Bez filmového pásku, vyrobeného z patřičně průhledného, ohebného a odolného materiálu, bychom nepoznali herecké hvězdy z celého světa. Nové materiály pomáhají sportovcům překonávat staré rekordy. Příklad z minulosti: jak skokani o tyči postupně přecházeli od bambusu k oceli a posléze ke kompozitnímu laminátu, rostla i výška zdolávané laťky. A právě nové materiály také umožňují prudký vývoj počítačové techniky i dalších průmyslových odvětví. Miroslav Raab, vedoucí vědecký pracovník Ústavu makromolekulární chemie Akademie věd a docent Technologické fakulty Vysokého učení technického ve Zlíně, nedávno vydal knihu Materiály a člověk, která představuje čtivý průřez historií, současností i budoucností tohoto oboru.
V knize tvrdíte, že vývoj nových materiálů vlastně nemá žádné hranice. Ale proč?
Vycházím z dosavadního vývoje, který zatím nic neohraničuje. Jednotlivé třídy materiálů - tedy kovy, keramika, plasty a kompozity - si navzájem konkurují, a právě to jejich vývoj urychluje. Všude se projevují stejné tendence - zlepšování mechanických vlastností, snižování hmotnosti a zvyšování teplotní odolnosti.
Ovšem mnohé prognózy i od velice renomovaných vědců se často nenaplňují. Jak je to v oblasti nových materiálů?
Ano, i tady některé předpovědi selhaly. Mohu to dokumentovat třeba na případu plastů. Pro názornost si je rozdělme do tří skupin, které vytvářejí jakousi pyramidu. Ve spodní, největší části máme takzvané velkotonážní neboli komoditní plasty, jako je polypropylen, různé typy polyetylenů, polyvinylchlorid (PVC) a polystyren. Tyto materiály se vyrábějí v největších objemech. Prostřední vrstvu pyramidy tvoří konstrukční plasty, mezi něž patří polyamidy, polykarbonáty a také různé polymerní směsi a kompozity. Mají lepší mechanické vlastnosti a odolávají vyšším teplotám, ale jsou dražší. Ve špičce pyramidy pak máme plasty speciální. Jsou velice drahé, ale nabízejí unikátní vlastnosti. Příkladem může být vlákno kevlar i jiné kapalně krystalické materiály, teflon a polymery pro medicínu. V polovině sedmdesátých let vyšla prognóza, podle níž se měla naše pyramida během dvaceti let vlastně obrátit. Největší nárůst se očekával u speciálních plastů, které měly dosáhnout 37 procent objemu veškeré výroby plastů s tím, že konečnou převahu budou mít konstrukční plasty podílem 44 procent. Ve skutečnosti se vývoj ubíral právě opačným směrem. Na plasty komoditní nyní připadá 90 procent výroby všech plastových materiálů, zatímco na speciální plasty pouze 0,3 procenta.
Jaký je důvod?
Způsobil to vědecký výzkum. Podařilo se například vyvinout nové modifikace polypropylenu, které se velmi hodí konstruktérům automobilů a také k výrobě různých potrubí i nábytku. Rovněž polyvinylchlorid zůstává v mnoha směrech stále nenahraditelný. Důvod je jasný. Výrazně se zlepšily vlastnosti těchto materiálů, a přitom jejich cena - a na to prognostici zapomněli – zůstává nízká.
A teď zkuste prorokovat další vývoj.
Probíhá na dvou frontách. Na jedné straně pokračuje výzkum zcela nových materiálů a systémů pro fascinující špičkové použití, kam počítáme speciální membrány, supravodiče, nové paměťové systémy, biosenzory a materiály pro cílený transport léčiv v lidském těle. Na druhé straně neustává úsilí o zkvalitnění a zlevnění běžných komoditních plastů. I na zdánlivě obyčejném polyetylenu je ještě ledacos k vylepšení. To před několika lety ukázal jeden holandský výrobce. Zákazníci si stěžovali, že mléko v obalech z jejich polyetylenu trochu zapáchá. Až usilovným výzkumem se podařilo upravit technologii výroby tak, že zápach zmizel - v materiálu potlačili podíl takzvaných velmi krátkých molekul. Tento případ připomíná starou zkušenost - setiny procenta nějaké příměsi mohou ovlivnit kvalitu 80 či 90 procent materiálu. To platí jak pro plasty, tak pro kovy.
Vraťme se ke speciálním materiálům...
