Γρανάζια που επιμένουν να γυρίζουν χωρίς να απαιτούν λίπανση και μάλιστα σε συνθήκες ακραία χαμηλών θερμοκρασιών, εξαρτήματα που βελτιώνουν τα οδοντικά εμφυτεύματα αλλά και τις τεχνητές αρθρώσεις, υλικά ελαφρά μεν, ανθεκτικά δε για την κατασκευή ανεμογεννητριών, αεροπλάνων και ρομποτικών κατασκευών φτιαγμένων για να υπομένουν τις απαιτητικές συνθήκες που επικρατούν στο Διάστημα.
Οι ανάγκες του ολοένα εξελισσόμενου κόσμου μας απαιτούν ολοένα περισσότερα υλικά και οι επιστήμονες απαντούν στις προκλήσεις: νανοκαλώδια αποτελούμενα από άτομα σε σειρά με διάμετρο 10.000 φορές μικρότερη από αυτή μιας τρίχας, μέταλλα με συμπεριφορά γυαλιού, πρωτόγνωρα κράματα με θαυμαστές ιδιότητες που δημιουργούνται με τη βοήθεια παραγκωνισμένων μέχρι πρότινος στοιχείων του Περιοδικού Πίνακα. Και φυσικά ένας παγκόσμιος ανταγωνισμός, όχι πάντα με όρους ισοτιμίας, για την πρωτιά στα υλικά του μέλλοντος.
Στο παρελθόν, έχουν γίνει πόλεμοι για το πετρέλαιο. Κάποιοι προβλέπουν ότι θα γίνουν πόλεμοι για το νερό, αλλά αυτό μάλλον θα εξαρτηθεί από την πρόοδο στις τεχνολογίες της αφαλάτωσης. Σήμερα όμως έχουμε «υπόγειους» πολέμους για τα μέταλλα που βρίσκονται στο υπέδαφος χωρών της Αφρικής και της Ασίας, όχι ιδιαίτερα ανεπτυγμένων και αυτοδύναμων.
Και δεν αναφερόμαστε στον χρυσό, στην πλατίνα ή στο ασήμι, αλλά σε μέταλλα λιγότερο λαμπερά αλλά πολύ πιο χρήσιμα: πρόκειται για τις σπάνιες γαίες, που είτε μόνες τους είτε με τη μορφή κραμάτων χρησιμοποιούνται στην υλοποίηση τολμηρών ιδεών μηχανικών, χημικών, βιολόγων, φυσικών και ανθρώπων που ασχολούνται με τις μελλοντικές διαστημικές αποστολές.
Εξαιτίας της βιομηχανικής τους μοναδικότητας σε εφαρμογές και χρήσεις προϊόντων υψηλής τεχνολογίας, όπως λέιζερ, κινητά τηλέφωνα, οθόνες υγρών κρυστάλλων και στις λεγόμενες «πράσινες» τεχνολογίες, στις μπαταρίες των υβριδικών αυτοκινήτων, στα φωτοβολταϊκά, στους λαμπτήρες χαμηλής κατανάλωσης, στις τουρμπίνες των ανεμογεννητριών, η ζήτησή τους αυξάνεται συνεχώς. Την ίδια αυξητική πορεία ακολουθούν και οι ερευνητικές εργασίες που σχετίζονται με αυτές, ένα απάνθισμα των οποίων θα διαβάσετε παρακάτω.
Φυσώντας το «μεταλλικό γυαλί»
Είναι γνωστό από το 1960 ότι τα μέταλλα όταν θερμανθούν χάνουν την κρυσταλλική δομή τους και τα μόριά τους αρχίζουν να κινούνται γλιστρώντας το ένα επάνω στο άλλο, όχι με συντεταγμένο ή προβλέψιμο τρόπο. Αν λοιπόν σε αυτή την κατάσταση ακολουθήσει μια τρομερά απότομη και ταχύτατη ψύξη, όχι κάτι λιγότερο από κατέβασμα 1.000 βαθμών Κελσίου μέσα σε ένα δευτερόλεπτο το πολύ, τότε ναι μεν έχουμε επιστροφή του μετάλλου στη στερεά κατάσταση, αλλά μένει παγιδευμένο στην εσωτερική δομή που είχε ως υγρό. Και αυτό πού μας παραπέμπει; Μα φυσικά σε ένα υλικό με άτομα μεταλλικών στοιχείων και συμπεριφορά γυαλιού. Με τη δυνατότητα όχι μόνον να μπορεί να ρέει όπως το γυαλί αν θερμανθεί, αλλά ακόμη και να υποστεί επεξεργασία όπως αυτό που ονομάζουν φυσητό γυαλί!
