Μπορείτε να φανταστείτε τη δυνατότητα κατασκευής ενός οικοδομήματος μόνο από γυαλί, το οποίο δεν θα φοβάται τη φωτιά, καθώς το υλικό του θα είναι ισχυρότερο από… ατσάλι; Αν, όχι, κάνετε μία προσπάθεια, γιατί στον τομέα της επιστημονικής έρευνας ήδη βρίσκεται στα σκαριά η δημιουργία ενός τέτοιου υλικού, το οποίο αν μη τι άλλο, θα χαράξει σίγουρα την αρχή μιας νέας εποχής!
Αντοχή Vs Ανθεκτικότητα
Ο άνθρωπος ανέκαθεν αναζητούσε υλικά που να συνδυάζουν τα χαρακτηριστικά της σκληρότητας, της στιλπνότητας, της αντοχής, και αν γίνεται, και της ευκαμψίας τους, στη φάση της κατεργασίας. Έτσι εγκαινιάστηκε πριν χρόνια, η «εποχή του σιδήρου», όπου το άκαμπτο και σκληρό ατσάλι έγινε το φετίχ αρχιτεκτόνων.
Ωστόσο το γεγονός ότι δεν υπήρχε μέταλλο ή κράμα, που να συνδυάζει απόλυτα όλα τα επιθυμητά χαρακτηριστικά, εξακολουθούσε να παραμένει ένα σοβαρό ελάττωμα. Ο λόγος είναι ότι όσο αυξάνεται η ανθεκτικότητα (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, 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, την 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.
Η πάλη με την ύλη
Εδώ και πενήντα χρόνια, η επιστήμη των υλικών προσπαθεί ακατάπαυστα 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”, το οποίο προσφάτως συνεργάστηκε με το γειτονικό εθνικό εργαστήριο δοκιμών “Lawrence Βerkeley Νational Laboratory”. Έπειτα από 109 πειραματισμούς, ο κύριος ερευνητής υλικών του Cal Τech, ο οποίος έχουμε την τιμή να κατάγεται από την Κύπρο, Μάριος Δημητρίου, κατόρθωσε να δομήσει ένα ατσαλόγυαλο από παλλάδιο (με σύσταση Ρd79Αg3.5Ρ6Si9.5Ge2) 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 το γύρο του κόσμου.
Ο Μάριος Δημητρίου
Ο Μάριος Δημητρίου γεννήθηκε 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 Άντζελες.
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.
Ατσάλινο Γυαλί
Σύμφωνα με τον κ. Δημητρίου, ο τελικός στόχος της αναζήτησης καλύτερων δομικών υλικών 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. Για παράδειγμα 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 πέτυχε να δημιουργήσει η ομάδα του κ. Δημητρίου, 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.
Εφαρμογές
Ωστόσο δεν πρόκειται να δούμε ακόμη το υλικό αυτό να χρησιμοποιείται ευρέως ως δομικό στοιχείο όπως το γυαλί και το ατσάλι, διότι 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), είτε είδη αεροδιαστημικής τεχνολογίας. Για να φθάσουμε στην εποχή της μαζικής χρήσης του ως δομικού υλικού, θα πρέπει να ολοκληρωθεί η παραγωγή του υλικού που τώρα σχεδιάζεται. Πρόκειται για ένα ατσαλόγυαλο βασισμένο σε χαλκό, σίδηρο ή αλουμίνιο. Όταν γίνει αυτό, η εποχή του κλασικού σιδήρου θα έχει λήξει για πάντα…
(Πηγή: ΤΟ ΒΗΜΑ ΤΗΣ ΚΥΡΙΑΚΗΣ)