Naukowcom z Uniwersytetu w Chicago udało się stworzyć zupełnie nowy materiał, którego niezwykłe właściwości zadziwiły nawet samych autorów projektu. Nie spodziewali się, że uda im się odkryć materiał tak wytrzymały a zarazem elastyczny i odporny na skrajne warunki otoczenia. Badania nad rozwijaniem możliwości technologicznych dzięki zastosowaniu takich właśnie materiałów trwają od lat. Naukowcy dążą w nich między innymi do zmniejszenia szkodliwego wpływu tworzyw sztucznych na środowisko poprzez produkcję biodegradowalnych materiałów, które będzie można poddać recyklingowi.

Zupełnie nowy organiczny polimer, lepszy niż miedź, złoto czy aluminium.

W październiku zespół badaczy z Uniwersytetu w Chicago stworzył całkowicie nowy organiczny polimer, którego właściwości są sprzeczne z tym, co do tej pory wiedzieliśmy o przewodnikach. Pomimo braku uporządkowanej struktury molekularnej, materiał ten przewodzi prąd lepiej niż metale, takie jak miedź, złoto czy aluminium. Jego przewodność elektryczna lub inaczej konduktancja w badaniach laboratoryjnych dochodziła do tysiąca dwustu Siemensów na centymetr.

Oprócz tego w porównaniu do metali, materiał jest niezwykle łatwy w kształtowaniu a zarazem bardzo wytrzymały. Dzięki temu jest zdecydowanie łatwiejszy w obróbce niż tradycyjne materiały używane do produkcji przewodników obecnych we wszystkich urządzeniach elektronicznych. Około pięćdziesiąt lat temu naukowcy zaczęli wytwarzać przewodniki z polimerów organicznych dzięki zastosowaniu obróbki chemicznej, jednak do tej pory miały one jedną znaczącą wadę: nie były wystarczająco stabilne, przez co pod wpływem wilgoci lub wysokich temperatur mogły tracić swoje właściwości.

Zarówno tradycyjne jak i organiczne przewodniki jak dotąd łączyła pewna wspólna cecha: zorganizowana struktura molekularna, tworzona z reguły przez ściśle upakowane proste rzędy atomów. Naukowcy zakładali, że to właśnie ta uporządkowana struktura pozwala elektronom efektywnie przewodzić prąd, jednak nowo odkryty materiał zupełnie temu przeczy. Główny autor projektu, doktor Jiaze Xie eksperymentował z polimerami odkrytymi już lata temu, próbując ulepszyć ich właściwości, aby stworzyć coś zupełnie nowego. I to się udało. Materiał powstały z niklu, węgla i siarki został poddany testom odporności na wilgoć, skrajnie kwasowe i zasadowe środowisko oraz bardzo wysokie temperatury. Okazało się, że oprócz silnego przewodnictwa cechuje się także długotrwałą odpornością na wilgotne powietrze, może działać w zakresie pH od zera do czternastu i nie przeszkadzają mu skoki temperatury do nawet stu czterdziestu stopni. Odkrycie badaczy podważa zatem fundamentalną zasadę przewodnictwa elektrycznego a zarazem otwiera wiele nowych możliwości wykorzystania tak niesamowicie wytrzymałego materiału.

 

Zespół z Chicago za wszelką cenę chciał odkryć jak to się stało, że materiał ten może przewodzić prąd. Badacze przeprowadzili więc szereg testów, symulacji i analiz i w końcu doszli do wniosku, że tworzy on warstwy podobne do kartek papieru układanych na sobie. Tak długo jak te warstwy się stykają, elektrony nadal mogą poruszać się zarówno w warstwach materiału jak i między nimi, dzięki czemu może być dowolnie kształtowany i nie straci swoich właściwości.

Autorzy projektu porównali rewolucyjny materiał do przewodzącej plasteliny, którą można dowolnie formować.

Do tego badacze są przekonani, że będą w stanie nadać mu inne formy przestrzenne a może nawet uczynić go porowatym, co zdecydowanie zwiększy jego powierzchnię zdolną do reagowania z innymi molekułami. Naukowcy już widzą cały wachlarz zastosowań dla nowego super-materiału, chociaż do masowej produkcji potrzeba jeszcze trochę czasu i badań.

Równie ciekawym odkryciem w dwa tysiące dwudziestym roku mogli pochwalić się naukowcy z Uniwersytetu w Teksasie, którzy opracowali samonaprawiający się materiał z pamięcią kształtu. Poprzez ulepszenie składu chemicznego istniejącego już polimeru, uzyskali materiał o zmiennej strukturze od bardzo miękkiej do ekstremalnie twardej, dzięki czemu możliwe będzie wykorzystanie go do wytwarzania nowych elastycznych tworzyw. Oprócz tego, polimeru można używać do druku 3D, realistycznej protetyki, robotyki i nowych projektów wojskowych, na przykład do projektowania zwrotnych platform dla pojazdów powietrznych czy samonaprawiających się skrzydeł się samolotów. Dodatkowo, po przecięciu warstwy polimeru z łatwością przylegają do siebie zarówno w powietrzu, jak i pod wodą. Co ważne, materiał łatwo poddaje się recyklingowi i poprzez procesy chemiczne może być dostosowany do kolejnych zastosowań.

Niezwykle ciekawe polskie odkrycie

Doktor inżynier Ewelina Kłosek-Wawrzyn z AGH ogłosiła w marcu tego roku obiecujące wyniki swoich badań nad termoizolacyjnym materiałem ceramicznym, w którego składzie znalazły się… fusy po kawie. Dzięki wysokiej wartości opałowej i dużej ilości wody, fusy świetnie nadają się jako dodatek do gliny w procesie produkcji porowatych materiałów o właściwościach termoizolacyjnych. Powstałe w ten sposób materiały wykorzystywane są w budownictwie, dlatego muszą wykazywać się dużą wytrzymałością a dodanie do gliny tak zwanych poryzatorów, w tym przypadków kawowych fusów, osłabia ją. Doktor Kłosek-Wawrzyn pracuje nad optymalizacją produkcji takich tworzyw, aby spełniały pożądane parametry i standardy w zakresie odporności mechanicznej. Autorka badania analizowała efektywny współczynnik przewodzenia ciepła, wytrzymałość na ściskanie, gęstość i porowatość a także wykorzystała metodę skaningowej mikroskopii elektronowej, aby ocenić, jak wygląda mikrostruktura tworzywa i ocenić wielkość i ukierunkowanie porów, od których zależy zdolność przewodzenia. Tradycyjnie w produkcji ceramicznych materiałów budowlanych jako poryzatora stosuje się pulpę celulozową lub trociny, które po wypaleniu pozostawiają po sobie puste mikroprzestrzenie wypełnione gazem posiadającym duży niższy współczynnik przewodzenia niż sam materiał.

Zastosowanie fusów po kawie jako takiego dodatku pozwala na wtórne zagospodarowanie odpadów, oszczędność energii i wody. Według danych statystycznych, rocznie na całym świecie produkuje się aż dziesięć milionów ton kawy ziarnistej.

Po zużyciu powstaje zatem taka sama ilość fusów, powiększona o masę nie odfiltrowanej wody, która może wynosić nawet sześćdziesiąt procent. Odpady te nie są neutralne dla środowiska ze względu na emisję metanu podczas składowania na wysypiskach, dlatego od kilku lat naukowcy na całym świecie pracują nad wdrożeniem rozwiązania, które pozwoliłoby na jak najlepsze wykorzystanie fusów po kawie.