Οταν έχει πάχος κάπως μεγαλύτερο από 1 χιλιοστό είναι πιο γνωστό ως BMG (Bulk Metallic Glass). Επειτα από συνδυασμένες έρευνες της ΝΑSA και του Jet Propulsion Laboratory, το υλικό αυτό μπορεί να υφίσταται επεξεργασίες ανάλογες με των πλαστικών υλικών, που επιτρέπουν να φτιάξεις πολύ διαφορετικές και δύσκολες μορφές εξαρτημάτων.
Είναι μεγάλη υπόθεση το να δουλεύει ένα εξάρτημα ακόμη και στους 200 βαθμούς Κελσίου κάτω από το μηδέν χωρίς να χρειάζεται λιπαντικό. Γιατί σε μελλοντικές αποστολές, όπως αυτή στην Ευρώπη, τον δορυφόρο του Δία, η θερμοκρασία φθάνει στους πόλους τους μείον 160 βαθμούς Κελσίου. Και στα ρομποτικά οχήματα ξοδεύεται ενέργεια για να θερμαίνονται τα λιπαντικά, που παγώνουν ήδη σε θερμοκρασίες πολύ πιο κοντά στο μηδέν.
Επίσης στις δύσκολες μορφές εξαρτημάτων μπορούμε να βάλουμε τα γνωστά στους μηχανικούς κίνησης διαφορικά του τύπου Strain Wave. Εναν πολύ αξιόπιστο τύπο διαφορικού με τρία τμήματα που δεν χάνει την οδόντωσή του με τίποτε.
Σε τεντωμένο ατομικό σχοινί
Αλλαγή σκηνικού και κλίμακας τώρα. Για κάτι που ανακοινώθηκε μόλις τον περασμένο Μάιο και προξένησε αμέσως αίσθηση. Ακόμη και οι λιγότερο σχετικοί με το θέμα αυθόρμητα θα ρωτούσαν «μα πώς το έκαναν;». Πώς μπορείς δηλαδή να φτιάξεις ένα «νήμα» που να το αποτελούν άτομα τελλουρίου και να έχει διάμετρο λιγότερη από 1 δισεκατομμυριοστό του μέτρου, δηλαδή δέκα χιλιάδες φορές μικρότερη από μια ανθρώπινη τρίχα;
Είναι το λεπτότερο σύρμα που έχει κατασκευαστεί ποτέ. Και πρόκειται για κατόρθωμα διότι είναι γνωστό πως τα άτομα δεν στέκονται σαν μεταλλικά στρατιωτάκια ακίνητα όπου τα θέλει ο καθένας. Βρίσκονται σε μια αέναη (μικρο)κίνηση όσο χαμηλή και αν γίνει η θερμοκρασία που απειλεί πάντα να καταστρέψει το φιλόδοξη σχέδιο να είναι το ένα δίπλα στο άλλο αποτελώντας ένα σταθερό νήμα.
Οι ερευνητές στα βρετανικά Πανεπιστήμια του Κέιμπριτζ και του Γουόρικ σκέφθηκαν να εγκλωβίσουν τα άτομα του τελλουρίου μέσα σε νανοσωλήνες, των οποίων τη διάμετρο μπορούσαν στη συνέχεια να μικραίνουν, επηρεάζοντας έτσι τη συμπεριφορά των έγκλειστων ατόμων. Οπως διαπίστωσαν, με τη βοήθεια των υπολογιστών και των προσομοιώσεων σε αυτούς, μπορούσαν με τις κατάλληλες συνθήκες να βάλουν όπως ήθελαν τα άτομα του υλικού τους. Και στη συνέχεια, με πολύ προχωρημένες τεχνικές κατάφεραν να δημιουργήσουν αυτό το λεπτότατο νήμα, έστω και με τη βοήθεια και τον εγκλεισμό του σε νανοσωλήνα άνθρακα.
