Vibranium. Kov, který není cizí snad žádnému fanouškovi marvelovských komiksů – už třeba jen proto, že je z něj vyroben štít Kapitána Ameriky. Ve skutečném světě sice žádné vibranium neexistuje, vědcům z University of Toronto se však podařilo vytvořit něco, co jeho vlastnosti zdánlivě připomíná. Vyvinuli nanomateriál, který je neuvěřitelně lehký a pevný – a který hlavně, na rozdíl od zmíněného vibrania, existuje i ve světě reálném.
Za objevem stojí tým výzkumníků pod vedením inženýra Tobina Filletera. Nově vytvořený materiál má houževnatost oceli, ale jeho hmotnost je podobná pěně. Vědci museli nejprve naučit umělou inteligenci rozpoznávat nejlepší konfigurace nanostruktur, jež by při zachování extrémní pevnosti neměly téměř žádnou hmotnost. Při vzniku finální podoby pomohl také 3D tisk, píše web Popular Mechanics.
Jedinečné fyzikální vlastnosti
Nanomateriály mají alespoň v jedné dimenzi velikost v rozmezí 1 až 100 nanometrů (jeden nanometr se přitom rovná jedné miliardtině metru). Jako takové vynikají svými jedinečnými optickými, elektrickými, termofyzikálními a mechanickými vlastnosti a využívají se v řadě průmyslových a vědeckých odvětví, třeba při výrobě čipů, cílené aplikaci léků nebo v textilním průmyslu. Zde mohou být zajímavým příkladem, který skvěle dokumentuje odolnost nanočástic uhlíku, neprůstřelné vesty o hmotnosti běžného trička, vyrobené z uhlíkových nanotrubic.
Pro dosažení tak obrovské pevnosti je třeba najít kombinaci houževnatých materiálů s mikroskopickými geometrickými strukturami, jež se podobají mřížkám nebo včelím plástvím. Slabina některých z nich dosud spočívala v tom, že geometrické vzory jejich nanostruktur nebyly schopné rovnoměrně rozložit napětí, což vedlo k jejich destrukci.
Téměř nezničitelná struktura
Pro vznik materiálu, který by zmíněný problém odstranil, se vědci spojili s umělou inteligencí (AI). Filleter a jeho tým nejprve přišli s algoritmem, jenž měl optimalizovat návrh nanomateriálů a pomoci vybrat tu nejlepší geometrickou strukturu. Poté museli naučit a vytrénovat AI, aby rozpoznala, která struktura povede k nejlepšímu mechanickému výkonu daného materiálu, což byl v tomto případě pyrolytický uhlík. Ten vzniká rozkladem jiných materiálů.
Umělá inteligence poté přišla s téměř nezničitelnou mřížkovou strukturou. „Prostřednictvím maximalizace mechanické odezvy a minimalizace relativní hustoty dosahují uhlíkové nanomřížky pevnosti srovnatelné s uhlíkovou ocelí, přitom mají hustotu polystyrenu,“ píšou vědci ve studii publikované v časopise Advanced Materials s tím, že jejich společný výtvor následně do reality pomohla převést technologie 3D tisku.
Některé nanomateriály se sice kvůli požadované úrovni detailů tisknou velice dlouho, struktura nanomřížek, tedy nanomateriálu s otevřenými buňkami, to ovšem nevyžaduje. Získaný produkt výzkumníci upekli a pomocí pyrolýzy odstranili přebývající látky. Výsledkem byla jen samotná nanomřížka z uhlíku, která je však schopná unést milionkrát více, než je její vlastní hmotnost, ačkoliv současně zůstává dostatečně lehká, aby jí odolala i mýdlová bublina.
Od zdravotnictví po kosmický průmysl
Díky rychlé výrobě lze předpokládat, že se nově vyvinutý nanomateriál v budoucnu dočká poměrně velkého rozšíření, a to třeba ve zdravotnictví. Jeho nízká hmotnost a současná pevnost by mohla usnadnit život s lékařskou protetikou a implantáty nebo protézami. Stejně tak by se dal potenciálně využít i při výrobě automobilů, které by pak potřebovaly menší množství paliva, což by následně snížilo provozní náklady a podpořilo udržitelnost.
„Tyto metamateriály jsou příslibem revoluce v designu materiálů. Jejich vlastnosti je předurčují pro využití v leteckém a kosmickém průmyslu, balistickou absorpci v obranném průmyslu nebo díky ultrarychlé odezvě také v optice při pozorování vesmíru a v mnoha dalších oblastech,“ dodává Filleterův tým ve zmíněné studii.
