Lehčí než voda a pevný jako ocel  
Převratný porézní keramický kompozit se 3D mikroarchitekturou jako by vzdoroval fyzikálním ústavním zvyklostem. Problém je v tom, že ho zatím vyrobíme maximálně v milimetrových rozměrech.


 

Zvětšit obrázek
Lehčí než voda, pevný jako ocel. Kredit: Jens Bauer.


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. Kredit: KIT.

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.


 

Zvětšit obrázek
Graf hustoty a pevnosti materiálů. Kredit: Jens Bauer, PNAS.

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.


 

Zvětšit obrázek
Práškový oxid hlinitý. Kredit: Ondřej Mangl, Wikimedia Commons.

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).

Datum: 04.02.2014 16:03
Tisk článku

Moje učenie - učebný materiál pre deti s autizmom, 3. vydanie - Šedibová Andrea
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 1161 Kč
cena: 1080 Kč
Moje učenie - učebný materiál pre deti s autizmom, 3. vydanie
Šedibová Andrea

Diskuze:

materiál stejně těžký jako vzduch by měl hustotu

Josef Hrncirik,2014-02-05 20:17:19

cca 1,2 kg/m3. Na bázi vakua (nezaplněný např. vodíkem by musel vzdorovat atmosférickému tlaku cca 0,1 MPa, ev. zátěži řekněme též cca 0,1 MPa. Vakuovaný by tedy měl mít pevnost v tlaku alespoň 0,2 MPa/(1,2 kg/m3), vodíkovaný cca poloviční. Po formálním přepočtu na formální hustotu 1000 kg/m3 by tento přepočtený materiál měl mít pevnost cca 170 MPa/(1000kg /m3). Na logaritmické stupnici hustot je s německou důkladností všude vynechána 8. Levý dolní roh grafu představuje materiál cca 0,07 MPa/(45kg /m3). Vakuová nosná hmota by pak odpovídala v grafu "advanced hexagonal combes" nebo laminátu mezi magneziem a aluminou nad možnostmi dřev. Pevný (pískový) plyn do balónů by mohly být evakuované mikro, vlastně i makrosféry. U koule je totiž materiál nejlépe pevnostně využit pro vztlakové úsilí

Odpovědět

Pane Málku,

Matyáš Patlevič,2014-02-05 10:25:08

máte pravdu, sépiová kost opravdu plave, ale taky to není kost. Hlavonožci jsou bezobratlí, jejich "kost" je pozůstatkem vnější schránky. Proto nemůže být řeč o klasické kosti. Hustota kostní tkáně se udává asi 1700-2000 kg.m^-3. (Mikulčák a kolektiv: Matematické, fyzikální a chemické tabulky pro střední školy, SPN Praha, 1988) Jediný způsob, jab by mohla skutečná kost plavat je, pokud by byla ponechána uzavřená vnitřní dutina, která bývá vyplněna kostní dření, v dospělosti tedy z velké části tukem, (ten je, jak známo, "lehčí" než voda a kost by mohla plavat) u ptáků jsou tyto dutiny dokonce provzdušněné, takže tam by to asi bylo jisté. Jenže to pak plave i ocel, když do ní uděláme dostatečně velkou dutinu. Myslím, že tady se bavíme o makroskopicky homogeních materiálech... Pokud jde o mou škodolibou radost - jen jsem chtěl předejít nepřesnostem v článku.

Odpovědět


Omlouvám se.

Matyáš Patlevič,2014-02-05 10:26:38

Toto měla být reakce na komentář pana Málka. A to jsem si myslel, že už jsem tomu systému přišel na kloub...

