Choć termin „materiał kompozytowy” brzmi niesłychanie nowocześnie, technologia ta znana jest od co najmniej 2,5 tys. lat! Wtedy to Chińczycy wynaleźli lakę – ciemne drewnopodobne tworzywo, używane do wyrobu naczyń, ozdób, puzderek, biżuterii, a nawet mebli. Otrzymywane było poprzez układanie wielu warstw cieniutkiego papieru czy tkaniny, podlanych następnie sokiem z sumaka rhus, który ma własności samoutwardzające. Taka kompozycja nadawała lace wyśmienite własności mechaniczne – łączyła w sobie zarówno twardość żywicy, jak i odporność na pękanie tkaniny. Podobno równie starym kompozytem jest zwykła sklejka – zlepione ze sobą klejem kostnym warstwy cienkiego drewna.

Dziś takie materiały możemy spotkać na każdym kroku. Idea jest zawsze taka sama: połączyć ze soba dwa (a czasami i więcej) różne składniki, które dadzą kompozytowi część swoich właściwości. Wynik nigdy nie jest prostym dodawaniem cech komponentów, lecz ich skomplikowaną wypadkową, zależną od zawartości w miksturze i sposobu organizacji przestrzennej.

TAJNIKI TECHNOKUCHNI

Prawdziwy boom zaczął się dopiero w latach 50. XX w., gdy chemicy opanowali tajniki przemysłowego procesu syntezy żywic. Najwięcej zastosowań w kompozytach znalazły żywice poliestrowe i epoksydowe, ale ostatnio dołączają do nich poliuretany i żywice silikonowe. Te ostatnie mają bardzo obiecujące własności, ale ich synteza jest tak trudna, że wciąż pozostają technologiczną i rynkową ciekawostką. Wypełnienie materiałów kompozytowych (tzw. komponent konstrukcyjny) stanowią najczęściej włókno szklane, kwarc, włókna węglowe (karbonowe) i drogie, choć rewelacyjne włókno aramidowe – kewlar. Dawniej częstym składnikiem był też całkowicie niepalny minerał – azbest, który zaczął szybko wypadać z rynku po tym, jak wyszło na jaw, że jest rakotwórczy.

Jednak właściwe składniki to najwyżej połowa sukcesu. Dziś sekret tkwi głównie w sposobie ich ułożenia. Producenci zazdrośnie strzegą swych przepisów na organizację przestrzenną mat szklanych czy przeplatanie się warstw włókien węglowych. Znane są tylko ogólne trendy, takie jak czerpanie inspiracji ze świata przyrody. Naukowcy starają się „zaplatać” włókna w taki sposób, by przypominały wytrzymałą konstrukcję plastra miodu. Inne ekipy próbują naśladować wewnętrzną strukturę drewna – tyle, że chcą zamienić skręcone pęczki włókien celulozowych połączonych ligniną na bardziej wytrzymałe materiały syntetyczne. Jakie? Tego oczywiście koncerny nie chcą zdradzić.

Najnowsze kierunki badań związane są z nanotechnologią, a więc projektowaniem nowych materiałów na poziomie pojedynczych atomów. Okazuje się bowiem, że nawet zwykły metal – jak srebro czy złoto – może mieć np. zupełnie różne własności biologiczne w zależności od tego, czy jego atomy zbija się w „grudki” wielkości kilkudziesięciu nanometrów, czy kilkakrotnie większe „grona”.

Dla współczesnych twórców materiałów najbardziej obiecujące dziedziny to nowe źródła energii, medycyna oraz transport informacji i towarów. Pierwsza z nich stanowi wielkie wyzwanie w dobie kurczących się zasobów paliw kopalnych i globalnego ocieplenia. Nanotechnologia i kompozyty pozwoliły na opracowanie nowych, bardziej wydajnych ogniw fotowoltaicznych (popularnie zwanych bateriami słonecznymi). Do niedawna zasilanie słoneczne było co najwyżej ciekawostką – na prąd udawało się zamienić tylko 20 proc. energii niesionej przez światło.

WYDRUKUJ SOBIE BATERIĘ


Jednak nowe prototypy ogniw opracowane na University of Delaware czy w Berkeley Labs Materials Sciences Division przesuwają poprzeczkę blisko 50 proc. – a taka wydajność mogłaby sprawić, że opłacalne stałoby się budowanie prawdziwych elektrowni słonecznych. Sekret oczywiście tkwi w konstrukcji ogniwa, które potrafi zamieniać w elektryczność światło o bardzo szerokim zakresie: od podczerwieni po ultrafiolet. Ekipa z Berkeley posłużyła się wyrafinowanym nanomateriałem z azotkami indu i galu, zaś na University of Delaware postawiono na miniaturowe układy optyczne, skupiające i rozdzielające promienie słońca.

Kolejną rewolucją mogą być ogniwa zbudowane w oparciu o tworzywa sztuczne przewodzące prąd elektryczny oraz nanorurki. Według naukowców z New Jersey Institute of Technology baterie takie będzie można drukować w taki sam sposób, jak dziś działają domowe drukarki atramentowe! To oznacza bardzo niskie koszty produkcji, co w połączeniu z elastycznością ogniwa pozwoli na pokrywanie nimi np. dachów budynków.

DIAMENTY W KOLANIE