~ * Γυαλί καλύτερο από ατσάλι! * ~

Ενα νέο υλικό με βάση το παλλάδιο υπόσχεται επιδόσεις ατσαλιού και όψη γυαλιού! Αναμένονται άμεσα εφαρμογές του στην οδοντιατρική, αλλά και στις οθόνες κινητών και ρολογιών

Το 1851 η Βιομηχανική Επανάσταση γιορτάστηκε στην κοιτίδα της με ένα πρωτόγνωρο μέγαρο από γυαλί και σίδηρο, που στήθηκε στο Ηyde Ρark του Λονδίνου για να στεγάσει την τότε Μεγάλη Εκθεση. Ηταν το λεγόμενο Crystal Ρalace. Σχεδόν έναν αιώνα μετά, το 1941, το έκαψαν για να μη δίνει στόχο στα γερμανικά βομβαρδιστικά. Αποχαιρετώντας το, ο Τσόρτσιλ είπε: «Αυτό είναι το τέλος μιας εποχής». Τώρα, τη χρονιά που οι Βρετανοί συζητούν την αναστήλωση του Crystal Ρalace, ένας Κύπριος προσφέρει τη δυνατότητα ενός μεγάρου... μόνο από γυαλί, που δεν θα φοβάται τη φωτιά, καθώς το υλικό του θα είναι ισχυρότερο από... ατσάλι. Πρόκειται για τον Μάριο Δημητρίου και το «ατσαλόγυαλό του» από παλλάδιο, που σίγουρα χαράσσει την αρχή μιας νέας εποχής!

 

 

Μάχη αντοχής - ανθεκτικότητας

Σε όλη την ιστορία του πολιτισμού του ο άνθρωπος αποζητεί μετά μανίας υλικά που να συνδυάζουν τα χαρακτηριστικά της σκληρότητας, της στιλπνότητας και της αντοχής. Ει δυνατόν και της ευκαμψίας τους, στη φάση της κατεργασίας. Ετσι φθάσαμε στην «εποχή του σιδήρου», όπου το άκαμπτο και σκληρό ατσάλι έγινε το φετίχ στρατηγών και αρχιτεκτόνων. Ωστόσο ένα μυστικό ελάττωμα έμενε κρυφός καημός: Δεν υπήρχε μέταλλο ή κράμα του που να συνδυάζει απόλυτα όλα τα επιθυμητά χαρακτηριστικά. Ο λόγος είναι ότι όσο αυξάνεται η ανθεκτικότητα (αγγλ. toughness) τόσο μειώνεται η αντοχή (strength) στην καταπόνηση του υλικού, άρα και στη θραύση του. Χαρακτηριστικά, το πιο σκληρό και ανθεκτικό ατσάλι είναι το maraging steel - ένα κράμα με 15%25% νικέλιο-, το οποίο όμως δεν μπορεί να διατηρήσει αιχμηρή κόψη. Ο λόγος είναι ότι όλα τα μέταλλα έχουν μια κρυσταλλική δομή, μέσω της οποίας οι ρωγμές θραύσης διαχέονται, αλλά όσο πιο σύνθετη είναι αυτή η δομή τόσο μειώνεται η ομοιογένεια της επιφάνειάς τους. Στον αντίποδα, τη μεγαλύτερη ανθεκτικότητα (δηλαδή, στιλπνότητα επιφάνειας, αντοχή στο χάραγμα και διατήρηση μορφής) έχουν υλικά με άμορφη δομή- διόλου κρυσταλλική-, όπως το γυαλί. Γνωρίζουμε όμως όλοι το τίμημα: το άκαμπτο γυαλί θρυμματίζεται εύκολα.

 

Αγώνας με την ύλη

Εδώ και πενήντα χρόνια η επιστήμη των υλικών καταγίνεται με την προσπάθεια να γεφυρώσει αυτό το χάσμα, δημιουργώντας «υαλομέταλλα». Ο χρυσός κανόνας των ερευνητών του τομέα είναι να πειραματίζονται με τουλάχιστον πέντε διαφορετικά μεταλλικά στοιχεία σε κάθε κράμα, ώστε όταν τεθεί υπό καταπόνηση το υλικό να... μην μπορεί να αποφασίσει ποια από τις πέντε κρυσταλλικές δομές θα ακολουθήσει και να καταλήγει να συμπεριφέρεται ως άμορφο!

