Materiál snů: pevný jako ocel, ale lehčí nežli voda
Tradičním materiálům a jejich kombinacím začínají silně konkurovat speciality vytvořené vědci přímo na míru určitým parametrům, nebo takové, které se snaží dosavadní materiály a jejich možnosti ještě překonat. Do této kategorie patří i jedna z posledních novinek materiálového vývoje.
Jens Bauer a jeho tým z Technologického institutu v německém Karlsruhe (KIT) vyvinuli materiál, který svou strukturou a koncepcí připomíná kost či plástev a kombinuje v sobě lehkost s velikou pevností, což jsou z dosavadního pohledu zdánlivě neslučitelné vlastnosti. Podle jeho tvůrců je prvním experimentálním důkazem, že podobný materiál, který jakoby popírá dosavadní fyzikální principy, vůbec může existovat.
Lehčí nebo silnější? Nyní lze dosáhnout obojí
Buňkové topologie lze rozdělit na ty, které vykazují lepší parametry v ohýbání nebo v tahu. Vědci se dlouhodobě snaží vytvářet materiály s nízkou hustotou, ale vysokou pevností. Pro zvýšení poměru pevnosti k hmotnosti materiálu je možné snažit se buď zlepšit sílu (odolnost v tlaku či tahu) nebo snížit jeho hustotu, případně obojí.
Nejlehčí pevné látky mají hustotu v rozmezí pod 1000 kg/m3, jen buněčné materiály, jako jsou např. technické pěny, mohou dosáhnout podstatně nižších hodnot. Technické pěny jsou velmi lehké, ale ve srovnání se sypkými materiály, je jejich síla poměrně nízká, z důvodů jejich náhodné struktury. Patří k ohebnějším materiálům s nižší hmotností, ale jsou méně efektivní vzhledem k tahu než materiály, u nichž převažuje odolnost vůči silám v tahu, jako např. materiály s pravidelně vyztuženou rámcovou strukturou. Přírodní lehké materiály, jako např. kosti se svou porézní strukturou, jsou buněčné pevné látky s optimalizovanou architekturou. Spongiózní kosti a další přírodní mobilní pevné látky mají optimalizovanou architekturu. Jsou strukturovány hierarchicky, a složeny ze stavebních bloků nanometrové velikosti, které poskytují vysokou odolnost vůči působení mechanických vlivů.
A právě tato přírodní inspirace umožnila vědcům realizovat řešení, kterým se podařilo dokázat, že takovýto pozoruhodný materiál s projektovanou mikroarchitekturou lze vyrobit. Nabízí jak strukturální výhody a na velikosti závislé posílení účinků. S použitím 3D laserového litografie vytvořili mikrovazníkové a skořepinové konstrukce z keramických polymerních kompozitů, které překračují dosud dosažený poměr pevnosti k hmotnosti všech konstrukčních materiálů.
Pokrok díky novým technologiím
Vědcům pomohla technologická novinka v podobě vyspělého laserového spékání, umožňující vytvořit objekty dosavadními prostředky zatím nedosažitelné. Německá společnost Nanoscribe uvedla na trh laserové systémy pro 3D tisk, které umožňují vyrobit dříve prakticky nemyslitelné struktury 3D laserovou litografií, z polymerů vytvrzovaných působením laserového paprsku. Právě takovýto systém použili výzkumníci z KIT pro vytvoření svého supermateriálu - pro dosažení větší pevnosti povlakovali ještě polymerovou strukturu tenkou vrstvou (o tloušťce pouhých 50 nanometrů) oxidu hlinitého (Al2O3), který patří mezi velice tvrdé sloučeniny a podařilo se jim vytvořit umělou kompozitní strukturu s vysokou pevností. Výsledkem byl porézní keramický kompozit se 3D mikroarchitekturou. Ta připomíná svou vnitřní strukturou včelí plástev a při testování vydržela tlak 280 MPa, což odpovídá některým formám oceli, a přitom s hustotou hluboko pod 1000 kg/m3, což odpovídá hodnotě hustoty vody. Znamená to, že nový materiál s nižší hustotou na vodě plave. Posílení aluminové skořepinové struktury bylo pozorováno zejména při použití charakteristické tloušťky pod 100 nm.
Věc má ovšem háček: tento supermateriál lze zatím vyrábět jen ve velmi miniaturních objemech – zmíněný laserový systém zvládne tvorbu takovýchto objektů o velikosti nejvýše 1 mm. To se však v budoucnu s postupem technického rozvoje změní, a časem padnou další omezující bariéry.
647
