Technologie a budoucnost: Chytré materiály, které mění svět

Po celou dobu lidské historie byl výrazný technologický pokrok vždy spojen s využitím nových a stále dokonalejších materiálů (kámen, bronz, železo, umělé hmoty, polovodiče) pro technické aplikace. Ve 20. století se tímto motorem staly elektronika a rozvoj informačních technologií. Díky nim se materiálový výzkum nepředstavitelně zrychlil a přináší stále nové a nové materiály se stále vzrůstající mírou inteligence. Lepší představu o světě chytrých technických materiálů si nyní můžete udělat i díky 21. století.

Chytré materiály se představují

Slovo „chytrý“ (angl. smart) se v posledních letech stalo jedním z klíčových slov v oblasti moderního vědecko-technologického pokroku. Mluvíme např. o chytrých telefonech, chytré elektrické rozvodné síti či chytrých domácích spotřebičích. Méně již se ví o tom, že jistý stupeň „chytrosti“ mohou vykazovat samotné technické materiály, které v současnosti vyvíjejí materiáloví inženýři v laboratořích celého světa. Česko pochopitelně nevyjímaje.

Řekněme si nejprve, co ve světě inženýrů, vyvíjejících a používajících chytré technické materiály, vlastně znamená být „chytrý“.  Jsou tak nazývány v podstatě všechny látky, které mají schopnost rozpoznat vybranou změnu vnějších podmínek a výrazně na ni reagovat definovaným způsobem. Důležité je, aby se chovaly přesně tak, jak chtějí vědci, kteří materiál připravili a postupně odzkoušeli jeho vlastnosti. Za „čáry“ s chytrými technickými materiály je tak zodpovědná tradiční a dlužno říci, že ne vždy vysloveně oblíbená disciplína – stará dobrá fyzika.

Ten zlý z Terminátorů
Většina čtenářů 21. STOLETÍ jistě alespoň jednou v životě viděla film Terminátor II. Zlý robot z budoucnosti, Terminátor T-1000, má za úkol zabít Johna Connora, budoucího vůdce vzpoury lidí proti strojům. S obsazením role „hodného“ Terminátora typu T-800 si režisér Cameron nemusel příliš lámat hlavu: –celý film si vystačí s Arnoldem Schwarzeneggerem. S „modernějším“ T-1000 to měl však již o dost horší. Nejenže musel vystřídat několik herců, ale s dotvořením dokonalé iluze vývojově pokročilého robota mu musela napomoci řada počítačových triků.

Stroj z chytrého kovu
T-1000 je totiž vyroben z „chytrého“ kovu, kterému nedělá velký problém měnit svůj tvar, skupenství, mechanické i další vlastnosti.  Kov, z něhož je T-1000 vyroben, tak vlastně představuje sen materiálových inženýrů. Nejenže ochotně přizpůsobuje své vlastnosti vnějším podmínkám, velmi dobře si také „pamatuje“ svůj původní tvar a je za každých okolností schopen se do něj sám vrátit (zahojit svá poranění), ale je navíc vybaven i vysokým stupněm inteligence charakteristickým pro živou přírodu.  I když jsou vědci od tohoto ideálu stále na míle daleko, dalo by se říci, že jejich kroky při vývoji chytrých materiálů směřují právě tímto směrem.

Jak na to jdou v laboratořích?
V současnosti existují dva protichůdné postupy jak takové chytré materiály připravovat. První, a dejme tomu tradiční, využívá nejmodernější vědecké metody ke studiu fyzikálních jevů přirozeně existujících v některých látkách a snaží se připravit materiály mající na základě těchto jevů schopnost reagovat na vnější podněty žádaným způsobem. Příklady takových již využívaných chytrých materiálů jsou uvedeny v tabulce. Druhý postup se snaží uměle připravit zcela nové chytré materiály, ať už pomocí cílené proměny vnitřní struktury látky (dnes především plasty) nebo ve formě cíleně navrhovaných kompozitních materiálů.

