Materiały budowlane przyszłości

Twierdzenie, że w technice budowlanej wynaleziono wszystko co było do wynalezienia nie mogłoby być dalsze od prawdy. Naukowcy w swoich poszukiwaniach podstaw wielkich projektów zwrócili się w całkowicie niespodziewane miejsca – widoczne tylko w skali nano.

Podglądając perfekcję

Nauki przyrodnicze, jak sama nazwa wskazuje, wywodzą się z wnikliwego obserwowania natury. Nieuzbrojonym okiem, potem za pomocą szkieł powiększających, a w końcu za pomocą wiązki elektronów, naukowcy zaglądali coraz głębiej w konstrukcję rzeczy, starając się wyrwać tajemnicę jej budowy. Zdawało się, że po dotarciu na poziom atomowy nie znajdziemy przez dłuższy czas kolejnego wymiaru, co mogło dawać wrażenie, że postęp uległ wyhamowaniu. Ale ciekawa natura człowieka nie zna zaspokojenia i zwróciła uwagę na pojęcie związane z inżynierią nieodłącznie – strukturę.

Właśnie na styku najmniejszej skali i całościowego ułożenia materiałów trwa teraz usilna praca, usprawniająca naturę w swej przyrodzonej elegancji. Naukowcy z Uniwersytetu Technologicznego w Karlsruhe w Niemczech skupili się na konstrukcji plastra miodu, fenomenalnie regularnej struktury tworzonej w przez proste umysły pszczół. Łącząc wzór ich ułożenia z  technologią pozwalającą pracować w nanoskali stworzyli materiał o gęstości zaledwie 810 kg/m³ (dla porównania, woda przy temperaturze 0 stopni Celsjusza utrzymuje gęstość 999,87 kg/m³) i wytrzymałości rzędu 28 kg/mm². Oznacza to stosunek wytrzymałości do gęstości znacznie wyższy od aluminium, stali czy nawet kości. Właśnie strukturę tych ostatnich przywołują naukowcy, jako naturalnie występujący przykład mikroskopijnej konstrukcji opartej na szkielecie ze wspornikami. Na publikowanych w PNAS (Proceedings of the National Academy of Science) zdjęciach widzimy strukturę przypominającą więźbę dachową, z poprzecznymi, skośnymi i pionowymi belkami. Jedyna różnic? Te „belki” mają długość 10 mikrometrów, gdzie jeden mikrometr – jedna milionowa metra.

Na granicy atomu

To nie jedyne operacje na wymykającej się pojmowaniu skali. Jedno z bardziej obiecujących pól dla polskiej nauki – prace na mikrostrukturami węgla, może przynieść niezwykłe plony dla otaczającego nas świata. Najbardziej znany jest oczywiście grafen, płaska struktura z sześcianów węgla, mająca jeden atom grubości, również przypominająca plaster miodu. Dalsze wykorzystywanie tych struktur jest obecnie najbardziej obiecującym polem nanotechnologii użytkowej, a opiera się między innymi na konstrukcjach nanorurek węglowych. Ciasno zwinięty grafen pozwala stworzyć „nitki” o przekroju zaledwie nanometra i miliony razy większej długości. Otwiera to całą konstelacje możliwości, choćby stworzenia za pomocą polimeryzacji fulerytu ADNR (zagregowanego nanoprętu diamentowego). Taki materiał jest twardszy od diamentu, przewyższając jego współczynnik sprężystości objętościowej o 49 GPa (Giga pascali), jednocześnie będąc gęstszym i mniej kruchym. Na razie jego wyrób jest niezwykle kosztowny, ale prace nad praktycznym zastosowaniem tej technologii nie będą ustawać.

Przez pracę do gwiazd

Cechami wspólnymi obu tych materiałów jest skupienie się na konstrukcji na małej skali, co przenosi się na właściwości w skali makro. W efekcie mamy do czynienia z nową generacją materiałów, odpornych, wytrzymałych i ultralekkich. Ich opracowanie może oznaczać nie tylko nowe materiały budowlane, ale także oszczędność w konstrukcjach samochodów, samolotów, a w perspektywie także pojazdy kosmiczne, których podróż przez gwiazdy będzie szybsza, efektywniejsza i bezpieczniejsza.