Nový plast silný jako ocel

• | Tisk |

Podrobnosti

Vytvořeno 27. listopad 2007

Napsal Tereza Knířová

Tento nový druh plastu se skládá z vrstviček nanočástic a z vodou rozpustného polymeru, který se vyrábí podobně jako bílé lepidlo.

Technický profesor Nicholas Kotov nový vynález téměř pojmenoval „plastiková ocel“, ale materiál není natolik tažný, aby si název zasloužil. Nicméně Kotov uvádí, že jeho další vývoj by mohl vést například k lehčím a pevnějším pancířům pro vojáky nebo policii a samozřejmě také pro jejich vozidla. Bude ho možné použít v mikroelektromechanických součástkách, v biomedicínckých senzorech a ventilech nebo v letadlech bez posádky.

Kotov a ostatní členové výzkumného týmu z University of Michigan vyřešili problém, který trápí inženýry a profesory po celá desetiletí: jednotlivé nanočástice jako nanotrubičky, nanoplátky nebo nanotyčinky jsou sami o sobě nesmírně pevné. Problém nastává ve chvíli, kdy je potřeba z těchto částic vyrobit větší materiál. Tehdy si materiál nedokáže udržet vlastnosti jednotlivých částic, protože vazby mezi nimi jsou velice slabé. To platilo až do dnešních dnů.

„Ve chvíli, kdy se vědci snažili vytvořit něco, co mohou vzít do rukou, měli problémy přenést pevnost jednotlivých nanoplátků nebo nanotrubiček do vzniklého materiálu,“ vysvětluje Kotov. „My jsme předvedli, že můžeme dosáhnout téměř ideálního přenosu tlaku mezi nanoplátky a polymerovou formou.“

Cesta, jak toho docílit, je zdánlivě jednoduchá. Vědci využili strukturu cihlové zdi. Cihly v tomto případě tvoří jednotlivé nanočástice a maltou se stává polymer. Výsledkem je, že si celý materiál uchovává téměř stejné vlastnosti jako jednotlivé částice. „Materiál má vhodnou strukturu, takže jsme dosáhli téměř ideálního přenosu mechanických vlastností z nanosvěta do makroměřítek,“ říká Paul Podsiadlo, doktorand, který u výzkumu asistuje. „Pokud se nám podaří dosáhnout stejného s ostatními nanočásticemi, bude možné vyrobit lehké materiály, které zdaleka předčí svými vlastnostmi ocel,“ dodává.


„Pokud jednou máme strukturu podobající se struktuře cihel a malty, každá prasklina je omezena pouze do dalšího spoje,“ vysvětluje Kotov. „Je ale těžké toto vytvořit s částicemi v nanosvětě a navíc ve velkém měřítku. Ale přesně to se nám podařilo dosáhnout.“
 
Vědci sice dosáhli u tohoto materiálu odolnosti vůči deformaci a zatížení, ale pokračují dále v práci a to na zlepšení schopnosti materiálu vést energii, což by mělo vést k jeho větší pevnosti. „Chceme, aby tento materiál dokázal absorbovat energii z projektilu,“ dodává Ellen Artura, další spoluautorka studie.

Výroba tohoto nového kompozitního plastu probíhá za pomoci přístroje, který produkuje jednu vrstvu v nanorozměrech za druhou. Robotický přístroj se skládá z mechanické paže, která se pohybuje nad nádobkami s různými tekutinami. V tomto případě paže drží kousek skla o velikosti plátku žvýkačky, na kterém se vytváří nový materiál. Paže ponoří sklo do roztoku polymeru podobného lepidlu a poté do tekutiny, ve které jsou rozptýleny nanoplátky. Poté, co obě vrstvy zaschnou, se celý proces rozjede znovu. Toto se opakuje tak dlouho, dokud na kousku skla není 300 vrstev jak  polymeru, tak nanoplátků.

Polyvinyl alkohol, polymer podobný lepidlu, který byl použit v tomto pokusu, hraje v celém procesu velice důležitou roli, protože spojuje jednotlivé vrstvy nanočástic. Struktura nanolepidla a nanoplátků tak umožnila jednotlivým vrstvám vytvořit podpůrné vodíkové vazby, které daly vzniknout tomu, co Kotov nazývá „Velcro efekt“. „Velcro efekt“ spočívá v tom, že pokud dojde k porušení těchto vazeb, jednoduše se znovu vytvoří na novém místě. Velcro efekt je hlavním důvodem, proč tento materiál vykazuje takovou pevnost. Dalším je právě uspořádání nanoplátků do struktury, již zmiňované, cihlové zdi.


Impuls pro celý výzkum dalo minulý rok Ministerstvo obrany USA, které na něj také poskytlo grant. Ministerstvo obrany se zajímá o vývoj efektivnějšího obrnění pro bezpilotní letadla vzdušných sil, ale také pro vozidla a další oblasti ozbrojených sil.

Je těžké odhadnout cenu nového kompozitního plastu. Jeho složky nejsou drahé a proces výroby nevyžaduje ani příliš velké množství energie. To ale neznamená, že tento proces probíhá rychle. Cena bude záviset hlavně na tom, jak efektivně se povede vyrábět složka s rozptýlenými nanočásticemi a zda bude možné tuto část vyrábět ve velkém množství.

S rozvojem nového materiálu se také očekává menší negativní dopad na životní prostředí, protože supersilný polymer nepotřebuje tak vysoké teploty nebo tak obrovské množství energie, která je potřeba pro výrobu oceli.

Zdroj: NS.umich.edu