Inspirace od přírody
Přístup, známý jako biomimetika, hledá v tomto směru inspiraci v mikrostruktuře materiálů, které již připravila a úspěšně využívá matka příroda. Vývoj kovových či keramických chytrých materiálů s uměle integrovanými funkcemi na atomové úrovni, tedy sen materiálových inženýrů, je však přece jen stále oborem v plenkách. Vyžaduje totiž technologické postupy a procesy aplikovatelné v rozměrech 10-9m, tedy v dnes stále častěji zmiňovaném nanosvětě. Protože se však na „dobývání nanosvěta“ v současnosti soustředí pozornost materiálových vědců celého světa, má vývoj nových chytrých materiálů velkou šanci stát se oborem budoucnosti.

Příklady chytrých materiálů
Definice „chytrých materiálů“ je natolik široká, že do této oblasti lze bez problémů zahrnout bádání ve velmi rozličných fyzikálních, ale i chemických oblastech a je velmi obtížné sestavit jejich kompletní seznam. V principu lze chytré materiály rozdělit do dvou oblastí: na takové, které mění vlastnosti, a takové, které dokážou „chytrým“ způsobem přeměňovat energii.
1)Materiály měnící barvu. Vnějším popudem ke změně barvy může být široká škála fyzikálního působení, např. reakce na proměnu vlnové délky dopadajícího světla, změna teploty, průchod elektrického proudu nebo vložení do elektrického pole, mechanická deformace či reakce na proměnu chemického prostředí.
2)Materiály vydávající světlo (luminiscence). Vyzařování světla je v přírodě většinou spojeno s vyzařováním tepla. Luminiscenční látky jsou však natolik „chytré“, že dokážou tepelné ztráty minimalizovat. Luminiscenční schopnosti lze v materiálech povzbudit např. světlem různých vlnových délek, svazkem rychle letících elektronů, elektrickým polem, ionizujícím zářením či chemickou reakcí.
3)Feroelektrické materiály. V některých slitinách, keramických materiálech či syntetických hmotách dochází za určitých teplot ke spontánnímu rozložení elektrického náboje, polarizaci. Řízení tohoto efektu elektrickým polem je možné využívat např. při konstruování počítačových pamětí.
4)Materiály s řízenou viskozitou. Na přítomnost magnetického nebo elektrického pole reagují některé látky tím, že promění svou viskozitu, tedy schopnost téct. V praxi to vypadá tak, že se z kapaliny takřka vmžiku stane téměř tuhá látka a naopak, což lze s výhodou využít např. pro aktivní tlumení mechanických vibrací budov při zemětřeseních
5)Materiály s tvarovou pamětí. Některé kovy, plasty či keramika mají schopnost navrátit se po deformaci do žádaného tvaru v reakci na změnu vnějších podmínek. Jev často souvisí s fázovými změnami v pevném stavu a jeho dalšími projevy jsou například superelasticita využívaná v mikroinvazivních operacích, tepelně vyvolaná aktuace nebo aktivní tlumení mechanických vibrací (viz dále).
6)Elektroaktivní polymery a polymerní gely. Tyto syntetické látky se mohou např. snadno smršťovat či měnit svůj objem v reakci na změnu elektrického napětí. Jsou velmi nadějnými materiály pro výrobu syntetických náhražek svalů.
7)Piezoelektrické materiály. Při mechanickém působení (např. stlačování, kroucení atd.) na určité materiály se objevuje elektrický náboj, který je možné dále využívat. Platí to ale i obráceně – střídavé elektrické pole může v materiálu vyvolávat tvarové změny s vysokou opakovací frekvencí.

Od teorie do praxe aneb Kam směřuje chytrost?
Ve fázi výzkumu může práce vědců připadat laikovi jako jakési nezávazné „hračičkování“. Množství patentů, které z jejich laboratoří v posledních letech prakticky jen „prší“, však dokazuje, že to, co vypadá v laboratoři samoúčelně a možná i zcela nepotřebně, nalezne své využití v překvapivě širokém množství zcela praktických aplikací.

