięć razy wytrzymalszy od najlepszych stali, co predysponuje go do zastosowań kosmicznych.
Droga z laboratorium do zastosowań praktycznych jest w metalurgii bardzo długa. Zanim nowy materiał zostanie dobrze poznany, a technologia jego produkcji stanie się powtarzalna i wystarczająco prosta, mija czasem kilkanaście, a nawet kilkadziesiąt lat. Inżynieria materiałowa rozwija się bardzo dynamicznie, w czym pomaga możliwość wykonywania bardzo złożonych symulacji komputerowych oraz obserwacji zachowania projektowanych materiałów pod bardzo silnymi mikroskopami.
Krzysztof Hajdrowski