Και επειδή κάποιος καλά πληροφορημένος μπορεί να προβληματιστεί από το γεγονός ότι το τελλούριο έχει συμπεριφορά ημιαγωγού, πρέπει να αναφερθεί ότι μία από τις εκπλήξεις των ερευνητών ήταν πως αν βρεθεί μέσα στον νανοσωλήνα τον κατασκευασμένο από άνθρακα αρχίζει να έχει συμπεριφορά μετάλλου, ενώ από την άλλη το υλικό του νανοσωλήνα δεν συμμετέχει και δεν επηρεάζει την κυκλοφορία του ηλεκτρικού ρεύματος.
Γίνεται εύκολα κατανοητό πως όταν τιθασευτεί εντελώς η συμπεριφορά αυτών των (νανο)συρμάτων που πλέον θα είναι κυριολεκτικά μονοδιάστατα, η ελαχιστοποίηση των διαφόρων ηλεκτρονικών μικροκυκλωμάτων θα πάει πραγματικά σε άλλες κλίμακες. Τη στιγμή μάλιστα που είχε αρχίσει να αμφισβητείται ο νόμος του Μουρ, ο οποίος επιβεβαιώνεται εδώ και 50 χρόνια συνεχώς, για τον διπλασιασμό του αριθμού των τρανζίστορ σε μια μικροπλακέτα (chip) κάθε δύο χρόνια.
Κάν’ το όπως ο 3D εκτυπωτής
Και επειδή η νανοτεχνολογία, όπως το είδαμε και μόλις πριν, δεν είναι κάποια πετσετάκια και κάποια υφάσματα για τη γυμναστική μόνο, είχαμε στις 28 Ιουνίου του 2017, μόλις πριν από δύο μήνες δηλαδή, κάτι επίσης πολύ ενδιαφέρον. Και μας έρχεται η είδηση από τη Σιγκαπούρη, μια νησιωτική περιοχή με μόλις 720 τετραγωνικά χιλιόμετρα αλλά πολύ δυνατή έρευνα επάνω στα (υπερ)κράματα, τα υλικά-θαύμα της προχωρημένης μεταλλουργικής τεχνολογίας.
Ενα από τα νέα υλικά, γνωστό και χρησιμοποιημένο ήδη, ήταν το κράμα Inconel 625, με 55%-70% νικέλιο και την προσθήκη χρωμίου, μολυβδαινίου, σιδήρου, νιοβίου – τανταλίου και μερικών ακόμη σε πολύ μικρό ποσοστό. Το κράμα αυτό χρησιμοποιούσαν κυρίως στη ναυτιλία για τις αντισκωριακές του ιδιότητες και την αντίστασή του στη δράση του χλωρίου.
Στο Singapore Institute of Manufacturing Technology σκέφθηκαν να ενισχύσουν αυτό το κράμα με νανοσωματίδια διβοριούχου τιτανίου (ΤίΒ2). Και αυτό είναι εύκολο να το γράφεις αλλά δύσκολο να το πραγματοποιήσεις. Διότι χρειάζεται να έχεις την κατάλληλη ακτίνα λέιζερ και με αυτήν να επιτύχεις τη λεγόμενη «προσθετική κατασκευή» (Additive Manufacturing), όπου δημιουργείς ένα εξάρτημα ή ένα υλικό προσθέτοντας διαδοχικά στρώματα. Μια ιδέα που τη βλέπουμε πλέον να υλοποιείται με τους εκτυπωτές τριών διαστάσεων. Αλλά εδώ χρειάστηκε να χρησιμοποιηθούν λέιζερ ισχύος ενώ τα δύο συστατικά, το κράμα και η ένωση του τιτανίου (σε νανοσωματίδια με μέγεθος 58 νανόμετρα, δηλαδή 58 δισεκατομμυριοστά του μέτρου) ήταν αρχικά με τη μορφή σκόνης. Αναμείχθηκαν και έβγαιναν από ένα ακροφύσιο όπου εκεί συναντούσαν τη μεγάλης θερμικής ισχύος ακτίνα λέιζερ και επάνω σε μια πλάκα από χάλυβα δημιουργήθηκε ένα στρώμα πάχους 1 χιλιοστού. Με τα μόρια της τιτανιούχου ένωσης να βρίσκονται πλέον γύρω από τους μικρόκοκκους του μεταλλικού κράματος και να διαπιστώνεται ότι αυτή η δομή έδινε στο νέο υλικό πολύ μεγαλύτερη αντοχή, βελτιωμένες θερμικές ιδιότητες και αντίσταση στις όποιες απόπειρες φθοράς του. Περιμένουν πολλά από αυτή την τεχνολογία στο μέλλον.