Možná i vy máte právě na stole „chytrý“ termochromický hrneček se skrytým obrázkem, na nose máte brýle s chytrými skly či obroučkami které můžete ohýbat podle libosti, či sportujete v obuvi či oblečení z funkčních textilních materiálů.
Počet patentů v oblasti chytrých materiálů jde dnes do milionů a  jen prostý výčet jejich aplikací v dnešních technologiích by jistě zabral nejen celé číslo 21. STOLETÍ, ale dost možná i několik objemných knižních svazků.
Jelikož náš výčet nemůže být úplný, soustředíme se na chytré technické materiály, pokusíme upozornit na oblasti, které lze už dnes považovat za perspektivní, a ilustrovat je několika příklady úspěšných technických aplikací.

I.Chytré textilie pro každou příležitost

Oblast využití: textilie měnící barvu, citlivé na pH, teplo někdy pohlcující a jindy vydávající, pohlcující pachy, samočisticí a antiseptické povrchy, s vlastnostmi elektronických obvodů atd.
Jaké materiály: optická vlákna (křemíková či polymerová), vodivá vlákna, fázově transformující materiály, nanotechnologické povlaky vláken, textilie s kovovými nebo polymerními vlákny s tvarovou pamětí, nanovlákna atd.

Funkční versus chytrý
Tradiční textilie, kterým dnes odborníci přezdívají „konvenční“, provázejí lidstvo prakticky od doby, kdy se začalo věnovat systematickému zemědělství. V průběhu druhé poloviny 20. století se začaly objevovat první vlaštovky textilií funkčních, tedy takových, které k očekávaným vlastnostem přidávají ještě nějakou nečekanou navíc (např. velmi známý materiál Gore-tex, který nepropouští vodu, ale dobře větrá, je založen na speciální membráně vložené do textilie).

Co je chytrá textilie?

Později se objevily aktivní chytré  textílie mající v sobě zabudovány jak senzory (čidla reagující na změnu v prostředí), tak aktuátory. Trendem současné doby je s pomocí vodivých vláken vyvíjet takové funkční textilní materiály, které budou reagovat na vnější podněty nejen pasivně, ale jejich vlastnosti bude možné cíleně řídit nebo dokonce budou schopny se samy rozhodovat (od senzorů tepu, pohybu či dechu přes antény, dotykové displeje až po tzv. nositelné počítače – e-textiles, integrující procesor, obrazovku a klávesnici počítače v textilii).

II. Chytré materiály do žil i namísto svalů

Oblast využití: lékařské implantáty, nástroje pro mikroinvazivní operace, rovnátka a ortodontické pomůcky, biodegradabilní polymerní a kovové implantáty, které tělo po ukončení funkce vstřebá nebo vyloučí, inteligentní povrchy sloužící jako nosiče léčiv, mikropumpy a dávkovače léků atd.
Jaké materiály: vodivé polymery, polymerní gely, dielektrické elastomery, kovové slitiny a kompozity s tvarovou pamětí

Obrovská škála aplikací

Jen málokterá oblast je tak mimořádně vhodná k uplatňování chytrých materiálů jako medicína. Důležitou oblastí aplikací jsou právě nejrůznější technické textilie, které nacházejí využití při filtrování, inteligentním dávkování léků, odpuzování choroboplodných zárodků či při diagnostikování různých chorob. Velkou kapitolou materiálového inženýrství je také příprava materiálů pro náhradu lidských svalů z elektricky vodivých polymerů či dielektrických elastomerů. (I když v dnešní době jsou stále hlavními „zákazníky“ spíše roboti.)

Superelastické „vychytávky“

Chytré materiály pro využití v medicíně musí být tzv. biokompatibilní, tedy musí se velmi dobře snášet s  prostředím lidského organismu. To se týká např. i již našich dobrých známých superelastických materiálů ze slitiny NiTi, které se v minulých dvaceti letech prosadily jako jeden z klíčových materiálů pro implantáty a mikroinvazivní operace. Svou cestu do světa medicíny si našly nejdříve ve formě drátů, trubiček a stentů (cévní náhrady ve formě struktur buď vyřezávaných laserem z trubiček, nebo pletených z tenkých drátů). Dále se používají pro dráty do zubních rovnátek, katétry (trubičky k výplachu dutin či napojení cév). V poslední době byly v USA a Izraeli vyvinuty i aplikace pouze několik mikrometrů tlustých NiTi vrstev v umělém srdci.