Odpovědět


Pane Patleviči

Marek Slechta,2014-02-05 18:54:22

Nechci se vám plést do duchaplností ale asi rok zpět jsem na procházce házel psovi do vody klacky a chtěl jsem si z něj vystřelit a hodil mu kost. Pánevní kost asi ze srnce, dost stará, myslel jsem ze se potopí, přinesl mi jí :)
Koukal jsem jak jojo :)

Odpovědět


:-)

Matyáš Patlevič,2014-02-05 19:28:12

Hezky řečeno. No já myslím, že to bude ten případ s dutinou uvnitř - pánevní kost je kost plochá, čili z velké části dutá, když navíc stihne dřeň vyschnout, stává se z ní téměř kost ptačí :-)

Odpovědět

Pokud by ten materiál byl dostatečně pevný,

Jan Šimůnek,2014-02-05 09:42:34

nebyl by problém z něj vyrobit vzducholoď, která by se vznášela prostým vyčerpáním vzduchu z vnitřní dutiny (tak, jako to popsal F. Běhounek v románu "Tajemství polárního moře"). IMHO by to bylo i praktičtější a ovladatelnější než kompaktní materiál lehčí než vzduch.

Odpovědět


Vakuová vzducholoď

Vojtěch Kocián,2014-02-05 10:22:47

Akorát bych nechtěl být poblíž, pokud by se stala nehoda. Rázová vlna od imploze a hoření vodíku by vyšlo možná tak nastejno. Hlavní problém ale je, že tak pevný materiál stejně nemáme. U aerogelů by to tedy snad možné bylo (je to pro mě novinka) a případná havárie by nemusela probíhat tak dramaticky. Osobně si ale myslím, že správné použití vodíku je praktičtější než vakuum. Není o moc těžší, nepracujeme s rozdíly tlaků, dá se ohřívat/odebírat/přidávat a tím regulovat vztlak. A kdo se vodíku bojí, může si připlatit za helium a větší balón. Dnes bohužel povinnost a využití vzducholodí to dost prodražuje.

Odpovědět

Mintaka Öüü,2014-02-05 09:34:08

Díky za odpověď
Aerogel znám, ale že by byl lehčí než vzduch jsem nezaznamenal. O Metal foam jsem zatím nečetl. Mé představy míří k materiálu, který by se mohl vznášt ve vzduchu, podobně jako horkovzdušný/vodíkový/héliový balón.

Dle
http://en.wikipedia.org/wiki/Lifting_gas
by mělo být vakuum o 6% lehčí než vodík a 16% lehčí než helium. Dokonce bych si dovedl představit i materiál, jehož molekuly by byly poskládány tak, že nějakým postupem by se dutiny uvitř zvětšovaly/zmenšovaly a materiál by se stával lehčí/těžší.

I kombinace horkého vzduchu obaleného vakuovou vrstvou by nemusela být marná.

Domnívám se, že stroje lehčí než vzduch by si zasloužili lepší využívání.

Odpovědět

Lehční než vzduch

Mintaka Öüü,2014-02-05 03:34:45

Pořád čekám, kdy se objeví lehká pevná struktura udržující si ve vnitřních strukturách vakuum. Takový materiál by měl šanci se vznášet ne?

Odpovědět


nic nového...

Petr Ka,2014-02-05 07:28:45

Něco takového je známo. Velmi lehký je třeba aerogel.
http://en.wikipedia.org/wiki/Aerogel
Před lety jsem někde četl, že mśto vzduchu tam bylo vakuum a byl opravdu lehčí než vzduch za atmosférických podmínek (reference 8 na té Wikipedii).
V grafu uvádějí pouze "alumina foam"
http://en.wikipedia.org/wiki/Metal_foam
Článek je zbytečně bombastický, i když je ve svých tvrzení opatrný (tvrdí, že překonal jen "některé oceli", ale neuvádí, že nepřekonal "některá dřeva" - alespoň podle jejich obrázku)

Odpovědět

kost

Matyáš Patlevič,2014-02-04 20:38:41

Nemyslím, že by kost měla nižší hustotu než voda. Koneckonců ani ten graf si to nemyslí. :-)

Odpovědět


Pane Patleviči

Jiří Málek,2014-02-04 23:33:49

Nechci Vám kazit škodolibou radost, ale zkuste si doma na vodu položit třeba sépiovou kost. Kostní hmota může mít vyšší hustotu než voda, ale stačí aby její trámčina dostatečně vyschla a pak pórovité části některých kostí nadnáší tyto vzduchové kapsy a pak opravdu nějakou dobu plavat mohou. Potvrdí Vám to každý forenzní technik.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace