Amerykańscy naukowcy wynaleźli przezroczyste tworzywo twarde jak stal

Amerykańscy naukowcy z Uniwersytetu Stanowego Michigan opracowali nowe tworzywo sztuczne, które swoją twardością przypomina stop żelaza i węgla, ale co ważne jest od nich lżejsze. To co najmocniej wyróżnia tworzywo, to jego struktura. Jest ona podobna do budowy masy perłowej, która jest jednym z najtrwalszych materiałów znanych w naturze. O tym, że odkrycie odbiło się szerokim echem świadczy fakt, że sprawie napisał już prestiżowy magazyn naukowy Science.

Jaka ma być przyszłość nowego tworzywa sztucznego? W tej chwili jego cechy predestynują je do tego, by posłużył jako materiał do budowy lekkich pancerzy dla wojska lub policji, a także zaworów oraz bezzałogowych samolotów. Można go będzie także użyć do tworzenia mikroelektromechanicznych urządzeń, techniki strumieniowej oraz różnego rodzaju biomedycznych czujników pomiarowych.

Inspiracją, która doprowadziła amerykańskich badaczy do opracowania innowacyjnego tworzywa była analiza struktury masy perłowej. To na jej podstawie uczeni stworzyli nowy rodzaj plastiku, który wyróżnia się niesłychaną lekkością i transparentnością, a przy okazji jest też twardy niczym stop żelaza i węgla.

Masa perłowa jest jednym z najtwardszych materiałów, występujących w przyrodzie. Jest to wewnętrzna, silnie iryzująca warstwa muszli niektórych małżów i ślimaków. Co ważne jednak niezwykle często stosuje się ją jako tworzywo dekoracyjne. Widoczna pod mikroskopem struktura masy przypomina blok zbudowany z warstw zanurzonych w zaprawie maleńkich cegiełek. Stosowana jest do wyrobu biżuterii, ozdób i sztuki użytkowej oraz ozdabiania różnych przedmiotów.

Masa perłowa posiada tzw. organiczną zawiesinę, która bazuje na białku oraz chitynie. I w niej właśnie ulokowane są odpowiednie kryształy węglanu wapnia. Przyczynia się to do powstania swoistej „zaprawa”, która dokładnie otacza kryształy, co dobrze wpływa na eliminację ryzyka pękania materiału. Kolejne warstwy budulca leżą natomiast jedne na drugich. I właśnie taka budowa poszczególnych warstw masy sprawia, że jest ona tak twarda.

Wszystkie te cechy masy perłowej zainteresowały amerykańskich badaczy, w momencie gdy realizowali oni projekt, który miał doprowadzić do opracowania tworzywa sztucznego, cechującego się ponadprzeciętnymi właściwościami w zakresie odporności na uderzenia i złamania.

Takie tworzywo to duży przełom, bo aktualnie nauka zna jedynie metody wykonywania z pojedynczych atomów węgla niezwykle wytrzymałych nanopręcików lub nanorurek, używanych m.in. w technologiach kosmicznych, ale nie potrafi jeszcze zbudować z nich większego obiektu. Wszystko przez to, że dysponuje materiałem mocno łamliwym.

- Cały czas zastanawialiśmy się jak z wytrzymałych nanobloków lub nanorurek stworzyć tak samo twarde i stabilne tworzywo sztuczne – mówi prof. Nicholas Kotov, stojący na czele zespołu badawczego. - W końcu jednak osiągnęliśmy sukces, bo zastosowane przez nas tworzywo ma budowę typu „cegły i zaprawy". Jego strukturę doskonale naśladuje budowę macicy perłowej. „Zaprawą" jest rozpuszczalny w wodzie polimer w postaci alkoholu poliwinylowgo. Z kolei materiałem budulcowym, czyli cegłami są drobiny montmorillonitu – dodaje profesor Kotov.

Montmorillonit jest to minerał z gromady krzemianów zaliczany do minerałów ilastych. Jest wyjątkowo szeroko rozpowszechniony i tworzy bardzo drobne, łuskowate kryształy o średnicy, która nie przekracza 1 mikrometra. Występuje w skupieniach zbitych, woskowych lub ziemistych i proszkowych. Niekiedy tworzy też drobnoziarniste agregaty, przyjmujące formy „robakowate" lub sferolityczne. Stanowi ważny surowiec przemysłu ceramicznego, gumowego, papierniczego, farmaceutycznego, chemicznego i spożywczego. Ponadto jest składnikiem nawozów mineralnych, płuczki wiertniczej. Jest też używany przy rekultywacji terenów skażonych metalami ciężkimi. Występuje w grupach minerałów ilastych i powstaje za sprawą wietrzenia różnych skał krystalicznych. Gromadzi się w osadach morskich i jeziorach. W Polsce jest dostępny na Kujawach i Dolnym Śląsku.

W jaki sposób powstawało nowe tworzywo? Do jego budowy pomocna była specjalnie stworzona maszyna. Składała się m.in. ze zautomatyzowanego ramienia, do którego przyczepiono minimalny kawałek szkła. Szkło było podstawą, na którą później nałożono kolejne warstwy plastiku.

Proces przebiegał w kilku fazach. Pierwszy polegał na tym, że szkło zanurzono w roztworze polimeru. Następnie ramię przetransportowało je do płynu, w którym znajdowały się nanoblaszki z montmorillonitów. Kryształki przyklejały się do polimeru, tworząc pierwszą warstwę plastiku. Warstwa stopniowa schła, po czym proces powtarzano.

Po nałożeniu na siebie 300 warstw, powstające tworzywo sztuczne osiągnęło grubość zbliżoną do grubości taśmy klejącej. Otrzymany w ten sposób plastik cechował się twardością zbliżoną do stali. Trudno było go też złamać. Pomiary na super czułej wadze dowiodły natomiast, że jest lżejszy od stali. Co ważne do jego wytworzenia nie potrzeba wielkich nakładów finansowych. Składniki obu warstw są bowiem bardzo łatwe do zdobycia.