WRÓĆ DO STRONY
GŁÓWNEJ
Nauka

Lepsze niż grafen, czyli co nieco o materiałach przyszłości

Inżynieria rozwija się w ekstremalnym tempie. O budowlach wznoszonych dzisiaj jeszcze dekadę temu nikt nie był w stanie nawet marzyć. Ale nowe technologie wymagają innowacyjnych materiałów. Które z nich mogą zrewolucjonizować branżę budowlaną?

Idealny materiał przyszłości powinien spełniać trzy kluczowe kryteria. Musi by trwały, lekki i tani w produkcji. Wynika to z założenia, że nasze zasoby naturalne są ograniczone. Specjaliści przekonują, że aby móc rozwijać się w XXI wieku, konieczne jest użycie nowych, nie w pełni wyeksploatowanych materiałów. Ale aby tak się stało, niezbędna jest optymalizacja ich produkcji – przy jak najmniejszym nakładzie pracy.

Lepsze od krzemu

Najbardziej oczywistym i interesującym materiałem przyszłości wydaje się być grafen, czyli płaska struktura złożona z atomów węgla, połączonych w sześciokąty. Materiał ten ze względu na kształt jest porównywany do plastry miodu, a ponieważ ma jednoatomową grubość, określa się go jako strukturę dwuwymiarową.

Struktura grafenu przypomina plaster miodu

Jako półmetal, a obecnie najmocniejszy i zarazem najcieńszy materiał znany nauce, znajduje się on na krótkiej liście jako potencjalny zamiennik krzemu niezbędnego we wszystkich komputerach. Grafen jest także badany pod kątem zastosowania w ekranach dotykowych i filtrach.

Odkryty po raz pierwszy w 2004 r., grafen przez wiele lat nie był opłacalny w produkcji. Komercyjne arkusze grafenu dopiero niedawno stały się ekonomicznie rozsądne. Wynika to z udoskonalenia procesów chemicznej stabilizacji atomów węgla.

Za materiał jeszcze bardziej innowacyjny od grafenu uważa się borofen. To unikalna, płaska struktura zbudowana z klastrów liczących 36 atomów boru z charakterystycznym otworem w środku. Bor pod kątem chemicznym przypomina krzem i węgiel, gdyż tworzy borowodory – substancje analogiczne do węglowodorów i krzemowodorów.

Struktura borofenu B36

W przeciwieństwie do węgla, bor nie może utworzyć struktury podobnej do plastra miodu, gdyż ma za mało elektronów. Symulacje komputerowe wykazały jednak możliwość stworzenia układu z większej liczby atomów. Eksperymentalnie wykazano, że klastry złożone z 36 atomów boru miały niską energię wiązań elektronów w porównaniu do innych, a kształt widma sugerował heksagonalną strukturę. Przy pomocy superkomputera stwierdzono, że najbardziej stabilna jest kwazipłaska struktura z otworem w środku (struktura B36). Ta odpowiadała teoretycznym ustaleniom dla hipotetycznego borofenu.

Powietrze ochroni przed temperaturami

Duże nadzieje wiąże się także z aerożele. To cała klasa różnych rodzajów ultralekkich materiałów, które w 95-99% składają się z powietrza lub innego gazu. Chociaż mogą przywodzić na myśl piankę lub rodzaj półprzezroczystej gąbki, izolujący charakter aerożeli sprawia, że są one w stanie chronić przed ekstremalnie wysokimi temperaturami. Dzięki temu aerożele są rozpatrywane jako atrakcyjne materiały do izolacji cieplnej, a także innych zastosowań wymagających ochrony przed wysokimi temperaturami. Przykład? Materiał na kombinezony strażaków przyszłości.

Aerożel na dłoni

Z kolei metaliczne szkło, zwane technicznie metalem amorficznym, ma właściwości obiecujące w rozwoju nowych technik przewodnictwa energii. Wynika to z faktu, że w przeciwieństwie do tradycyjnych metali o strykturze krystalicznej, właściwości metalicznego szkła są – co łatwe do zgadnięcia – ściśle związane z właściwościami szkła.

Materiał ten może być użyteczny w lepszym rozkładzie energii, np. w przypadku uderzeń balistycznych jako kluczowy element zbroi wojskowych przyszłości. Oprócz tego ma również wyjątkową przewodność elektryczną, więc metaliczne szkło uważa się za głównego kandydata do modernizacji sieci energetycznych.

Sklejone na wieczność

Chociaż nie każdy musi się z tym zgadzać, e-tekstylia będą stanowić integralną część trendów stylistycznych XXI wieku. Oprócz przykładów świecących sukienek i kamizelek, które wyświetlają filmy lub komunikaty z Facebooka, są także bardziej praktyczne zastosowania e-tekstyliów. Chodzi głównie o gromadzenie danych biometrycznych za pomocą odzieży lub samoobrony poprzez aktywację oślepiającego zestawu świateł.

Przezroczyste aluminum to materiał jak rodem wyjęty z filmu science fiction. Istnieje jednak naprawdę i jest podobno trzy razy mocniejszy od stali. Jest to materiał trudny do wytworzenia, więc jego zastosowanie jest melodią przyszłości, ale istnieją plany budowy ultracienkich szyb odpornych na uderzenia pocisków, nawet z bliskiej odległości.

Jeszcze bardziej niesamowity wydaje się pomysł naukowców z University of Oxford, który pracują nad molekularnym klejem. Rozwiązanie zainspirowane szczepem bakterii Streptococcus pyogenes, może przydać się w wielu dziedzinach życia. Naukowcy opracowali klej, który tworzy wiązania kowalencyjne w kontakcie z białkiem. Są one niewiarygodnie silne. Dowodem na to będzie fakt, że urządzenie pomiarowe do oceny siły wiązań zniszczyło się zanim te się rozerwały. Teraz trwają prace nad opracowaniem klejów zdolnych do selektywnego łączenia się z różnymi substancjami, nie tylko białkami.

O materiałach przyszłości można by debatować godzinami. Jest przecież jeszcze sztuczna pajęcza nić, metamateriały czy nanotuby węglowe. A to z kolei zwiastuje kolejną, niezwykłą erę inżynierii. Z możliwości supermateriałów skorzystamy wszyscy – prędzej czy później.