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


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


Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce








Zásady ochrany osobních údajů webu osel.cz