Genom historien, har material och framsteg inom materialteknologin påverkat mänskligheten. Nu kanske vi är på väg till nästa skifte inom den här typen av teknologi, där produkter och funktioner vi inte trodde var möjliga helt plötsligt är verklighet.
Kraven från branschen innebär att materialen måste vara lättare, tuffare, tunnare, tätare och flexiblare eller styvare, samtidigt som de är värmetåliga och slitstarka. Forskarna fortsätter samtidigt att flytta fram gränserna för vad vi trodde var möjligt och arbetar med att förbättra och förstärka befintliga material samtidigt som man tar fram helt nya material som, även om det dröjer länge innan de finns i vår vardag, för in oss på helt ny teknologiska vägar.
Sikta mot stjärnorna
Baserat på den forskning vi ser idag, kommer området tillämpad materialvetenskap att ta nya och närmast science fiction-liknande vändningar. Framtidens resursbrist kräver innovationer och att man tänker utanför ramarna. På materialfronten verkar det troligt att kompositmaterial med sådana attraktiva egenskaper som låg vikt, hög styrka och hög hållbarhet kommer att ta över en större marknadsandel. Flera av dessa material kommer troligen också att baseras på förnybara resurser, allt eftersom det behovet ökar. Det mest lovande stjärnskottet på materialhimlen är grafen.
Grafen är en atom tjockt (1 miljon gånger tunnare än ett mänskligt hårstrå) men 200 gånger starkare än stål ur viktsynpunkt, extremt flexibelt, superlätt och nästan genomskinligt – med utmärkt värmekonduktivitet och elektrisk konduktivitet. Det är sånt man bygger legender av.
Forskare vid Nankai-universitet i Tianjin i Kina fann nyligen att en grafensvamp kan omvandla ljus till energi. Det tar mänskligheten ett steg närmare bränslefria rymdfärder med farkoster som drivs med solljus.
På väg mot en grafenrevolution
Grafen upptäcktes nästan av ett misstag när professorerna Andre Geim och Kostya Novoselov vid University of Manchester i England experimenterade med pennor och tejp år 2004. 2010 tilldelades Geim och Novoselov Nobelpriset i fysik för sin forskning om grafen. EU avsatte sedan en miljard euro till sitt ”Graphene Flagship”, ett forskningsinitiativ som är avsett att snabba på utvecklingen av kommersiella tillämpningar. De möjliga tillämpningsområdena är allt från vattenrening och energilagring till hushållsartiklar, datorer och annan elektronik. Även om grafenrelaterade patent ökar snabbt är den breda spridningen av grafen begränsad på grund av produktionskostnaden – men det kan komma att förändras. Forskare vid University of Glasgow har hittat ett sätt att tillverka stora grafenark, cirka 100 gånger billigare än med den tidigare produktionsmetoden.
Syntetisk hud som kan ge sensorisk återkoppling till människor med proteser är en av de många möjligheter som kan födas ur det här framsteget. ”Grafen skulle kunna ge en superflexibel, ledande yta som kan ge personer med proteser möjligheten att känna sådant som i dagsläget är omöjligt, även med den mest avancerade av proteser”, säger dr Ravinder Dahiya, som ledde forskarteamet vid University of Glasgow.
Döden för metaller?
Metaller har dominerat branschen och definierat hela perioder av mänsklighetens historia. En sådan långvarig användning har skapat en enorm källa till information och kompetens, men vetenskapsmän och forskare fortsätter att arbeta med att flytta fram gränserna för vad dessa material kan göra. Nanomaterial förekommer ofta inom den här typen av forskning, där de förbättrar metaller och skapar möjligheter till nya tillämpningsområden. Utvecklingen inom metall-matrisnanokompositer – kompositer som delvis består av kolnanorör eller nanopartiklar – skulle kunna bana väg för en ny våg av lättare material inom flygindustrin, som också är extra starka och styva.
Om det är trasigt, låt det laga sig självt
Forskning inom nanokompositer öppnar upp för möjligheten att material kan laga sig själva, ungefär som när människokroppen läker. Forskare vid Beckman Institute’s Autonomous Materials Systems Group vid University of Illinois i USA arbetar med fiberkompositmaterial med självläkande egenskaper. Här har man integrerat läkande ingredienser som släpps ut för att blandas och polymeriseras när en defekt upptäcks.
”Material som lagar sig själva är på gång”, säger materialforskaren Mark Miodownik. I nuläget är det som är tekniskt möjligt inte i närheten av ekonomiskt rimligt, men möjligheten att kunna laga vad som helst i farten – allt från flygplansvingar till cykelramar till bildelar som är avgörande passagerarnas säkerhet – ligger inom räckhåll. Det kommer att ha en enorm effekt på produktutveckling, produkternas livscykel och deras hållbarhet. Forskare arbetar till och med på material som gör det möjligt för vägar att reparera sig själva, istället för att vänta på ett för litet och utarbetat underhållsteam.
På väg att överträffa naturen
I tusentals år gjordes framsteg inom materialutvecklingen genom att människan råkade upptäcka en rad material som fanns i naturen. Idag ser forskarna längre än det som naturen erbjuder. Man kombinerar flera konventionella material eller delar av material och fokuserar på den inneboende strukturen eller mönstret, för att skapa egenskaper som inte finns in naturen – eller åtminstone inte har upptäckts än.
Ett sådant framsteg är när man ordnar ett antal ryggar så att de liknar ett hajskinn. Mikromönstret som kallas Sharklet förhindrar att bakterier fastnar och överförs. Det tas fram för användning på sjukhus och inom hälsovård.
Andra materialutvecklingar innebär att man arbetar med osynlighet. Fysiker i flera länder arbetar med metamaterial som lovar att göra föremål osynliga genom att täcka in dem i ett material som kan böja den elektromagnetiska strålningen, t.ex. ljus, runt ett föremål och på så sätt skapa illusionen av att det inte är där.
Hållbarhet som främsta drivkraft
Materialforskning och utvecklingen av nya material, liksom förbättringar av befintliga material, kommer troligen att spela en viktig roll både vid resursbrist och för hållbarhet. Nya material, t.ex. ljusabsorberande byggnadsmaterial, skulle kunna motverka den globala uppvärmningen.
Vi verkar stå inför en ny tidsålder, som inte bara kännetecknas av digitalisering och sakernas internet, utan även av nya viktiga material – material som kan göra vår framtid enklare, säkrare och mer hållbar. Vi ska verkligen sikta mot stjärnorna.
