Majhnost kot velika tehnološka prednost

Materiali, kakor rečemo snovem za izdelavo najrazličnejših stvari in najraznovrstnejših bolj ali manj uporabnih predmetov, ki nas obdajajo v vsakdanjem življenju, so vse prej kot brezhibni ali celo popolni. Nič čudnega torej, da se je prvi teden marca v San Antoniu v zvezni državi Teksas zasedanja Ameriškega fizikalnega združenja udeležilo skoraj 10.000 znanstvenikov in študentov tehničnih in naravoslovnih ved. Dogodek je bil namenjen prav snovanju in predstavitvi novih, boljših, uporabnejših materialov.

Fizikom nikakor ne zmanjka zamisli o tako imenovanih metamaterialih, ki bi s pravilno zasnovo dobili vrsto presenetljivih značilnosti. Že samo z odvzemanjem delcev strukture določenega materiala so strokovnjaki dosegli številne koristne lastnosti, od lepšega videza do večje trdnosti ali nosilnosti. In vse kaže, da bo naslednja stopnja izboljšav prav spreminjanje mehanskih značilnosti obstoječih neoptimalnih materialov.

Tako iz San Antonia poročajo o vrsti sijajnih idej, oblikovnih domislic in vzorcev – od »prožne« keramike, do posebnih ovojev ali »plaščev«, ki »skrijejo« otip, in programiranih gumijastih gob. Tudi zamisli o uporabnosti takšnih metamaterialov segajo od vesoljske tehnike do povsem vsakdanjih snovi, denimo za izdelavo podplatov, ki zaznajo spremembo terena, po katerem hodimo.

Zamisel o metamaterialih prodira na čedalje več področij, je prepričan dr. Martin Wegener z nemškega Tehnološkega inštituta v Karlsruheju. »Sprva je veliko navdušenje vladalo za elektromagnetizem, pozneje se je ta entuziazem razširil na termodinamiko in zdaj očitno na mehaniko.«

Po besedah tega nemškega znanstvenika so metamateriali na splošno uporabni za izdelavo najrazličnejših, »tako malce nenavadnih kot zelo lepo oblikovanih« predmetov; ponavadi pa ta izraz pomeni, da nekemu materialu vcepijo nenavadne značilnosti, kakršnih izvirni gradniki ne zagotavljajo.

Otip, ki izginja

Profesor Wegener se v zadnjem času posveča predvsem proučevanju pojava »skrivanja« (cloaking), toda njegov cilj ni narediti stvari, ki bi bile nevidne za človeško oko in senzorje. Dejansko jih namreč poskuša »skriti« pred fizično silo. V njegovem laboratoriju so izdelali posebno snov, podobno koščku čebeljega satja, ki predmet pod njim kratko malo »skrije« pred človeškim otipom.

Ta svojevrstni metamaterial je nekakšna trdna rešetka, ki pa se v določenih razmerah obnaša kakor tekočina, saj vztrajno odvrača oziroma razpršuje fizični pritisk okoli »skritega« predmeta pod njim in okoli njega.

V konkretnem primeru je ta skriti predmet resda le miniaturni valj, manjši od enega milimetra. Toda delo nemškega laboratorija so z nezmanjšano vnemo nadaljevali francoski fiziki in inženirji, in ti so dognali, da je mogoče z natančnim vzorcem v valj izvrtanih luknjic preprečiti uničujoče posledice potresnih tresljajev.

Pa to še ni bilo vse. Ko so strokovnjaki pozornost usmerili na širšo sliko, so ugotovili, da je mogoče celo naravni teren spremeniti v svojevrsten metamaterial: v konkretnem primeru tehnološko spremenjena naravna tla lahko zaščitijo na njih stoječo elektrarno (v prenesenem pomenu jo torej »skrijejo«) pred potresnimi vibracijami.

Programirana snov

Predstavniki Univerze v Leidnu na Nizozemskem so poročevalcem prikazali snov, ki je po njihovih besedah nič manj kot »prvi mehansko programirani material vseh časov«.

Na prvi pogled je to presenetljivo običajen kos gume s številnimi luknjicami. A ne kakršnimikoli: te luknjice dveh velikosti so zasnovane tako, da se lahko skrčijo bodisi navpično bodisi vstran. Za določitev smeri, v katero se skrčijo, pa skrbi posebna spona.

Končni rezultat tega izjemno precizno »navrtanega« kosa gume je tako nekakšna goba, ki je enkrat trda, drugič mehka in tretjič v vmesnem mehko-trdem stanju, odvisno pač od stopnje pritiskanja.