III. Energetická sklizeň díky chytrým materiálům

Oblast využití: přeměna sluneční energie, přebytečného tepla či mechanické energie na elektrickou
Jaké materiály: fotovoltaické materiály, termoelektrická keramika, piezoelektrické materiály, kovové materiály s tvarovou pamětí atd.

Sběr energetických odpadků
Fyzikové již delší dobu znají pozoruhodnou vlastnost některých materiálů – totiž to, že dokážou převést jednu formu energie v jinou (např. energii tepelnou, fotonů slunečního světla či mechanickou v energii elektrickou). Energetické „přebytky“ je  možné pomocí chytrých materiálů využívat. Ne, nebojte se! Zákon o zachování energie platit nepřestává. „Přebytky“ energie pochopitelně nevznikají. Chytré materiály však dokážou „zachytit“ energii, která by jinak zmizela v nenávratnu, např. ve formě tepla. Po vyčerpání fosilních zdrojů energie bude vedle jaderné energetiky a obnovitelných zdrojů naše energetická budoucnost do značné míry záviset na úspěšnosti, s jakou budeme schopni tyto energetické zbytky sklízet a využívat.

Stačí jen zahřát či zakroutit…
Přebytky energie se vyskytují jak spontánně v přírodě, tak v nejrůznějších technických zařízeních. Většinou se jedná o přebytečné teplo nebo mechanické jevy, např. vibrace způsobené namáháním materiálů (např. při běhu v botách či v oblečení, při vibracích nejrůznějších konstrukcí). Vhodným příkladem za všechny může být například dobíjení akumulátorů pomocí funkčních materiálů, například termoelektrických, jejichž vývojem se zabývá většina světových automobilek. Firma General Motors R&D v nedávné době získala nemalé finanční prostředky na vývoj jedinečného zařízení využívající přebytečné teplo vznikající při činnosti motoru, které mění tvar součástky ze slitiny s tvarovou pamětí. Opakované tvarové změny by pak měly pohánět generátor, díky němuž se třeba dobíjí baterie.

IV. Chytrá architektura budoucnosti

Oblast využití: tlumení vibrací, reakce na sluneční světlo, teplo, vlhkost, získávání energie z vnějšího prostředí, proudění vzduchu v domě
Jaké materiály: slitiny a kompozity s  tvarovou pamětí, fotochromní a termochromní materiály, materiály s řízenou viskozitou, piezoelektrické materiály

Ochrana domů před zemětřesením
Architektoničtí vizionáři, kteří již dnes ve svých hlavách vytvářejí budoucí podobu domů i celých měst, mají chytré materiály pochopitelně ve velké oblibě. Velkým optimistou je např. německý vědec Axel Ritter. Budovy budoucnosti by podle něj mohly měnit svou barvu, velikost, tvar i třeba míru průhlednosti či průsvitnosti stěn. V této souvislosti se jako slibné se jeví  aplikace chytrých slitin pro tlumení vibrací budov, kde dokážou účinně „vychytávat“ vibrace vzniklé např. přejezdem vozidel či díky zemětřesení. Z pochopitelných důvodů do výzkumu seizmických aplikací slitin SMA investují hlavně v USA, Japonsku a Itálii.

Chytřejší bydlení
Kromě takovýchto zatím spíše sci-fi projektů je nejslibnější oblastí aplikace chytrých materiálů v architektuře oblast ekologického bydlení. Chytré materiály mohou být využívány k přímému získávání energie (např. z energie tepelné či solární), k vylepšení „omyvatelnosti“ (např. nešpinící se tašky či obložení), zvyšování komfortu řízením proudění vzduchu a reakcí na světlo a teplo a nakonec i pohlcování škodlivých látek. Ritter sám nyní pracuje na projektu domu, který reaguje na déšť. Chytrý materiál se díky vodě roztáhne a později zase smrští. Tuto vlastnost lze využít například při získávání energie.

