Jak vyrobit extrémně odolné materiály? Můžeme si je třeba nasimulovat na superpočítači a čekat na technologii, co je dokáže vyrobit. Anebo se můžeme inspirovat v přírodě. Organismy měly na vývoj materiálů asi tak 3,5 miliardy let evoluce a za tu dobu leccos zvládly.
V přírodních materiálech hledal inspiraci i tým, kterému šéfoval Francois Barthelat z McGillovy univerzity v kanadském Montrealu. Analyzovali věci jako schránky měkkýšů, kosti nebo nehty, tedy materiály, které jsou velice odolné, přestože jsou vytvořeny z křehkých látek. Zdá se, že tajemství úspěchu těchto biologických materiálů tkví v jejich vnitřní struktuře. Jde o to, že jsou poskládány z podjednotek, mezi nimiž leží mnoho nepatrných prasklinek. To, co by na první pohled mohlo působit dojmem slabých, problematických míst v materiálu, ve skutečnosti funguje jako excelentní tlumič vnějších tlaků.
Zní to neuvěřitelně, ale například biologicky vytvářená vrstva perleti ve schránkách měkkýšů je zhruba 3 tisíckrát odolnější, než samotný materiál, z něhož se skládá. Ukazuje se, že právě materiály s miniaturními prasklinami jsou běžným a očividně velmi úspěšných řešením, kterým se v přírodě řeší požadavek na odolný materiál z dostupných sloučenin.
Barthelat a spol. si vzali poučení od schránek měkkýšů k srdci a vyrobili sklo, do něhož s pomocí 3D laseru vyryli mikroskopické praskliny, které pak vyplnili polymerem. Jejich sklo pak bylo zhruba dvěstěkrát odolnější, než běžné sklo. Badatelé zjistili, že se takto upravené sklo může deformovat skoro až o 5 procent než praskne, zatímco obyčejné sklo vydrží s bídou 0,1 procenta. Sklo je v mnoha ohledech skvělým materiálem, jeho kritickou slabinou je ale právě křehkost. Technologie Barthelatova týmu přináší pozoruhodnou a podle všeho ekonomicky příznivou možnost, jak křehkost skla snížit. Stačí k tomu vhodný laser, který je možné přesně zaostřit, a pak s ním vypálit požadovanou strukturu.
Podle Barthelata je jejich 3D laserové rytí skla snadno použitelné i pro velké a objemné kusy skla. Dosavadní pokusy napodobit materiál schránek měkkýšů se přitom orientovaly na skládání malých stavebních bloků do velkého celku, jako když by se stavěla stavba z mikroskopických cihliček. Barthelat s kolegy to ale vzali za jiný konec. Začali s velkým kusem materiálu a pak ho vylepšili vytvořením struktury mikroskopických prasklinek. Neprůstřelná skla a odolnější displeje pro mobilní elektroniku na sebe jistě nenechají dlouho čekat.
Literatura
AFP 28. 1. 2013, Nature Communications 3: 3166.