Če se ta novi metamaterial pod pritiskom zmehča, temu pojavu rečejo »negativna togost«. Ta lastnost je tako nenavadna, da se njeni avtorji zanjo še niti niso domislili najustreznejše uporabe.

So pa pri teh kosih umetelno perforirane gume ugotovili potencialno zelo uporabno lastnost: zmožni so namreč vpijati energijo. Izdelovalci avtomobilskih odbijačev, denimo, bi bili gotovo veseli snovi, ki bi bila med vožnjo skozi naselje čim mehkejša. In nasprotno, med vožnjo po avtocesti bi isti odbijači iz tega metamateriala postali zelo trdi. Predstavniki omenjene nizozemske univerze se že pogovarjajo z izdelovalci obutve; njih ta metamaterial zanima predvsem kot snov za izdelavo podplatov, ki bi lahko zaznavali lastnosti terena in se mu ustrezno prilagajali.

Svojevrstna elastičnost

Tudi dr. Katia Bertoldi na univerzi Harvard proučuje nenavadne elastične snovi, za kakršne je značilno tako imenovano negativno Poissonovo razmerje.

To razmerje, poimenovano po francoskem matematiku in fiziku Siméonu Denisu Poissonu (1781–1840), po njenih besedah pomeni naslednje: namesto da bi se elastični metamaterial pod pritiskom sploščil in razširil, se v resnici skrči, in to po vseh smereh!

Pa tudi ko se raztegne, se razširi v vse smeri. V delovni skupini profesorice Bertoldi so zasnovali že nekaj uporabnih lastnosti takšnih snovi. Ena je ta, da takšen metamaterial pod različnim pritiskom absorbira zvok različnih frekvenc.

Poissonovo razmerje lahko omili tudi tako imenovano utrujenost kovin. V sodelovanju s proizvajalcem letalskih turbin Rolls Royceom omenjena skupina znanstvenikov tako poskuša zasnovati sestavne dele za vzdržljivejše motorje: zaradi kompleksnega vzorca precizno izdolbenih rež naj bi takšni motorji vzdržali precej več ciklov obratovanja kakor sedanji.

»Skratka, da dobimo edinstvene značilnosti, lahko zasnujemo bodisi zelo kompleksne sestavne bloke – ali pa uporabimo povsem preproste dele, ki jih preuredimo na nov, potencialno zanimiv način,« pojasnjuje profesorica Bertoldi.

Prožna keramika

Kalifornijski tehnološki inštitut pa je v Teksasu predstavil miniaturni kos keramike, ki je zmožna nečesa doslej nepojmljivega: vzdrži pritisk, ki jo stisne do polovice, nato pa »skoči« nazaj v prvotno stanje in obliko!

Pri izdelavi tega zanimivega metamateriala so uporabili tehniko gradnje ene atomske plasti na drugo in tako ustvarili omrežje votlih keramičnih cevčic. Te so debele le nekaj nanometrov (milijonink milimetra), celotna »rešetka« pa je tanjša od kosa papirja.

Surovina za to »metakeramično« snov je aluminijev oksid, ki je sicer močnejši od jekla, a kot večina keramike tudi zelo krhek in drobljiv. Toda pri pravi debelosti sten omenjenih cevčic mali kos nove keramike po udarcu kratko malo skoči nazaj v prvotno stanje.

Predstavljeni predmet je seveda še veliko premajhen za uporabo v vsakdanjem življenju, toda z nadaljnjim razvojem, podprtim z ustreznim financiranjem, bo izboljšana keramika zagotovo našla pot v sleherno gospodinjstvo – »zlasti tja, kjer se obstoječi materiali ne obnesejo najbolje«, so prepričani na Kalifornijskem tehnološkem inštitutu.

In takšnih neoptimalnih materialov je, kot rečeno, veliko. Ali z besedami profesorja Mirana Gaberščka s Kemijskega inštituta v Ljubljani: »Ključen je vpogled v samo srčiko materiala – v to, kako so v njem razporejeni atomi. Dobesedno jih moramo videti, nato pa z ustreznim razmislekom ustvariti nove, boljše snovi. Kajti več kot 90 odstotkov sedanjih materialov je absolutno preslabih,« je pred časom povedal v intervjuju za Znanost.

Majhnost je torej tudi v tehnološkem oziru lahko velika prednost. »Vsak material, ki ga lahko nadzorujemo na zelo majhni ravni – trenutno je to pač nano – je neprimerno boljši od tistega, ki ga ne moremo kontrolirati. Tak material ima namreč veliko manj defektov, napak.«