Τιτάνιο επί 4
Και για όποιον (λίγο θα δυστροπήσει επειδή θα) σκεφθεί ότι όλα αυτά τα νέα υλικά δεν αφορούν άμεσα την καθημερινή μας ζωή, έχουμε κάτι που τον αφορά.
Πρώτα όμως να θυμηθούμε ότι το υλικό που προτιμούν οι ορθοπεδικοί για τους τεχνητούς συνδέσμους στις αρθρώσεις μηρών και γονάτων είναι το τιτάνιο. Ανθεκτικό, σκληρό, μη τοξικό και τα οστά μπορούν να αναπτύσσονται καλά γύρω από αυτό. Αλλά κάθε δέκα χρόνια η σωστή συντήρηση απαιτεί αλλαγή. Κάτι αρκετά οδυνηρό για όποιον πρέπει να υφίσταται αυτές τις επεμβάσεις.
Στο Rice University του Χιούστον, τυχαία, ενώ έκαναν έρευνα για τις ιδιότητες μη συμβατικών μαγνητών από κράμα τιτανίου – χρυσού (Ti3Au), το οποίο χρειάστηκε να γίνει σκόνη σε γουδί με επένδυση από διαμάντι (!), διαπίστωσαν πως το υλικό αυτό ήταν «πολύ σκληρό για να… γίνεται σκόνη». Και κατάλαβαν ότι είχαν βρει το επόμενο προσθετικό υλικό για τον ανθρώπινο σκελετό. Από εμφυτεύματα δοντιών έως τεχνητές αρθρώσεις. Συνδυάζοντας την αυξημένη σκληρότητα με τις καλές ιδιότητες του τιτανίου.
Μεταλλικά τύμπανα πολέμου
Ταντάλιο, βολφράμιο, ψευδάργυρος είναι μέταλλα που χρησιμοποιούνται στα σημερινά κινητά. Το 2010 ο Στιβ Τζομπς είχε αναγνωρίσει πως η προμήθεια αυτών των υλικών από την Κεντρική Αφρική ήταν προβληματική εξαιτίας των πολέμων που μαίνονταν εκεί από τη δεκαετία του 1990. Επιπροσθέτως, τα χρήματα από τις πωλήσεις των μεταλλευμάτων συντήρησαν πολέμους που κατέληξαν σε σφαγές στην ευρύτερη περιοχή του Κονγκό επί δυόμισι περίπου δεκαετίες.
Στο Αφγανιστάν η κατάσταση περιπλέκεται όλο και περισσότερο. Ηνωμένες Πολιτείες, Πακιστάν, Ιράν, Ρωσία, Κίνα διαγκωνίζονται σε μια χώρα άγονη χωρίς καμία σχεδόν βιομηχανική παραγωγή, πλην κάποιας υφαντουργίας και της παραγωγής οπίου – μορφίνης – ηρωίνης. Τι συμβαίνει λοιπόν; Ισως μια μελέτη των Αμερικανών από το 2010 που αποκαλούσε το Αφγανιστάν «Σαουδική Αραβία για το λίθιο» δίνει μια εξήγηση. Προσθέτοντας σε αυτά χρυσό, σίδηρο και τα περιζήτητα σήμερα μέταλλα των σπανίων γαιών, η εκτίμηση ανεβάζει την αξία όλων των αποθεμάτων του Αφγανιστάν σε 1 τρισεκατομμύριο δολάρια. Με δυο λόγια, ό,τι δεν έχει επάνω από την επιφάνεια η χώρα αυτή, το έχει αντίστοιχα κρυμμένο στο υπέδαφός της…
Δεν θα ήταν παράλογο να προσθέσουμε σε αυτά και τον οικονομικό πόλεμο που έκανε η Κίνα στις υπόλοιπες χώρες σε σχέση με τα μέταλλα που χρειάζεται η βιομηχανία των νέων καταναλωτικών συσκευών. Οσον αφορά τα μέταλλα που ανήκουν στην ομάδα των σπανίων γαιών στο έδαφος της Κίνας, και συγκεκριμένα στην Εσωτερική Μογγολία, ανήκει το 95% των αποθεμάτων όλου του πλανήτη, ενώ ο υπόλοιπος κόσμος μοιράζεται μόλις το 5%. Δεν ήταν δύσκολο λοιπόν να κερδηθεί ένας οικονομικός πόλεμος.