V. Staré dobré konstruktérství v novém kabátku

Oblast využití: spojovací součástky, odhlučňování, tepelně či elektricky aktivované SMA aktuátory, vytěsňovací prvky reagující na teplotu, tlumení vibrací,
Které materiály: slitiny a kompozity s tvarovou pamětí, piezoelektrické materiály

Prozaický svět součástek

I když jsou konstruktéři a technici v mnoha ohledech poněkud konzervativní, chytré materiály si už dokázaly nalézt cestu i do jejich hájemství. Piezoelektrické materiály se již staly běžnými v systémech pro snímání či aktivní řízení vibrací konstrukcí. První úspěšná masová konstrukční aplikace slitin SMA přišla již v roce 1971, kdy firma Raychem začala ze slitiny NiTi vyrábět inteligentní spojky na trubky. Spojka je roztažena při nízké teplotě v tzv. martenzitickém stavu (viz následující kapitola). Při zahřátí nad teplotu zpětné transformace do austenitu se smrští a trubky do sebe zapadnou jako klíč do zámku.
Tento systém rychlospojek dnes již běžně využívají instalatéři na ponorkách a letadlových lodích. Stejný jev se později uplatnil i při výrobě spojek pro hydraulický systém stíhaček Lockheed Aircraft Corporatin F-14.

Pomoc s odhlučněním – chevrony
Slovo „chevron“ obecně označuje cokoliv na světě, co má tvar podobný písmenu V. Jeden z jeho významů pomohli nedávno naplnit také vědci a konstruktéři z NASA a firmy Boeing. Součástka ve tvaru V je součástí odtokové hrany horkého vzduchu motoru. Dokáže výrazně snížit jeho hlučnost díky tomu, že zamezí turbulencím vzduchu. Problém je v tom, že tato součástka se v motoru hodí zejména při startu. V momentě, kdy je stroj v oblacích, je hlavním zřetelem jeho maximální výkon. Chevron vyrobený ze slitiny s tvarovou pamětí dokáže tomuto dvojitému požadavku ideálně vyhovět.  Trendem současnosti je vývoj slitin s tvarovou pamětí pro použití v automobilových a leteckých motorech při teplotách 200 oC–1000 oC.


Čím to je, že si materiály pamatují tvar?
Funkční materiály jsou studovány a využívány i v Čechách a na Moravě. Jedním z nejaktivnějších pracovišť je Fyzikální ústav AV ČR, kde před několika lety vzniklo přímo Oddělení funkčních materiálů. Protože toto pracoviště se vydělilo z Oddělení kovů, pracují zde především s kovovými slitinami s tvarovou pamětí, ale i s jinými materiály, například s polymery či látkami kombinovanými, tzv. kompozity.

Materiály, které mají paměť, nám mohou sloužit jako krásný příklad jednoho z odvětví vývoje funkčních materiálů. Takové látky nás vlastně obklopují, aniž si to příliš neuvědomujeme.
Stačí připomenout záznamové pásky audio i video techniky, nebo i magnetické a polovodičové paměti počítačů. Do těchto médií je ukládána informace a pak zase čtena. Dnes dovedeme připravit i chytré materiály, jež si pamatují tvar, který jim vtiskneme. Mohou být nejrůznější – od polymerů přes kovy po keramiku, o organických látkách ani nemluvě. Oblast výzkumů paměťových materiálů, jimž se fyzikové z Oddělení funkčních materiálů zabývají, je relativně široká, má však  společný jmenovatel – je jím schopnost materiálů vyvolávat mechanický pohyb.

Když se řekne změna…
Se změnou vnějších podmínek se mění každý materiál, tu více, tu méně. Zatímco změnu mechanických vlastností ocelové tyče mezi 5 a 30 °C nevnímáme (ale víme, že k ní dochází, neboť praskání kolejnic v mrazech bývá častým obsahem televizních zpráv), změna vlastností másla v tomto teplotním intervalu je značná a v závislosti na stravovacích návycích i dosti otravná na to, abychom ji vedli v patrnosti.
Srovnatelnou změnou mechanických vlastností prochází i měď při teplotách blízkých 1084 °C – její teplotě tání. Jen málokdo však má s jejím chováním při těchto teplotách přímou zkušenost. V kovové slitině s tvarovou pamětí NiTi (viz rámeček) však podobně výrazná změna nastává třeba u pokojové teploty a to už je něco zcela jiného. Vložíme-li lžíci z takové slitiny do horké polévky, ohne se. Zajímavých vlastností chytrých materiálů si zkrátka povšimneme, probíhají-li při teplotách blízkých pokojové teplotě a vůbec za podmínek neohrožujících život pozorovatele.

