Materiály sú základom každého výrobného procesu. Aj keď výrobné spoločnosti uprednostňujú používanie osvedčených materiálov, výkon a funkčnosť produktu sa často dajú zlepšiť pomocou nových materiálov. Pokročilé, inteligentné a udržateľné materiály môžu poskytnúť vysoko špecifické vlastnosti, ktoré zlepšujú odolnosť a výkonnosť produktu a zabezpečujú inovatívne dizajnové prvky.

Pokročilé a inteligentné materiály

Pokročilé materiály možno definovať ako materiály, ktoré majú nové alebo jedinečné vlastnosti, alebo vykazujú lepšie mechanické, tepelné, elektrické, optické, chemické vlastnosti v porovnaní s tradičnými materiálmi. Pokročilé materiály sú základným faktorom, ktorý nám pomáha vybudovať udržateľnejšiu ekonomiku, či už prostredníctvom materiálov pre solárne panely na výrobu obnoviteľnej energie, materiálov na zvýšenie dojazdu batérií pre elektrické vozidlá alebo spôsobov výroby ocele, plastov, cementu a iných komodít pri súčasnom znížení emisií skleníkových plynov.

Okrem pokročilých materiálov sa vyvíja nová generácia inteligentných materiálov. Takzvaný inteligentný materiál je schopný spontánne meniť svoje fyzikálne vlastnosti (najmä tvar, viskozitu, farbu) v reakcii na prirodzené alebo vyvolané javy. Inteligentný materiál je teda schopný prispôsobiť svoju reakciu, signalizovať zmenu prostredia a v niektorých prípadoch aj prijať nápravné opatrenia. Môže sa správať ako senzor (detegovať signály), aktuátor (konať vo svojom okolí) alebo niekedy ako procesor (spracúvať, porovnávať, ukladať informácie).

Vybrané pokročilé a inteligentné materiály

Zoznam pokročilých a inteligentných materiálov sa neustále rozrastá, rovnako ako oblasť aplikácií v priemysle, stavebníctve, medicíne alebo v biológii. Napríklad v oblasti stavebníctva umožňujú určité iónové polyméry zaskliť okná inteligentným spôsobom. Materiál môže byť nepriehľadný alebo transparentný v priebehu niekoľkých sekúnd s cieľom lepšieho riadenia svetla v budove

Ďalej uvádzame niektoré pôsobivé materiály z posledných rokov:

Grafén. Je veľmi nádejným materiálom pre svoju mechanickú pevnosť (200-krát pevnejší ako oceľ), vynikajúcu schopnosť viesť elektrickú energiu a jeho ultratenkú, v podstate dvojrozmernú štruktúru. Jeho potenciálne využitie je takmer neobmedzené: batérie s väčšou autonómiou, lacnejšie fotovoltické solárne články, rýchlejšie počítače, flexibilné elektronické zariadenia, odolnejšie budovy aj bionické končatiny.

Celulózové nanovlákna. Kráľovský technologický inštitút KTH vo Švédsku vyvinul superpevný, biologicky odbúrateľný materiál s použitím celulózových nanovlákien z dreva. Jedinečná nanoštruktúra materiálu je osemkrát tuhšia ako pavučina, ktorá je považovaná za najsilnejší biomateriál, a pevnejšia ako oceľ. Tento materiál by mohol byť ekologickou náhradou plastu.

Shrilk. Jeho hlavnou zložkou je chitín, sacharid nachádzajúci sa v lastúrach kreviet. Vytvorili ho výskumníci z Harvardovej univerzity a je považovaný za ideálnu náhradu plastu, keďže doba jeho rozkladu je len dva týždne; funguje aj ako stimulant rastu rastlín.

Uhlíkový betón. Výskumníci študujú, ako vystužiť betón uhlíkovými vláknami na zvýšenie jeho pevnosti a odolnosti. Veľkou výhodou uhlíka je, že neoxiduje. Na rozdiel od železobetónu, ktorý môže hrdzavieť a znehodnocovať štruktúru, nie sú potrebné žiadne hrubé betónové vrstvy na ochranu uhlíka. Pridanie uhlíka do betónu zvyšuje jeho nosnosť päť- až šesťkrát v porovnaní s tradičným železobetónom, je štyrikrát ľahší a má výrazne dlhšiu životnosť.

Syntetická pavučina. Tento materiál je nielen päťkrát pevnejší ako oceľ, ale má aj veľkú elasticitu. Medzi jeho potenciálne využitie patrí: nepriestrelné oblečenie, umelá koža na popáleniny alebo vodoodolné lepidlá. Teraz vedci objavili ďalšiu jedinečnú mechanickú vlastnosť: nad určitou úrovňou vlhkosti vo vzduchu sa vlákna pavúčieho hodvábu náhle stiahnu a skrútia. Tento proces, nazývaný superkontrakcia, vyvíja dostatočnú torznú silu, aby mohol konkurovať iným materiálom na použitie v aktuátoroch a iných riadiacich zariadeniach.

Magnetoreologické materiály. Pri pôsobení magnetického poľa menia svoje vlastnosti. V súčasnosti sa napríklad používajú v tlmičoch, aby sa zabránilo seizmickým vibráciám na mostoch alebo mrakodrapoch.

Okrem toho existujú aj iné materiály, ktoré sa v posledných rokoch zlepšovali a vyvíjali. Medzi ne patrí stanén, ktorý by mohol byť superkondenzátorom budúcnosti, oxid vanadičitý so schopnosťou prenášať elektrickú energiu bez vyžarovania tepla, čo sľubuje revolúciu v elektronike, a termochromický cement a samoopravný betón určené na zvýšenie energetickej účinnosti a životnosti budov.

