Különleges (tulajdonságú) anyagok
Napjainkban
a mesterségesen előállított szerves vegyületek száma már többszöröse a természetben
előfordulókénak.
Az utóbbi évtizedekben számos rendkívüli tulajdonságú anyagot állítottunk elő.
Nagyobb hányaduk szerves
anyag, de vannak köztük szervetlenek is.
Említhetők köztük műanyagok,
kerámiák és persze
rengeteg úgynevezett kompozit
anyag, amelyek "összegzik", sokszor "hatványozzák" az
összetevők kedvező tulajdonságait. (Bár néha "megszabadulni" is sokkal
nehezebb tőlük.)
Nagyon sok speciális anyag az űrkutatás "melléktermékeként" került
a mindennapi életbe.
Itt most megpróbálok "mazsolázni" egy kicsit a különböző területeken
alkalmazott érdekesebb anyagok között, az alábbi "főcsoportok" szerint.
Kezdjük talán a szerves
anyagokkal.
A szerves kémia
kezdetének 1828-at tekinthetjük, amikor Wöhler
először állított elő karbamidot,
szervetlen anyagokból
kiindulva.
Ma már millió számra állítjuk elő a lekülönbözőbb szerves
anyagokat mindeféle "élő közreműködés" nélkül.
Ugyanakkor azt is meg kell említeni, hogy a biotechnológia előretörésével, egyre
több anyagot álíttatunk elő "élő közreműködéssel".
Például génkezelt baktériumokkal "gyártatnak" gyógyszereket
és egyebeket.
A vis vitalis elmélet "igazi" megdöntésének tekinthető, hogy a nevükben is mesterséges eredetre utaló műanyagok szinte kivétel nélkül szerves anyagok, amikről Wöhler előtt még azt hitték, hogy csak élőlény állíthatja elő.
Bármennyire szeretnék egyesek, ma már nem élhetünk műanyagok nélkül. Mindenütt jelen vannak, még olyan helyeken is, ahol egyáltalán nem gondolnánk.
Lexikonomban nagyon sok műanyag megtalálható. A Szójegyzék keresőjébe a műanyagok kereszőszót beírva az összes kapcsolódó címszó legyűjthető.
Az első mesterséges alapanyagú műanyag
a bakelit (1907) óta nagyon
sok különböző műanyagot
fejlesztettek ki és gyártottak, illetve gyártanak.
Itt most csak néhány "érdekesebbet" emelnék ki a sok közül.
Teflon - politetrafluor-etilén
(PTFE)
Kemény, hő-, kopásálló és vegyianyagoknak is jól ellenálló polimerizációs műanyag.
Egyik legkorábbi alkalmazása Manhattan
Project (atombomba kifejlesztése) keretében történt, ahol szelepbevonatként
és csövek tömítésére használták, a rendkívül reakcióképes urán-hexafluorid "megtartására"
az urándúsító üzemben.
A háztartásokban leginkább edények tapadásgátló bevonataként (a képen)
lett ismert.
Használják csapágyakhoz és űreszközökben
is, pl. csövekhez a meglehetősen "agresszív" tiszta fluor vezetésére.
Kevlar
A
poliamidok közé tartozó polikondenzációs műanyag.
Oldószerekkel, lúgokkal,
híg savakkal szemben
ellenálló.
Nagy szilárdságú, kis súlyú, alacsony nyúlású.
Leginkább talán, mint golyóálló mellények (a képen) és motoros ruhák
alapanyaga közismert.
Különleges jó nedvszívó képességű műszálak
Elsősorban
különleges sportruhákhoz, illetve speciális kendőkhöz alkalmaznak, általában
poliészterből, poliamidból készült, erősen pórusos kivitelű anyagokat.
Nem elsősorban az alapanyaguk, hanem az elkészítésük módja biztosítja különlegesen
jó tulajdonságaikat.
Például "karéjos" keresztmetszetű, lúggal "hámozott" selyem
kopolimerizált poliészterből ... a láncba beépített vegyületrész részleges alkálikus
kioldásával mikropórusos, érdes tapintású, lent utánzó polimerszálak állíthatók
elő.
