Napříč celou historií, ovlivňovaly materiály a pokrok dosažený v oblasti materiálových technologií lidstvo. V současnosti už u tohoto typu technologií chybí jenom malý kousek k dalšímu výraznému posunu, který umožní vytvoření takových produktů a funkcí, že jsme nikdy ani nedoufali, že budou možné.
Ve svých požadavcích průmysloví výrobci chtějí, aby materiály byly lehčí, houževnatější, měly menší nebo naopak vyšší hustotu, byly pružnější nebo tužší a také, aby byly odolnější proti účinkům tepla a proti otěru. Zároveň výzkumníci posouvají hranice toho, co považujeme za možné, usilují o zdokonalení a vylepšení stávajících materiálů a současně přicházejí se zcela novými materiály, které, i když potrvá celé roky, než bude možné jejich každodenní využití, nás přivádějí ke zcela novým technologickým postupům.
Nic není nemožné
V současnosti jsme svědky toho, jak se na základě výzkumu vydává oblast aplikovaného materiálového inženýrství novými, skoro až vědeckofantastickými směry. Hrozící nedostatek zdrojů si žádá inovace a netradiční myšlení. Nad ostatními materiály vyčnívají kompozity s tak žádanými vlastnostmi, jako jsou nízká hmotnost, vysoká pevnost a vysoká odolnost, které jak se zdá, budou získávat stále větší tržní podíl, a stále více takových materiálů bude spolu s tím, jak poroste tato potřeba, pravděpodobně vznikat na základě využívání obnovitelných zdrojů. Tím vůbec nejperspektivnějším skvostem na tomto poli je grafen.
Grafen je tvořen jedinou atomovou vrstvou (je 1 milion krát tenčí než lidský vlas), ale 200 krát pevnější než ocel stejné hmotnosti, mimořádně elastický, super lehký a téměř průhledný a má vysokou tepelnou a elektrickou vodivost. Je to materiál, o kterém vznikají legendy.
Výzkumníci z Nankai University v čínském Tianjin nedávno skutečně zjistili, že grafenová houba dokáže měnit světlo na energii, což lidstvo posouvá o další krok blíže ke kosmickým lodím, které nepotřebují palivo, ale jsou poháněny slunečním světlem.
Směřujeme ke grafenové revoluci
Grafen byl objeven téměř náhodně, když v roce 2004 profesoři Andre Geim a Kostya Novoselov z University of Manchester v Anglii experimentovali s tužkami a lepící páskou. V roce 2010 získali Geim a Novoselov za svůj výzkum grafenu Nobelovu cenu za fyziku a Evropská unie se následně zavázala financovat 1 bilionem euro projekt Graphene Flagship, výzkumnou iniciativu zaměřenou na urychlení vývoje komerčních aplikací. Potenciální oblasti použití sahají od čištění vody a akumulace energie až k domácím spotřebičům, počítačům a další elektronice. Až doposud, ačkoli počet patentů související s grafenem se už počítá na tisíce, bylo širší průmyslové zavedení grafenu limitováno jeho nákladnou výrobou – ale to by se mělo brzy změnit. Výzkumníci z University of Glasgow našli způsob, jak vyrobit velké pásy grafenu s náklady zhruba 100 krát nižšími, než u předchozích metod výroby.
Jednou z mnoha příležitostí, kterou by tento výzkum mohl přinést, je syntetická kůže, která je schopna poskytovat senzorickou zpětnou vazbu lidem s protetickými náhradami končetin. “Grafen by mohl pomoci vytvořit extrémně pružný, vodivý povrch, který by umožňoval nabídnout lidem protetické náhrady končetin schopné poskytovat smyslové vnímání způsobem, jaký v současné době neumožňují, ani nejdokonalejší protetické náhrady,” říká Dr. Ravinder Dahiya, který byl vedoucím výzkumného týmu na University of Glasgow.
Zánik kovů?