Jedna fáze, druhá fáze…
Proměna materiálu, kterou zaregistrujeme pouhým okem, tedy takzvaná proměna makroskopická, je často odrazem proměn ve struktuře, kam dohlédnou svými přístroji a modely již pouze ti nejzasvěcenější.
Mezi mikroskopické změny, které mají velmi nápadné a důležité makroskopické projevy, patří i mezi fyziky a metalurgy velmi oblíbený jev, jenž odborníci nazývají „martenzitická transformace“.  Co se za tímto poněkud záhadným spojením slov vlastně skrývá? Řečeno jazykem fyziků se jedná o (tzv. bezdifúzní) přechod mezi dvěma odlišnými fázemi uspořádání atomů v krystalové mřížce. Vysokoteplotní fáze s vyšší symetrií se nazývá austenit, pro nízkoteplotní fázi s nižší symetrií užívají fyzikové zase název martenzit.

21. STOLETÍ doplňuje:
Pojmy austenit a martenzit patřící do běžného slovníčku badatelů v oblasti metalurgie a odvozují se od slavných badatelů v této  oblasti, první po Angličanu Willamu Chandlerovi Roberts-Austenovi (1843–1902), druhý pak po Němci Adolfu Martensovi (1850–1914).

Pohled do nitra kovu

Tyto fáze mají dosti odlišné vlastnosti, které způsobuje změna teploty nebo mechanické napětí. U kovů s tvarovou pamětí je na rozdíl od ostatních kovů (například železo-uhlíkových slitin) tato fázová transformace vratná a její průběh lze řídit změnou teploty či napětí. Tento jev, jehož popis zní na první poslech možná složitě, si lze ve skutečnosti poměrně jednoduše představit.
Například u slitiny NiTi přechází kubická (krychlová) krystalová mřížka z austenitu při zchlazení a stlačení do martenzitu. Původní austenitická krychlička se v důsledku drobného, ale koordinovaného pohybu všech atomů se jakoby našikmí a namísto krychličky se navenek objeví různé kosé (martenzitické) kvádry. Záleží jen na tom, jak moc budeme na krystal tlačit. Ohřevem do kubického austenitu vyrobíme ze všech kvádrů zpátky tu původní krychličku, jejíž symetrický tvar si chytrá slitina velmi dobře pamatuje.

Cesta tam a zase zpátky

Relativně hladký vratný přechod mezi austenitem a nejrůznějšími podobami martenzitu dává šikovným slitinám řadu jedinečných termomechanických vlastností. Snad nejdůležitější z nich je tzv. superelasticita.
Superelastické materiály zatěžované vnější silou se nejprve chovají stejně jako běžné kovy, tedy elasticky. Při překročení určité hodnoty mechanického napětí v materiálu pak ale najednou dojde k tomu, že se spustí martenzitická transformace a materiál se začne „táhnout“ jako plastelína bez toho, abychom museli zvyšovat sílu, s jejíž pomocí jej deformujeme. Při odlehčení se celá deformace při nižší hodnotě síly vrátí. Zatímco běžné materiály je takto možné vratně zdeformovat jen v řádu desetin procent, superelastická slitina se dokáže vratně tvarově proměnit až o celých 15 %. V praxi to vypadá tak, že se kov chová podobně jako guma – ohne se, natáhne se a zase vrátí zpět.