Ani tam se vývoj nezastaví. Vždyť do této kategorie patří jak oční čočky, vlákna a látky používané při operacích, které se potom v lidském těle vstřebávají, tak materiály používané pro záznam a přenos informací. Všechny jsou velmi drahé, ale velice přispívají ke zkvalitnění života. Řada laboratoří se zabývá výzkumem takzvaných inteligentních materiálů, které reagují na vnější prostředí výraznou změnou svých vlastností. Například se zkoumají kapaliny, které mění míru svého vnitřního tření čili viskozity na povel daný elektrickým či magnetickým polem. Snad by se daly využít jako spojky s velmi plynulým záběrem k motorům aut. Ovšem na jejich zavedení do běžné praxe si ještě počkáme. V našem ústavu zkoumá profesor Michal Ilavský s několika doktorandy takzvané inteligentní gely. Ty mohou v závislosti na teplotě, složení, případně kyselosti vodného prostředí, v němž se uchovávají, měnit až stonásobně svůj objem, tuhost a další vlastnosti. Podobné látky se už používají k velice šetrnému zahušťování krevní plazmy. Kuličky gelu ve zkolabovaném stavu se vloží do plazmy, kde za pokojové teploty nabobtnají, aniž naruší krevní buňky, a kapalinu zahustí. Potom se gel v odstředivce oddělí od plazmy. Když nabobtnaný gel trochu zahřejeme, stačí asi pět stupňů, znovu zkolabuje, vypudí ze sebe vodu a celý proces se může opakovat do nekonečna. V posledních letech se daří cílevědomě ovlivňovat struktury materiálů až do rozměrů nanometrů, tedy miliontin milimetru. Vznikají tak nanomateriály čili nanokompozity. Jestliže se třeba do nějakého polymeru rozptýlí anorganické částice nanometrových rozměrů, a stačí jich velmi málo, pak jejich tuhost, pevnost a houževnatost pronikavě vzroste, navíc se potlačí propustnost a hořlavost. Není proto divu, že prezident Bill Clinton nedávno osobně podpořil výzkum nanomateriálů na amerických univerzitách.
Někteří badatelé hledají ke svým výzkumům inspiraci v přírodě. Jak je to u vás, materiálových specialistů?
Studium biologických materiálů je užitečnou oblastí materiálové vědy. Podivuhodně účelné jsou například struktury a mechanické vlastnosti měkkých a elastických tkání člověka, jako jsou šlachy, cévní stěny a různé tělní membrány. Za vůbec nejpevnější fóliový materiál v lidském těle považujeme tvrdou plenu mozkovou, která zvnějšku chrání mozek. Je nesmírně pevná, houževnatá, a navíc má podobně jako mnohé jiné měkké tkáně naprosto unikátní vlastnost - od určité hranice deformace začne její tuhost čili modul pružnosti materiálu prudce narůstat. Zdravá tkáň se tímto chováním brání proti nestabilitě, kterou může být místní vydutí stěny cévy, střeva nebo jiné pružné blány.
V knize tvrdíte, že vývoj nových materiálů vlastně nemá žádné hranice. Ale proč?
Vycházím z dosavadního vývoje, který zatím nic neohraničuje. Jednotlivé třídy materiálů - tedy kovy, keramika, plasty a kompozity - si navzájem konkurují, a právě to jejich vývoj urychluje. Všude se projevují stejné tendence - zlepšování mechanických vlastností, snižování hmotnosti a zvyšování teplotní odolnosti.
Ovšem mnohé prognózy i od velice renomovaných vědců se často nenaplňují. Jak je to v oblasti nových materiálů?
Ano, i tady některé předpovědi selhaly. Mohu to dokumentovat třeba na případu plastů. Pro názornost si je rozdělme do tří skupin, které vytvářejí jakousi pyramidu. Ve spodní, největší části máme takzvané velkotonážní neboli komoditní plasty, jako je polypropylen, různé typy polyetylenů, polyvinylchlorid (PVC) a polystyren. Tyto materiály se vyrábějí v největších objemech. Prostřední vrstvu pyramidy tvoří konstrukční plasty, mezi něž patří polyamidy, polykarbonáty a také různé polymerní směsi a kompozity. Mají lepší mechanické vlastnosti a odolávají vyšším teplotám, ale jsou dražší. Ve špičce pyramidy pak máme plasty speciální. Jsou velice drahé, ale nabízejí unikátní vlastnosti. Příkladem může být vlákno kevlar i jiné kapalně krystalické materiály, teflon a polymery pro medicínu. V polovině sedmdesátých let vyšla prognóza, podle níž se měla naše pyramida během dvaceti let vlastně obrátit. Největší nárůst se očekával u speciálních plastů, které měly dosáhnout 37 procent objemu veškeré výroby plastů s tím, že konečnou převahu budou mít konstrukční plasty podílem 44 procent. Ve skutečnosti se vývoj ubíral právě opačným směrem. Na plasty komoditní nyní připadá 90 procent výroby všech plastových materiálů, zatímco na speciální plasty pouze 0,3 procenta.
