Horyzonty rozwoju

Grzegorz Boroń

Od kamiennych narzędzi, przez misy z brązu i stalowe miecze, aż do krzemowych układów scalonych. Gdzie zaczyna się horyzont rozwoju?

Początkowo my - ludzie korzystaliśmy z narzędzi wykonanych z kamienia. To od nich wzięła swoją nazwę najwcześniejsza z epok rozwoju - epoka kamienia. Trwała od pojawienia się człowieka aż do momentu, gdy nauczyliśmy się wykonywać na masową skalę narzędzia metalowe. W okresie przejściowym między epokami kamienia i brązu korzystaliśmy z narzędzi wykonanych głównie z miedzi, ale ta jako metal bardzo plastyczny, nie nadaje się do wykonywania elementów codziennego użytku. Odkryto zatem stop miedzi z cyną (którą czasami zastępowano ołowiem lub antymonem), który nazwano brązem. Posiada on lepsze parametry wytrzymałościowe od “czystej” miedzi, ale i tak nie były wystarczające na chociażby miecze, które gięły się po pierwszej bitwie. Stosowanie narzędzi metalowych pozwoliło na większy niż do tej pory rozwój gospodarki, a co za tym idzie, rozwój całej ludzkości.

Wejście w epokę żelaza tylko przyśpieszyło ten rozwój. Nagle zdaliśmy sobie sprawę, że istnieje stop, który nie tylko posiada dobrą plastyczność i twardość, ale jest też o wiele bardziej dostępny niż cyna i miedź. Obecnie nie wyobrażamy sobie życia bez stopów na bazie żelaza i węgla. Choć nie zdajemy sobie sprawy, wciąż jest najczęściej wykorzystywanym materiałem. Archeologiczna epoka żelaza skończyła się w okolicach XIII wieku, ale praktycznie trwa do dzisiaj. Chociaż nie do końca…

Era krzemu

Wszystko za sprawą jednego z najbardziej niedocenionych Polaków - Jana Czochralskiego, który jako pierwszy wynalazł sposób odlewania monokryształów krzemu. I… Co w związku z tym? Wynalazek na miarę nagrody nobla posłużył do wykonywania układów scalonych, a te obecnie dostępne są praktycznie wszędzie. Mimo że praktycznie wciąż żyjemy w epoce żelaza, teoretycznie można by rzec, jesteśmy w epoce krzemu, bez którego nie wyobrażamy sobie życia. Telefony. Komputery. Telewizory. Kamery. Roboty przemysłowe. Wszystko to nie mogłoby działać, gdyby nie układy scalone (i pan Czochraliski!). Krzem pozwolił osiągnąć nam niesamowity bum gospodarczy, którego wcześniejsze pokolenia mogą nam tylko zazdrościć.

Zapomnieliśmy jednak o szarej (w tym przypadku czarnej) eminencji naszych czasów. Pierwiastku, który był przez te wszystkie lata pod naszym nosem, a który obecnie nas zadziwia. Chodzi o węgiel. Tym samym wchodzimy ciekawy i jeszcze nie do końca poznany grunt nanotechnologii.

W skali nano

Nanotechnologia to ogół technik do tworzenia materiałów o strukturze nano, czyli baaaaaardzo małej. Zakłada się, że są to materiały na poziomie pojedynczych atomów i cząsteczek, które mają wielkość od 1 do 100 nanometrów. Dla przypomnienia 1 nanometr, to 10 do potęgi minus 9, czyli to jedna miliardowa metra. Struktury te są tak małe, że nie możemy ich opisać za pomocą znanych nam technik mechaniki klasycznej. Tutaj na ratunek przychodzi mechanika kwantowa, od której zależą właściwości materiałów. Jak stara jest nanotechnologia? Okazuje się, że świadomie (lub nie) stosowano ją już w starożytności. Znajdujący się w Muzeum Brytyjskim puchar Likurga jest tego idealnym przykładem. W zależności od kąta patrzenia zmienia się kolor pucharu. Raz jest czerwony, a raz zielony. Zawdzięcza to nanocząstkom srebra i złota w szkle. Takie szkło zwane jest szkłem dichroicznym, a technologia jego otrzymywania przez starożytnych mistrzów pozostaje nieznana.

Nanotechnologia to nie tylko puchary na wino, ale też medycyna, przemysł zbrojeniowy, kosmetologia, budownictwo, lotnictwo, przemysł kosmiczny i… dużo, dużo więcej. W medycynie z powodzeniem stosuje się nanosrebro, które jako metal szlachetny ma działanie bakteriobójcze, do odkażania sprzętu medycznego, produkcji koców i pościeli dla szpitali. Nanomateriały dzięki swoim niesamowitym parametrom wytrzymałościowym są lepsze jakiekolwiek metale.

Wracamy do węgla

Śmiało można powiedzieć, że kolejna epoka będzie epoką węgla. Wszystko za sprawą grafenu - nowoczesnego i ultra wytrzymałego materiału. Grafen jest pojedynczym “paskiem” atomów węgla, które są ułożone w sześciokąty. Taka budowa zapewnia jego maksymalne parametry. Zwykle spotyka się z kilkoma warstwami takich struktur. Grafen możemy znaleźć chociażby w ołówku - grafit to nic innego jak wiele warstw grafenu. Rysując ołówkiem zostawiamy na kartce kilkaset warstw grafenowych.

Grafen z powodzeniem może zastąpić krzem w układach scalonych. Nadaje się także do produkcji paneli fotowoltaicznych. Posiada 100 razy lepszą przewodność cieplną niż srebro oraz wytrzymałość na rozciąganie setki razy większe niż stal. Może być stosowany w produkcji samochodów, elementów, które wymagają bardzo dużej wytrzymałości. W branży kosmicznej, czy chociażby w medycynie do eliminowania stanów zapalnych. Z pewnością jest to materiał przyszłości, którego obecnie jedyną wadą jest jego cena, która wynosi od 50$ do 200$ za gram. Patrząc na historię rozwoju człowieka, jesteśmy żądnymi przygód odkrywcami, którzy wymagają coraz więcej od otaczającego nas świata. Kolejne lata z pewnością przesuną nasz horyzont ograniczeń naukowych. Kto wie, może zostaniemy prawdziwymi zdobywcami kosmosu? Od epoki kamienia kierujemy się powoli w epokę węgla, nie wiedząc, gdzie pojawi się nasz naukowy horyzont.

Do artykułu posłuchaj utworu: Hazy - Cosmos

ilustracje: Klaudia Wójtowicz