Rozvíjej se, kuličko…
Jev tvarové paměti, který zajistil speciálním chytrým slitinám největší slávu, pak spočívá ve vlastně „jednoduchém“ fíglu.
Tvar, jenž se materiálu podařilo vtisknout za vysokých teplot (fyzik by dodal, že v austenitické fázi), může materiál získat znovu. Stačí k tomu jediné: zahřát jej nad určitou teplotu přechodu mezi oběma fázemi. „K látkám, které dokážou »chytře« reagovat na změny teploty, patří zejména široká škála polymerů s tvarovou pamětí (SMP), kovové slitiny (SMA), případně kompozitní materiály složené z obojího nazývané hybridy s tvarovou pamětí (SMH),“ vysvětluje vedoucí Oddělení funkčních materiálů Fyzikálního ústavu AV ČR, RNDr. Petr Šittner, CSc.
Přejete si příklady? Neforemná kulička zmačkaných martensitických drátů se v kosmu po ohřátí slunečním zářením sama rozvine do krásné antény, košile Oricalco navržená italskou firmou Grado Zero z hybridní textilie se zabudovanými drátky nitinolu upravuje zase svůj tvar podle teploty a žehlí se pouze proudem teplého vzduchu.

Drát proudem zahřátý

Schopnost pamatovat si svůj tvar musí tedy fyzikové „zasít“ do materiálu tepelnou úpravou. K tomuto cíli může vést, jak ostatně není ve vědě nijak vzácné, několik cest.  Ten nejběžnější způsob finální tepelné úpravy probíhá tak, že vlákno při pomalém převíjení z cívky na cívku prochází dlouhou trubkovou vzduchovou pecí. „V našem ústavu jsme však vyvinuli podstatně rychlejší a také levnější způsob. Silně zdeformovanou mikrostrukturu vlákna dokážeme definovaně upravit pomocí krátkodobého ohřevu Jouleovým teplem. To nám umožňuje velice přesně nastavit funkční vlastnosti vláken za extrémně krátký časový interval. Oproti původním minutám jsme schopni dojít ke stejnému cíli v řádu mikrosekund,“ popisuje jeden z největších úspěchů práce vědeckého týmu jeden z jeho členů, Ing. Jan Pilch. A o čemže to vlastně inženýr Pilch mluví? Princip objevu je opět vlastně poměrně jednoduchý. Průchodem proudu vzniká Jouleovo čili ohmické teplo, jímž se vodič krátkodobě zahřeje nad teplotu 300 oC . Zahřátím se nevratně změní jeho vnitřní struktura, a tudíž i vlastnosti úplně stejně jako ve vzduchové peci.

Na kovy s magnetem
K proměně vnitřní struktury a tím i tvaru však zdaleka nemusí docházet jen díky změnám teploty, ale také např. působením síly, dokonce i síly vyvolané bezkontaktním způsobem. K možnostem, které dala vědcům do ruky sama příroda, patří totiž i síly vyvolané působením elektrického či magnetického pole.
„Na rozdíl od účinného působení elektrického napětí přivedeného k prvku vodiči má magnetické pole výhodu v tom, že žádné přívodní dráty nejsou potřeba. Může působit a vyvolat pohyb na dálku i skrz jinak neproniknutelnou zeď či přepážku (nebo lidské tělo),“

vysvětluje další z výzkumných pracovníků Oddělení funkčních materiálů Oleg Heczko, Dr., který pracoval ve vědeckém týmu, jenž byl v roce 1999 u zrodu studia materiálů s magnetickou tvarovou pamětí.
Zatímco na úplném počátku dosáhli vědci v tzv. Heuslerově
slitině niklu, manganu a galia magnetickým polem aktivovanou vratnou deformaci okolo 0,2 %, dnes už se pohybují na hodnotách okolo 10 %.

Kde pomohou magnetické materiály?
Šikovné proměňování tvaru díky působení magnetického pole může nalézt uplatnění v řadě různých oblastí. Zatímco jev magnetické tvarové paměti je vhodný pro pohony strojů, obrácený, tedy inversní jev (díky Faradayovu indukčnímu zákonu) může být použit pro senzory a získávání (sklizeň) energie, například z mechanických vibrací. Významné pohlcování energie je možné využít i pro tlumení vibrací.

