Αραιότερο από νερό αλλά ανθεκτικό σαν χάλυβας, New bone-like material is lighter than water but as strong as steel

Ένα νέο υλικό, που έχει αραιότερη σύσταση από το νερό, αλλά είναι δυνατό σαν χάλυβας, δημιούργησαν Γερμανοί ερευνητές. Το εν λόγω υλικό χαρακτηρίζεται από την μεγαλύτερη αναλογία δύναμης – ελαφρότητας που έχει επιτευχθεί ως τώρα. Lighter, stronger, better. The micro-structure has been created using a type of 3D laser technology that leaves new molecular structures to form strong objects. Credit: Jens Bauer

Οι επιστήμονες του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καρλσρούης (ΚΙΤ), με επικεφαλής τον Γιενς Μπάουερ, που έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών των ΗΠΑ (PNAS), χρησιμοποίησαν τη νέα τεχνική της τρισδιάστατης λιθογραφίας λέιζερ για να δημιουργήσουν μικροδομές πολυμερούς, που μιμούνται το ελαφρύ βάρος (μικρή πυκνότητα) και ταυτόχρονα τη δύναμη και αντοχή υλικών όπως τα οστά και τα ξύλα. Ο σχετικός νανοτεχνολογικός εξοπλισμός έχει δημιουργηθεί από την εταιρεία Nanoscribe, που είναι θυγατρική («τεχνοβλαστός») του Ινστιτούτου ΚΙΤ.

Μέχρι στιγμής, η νέα μέθοδος έχει περιοριστεί στην παραγωγή μικρών μόνο δειγμάτων του νέου υλικού σε διαστάσεις έως μερικών δεκάδων μικρομέτρων. Βεβαίως, μπορεί να έχει διάφορες πρακτικές εφαρμογές στο μέλλον (από νέου τύπου σκι έως νέα αεροσκάφη), εφόσον όμως προηγουμένως λυθούν τεχνικά προβλήματα, που προς το παρόν καθιστούν δύσκολη έως αδύνατη τη βιομηχανική παραγωγή σε μεγαλύτερη κλίμακα μεγέθους τέτοιων υλικών με ασυνήθιστες ιδιότητες. «Κατ’ αρχήν πάντως αποδείξαμε πειραματικά ότι είναι δυνατό να υπάρξουν τέτοια υλικά», δήλωσε ο Γιενς Μπάουερ.

Η τεχνολογία έγκειται στην εστίαση ενός λέιζερ πάνω σε ένα πυκνόρευστο πολυμερές σαν μέλι, που αντιδρά όταν εκτεθεί στο φως και μπορεί να κινηθεί και στις τρεις διαστάσεις. Το πολυμερές στερεοποιείται εκεί ακριβώς όπου πέφτει η ακτίνα φωτός του λέιζερ, με αποτέλεσμα τη δημιουργία διαφόρων πολύπλοκων δομών.

Στο τέλος της διαδικασίας «εγγραφής» (λιθογραφίας), αφαιρείται το πολυμερές ρευστό που περισσεύει και έτσι αποκαλύπτεται η στερεή δομή που έχει δημιουργηθεί και η οποία, στη συνέχεια, επικαλύπτεται με ένα στρώμα κεραμικής αλουμίνας (οξειδίου του αργιλλίου) πάχους 50 έως 200 νανομέτρων. Παραδόξως, η ανθεκτικότητα του στρώματος αλουμίνας αυξάνει, όσο το πάχος της μικραίνει.

Το τελικό αποτέλεσμα είναι ένα υλικό ελαφρύτερο από το νερό και ανθεκτικό όσο μερικά είδη χάλυβα. Είναι ανώτερο από όλα τα φυσικά και τεχνητά υλικά που έχουν πυκνότητα μικρότερη των 1.000 κιλών ανά κυβικό μέτρο (όπως του νερού), ενώ μπορούν να αντέξει πιέσεις 280 μεγαπασκάλ (όπως ο χάλυβας).

Credit: Jens Bauer/PNAS

Ο 21ος αιώνας έχει, μεταξύ άλλων, χαρακτηριστεί «μοριακή εποχή», επειδή οι επιστήμονες έχουν αρχίσει πλέον να «χειραγωγούν» τα υλικά σε ατομικό και μοριακό επίπεδο, δημιουργώντας έτσι ουσίες με εντυπωσιακές ιδιότητες. Καθώς μετά τη Βιομηχανική Επανάσταση αυξάνονται διαρκώς οι ανάγκες για νέα υλικά, η σχετική ζήτηση υπερκαλύπτει την προσφορά.

Ένα κατ’ εξοχήν ζητούμενο είναι υλικά που θα είναι ταυτόχρονα ελαφρά και γερά, ώστε να αντέχουν μεγάλες δυνάμεις και φορτία, χωρίς να σπάνε. Ως σημείο αναφοράς θεωρείται το νερό, επειδή κανένα στερεό υλικό δεν είναι ελαφρύτερο από το νερό, εκτός και αν είναι πορώδες. Πορώδη υλικά όπως τα οστά και το ξύλο εμφανίζουν ιδιαίτερες δομές κάτω από το μικροσκόπιο και είναι αυτή η μοριακή αρχιτεκτονική που ενέπνευσε την έρευνα των Γερμανών επιστημόνων.