Sľubné vyhliadky

Osobitnú pozornosť venujeme trom veľkým oblastiam v neustále sa vyvíjajúcej oblasti pokročilých materiálov:

Biovýroba: použitie upravených mikróbov na vytváranie nových materiálov, čiastočne poháňané inováciami v syntetickej biológii a často využívaním pokročilej bioinformatiky a umelej inteligencie (UI). Tieto metódy môžu produkovať materiály, ktoré sa nedajú ľahko vyrobiť bežnými syntetickými procesmi a vykazujú nové vlastnosti. Zaujímavé príklady možno nájsť v oblasti potravín a nápojov, kde sa mnohí pýtajú: Ako vyrobíme hovädzie mäso alebo mliečne bielkoviny bez kráv?

Materiálová informatika: aplikácia UI a strojového učenia pri objavovaní a výbere materiálov. Vedci môžu tento softvér použiť na rýchle určenie, ktoré materiály najlepšie vyhovujú ich potrebám, alebo na predpovedanie výkonu nových materiálov alebo formulácií s cieľom identifikovať najlepších kandidátov na testovanie v laboratóriách. Napríklad spoločnosť Panasonic nedávno uzavrela partnerstvo s platformou materiálovej informatiky Citrine s cieľom výrazne urýchliť vývoj nového, výkonnejšieho organického polovodičového materiálu pre aplikácie internetu vecí.

Metamateriály: materiály vyrobené v laboratóriu s nezvyčajnými fyzikálnymi vlastnosťami, ktoré sa v prírode nevyskytujú. Existuje rozširujúci sa zoznam aplikácií na uplatnenie týchto materiálov, od plochých šošoviek cez 3D tlačené štrukturálne mriežky až po smerové antény s plochým panelom, ktoré možno elektronicky riadiť pre satelitnú komunikáciu.

Inovácie v doprave

Spoločnosť Airbus sa podieľa na výskume v oblasti inteligentných materiálov v Národnom stredisku kompozitov na Bristolskej univerzite, čím podporuje prijatie inteligentných materiálov v leteckom priemysle.

Povrch lietadla, ktorý sa sám opraví – odstránia sa ryhy a priehlbiny pri zachovaní optimálnej aerodynamiky, sa v dnešnej dobe stáva realitou. Komponenty lietadla sú vyrobené z kompozitného materiálu, ktorý bol potiahnutý tenkou vrstvou nanosenzorov. Tento povlak slúži ako „nervový systém“, ktorý umožňuje komponentom snímať rôzne parametre, ako je tlak a teplota. Keď krídla lietadla zaznamenajú poškodenie, vyšle sa signál do mikroguľôčok nevytvrdeného materiálu v nanokryštálovom povlaku. Tento signál dáva pokyn mikroguľôčkam, aby uvoľnili svoj obsah v poškodenej oblasti a potom začali vytvrdzovať, podobne ako keď nanesiete lepidlo na prasklinu a necháte ju vytvrdnúť.

Nielen letecký, ale aj automobilový priemysel môže využívať inteligentné materiály na výrobu áut, ktoré nielen snímajú poškodenie a samo sa uzdravujú, ale aj zbierajú údaje o výkone, ktoré môžu byť spätne zapracované do procesu návrhu a konštrukcie. Projekt Hackrod spája technologických partnerov s tímom automobilových nadšencov v južnej Kalifornii. Cieľom projektu je navrhnúť prvé auto v histórii s inteligentnými materiálmi a skonštruované pomocou umelej inteligencie.

V ďalšom príklade Paulo Gameiro, koordinátor projektu HARKEN financovaného EÚ a manažér výskumu a vývoja pre portugalského dodávateľa automobilového textilu Borgstena, vyvíja prototyp sedadla a bezpečnostného pásu, ktorý využíva inteligentné textílie so zabudovanými senzormi na meranie srdcového rytmu a dýchania vodiča, aby boli cestujúci upozornení, ak vodič vykazuje známky ospalosti.

Inovácie v infraštruktúre

V súčasnosti sa cesty, mosty a ďalšie časti infraštruktúry pomaly rozpadajú v dôsledku opotrebovania a vystavenia prírodným živlom. Prípadným nehodám by sa dalo predísť, ak by sa tieto infraštruktúry vybudovali z inteligentného betónu. „Nervový systém“ v betóne by mohol neustále monitorovať a vyhodnocovať stav infraštruktúry a iniciovať samočinnú opravu hneď, ako dôjde k akémukoľvek poškodeniu.

Massachusettský technologický inštitút (MIT) v súčasnosti pracuje na veľkom projekte s názvom ZERO+, ktorého cieľom je prebudovať stavebný priemysel zavedením takýchto pokrokových kompozitných materiálov.

Inteligentné materiály zohrávajú kľúčovú úlohu pri zmene spôsobu fungovania priemyselných odvetví. Tieto materiály pomáhajú pri navrhovaní futuristických produktov pre širokú škálu priemyselných odvetví. Vyhliadky trhu s inteligentnými materiálmi, inteligentnými štruktúrami a súvisiacimi aplikáciami sa teda v blízkej budúcnosti javia ako celkom sľubné.

Zdroje

[1] Sci-fi becoming a Reality with Smart Materials. FutureBridge. [online]. Citované 22. 2. 2022. 

[2] Smart materials, discover the materials with which we will shape the future. Iberdrola. [online]. Citované 22. 2. 2022. 

[3] 9 Material Discoveries that Could Transform Manufacturing. ASME. [online]. Publikované 13. 5. 2020. Citované 22. 2. 2022.