Malý pohled do historie
*Již v roce 1931 objevil jev „tvarové paměti“ švédský vědec Arne Ölander (1902–1984), a to při zkoumání vlastností slitiny zlata s kadmiem (AuCd). Jeho objev však zapadl a na výsluní zájmu se tyto vlastnosti začaly dostávat až v 50. letech minulého století.

*Skutečný průlom v dějinách výzkumu materiálů s tvarovou pamětí však nastal až v roce 1962, kdy v laboratořích amerického námořnictva ve White Oaku v Marylandu prováděli své experimenty William Buehler a Frederick Wang. Společnými silami se podíleli na výzkumu vlastností slitiny, kterou lze od té doby považovat za pomyslného krále mezi „chytrými kovy“ – Nitinolu (NiTi).
*Tento materiál proto ve svém názvu stále nese památku na místo svého vzniku. Zkratka nitinol pochází ze série anglických slov Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratory, tedy něco jako niklo-titanová slitina z laboratoří amerického námořnictva.

Dva jsou víc než jeden
Materiály s jedinečnými vlastnostmi, které je možné „chytře“ využívat, se zřídkakdy vyskytují přímo v přírodě. Jedním z úkolů vědců je proto tyto uměle vyrábět a poté studovat jejich vlastnosti.
Mezi kovovými materiály jsou nejstarším a dodnes velmi často využívaným příkladem  tzv. intermetalika neboli uspořádané slitiny. Tyto slitiny mají většinou chemické složení v poměru celých čísel (1 : 1, 3 : 1 apod.) a zcela jiné vlastnosti než čisté kovy, ze kterých se skládají. Využívá se jich celá řada, jmenujme namátkou bronzy a mosazi (CuSn, CuZn), amalgámy – slitiny rtuti se stříbrem, mědí a cínem pro zubní výplně, slitiny niklu s hliníkem pro tryskové motory a turbíny (NiAl) či konečně slitiny vykazující jev tvarové paměti NiTi nebo magnetické slitiny NiMnGa. Vlastnosti materiálu je také možné změnit či znásobit jeho kombinací s látkou úplně jiné povahy, např. spojením kovové slitiny s keramikou. Takové kombinace látek označují vědci jako kompozity.

Textil do žil a tiché suché zipy
Mezi další velmi důležité vlastnosti Nitinolu patří i to, že přestože obsahuje toxický nikl, se relativně velmi dobře snáší s lidským tělem. To z něj v kombinaci se superelasticitou a tvarovou pamětí v textilní formě pochopitelně dělá skutečně žhavého kandidáta pro využití v lékařství pro nejrůznější umělé „opravy“ organismu. „Proto se pozornost probíhajících výzkumů upírá ke studiu a  využití hybridních textilií kombinujících NiTinolová a polymerní vlákna ve spolupráci s lékaři a výrobci lékařských implantátů“ uvádí Ing. Luděk Heller, Ph.D., který koordinuje projekt NiTiTEX, na němž spolupracují vědci  z Oddělení funkčních materiálů Fyzikálního ústavu AV ČR s Textilní univerzitou v Liberci a ČVUT.
Příkladem využití textilních NiTi vláken v jiném oboru je například realizace a odzkoušení alternativního suchého zipu, vyrobeného z tenkých vláken NiTi. „Namísto vláken, za která se u běžných suchých zipů zachytávají háčky, jsou u našeho suchého zipu tvarované háčky z vláken NiTi  na obou stranách. Fungují stejně, ale na rozdíl od běžných suchých zipů, jsou ty naše výrazně tišší a pevnější. Pevnost spoje navíc roste s teplotou a vlastnosti spoje lze velmi přesně nastavit v širokém rozsahu“ popisuje jeden z důležitých výsledků autor vynálezu, Ing. David Vokoun, CSc. K tomu, aby se nový typ suchého zipu objevil v praxi, zbývá už jen „maličkost“ – najít někoho, kdo se jej rozhodne vyrábět.

Michal Andrle se představuje:

Redaktor 21. století.
Příspěvek byl publikován v rubrice .Top, .Články, 21.Století, Technika, Technologie. Můžete si uložit jeho odkaz mezi své oblíbené záložky.