A történelem során az anyagok és az anyagtechnológia terén elért fejlődés nagy hatással volt az emberiségre. Nagy valószínűséggel e technológia terén egy újabb forradalom küszöbén állunk, melynek köszönhetően soha nem látott termékeket és funkciókat hozhatunk létre.
Az ipari fejlődés miatt új, könnyebb, keményebb, vékonyabb, sűrűbb, rugalmasabb vagy merevebb, hő- és kopásálló anyagokra van szükség. A kutatások eredményei folyamatosan túlmutatnak a képzeletünkön: a kutatók a meglévő anyagok továbbfejlesztése, javítása mellett teljesen új anyagokat hoznak létre, amelyek – bár a mindennapos alkalmazásuktól még messze járunk – soha nem látott technológiai megoldások lehetőségét nyitják meg előttünk.
A határ a csillagos ég
A jelenleg zajló kutatások alapján az alkalmazott anyagok tudománya új, szinte tudományos-fantasztikus irányba tart. A véges erőforrások miatt innovatív és kreatív gondolkodásra van szükség. Ami az anyagokat illeti, a kompozitok egyre elterjedtebbek, köszönhetően az olyan vonzó tulajdonságoknak, mint a kis súly, nagy szilárdság vagy kiemelkedő tartósság. Az elvárásoknak megfelelően egyre inkább a megújuló erőforrásokra épülnek. Közülük is a legragyogóbb gyöngyszem a grafén.
A grafén egyetlen atom vastagságú anyag (1 milliószor vékonyabb az emberi hajszálnál), viszont 200-szor erősebb az acélnál, rendkívül rugalmas, szuperkönnyű, szinte teljesen átlátszó, valamint kiválóan vezeti a hőt és az elektromosságot. Minden adott tehát a sikerhez.
A kínai Tiencsin városában található Nankai Egyetem kutatói nemrégiben fedezték fel, hogy grafénszivacs segítségével a fény energiává alakítható – ezzel az emberiség egy lépéssel közelebb került az üzemanyag nélkül, mindössze napfénnyel működtethető űrhajó megalkotásához.
A grafén forradalmának kapujában
A grafént 2004-ben, tulajdonképpen véletlenül fedezte fel Andre Geim és Konsztantyin Szergejevics Novoszjolov Angliában, a manchesteri egyetemen, miközben ceruzával és öntapadós jegyzettömbbel kísérleteztek. Geim és Novoszjolov 2010-ben fizikai Nobel-díjat kaptak a grafén terén végzett kutatásaikért. Ezt követően az Európai Unió 1 milliárd euróval támogatta a Graphene Flagship elnevezésű kutatási projektet, melynek célja az anyag kereskedelmi célú felhasználásának elősegítése. Az anyag potenciálisan felhasználható a víztisztítás és az energiatárolás terén, háztartási cikkekben, számítógépekben és egyéb elektronikus eszközökben. Bár a grafénnel kapcsolatos szabadalmak ezreit nyújtják be, az anyag széles körű ipari alkalmazásának határt szabnak a magas előállítási költségek – de úgy tűnik, hamarosan ez is megváltozik. A glasgow-i egyetem kutatói kifejlesztettek egy módszert, amellyel nagyméretű grafénlapok gyárthatók a korábbi eljárásnál jóval olcsóbban.
Ezzel a fejlesztéssel megnyílhat az út többek között a szintetikus bőr előállítása előtt: ezzel a megoldással a végtagprotézisekbe érzékszervi tulajdonságok építhetők. „A grafénnel olyan kiemelkedően rugalmas, vezető felület hozható létre, amellyel a végtagprotézisek érzékszervi tulajdonságokkal ruházhatók fel – erre ma még a legmodernebb protézisek sem képesek” – fogalmaz Dr. Ravinder Dahiya, a glasgow-i egyetem kutatócsapatának vezetője.
Ezzel a fémeknek leáldozott?