Στις ΗΠΑ, ένα σπουδαίο τέτοιο κέντρο έρευνας βρίσκεται στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας (το γνωστό Cal Τech). Προσφάτως συνεργάστηκε με το γειτονικό εθνικό εργαστήριο δοκιμών Lawrence Βerkeley Νational Laboratory. Επειτα από 109 πειραματισμούς, ο κύριος ερευνητής υλικών του Cal Τech Μάριος Δημητρίου κατόρθωσε να δομήσει ένα ατσαλόγυαλο από παλλάδιο (Ρd79Αg3.5Ρ6Si9.5Ge2 η σύστασή του) που συμπεριφερόταν ιδανικά. Η εργασία αυτή δημοσιεύθηκε στο διαδικτυακό περιοδικό Νature Μaterials μόλις στις 9 Ιανουαρίου 2011, υπό τον τίτλο «Α damage-tolerant glass», και κάνει ήδη τον γύρο του κόσμου.

Ο Μarios D. Demetriou γεννήθηκε ως Μάριος Δημητρίου το 1970, στη Λεμεσό της Κύπρου. Το 1993 πήγε στις ΗΠΑ, όπου σπούδασε Μηχανολογία στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνας και πήρε το μεταπτυχιακό του από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Λος Αντζελες. Το 2001 απέκτησε από το ίδιο πανεπιστήμιο το διδακτορικό του και από τότε εργάζεται στο Cal Τech ως ερευνητής της Επιστήμης Υλικών, στον τομέα Μεταλλικής Υάλου. Επικοινωνήσαμε διαδικτυακά μαζί του και τον ρωτήσαμε τι εννοεί με τον όρο damage-tolerant.

 

 

 

Το νέο υλικό

«Ο τελικός στόχος της αναζήτησης καλύτερων δομικών υλικών», μας απάντησε, «υπήρξε πάντα η επίτευξη τόσο της ανθεκτικότητας όσο και της αντοχής,ιδιότητες που συναπαρτίζουν την ανοχή καταστροφής, αγγλιστί damage-tolerance. Θα περίμενε κανείς ότι η ανθεκτικότητα είναι συμβατή με την αντοχή,αλλά στην πραγματικότητα αντιπαλεύουν η μία την άλλη. Δείτε, για παράδειγμα, τι συμβαίνει στον κόσμο του ατσαλιού:Το mild steel είναι ένα από τα γνωστότερα ανθεκτικά υλικά,αλλά είναι σχετικά αδύναμο. Στο άλλο άκρο,το maraging steel παρουσιάζει δεκαπλάσια αντοχή,αλλά είναι δέκα φορές λιγότερο ανθεκτικό. Το μεταλλικό γυαλί που μόλις αναπτύξαμε είναι ίσως το πρώτο υλικό που επιδεικνύει υψηλή αντοχή συνάμα με υψηλή ανθεκτικότητα.Οπτικά και ηλεκτρονικά το υλικό αυτό είναι μεταλλικό,αλλά ως προς την ατομική δομή είναι άμορφο,όπως περίπου το κοινό γυαλί των παραθύρων».

Αμεσες εφαρμογές
Επόμενο ήταν να ρωτήσουμε αν πρόκειται να δούμε το υλικό αυτό να χρησιμοποιείται τόσο ευρέως ως δομικό στοιχείο όσο το γυαλί και το ατσάλι.

«Οχι ακόμη» ήταν η απάντηση. «Ο λόγος είναι ότι το παλλάδιο είναι ευγενές μέταλλο,άρα ακριβό.Ο τομέας που μπορεί να το αξιοποιήσει στην τωρινή μορφή του είναι πρωτίστως η οδοντιατρική, όπου μπορεί να αντικαταστήσει τα τρέχοντα οδοντικά κράματα παλλαδίου, καθόσον δεν εμπεριέχει καμία τοξική ή αλλεργιογόνο ουσία,είναι πιο αντισκωρικό και μπορεί να υποστεί πλαστική κατεργασία. Αμέσως επόμενοι τομείς είναι είτε τα είδη πολυτελείας (όπως άθραυστες οθόνες ρολογιών και κινητών τηλεφώνων,περιβλήματα συσκευών και μπαστούνια του γκολφ...) ή είδη αεροδιαστημικής τεχνολογίας. Για να φθάσουμε στην εποχή της μαζικής χρήσης του ως δομικού υλικού θα πρέπει να περιμένετε το υλικό που τώρα σχεδιάζουμε,ένα ατσαλόγυαλο βασισμένο σε χαλκό,σίδηρο ή αλουμίνιο». Οταν το καταφέρουν, η εποχή του κλασικού σιδήρου θα έχει λήξει για πάντα.
a.kafantaris@gmail.com


www.tovima.gr/