Opracował materiał, którego nie można przeciąć

W drugiej połowie lipca media obiegł news z dwiema ważnymi informacjami.  Pierwsza, że naukowcom z Wielkiej Brytanii udało się wytworzyć materiał o nazwie Proteus, którego nie da się przeciąć, a drugi - że zespołem naukowców kierował Polak.  Zacznę od pierwszej części. Co takiego sprawia, że Proteus tępi piły, wiertarki i inne podobne  narzędzia?

Nie można go przeciąć ze względu na strukturę, na którą składa się porowaty metal, w którym zawieszone są ceramiczne kulki. W momencie gdy szlifierka czy piła przecina materiał, przy kontakcie z kulką ceramiczną zaczyna wibrować. Wibracje w szybko obracających się dyskach czy wiertłach są rzeczą naturalną, natomiast  w przypadku naszego materiału ceramiczna kulka, na którą natrafi tarcza, wzmacnia je tak jak falochron, który rozbija fale. Wibracje na krawędzi ostrza mają wysoką częstotliwość (np. 9 tys. cykli na sekundę), czyli są bardzo szybkie i zaburzają proces przecinania.  Innymi słowy –  energia i praca szlifierki czy narzędzia tnącego jest zamieniana w wibracje, które utrudniają i przeciwdziałają przecinaniu. Energia szlifierki jest wykorzystywana przeciwko jej samej. Drugim elementem naszego systemu materiałowego są kulki wykonane z ceramicznych ziaren, które są spieczone razem w procesie produkcji ale nie w 100 proc. Także przy próbie cięcia rozpadają się na drobne ziarenka. Zachowują się one jak worek piasku w strefie wojennej, który zatrzymuje szybko poruszające  się pociski. Wszyscy wiemy, że worek z piaskiem czy zamek z piasku na plaży łatwo jest przebić ostrym narzędziem czy kijkiem, natomiast staje się niezmiernie twardy przy szybkim obciążeniu. Jest to podobne do zachowania wody, która wydaje się dosyć miękka,  jeżeli zanurzamy się w niej powoli, natomiast jest dosyć twarda, gdy spadniemy do niej na brzuch. W naszym materiale drobinki ceramiczne działają jak papier ścierny i stają się coraz twardsze im szybsze są wibracje dysku. Zaobserwowaliśmy też drugi mechanizm  przy próbach przecinania materiału strumieniem wodnym. Przy kontakcie z kulkami ceramicznymi, strumień wody rozszerza się i traci swoją prędkość. Gwałtownie spada jego zdolność cięcia i zachowuje się podobnie jak rzeka płynąca w swoim korycie, czyli przestaje być efektywny do dalszego cięcia.


Na strukturę Proteusa składa się porowaty metal, w którym zawieszone są ceramiczne kulki

Czy to oznacza, że Proteus jest niezniszczalny?

To że naszego materiału nie da się przeciąć, nie oznacza, że jest on niezniszczalny.  Co prawda zachowuje się dosyć ciekawie pod obciążeniami falami uderzeniowymi od wybuchu, czy przy uderzeniach pociskami. Okazuje się, że ma zdolność kruszenia pocisków i zmniejszania fali uderzeniowej, natomiast mimo wszystko nie jest to materiał niezniszczalny. Bardziej przypomina on struktury biologiczne, takie jak muszle skorupiaków czy skórkę grejpfruta, które mają struktury materiałowe podobne do wieży Eiffla, tylko w mniejszej skali. Jeżeli przyjrzeć się takiej budowli, to okazuje się, że każdy element jest  kolejną strukturą. Jeśli zbliżymy się do tej kolejnej struktury i przyjrzymy się jej elementom, okaże się, że one również są kolejnymi strukturami. W biologicznych strukturach takich poziomów hierarchii możemy mieć nawet do siedmiu i ośmiu. W konwencjonalnych materiałach produkowanych obecnie, takich jak stal czy ceramika, tych poziomów hierarchii mamy co najwyżej trzy lub cztery. Natomiast wraz z pojawieniem się nowych metod wytwarzania materiałów, takich jak drukowanie 3D, kompozyty tworzone z technicznych tkanin  czy przy pomocy wiązek światła, mamy coraz większe możliwości tworzenia skomplikowanych struktur. My wykorzystaliśmy technikę przypominającą pieczenie ciast – zmieszaliśmy metalowy proszek z chemikaliami, które go spieniają (tworzą się bąbelki gazu) podczas podgrzewania w piecu metalurgicznym. Dodaliśmy również składniki ceramiczne, dzięki czemu na końcu powstaje porowata struktura metalowa z ceramicznymi kulkami,  przypominająca trochę struktury żywych organizmów.

Jakie praktyczne zastosowanie może mieć taki materiał?

Na pewno może posłużyć do produkcji elementów bezpieczeństwa, np. zapięć  do rowerów, zamków do drzwi, czy przeciwwłamaniowych bram do elektrowni, banków, centrów danych itp. Możliwe są też w przyszłości inne zastosowania, takie jak podeszwy do butów roboczych które bardzo ciężko jest przeciąć, ochraniacze na ramiona czy odzież  ochronna w fabrykach, gdzie używa się urządzeń tnących czy skrawających. Mam również nadzieję że nasza technologia materiałowa, zainspirowana biologicznymi strukturami, takimi jak muszle skorupiaków, grejpfruty czy inne struktury wytworzone przez ewolucję,  może zainspirować inżynierów do tworzenia bardziej skomplikowanych systemów materiałowych, które mogą wykonywać różnorodne funkcje.