A fémek a legnépszerűbb anyagok az iparban, az emberiség történetében egész korszakokat határoztak meg. Mivel régóta használjuk őket, rengeteget tudunk róluk, de a tudósok és a kutatók ma is fáradhatatlanul dolgoznak azon, hogy még többet hozzanak ki ezekből az anyagokból. A kutatások jelenleg a nanoanyagokra koncentrálnak, melyekkel fejleszthetők a fémek tulajdonságai, és új alkalmazási módok teremthetők. A részben szén nanocsövekből vagy -részecskékből álló fémmátrixú nanokompozitok terén végzett kutatások egy új korszak kezdetét jelenthetik a repülőgépiparban, köszönhetően a kisebb tömegű, de egyúttal erősebb és szívósabb anyagoknak.
Hiba történt? Majd magától megjavul!
A nanokompozitok terén végzett kutatások során felmerült a lehetősége az öngyógyító anyagok kifejlesztésének. Ezek az anyagok az emberi testhez hasonlóan regenerálódnak. Az amerikai illinoisi egyetem Beckman Intézetében működik egy autonóm anyagokkal foglalkozó csoport, amely szálerősítésű kompozit anyagokon teszteli az öngyógyító képességet. A kutatások során gyógyító ágenst építenek be az anyagba, amely hiba érzékelésekor aktiválódik, majd elkeveredik és polimerizálódik.
„Az öngyógyító anyag már valóság” – fogalmaz Mark Miodownik anyagkutató. Egyelőre a technológiailag lehetséges megoldások messze vannak attól, hogy előállításuk anyagilag is megérje. De közel vagyunk ahhoz, hogy bármilyen anyagot azonnal megjavítsunk, kezdve a repülőgépszárnyaktól, a kerékpárvázon át egészen az autóalkatrészekig – mindezek kiemelten fontosak a jármű és az utasok biztonsága szempontjából. Ez az újítás rendkívüli hatással lesz a termékfejlesztésre, az életciklusra és a fenntarthatóságra. A kutatók olyan anyagokon is dolgoznak, amelyekkel öngyógyító utak hozhatók létre, így nem kell majd hosszasan várni a túlterhelt, létszámhiányban szenvedő karbantartó csapatra.
A természetnél is ügyesebben
Az anyagok tudományát több ezer éven át a véletlen felfedezések mozgatták – sorra találtuk meg azokat az anyagokat, amelyeket a természet alkotott. A kutatók napjainkban már nem a természetes anyagokban gondolkodnak: ötvözik a hagyományos anyagokat vagy összetevőket, illetve a meglévő szerkezetekből, mintákból kiindulva próbálnak létrehozni a természetben nem létező – vagy legalábbis még nem ismert – tulajdonságokat.
Ilyen fejlesztés például a cápa bőrére hasonlító barázdás anyag. A „Sharklet” névre keresztelt mikromintázattal elkerülhető a baktériumok tenyészése, átadása. Jelenleg a kórházakban történő és egyéb egészségügyi célú felhasználásán dolgoznak.
Mások a láthatatlan anyag kifejlesztésén dolgoznak. Több ország fizikusai végeznek kísérleteket metaanyagokkal, amelyek segítségével a tárgyak láthatatlanná tehetők. Az anyaggal bevont tárgy körül módosul az elektromágneses sugárzás, így például a fény, ami azt az illúziót kelti, hogy a tárgy eltűnt.
A kulcsszó: fenntarthatóság
Az anyagok tudománya, az új anyagok kifejlesztése és a meglévők továbbfejlesztése minden jel szerint jelentős szerephez jut a kimerülő erőforrásokkal küzdő és a fenntarthatóságra törekvő területeken. Az olyan új anyagok, mint például a fényelnyelő építőanyagok fontos szerepet játszhatnak a globális felmelegedés elleni küzdelemben.
Minden bizonnyal egy új korszak küszöbén állunk, amelyet a digitalizáció és a dolgok internete (IoT) mellett az új anyagok határoznak meg. Olyan anyagok, amelyek könnyebb, biztonságosabb és fenntarthatóbb jövőt ígérnek. A határ valóban a csillagos ég.