Δημιουργήθηκε από την κυβέρνηση του Πεκίνου στην περιοχή Μπαγιάν Ομπο το 1992 ένα βιομηχανικό πάρκο εξόρυξης με ιδιαίτερα προσεγμένους νόμους αδειοδότησης και προσελκύοντας ικανούς μεταλλειολόγους – μηχανικούς. Στη συνέχεια, στην πρώτη δεκαετία αυτού του αιώνα οι Κινέζοι είχαν φθάσει να πουλούν σε αδιανόητα χαμηλές τιμές τα σπάνια μέταλλα που έβγαζαν από ένα κοίτασμα με ηλικία 400 εκατομμυρίων ετών. Ετσι γονάτισαν ακόμη και οι Ηνωμένες Πολιτείες, που υποχρεώθηκαν να κλείσουν και ένα δικό τους αντίστοιχο ορυχείο στην έρημο Μοτζέβ της Καλιφόρνιας.
Τώρα λοιπόν ξέρουμε ότι υλικά για τα νέα κράματα υπάρχουν σε επάρκεια και επάνω στη Γη αλλά και σε άλλα πλανητικά σώματα. Ομως αυτό δεν μας φθάνει, όπως φαίνεται, για να τα εκμεταλλευτούμε σε συνθήκες απόλυτης ειρήνης. Η μελωδία και ο χορός που φαίνεται να έχουν στηθεί γύρω από τα νέα υλικά φέρνουν στον νου το Heavy Metal. Με το απειλητικό του ύφος, με εμμονικές σολιστικές συμπεριφορές και τις αδιάκοπες παραπομπές σε μεταλλικές δονήσεις.
Ενας αστεροειδής-ορυχείο!
Ο αστεροειδής με το περίεργο όνομα «16 Ψυχή» (16 Psychi) έχει διάμετρο περίπου 250 χιλιόμετρα και είναι φτιαγμένος σχεδόν εξ ολοκλήρου από σίδηρο και νικέλιο. Ενας κάπως υπερβολικά ονειροπαρμένος επενδυτής κάνοντας αναγωγή στις σημερινές τιμές των μετάλλων στην αγορά θα έβγαζε για αυτά μια συνολική αξία 10 εκατομμύρια τρισεκατομμυρίων δολαρίων όταν η παγκόσμια οικονομία υπολογίζεται σε 78 τρισεκατομμύρια δολάρια!
Τον μήνα Ιανουάριο αυτής της χρονιάς εγκρίθηκε η αποστολή, κάτω από την επίβλεψη του Πανεπιστημίου της Αριζόνας, ενός διερευνητικού διαστημοπλοίου που θα ξεκινήσει το 2022 και θα φθάσει να μπει σε τροχιά γύρω από τον αστεροειδή αυτόν το 2026. Θα είναι εφοδιασμένος με ρομποτικά μηχανήματα για την κατόπτευση της επιφάνειας του «16 Ψυχή», χωρίς να προσεδαφιστεί. Φωτογράφιση, μέτρηση μαγνητικού πεδίου, θερμοκρασίας και πολλών άλλων χρήσιμων μεγεθών ώστε κάποτε να γίνει πραγματικότητα αυτό που έχουμε διαβάσει πάμπολλες φορές μέχρι σήμερα σε μυθιστορήματα και διηγήματα επιστημονικής φαντασίας: το space mining. Ανθρωποι τολμηροί και αποξενωμένοι από τη γήινη ζωή που ψάχνουν στο Διάστημα για χρήσιμα μέταλλα. Αλλωστε και η αποστολή ανθρώπων στον Αρη θα πρέπει να μπορεί, μεταξύ άλλων, να λύσει το πρόβλημα του εφοδιασμού από το Διάστημα με τα απαραίτητα μέταλλα για την αποίκιση του πλανήτη.
