Může být nějaký materiál lehčí nežli voda a zároveň pevný jako ocel? Zní to jako šílenství, ale nikdy nepodceňujte materiálové vědce. Jsou velice důmyslní, odhodlaní a hledají inspiraci ve světě kolem sebe, kde se někdy najdou doopravdy neuvěřitelné věci. Nedávno spatřil světlo světa materiál, který vyhovuje právě takovým nárokům. Je skutečně lehčí než voda a pevný jako ocel.
Jens Bauer z Technologického institutu v německém Karlsruhe (KIT) a jeho kolegové vyvinuli materiál, který strukturou připomíná kost a mísí v sobě zdánlivě neslučitelné vlastnosti – lehkost s velikou pevností. Je to prý vůbec první experimentální důkaz, že podobný materiál vůbec může existovat. Bauer si pro článek v prestižním PNAS připravil elegantní graf, kde zobrazuje známé materiály podle jejich hustoty (osa X, Density) a pevnosti v tlaku (osa Y, Compressive strength). Aby to nebylo zase tak úplně jednoduché, tak jsou obě osy důkladně logaritmované.
Prostředek grafu protíná odshora dolů čárkovaná čáru v hodnotě hustoty 1000 kilogramů na metr krychlový, což je pochopitelně voda. Materiály nalevo od této čáry jsou lehčí než voda a tudíž plavou, materiály vpravo jdou ke dnu. Na vodě ve skutečnosti plave jen málokterý materiál, který by byl zároveň obstojně hustý a pevný. Známe je ale z každodenní zkušenosti, je to hlavně dřevo a pak taky některé kosti. Pod mikroskopem je krásně vidět, proč to tak je. Tyhle materiály mají uvnitř nápadně porézní strukturu. A do mikroskopu se podíval i Bauer, kterého to očividně hluboce inspirovalo.
Na zmíněném grafu hustoty a pevnosti materiálů je zřetelně vidět, kde má ještě náš technologický rozvoj rezervy. Když tohle víme, tak si můžeme na počítači nasimulovat optimální strukturu takového materiálu a potom se zamyslet, jestli bychom ho přeci jenom už se stávajícími technologiemi nezvládli vyrobit. Podobně postupoval i Bauerův tým. A měli štěstí. Německá společnost Nanoscribe totiž nedávno začala dodávat laserové systémy, které umožňují vyrobit dříve prakticky nemyslitelné struktury 3D laserovou litografií, z polymerů tvrdnoucích po zásahu laserem. Bauer a spol. takový systém použili, ale pro dosažení požadované pevnosti museli ještě polymerovou strukturu potáhnout tenkou vrstvou oxidu hlinitého (Al2O3), který je sám o sobě nesmírně tvrdý. Výsledné materiály, odbornou hantýrkou porézní keramické kompozity se 3D mikroarchitekturou, pak vystavili testování a zbořili s nimi historické tabulky.
I když vrstvička oxidu hlinitého o něco zvyšuje jeho hustotu, tak Bauerovy porézní kompozity stále ještě plavou na vodě. Materiál, který je Bauerovým majstrštykem, připomíná svou specifickou vnitřní strukturou včelí plástev a je potáhnutý vrstvou oxidem hlinitého o tloušťce velmi tenkých 50 nanometrů. V pevnosti prý poráží všechny známé přírodní i člověkem vytvořené materiály, které jsou lehčí než voda. Vydrží totiž tlak 280 MPa, čímž se vyrovná některým formám oceli.
Je to revoluce, ale zatím jen v počátcích. Úžasné nanoinženýrské mašiny od Nanoscribe svedou vytisknout objekty ve velikosti desítek mikrometrů, což je sice dech beroucí, ale pro materiálové vědce zároveň dost nepraktické. Jeden z nových modelů Nanoscribe údajně zvládne milimetrové objekty a tím to prozatím hasne. Vývoj technologií 3D tisku, laserů a polymerů se ale podle všeho jen tak nezastaví. Tak jako se Bauer dočkal strojů schopných vyrobit jeho materiály v mikroměřítku, tak se nejspíš brzy dočká strojů, které to zvládnou na průmyslové výrobní lince. Na obzoru jsou superlehké a superpevné materiály, z jejichž aplikací se nám zatočí hlava.
Kredit: Jens Bauer/ KIT.
Literatura
The Conversation 3. 2. 2014, PNAS online 29. 1. 2014, Wikipedia (Aluminium oxide).