Już w epokach kamienia łupanego, brązu i żelaza nowe materiały poszerzały perspektywy ludzkich dążeń i osiągnięć. W XXI wieku popyt ze strony sektora lotniczego, motoryzacyjnego i innych stymuluje dążenie do wyeliminowania ograniczeń właściwości materiałów.
W naturze ludzkiej leży oczekiwanie na zaistnienie tego, co niemożliwe. Świetnym przykładem jest tu branża motoryzacyjna. Na opracowanej przez firmę Ford liście materiałów do samochodów przyszłości znalazły się materiały, które mogą ratować życie. Profesor Pim van der Jagt, ekspert techniczny w dziale badań i innowacji inżynieryjnych Forda, zamieścił na liście m. in. nowy typ stali, trzykrotnie mocniejszej od dotychczasowej, piankę plastyczną stabilizującą konstrukcję pojazdu w momencie wypadku oraz kompozyty z nanowypełniaczem o znacząco mniejszej masie i większej wytrzymałości. (Źródło: http://articles.sae.org/12297/)
W epoce nowoczesnej również sektor lotniczy patrzy w przyszłość, oczekując materiałów wytrzymalszych, lżejszych i odporniejszych na wysokie temperatury, które obniżą poziom szkodliwych emisji i koszty paliwa oraz pozwolą na latanie z większymi prędkościami. Do tej pory materiałem przyszłości w lotnictwie były kompozyty. Według dr. Eleanor Merson, specjalistki w zakresie kompozytów, „trzydzieści lat temu kompozyty stanowiły pięć do sześciu procent materiałów, z których były budowane samoloty. Obecnie pasażerski Dreamliner w około 50% jest zbudowany z materiałów kompozytowych.”
Kompozyty z włóknami węglowymi są mocniejsze od stali, choć mają tylko jedną piątą jej masy. Z takich kompozytów są zbudowane skrzydła, ogon, drzwi, kadłub i wnętrze Dreamlinera i dzięki temu jest on lekki. W przypadku statków powietrznych liczy się każdy kilogram. Eksperci szacują, że zmniejszenie masy pasażerskiego samolotu o jeden kilogram (2.2 funta) może obniżyć koszt jego obsługi o około 2-3 tysiące euro rocznie.
Lamborghini z kompozytów
Materiały kompozytowe są coraz częściej wykorzystywane w konstrukcji samochodów, łopatek turbin wiatrowych i innych produktów. Na przykład samochód elektryczny BMW i3 jest zbudowany głównie z kompozytów. Producent twierdzi, że dzięki mniejszej masie auto może przejechać nawet 160 kilometrów bez doładowania akumulatora. Drapieżny Lamborghini Veneno Roadster jest naszpikowany lekkimi częściami kompozytowymi, dzięki czemu uzyskuje przyspieszenie od 0 do 100 km/godz. w 2,9 sekundy. Produkcja kompozytów jest obecnie tańsza i zajmuje się nią więcej firm, ale kompozyty drobnoziarniste wciąż wymagają pracochłonnej obróbki w wysokich temperaturach i wyjątkowo czystych warunkach. Ich obróbka jest jeszcze większym wyzwaniem.
„Obróbka kompozytów, zwłaszcza wiercenie, to duże wyzwanie” - mówi Merson, która zajmuje się badaniami tych materiałów dla firmy Sandvik Coromant. - „W samolocie są dziesiątki tysięcy otworów, a kompozyty to materiały o silnych właściwościach ściernych, dlatego włókna węglowe powodują szybkie zużycie wierteł”.
Możliwe, że w przyszłości kompozyty będą wzmacniane nanowłóknami. Przewiduje się też, że naukowcy stworzą materiał prawie doskonały na poziomie struktury atomowej. Specjaliści z niemieckiej firmy chemicznej Altana AG uważają, że mikroskopijne nanorurki węglowe mogą być 400 razy mocniejsze niż stal czy aluminium i 20 razy wytrzymalsze od zwykłych włókien węglowych.
Grafen w smartfonie
Materiały takie, jak grafen czy kwazikryształy, których odkrywców uhonorowano Nagrodami Nobla, budzą jeszcze większe nadzieje ze względu na swoją wytrzymałość i mogą całkowicie zrewolucjonizować wzornictwo przemysłowe. Natomiast jeszcze długo nie doczekamy się ich zastosowań przemysłowych na masową skalę.
W zeszłym roku chińska firma użyła ziaren grafenu w telefonach komórkowych w celu poprawy przewodności. Płaty kwazikryształów wtapia się w patelnie i narzędzia chirurgiczne, aby zwiększyć ich trwałość. Obecnie dużo się inwestuje w badania nad grafenem, choć na razie nic nie zwiastuje przełomu. Grafen jest 200 razy mocniejszy od stali. To najcieńszy materiał na ziemi: jest milion razy cieńszy od ludzkiego włosa. Jednocześnie badacze w firmach i na uczelniach starają się udoskonalić dobrze znane materiały i techniki.
Lekkie stopy aluminium zastąpiły stal o podwyższonej wytrzymałości w zderzakach, pierścieniach zderzeniowych i belkach antywłamaniowych. W przypadku silników samolotowych supertwarde stopy odporne na bardzo wysokie temperatury pomagają w konwersji energii i obniżeniu kosztów paliwa.