Ενα τέτοιο άλμα όμως, από τη φαντασία στην πράξη, απαιτεί αρκετά πρωτόγνωρα εφόδια. Ενα από αυτά είναι και τα υλικά τα ικανά να αντέχουν στις χαμηλές θερμοκρασίες που επικρατούν σε διάφορα σημεία του Διαστήματος. Και το γνωστό Jet Propulson Laboratory, τακτικός συνεργάτης της NASA, ακριβώς στη σωστή στιγμή ανακοινώνει πως θα μπορούν να κατασκευάζονται πλέον γρανάζια και άλλοι ανάλογοι σύνθετοι μηχανισμοί χωρίς προβλήματα στη λειτουργία τους ακόμα και αν οι θερμοκρασίες φθάνουν τους -200 βαθμούς Κελσίου. Εκεί που δεν μπορούν τα οποιαδήποτε λιπαντικά να κάνουν τη δουλειά τους διότι παγώνουν και τα συνηθισμένα μέταλλα σπάνε και τρίβονται όπως το παξιμάδι.
Μικρό «μεταλλικό» λεξικό
Μέταλλα: Ανήκουν σε αυτά όσα στοιχεία παρουσιάζουν τις λεγόμενες μεταλλικές ιδιότητες. Αυτές είναι η γνωστή μεταλλική λάμψη, το ότι είναι καλοί αγωγοί του ηλεκτρισμού και της θερμότητας, έχουν αρκετά υψηλή πυκνότητα, ενώ η βασική χημική τους ιδιότητα είναι η ευκολία να χάνουν ηλεκτρόνια από τα άτομά τους.
Κράμα: Είναι μια ουσία που προκύπτει αν λιώσουμε και φέρουμε στον ίδιο χώρο δύο ή περισσότερα στοιχεία εκ των οποίων τουλάχιστον το ένα να είναι μέταλλο. Oταν στερεοποιηθούν, σχηματίζουν κρυστάλλους, δηλαδή διατάξεις που παρουσιάζουν κανονικότητα και επανάληψη μιας στοιχειώδους δομής. Δεν μπορείς να διαχωρίσεις τις ουσίες που αποτελούν το κράμα με άλλον τρόπο παρά μόνο αν το λιώσεις ξανά. Είναι χρήσιμα διότι βελτιώνουν τις ιδιότητες των ουσιών που τα συγκροτούν.
Γυαλί: Ο όρος «ύαλος» είναι γενικός και αναφέρεται σε μια ιδιόρρυθμη κατάσταση της ύλης μεταξύ της κρυσταλλικής και της υγρής. Δεν υπάρχει μόνο ένα είδος γυαλιού ούτε είναι απαραίτητο να είναι φτιαγμένο μόνο από πυρίτιο. Χιλιάδες ουσίες μπορούν να σχηματίσουν αυτό το υλικό, από τα παιδικά γλειφιτζούρια ως το γνωστό από την αρχαία εποχή ορυκτό οψιδιανός.
Μεταλλικό γυαλί: Συνδυάζει τις ιδιότητες του γυαλιού και μειώνει τα ελαττώματα του μετάλλου, που είναι οι ατέλειες στο πλέγμα. Είναι ένα υλικό που έχει μεγάλη αντοχή αλλά και εκπληκτική ελαστικότητα. Αξίζει ο αναγνώστης να δει το παρακάτω βίντεο για να καταλάβει αμέσως τις δυνατότητες αυτού του υλικού (https://engineering.jhu.edu/materials/research-projects/metallic-glasses/#.WaVuk8ZLeUk).
Σπάνιες γαίες: Είναι μεταλλικά χημικά στοιχεία που τα οξείδιά τους είναι γαιώδους μορφής και ονομάστηκαν έτσι επειδή κάποτε θεωρούνταν στοιχεία που τα βρίσκεις σπάνια. Σήμερα κάθε άλλο παρά σπάνια είναι και στα βιβλία της Χημείας δεν αναφέρονται έτσι αλλά ως λανθανίδες. Στη 16μελή αυτή ομάδα ανήκουν και μεταλλικά στοιχεία που είναι πολύ χρήσιμα στις νέες καταναλωτικές συσκευές, π.χ. νεοδύμιο, όλμιο, ύτριο, δυσπρόσιο, θούλιο.
ΕΝΤΥΠΗ ΕΚΔΟΣΗ