Až doposud kovy v průmyslové výrobě dominovaly a charakterizovaly celá období lidských dějin. Při tak dlouhodobém využívání vzniklo obrovské množství informací a odborných znalostí, ale vědci a výzkumníci se i nadále snaží usilovně pracovat na dalším posouvání hranic těchto materiálů. Významnou úlohu v tomto výzkumu mají nanomateriály, které rozšiřují a otevírají nové oblasti použití kovů. Vývoj nanokompozitů s kovovou matricí – kompozitů, které se z části skládají z uhlíkových nanotrubic nebo nanočástic – by v leteckém průmyslu mohl započít novou epochu snižování hmotnosti, které by navíc bylo provázeno i zvýšením pevnosti a tuhosti.
Když se poškodí, nechte ho, ať se opraví sám
Nanokompozitní výzkum otevírá cestu k materiálům, které se dokáží samy opravit, způsobem, který se v mnohém podobá tomu, jak se samo hojí lidské tělo. Výzkumníci z Beckman Institute’s Autonomous Materials Systems Group na University of Illinois ve Spojených státech pracují na vláknových kompozitech se samoregeneračními vlastnostmi, které by spočívaly v integraci zacelujících látek, které jsou v okamžiku, kdy je zjištěna závada, uvolňovány, navzájem se mísí a polymerizují.
“Nástup materiálů, schopných se samy zacelit, se blíží,” říká pracovník materiálového výzkumu Mark Miodownik. V tuto chvíli, co je možné technicky, se ani zdaleka neblíží tomu, aby to bylo přijatelné ekonomicky, ale možnost opravit něco za provozu, od křídel letadla, přes rámy jízdních kol, až po automobilové díly důležité z hlediska bezpečnosti vozidla a pasažérů, už je na obzoru. A to bude mít obrovský dopad na vývoj produktů, jejich životní cyklus a trvalou udržitelnost. Výzkumníci dokonce pracují na materiálech, které by umožňovaly, že by se namísto čekání na přetížené a nedostatkem personálu trpící údržbářské čety, vozovka dokázala opravit sama.
Překonávání přírody
Po tisíce let se nauka o materiálech posouvala kupředu díky řadě náhodných objevů materiálů, které existovaly v přírodě. Současní badatelé se vydávají za hranice toho, s čím se lze setkat v přírodním prostředí, kombinují nejrůznější konvenční materiály nebo části materiálů a zaměřují se na vnitřní struktury a uspořádání, aby tak docílili vlastností, které neexistují v přírodě – a nebo přinejmenším doposud ještě nebyly objeveny.
Jeden z takových výzkumů se zabývá uspořádáním povrchových struktur, vytvořených tak, aby se podobaly žraločí kůži. Mikrostruktura pojmenovaná Sharklet chrání proti přenosu a přechovávání bakterií a je vyvíjena pro použití v nemocnicích a zdravotnických zařízeních.
Další materiálový vývoj se zaměřuje na neviditelnost. Fyzikové v několika zemích pracují na materiálech, do kterých jsou vkládány velké naděje, že mohou učinit neviditelnými objekty zahalené do těchto materiálů schopných ohnout elektromagnetické vlnění, jako např. světlo, kolem objektu tak, že vzniká iluze, že tam ve skutečnosti není.
Hlavní hnací silou je trvale udržitelný rozvoj
Jak se zdá, bude materiálové inženýrství a vývoj nových materiálů, a také zdokonalování již existujících, s největší pravděpodobností hrát klíčovou roli v takových oblastech, jako je nedostatek zdrojů nebo trvale udržitelný rozvoj. Nové materiály – např. stavební materiály absorbující světlo – by mohly pomoci čelit globálnímu oteplování.
Zdá se, že stojíme na pokraji nové epochy, která je charakteristická nejenom digitalizací a internetem věcí, ale také, což je velmi důležité, novými materiály - materiály, které mohou přispět k tomu, že naše budoucnost bude jednodušší, bezpečnější a udržitelnější. Skutečně, nic není nemožné.