Pokrycia twardsze niż stal
Metody fizycznego i chemicznego osadzania powłok z fazy gazowej (PVD i CVD) polegają na pokrywaniu przedmiotów bardzo cienką, ale twardą i odporną na wysokie temperatury warstwą. Technologie te rozpowszechniły się w latach 80. i są nadal używane w produkcji urządzeń mechanicznych, optycznych i elektronicznych.
Sandvik Coromant wykorzystuje je do utwardzania powierzchni swoich płytek. Rdzeń płytki jest wykonany z węglików spiekanych, głównie węglika wolframu i kobaltu.
„Wystarczy warstwa o grubości 10 mikrometrów nałożona metodą PVD, żeby trwałość płytki wzrosła 100-krotnie” - mówi dr Mats Ahlgren, specjalista w dziedzinie fizyki materiałów i kierownik działu PVD Sandvik Coromant. - „Klienci mogą znacznie dłużej korzystać z płytek, a także zwiększyć produktywność dzięki zastosowaniu dużo wyższych prędkości skrawania i posuwów.”
Dział prowadzi obecnie badania nad zwiększeniem wytrzymałości pokrycia tak, by sprostało obróbce bardzo twardych materiałów.
„W ostatnich latach rozwinęliśmy metody kontrolowania procesu nakładania nowego pokrycia” - opowiada Ahlgren. - „Obserwujemy atomową strukturę pokrycia pod mikroskopem i w ten sposób badamy nowe rozwiązanie przed jego wdrożeniem.”
W 2013 roku Sandvik Coromant opatentował pokrycie Inveio™ nakładane metodą CVD. Ziarna pokrycia Inveio zostały uporządkowane w jednym kierunku, co okazało się przełomowym rozwiązaniem pod względem trwałości i twardości.
Zastosowanie bardziej wytrzymałych materiałów sprawia, że nie ma potrzeby wzmacniania konstrukcji dużą liczbą twardych elementów. Projektanci coraz uważniej dobierają materiały do wykonania poszczególnych części samochodów czy statków powietrznych. Niektóre części tych maszyn nie muszą być wyjątkowo wytrzymałe. Taka jest opinia Iana Scoleya, byłego kierownika ds. projektowania przemysłowego w firmie Airbus, gdzie zajmował się konstrukcją kabin samolotów. Scoley, obecnie zatrudniony na podobnym stanowisku w firmie C&D Zodiac, czerpie inspirację z układu kostnego ptaków. „Ptaki są wytrzymałe na tyle, na ile potrzeba, a przy tym lekkie i elastyczne.”
Recyklingowy zawrót głowy
Ponieważ samoloty i samochody zużywają coraz mniej energii i wytwarzają coraz mniej spalin dzięki nowym materiałom i konstrukcjom, rośnie znaczenie przydatności tych materiałów do ponownego użycia. Na przykład w wielu kompozytach stosuje się lepkie spoiwa, trudne do oddzielenia i wtórnego wykorzystania. Z kolei najnowsze stopy aluminium dla przemysłu motoryzacyjnego są wytwarzane z uwzględnieniem ich wtórnego użycia.
Ta cecha stała się siłą napędową w sektorze produkcji pojazdów samochodowych. Rządy europejskie wymagają, żeby wszystkie pojazdy były konstruowane z materiałów w 85% nadających się do ponownego wykorzystania. „Producenci samochodów poddają weryfikacji każdą część pojazdu, aby spełnić te wymagania” - mówi Arjen Bongard, analityk rynku motoryzacyjnego w Niemczech.
Wyzwanie związane z wymogiem ponownego użycia pobudza do tworzenia kreatywnych rozwiązań. Ford zaczął wykorzystywać we wnętrzach pojazdów słomę z pszenicy i produkty sojowe i prowadzi badania nad tworzywami ze skorup orzechów kokosowych, marchwi i kukurydzy. Firma chce opracować wnętrze z materiałów w 100% podlegających biodegradacji.
„Opracowywanie materiałów alternatywnych to ważny kierunek rozwoju, podobnie jak zapotrzebowanie na oszczędne zamienniki i technologie odzysku” - mówi dr Anna Hultin Stigenberg, główny ekspert ds. badań i rozwoju w Sandvik Coromant. Stigenberg do niedawna była prezesem międzynarodowego komitetu sterującego Knowledge and Innovation Community zajmującego się surowcami. W inicjatywie tej uczestniczy ponad 100 firm i ośrodków badawczych, promujących rozwój materiałów przyjaznych środowisku naturalnemu.
Na poziomie atomowym
Dlaczego właściwie nie poprzestać na materiałach, które już istnieją? Ludzie rozwijają umiejętność tworzenia całkowicie nowych materiałów o konkretnych właściwościach.
„Projektowanie struktury atomowej nowych materiałów idzie nam coraz lepiej dzięki nowoczesnym mikroskopom i obliczeniom komputerowym” - mówi dr Hultin Stigenberg.
Od końca epoki żelaza około 550 r. p. n. e. żaden materiał nie naznaczył epoki w historii ludzkości. Wielu uczonych twierdzi, że żyjemy w epoce plastiku. Tymczasem w przyszłości nasze czasy mogą być nazywane epoką nowych materiałów, których wpływ na rozwój ludzkości może być większy, niż dziś sobie wyobrażamy.