Jaký je důvod?
Způsobil to vědecký výzkum. Podařilo se například vyvinout nové modifikace polypropylenu, které se velmi hodí konstruktérům automobilů a také k výrobě různých potrubí i nábytku. Rovněž polyvinylchlorid zůstává v mnoha směrech stále nenahraditelný. Důvod je jasný. Výrazně se zlepšily vlastnosti těchto materiálů, a přitom jejich cena - a na to prognostici zapomněli – zůstává nízká.
A teď zkuste prorokovat další vývoj.
Probíhá na dvou frontách. Na jedné straně pokračuje výzkum zcela nových materiálů a systémů pro fascinující špičkové použití, kam počítáme speciální membrány, supravodiče, nové paměťové systémy, biosenzory a materiály pro cílený transport léčiv v lidském těle. Na druhé straně neustává úsilí o zkvalitnění a zlevnění běžných komoditních plastů. I na zdánlivě obyčejném polyetylenu je ještě ledacos k vylepšení. To před několika lety ukázal jeden holandský výrobce. Zákazníci si stěžovali, že mléko v obalech z jejich polyetylenu trochu zapáchá. Až usilovným výzkumem se podařilo upravit technologii výroby tak, že zápach zmizel - v materiálu potlačili podíl takzvaných velmi krátkých molekul. Tento případ připomíná starou zkušenost - setiny procenta nějaké příměsi mohou ovlivnit kvalitu 80 či 90 procent materiálu. To platí jak pro plasty, tak pro kovy.
Vraťme se ke speciálním materiálům...
Ani tam se vývoj nezastaví. Vždyť do této kategorie patří jak oční čočky, vlákna a látky používané při operacích, které se potom v lidském těle vstřebávají, tak materiály používané pro záznam a přenos informací. Všechny jsou velmi drahé, ale velice přispívají ke zkvalitnění života. Řada laboratoří se zabývá výzkumem takzvaných inteligentních materiálů, které reagují na vnější prostředí výraznou změnou svých vlastností. Například se zkoumají kapaliny, které mění míru svého vnitřního tření čili viskozity na povel daný elektrickým či magnetickým polem. Snad by se daly využít jako spojky s velmi plynulým záběrem k motorům aut. Ovšem na jejich zavedení do běžné praxe si ještě počkáme. V našem ústavu zkoumá profesor Michal Ilavský s několika doktorandy takzvané inteligentní gely. Ty mohou v závislosti na teplotě, složení, případně kyselosti vodného prostředí, v němž se uchovávají, měnit až stonásobně svůj objem, tuhost a další vlastnosti. Podobné látky se už používají k velice šetrnému zahušťování krevní plazmy. Kuličky gelu ve zkolabovaném stavu se vloží do plazmy, kde za pokojové teploty nabobtnají, aniž naruší krevní buňky, a kapalinu zahustí. Potom se gel v odstředivce oddělí od plazmy. Když nabobtnaný gel trochu zahřejeme, stačí asi pět stupňů, znovu zkolabuje, vypudí ze sebe vodu a celý proces se může opakovat do nekonečna. V posledních letech se daří cílevědomě ovlivňovat struktury materiálů až do rozměrů nanometrů, tedy miliontin milimetru. Vznikají tak nanomateriály čili nanokompozity. Jestliže se třeba do nějakého polymeru rozptýlí anorganické částice nanometrových rozměrů, a stačí jich velmi málo, pak jejich tuhost, pevnost a houževnatost pronikavě vzroste, navíc se potlačí propustnost a hořlavost. Není proto divu, že prezident Bill Clinton nedávno osobně podpořil výzkum nanomateriálů na amerických univerzitách.
Někteří badatelé hledají ke svým výzkumům inspiraci v přírodě. Jak je to u vás, materiálových specialistů?
Studium biologických materiálů je užitečnou oblastí materiálové vědy. Podivuhodně účelné jsou například struktury a mechanické vlastnosti měkkých a elastických tkání člověka, jako jsou šlachy, cévní stěny a různé tělní membrány. Za vůbec nejpevnější fóliový materiál v lidském těle považujeme tvrdou plenu mozkovou, která zvnějšku chrání mozek. Je nesmírně pevná, houževnatá, a navíc má podobně jako mnohé jiné měkké tkáně naprosto unikátní vlastnost - od určité hranice deformace začne její tuhost čili modul pružnosti materiálu prudce narůstat. Zdravá tkáň se tímto chováním brání proti nestabilitě, kterou může být místní vydutí stěny cévy, střeva nebo jiné pružné blány.
