Μια τεχνολογική εξέλιξη που έρχεται να ανατρέψει δεδομένα αιώνων στην επιστήμη των υλικών λαμβάνει χώρα σε ερευνητικά εργαστήρια των ΗΠΑ. Η παραδοσιακή εικόνα των κεραμικών ως σκληρών μεν υλικών, αλλά εξαιρετικά εύθραυστων, ετοιμάζεται να μπει στο χρονοντούλαπο της ιστορίας. Μέσω της προηγμένης τρισδιάστατης εκτύπωσης (3D printing), επιστήμονες κατάφεραν να δημιουργήσουν μια νέα γενιά κεραμικών σύνθετων υλικών που συνδυάζουν την παροιμιώδη αντοχή της πέτρας με την ελαστικότητα του πολυμερούς.
Για δεκαετίες, η βιομηχανία αναζητούσε τρόπο να εκμεταλλευτεί τις μοναδικές ιδιότητες των κεραμικών υλικών —όπως την αντοχή τους σε υψηλές θερμοκρασίες, τη σκληρότητα και την χημική τους αδράνεια— χωρίς όμως να υποκύπτει στον μεγάλο τους περιορισμό: την ευθραυστότητα. Ένα απλό πέσιμο ή μια απότομη μηχανική πίεση ήταν αρκετά για να μετατρέψουν ένα κεραμικό εξάρτημα σε θρύψαλα. Αυτή η «κατάρα» περιόριζε τη χρήση τους σε εφαρμογές όπου η μηχανική ευελιξία ήταν απαραίτητη.
Η νέα μέθοδος που αναπτύχθηκε, ωστόσο, αλλάζει τους κανόνες του παιχνιδιού. Οι ερευνητές στράφηκαν στη φύση για έμπνευση, και συγκεκριμένα στη δομή του μαργαριταριού και της νάκρης (mother of pearl), του ιριδίζοντος υλικού που καλύπτει το εσωτερικό πολλών οστράκων. Η φύση έχει λύσει το πρόβλημα της ευθραυστότητας εδώ και εκατομμύρια χρόνια, δημιουργώντας δομές που είναι ταυτόχρονα σκληρές και ανθεκτικές στις ρωγμές.
Βιομιμητική και 3D εκτύπωση
Το μυστικό της νέας αυτής «εύκαμπτης κεραμικής» κρύβεται στην αρχιτεκτονική της. Αντί να δημιουργήσουν ένα συμπαγές μπλοκ υλικού, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν τεχνολογία 3D εκτύπωσης υψηλής ακρίβειας για να δομήσουν το υλικό σε μικροσκοπικό επίπεδο. Η δομή αυτή θυμίζει έναν τοίχο χτισμένο με τούβλα και λάσπη.
Τα «τούβλα» αποτελούνται από σκληρό κεραμικό υλικό, το οποίο προσφέρει την απαραίτητη δομική ισχύ και αντοχή στη θερμότητα. Η «λάσπη» που τα συνδέει, όμως, είναι ένα ειδικό ελαστικό πολυμερές. Η τρισδιάστατη εκτύπωση επιτρέπει την απόλυτα ελεγχόμενη εναπόθεση αυτών των δύο υλικών, δημιουργώντας ένα πλέγμα όπου τα κεραμικά τμήματα μπορούν να «γλιστρούν» ελαφρώς το ένα πάνω στο άλλο όταν ασκείται πίεση, αντί να σπάνε. Το πολυμερές απορροφά την ενέργεια της κρούσης και επιτρέπει στο υλικό να παραμορφώνεται ελαφρώς και να επανέρχεται στην αρχική του κατάσταση, χαρίζοντας του μια πρωτόγνωρη ελαστικότητα.
Από τα εργαστήρια στην καθημερινότητα
Οι προοπτικές που ανοίγονται με αυτή την καινοτομία είναι κυριολεκτικά απεριόριστες και αγγίζουν τομείς που εκτείνονται από την ηλεκτρονική έως την αεροδιαστημική.
Σκεφτείτε, για παράδειγμα, την επόμενη γενιά ηλεκτρονικών συσκευών. Smartphones και wearables με κεραμικό σώμα που δεν γρατσουνίζεται όπως το πλαστικό ή το μέταλλο, αλλά ταυτόχρονα δεν σπάει αν πέσει στο πεζοδρόμιο. Η τεχνολογία αυτή θα μπορούσε να οδηγήσει σε οθόνες και περιβλήματα που είναι πρακτικά άφθαρτα, λύνοντας ένα από τα μεγαλύτερα παράπονα των καταναλωτών.
Στον τομέα της αεροδιαστημικής, τα οφέλη είναι εξίσου εντυπωσιακά. Κινητήρες και θερμικές ασπίδες που κατασκευάζονται από τέτοια υλικά θα μπορούν να αντέχουν σε ακραίες θερμοκρασίες, ενώ παράλληλα θα είναι ικανά να απορροφούν τους κραδασμούς κατά την απογείωση ή την επανείσοδο στην ατμόσφαιρα, χωρίς τον κίνδυνο καταστροφικής αστοχίας υλικού.
Επιπλέον, ο ιατρικός κλάδος παρακολουθεί τις εξελίξεις με τεράστιο ενδιαφέρον. Η δυνατότητα δημιουργίας κεραμικών εμφυτευμάτων που μιμούνται τη φυσική ελαστικότητα των οστών θα μπορούσε να οδηγήσει σε τεχνητές αρθρώσεις και οδοντικά εμφυτεύματα με πολύ μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και καλύτερη συμβατότητα με το ανθρώπινο σώμα.
Μια νέα εποχή για τη βιομηχανία
Η επιτυχία αυτής της μεθόδου υπογραμμίζει τη δύναμη των σύνθετων υλικών και της προσθετικής κατασκευής. Δεν πρόκειται απλώς για την ανακάλυψη ενός νέου χημικού στοιχείου, αλλά για τον έξυπνο σχεδιασμό της δομής της ύλης. Οι ερευνητές απέδειξαν ότι ελέγχοντας τη μικρο-αρχιτεκτονική ενός υλικού, μπορούμε να του προσδώσουμε ιδιότητες που φαινομενικά αλληλοσυγκρούονται.
Καθώς η τεχνολογία ωριμάζει και το κόστος της 3D εκτύπωσης ακριβείας μειώνεται, είναι θέμα χρόνου να δούμε αυτά τα εύκαμπτα κεραμικά να περνούν από τη φάση του πρωτοτύπου στη μαζική παραγωγή.