A verejtéket abszorbeáló és gyorsan száradó poliészter szál belül üreges kiképzésű,
felületén parányi pórusok találhatók; a kapilláris szívóhatás továbbítja az
izzadságot a központi üregbe, innen a szabadfelületű pórusokon át elpárolog
(a pamutnál gyorsabb nedvességszállítás érhető el).
Ultrafinom rostok előállítása történhet pl. polisztirol és poliészter bikomponens
szál gyártásával, végül a polisztirol kioldásával alakul ki a nagyfinomságú
szálasanyag.
Így készülnek a szarvasbőr utánzatú textíliák, nem pihésedő munkaruhák (pl.
számítógéptermi tiszta helyiségekben használandó öltözékek kelméi).
Az ábra
a mikroszálas (baloldalt) és a hagyományos (jobboldalt) törlőruha "működése"
közötti elvi különbséget mutatja be.
A mikroszálas anyagnak igen nagy a felülete és ezáltal nagyon jók az
adszorpciós tulajdonságai.
Hasonlóan működik, mint az aktív
szén.
Ide sorolhatók többek között a különféle gyógyszerek.
A rengeteg új mesterségesen előállított szerves
vegyület közül nagyon sokat viszgálnak át "gyógyszeralkalmasságra".
Ezek nagyon kis hányada valóban alkalmasnak bizonyul erre a célra.
Ma már jelentős szerepet kap a számítástechnika is a gyógyszerkutatásban. A
potenciális vegyületek
"első szűrése" számítógépekkel történik, és csak az "ígéretes
jelölteket" állítják elő és vizsgálják "kémiai valóságukban".
A "második rostán" is túljutott anyagok kerülnek azután biológiai
kísérletekre, állatkísérletekre és ha "minden OK", akkor jöhetnek
a klinikai tesztek...
Bizonyos szerves vegyületek, szilárd
halmazállapotban kristályosak,
de olvadáskor először részlegesen rendezett állapotba (folyadékkristály
állapot) kerülnek, és csak akkor válnak igazi folyadékká,
ha hőmérsékletük
tovább emelkedik.
Amikor az első ilyen anyagokat megtalálták még valószínűleg nem is sejtették,
hogy ezekkel az anyagokkal olyan lapos képernyők (LCD
TFT) készülnek majd, amelyek a 20. század végére kiszorítják a jó öreg CRT-ket.
Az ábrán a folyadékkristályok különböző rendezettségű állapotai láthatók.
Amikor az 1930-as években kifejlesztették a freonokat (halogénezett szénhidrogéneket),
az évszázad találmányának tartották.
Nagyon kedvezőek a tulajdonságaik hűtőközegként, hajtógázként, tűzoltásra, stb.
Aztán a 20. század utolsó negyedében kiderült, hogy nem barátai a környezetnek,
különösen a létfontosságú ózonrétegnek. Ezért 1986-tól egyes típusaik alkalmazását
teljesen betiltották
Bár a szervetlen vegyületek száma messze elmarad a szerveseké mögött, ezen a területen is rengeteg új anyag "keletkezett" az elmúlt 100 évben. Nyugodtan állíthatjuk, hogy ma már a periódusos rendszer gyakorlatilag valamennyi elemét használjuk valamire.
A periódusos rendszer
elemeinek legnagyobb
hányada fém.
(Lexikonomban az összes fém
megtalálható és a Szójegyzék keresőjébe a fémek kereszőszót beírva
az összes kapcsolódó címszó legyűjthető.)
A fémek közül csak néhányat használunk igazán nagy mennyiségben (vas, alumínium,
réz), de számos kisebb mennyiségben alkalmazott fém (vagy ötvözet) vált nagyon
fontossá az utóbbi időben.
Az elmúlt évtizedekben olyan, sokszor nagyon ritka, fémeket
keztek alkalmazni, amelyek azelőtt vagy teljesen ismeretlenek voltak, vagy ismertek
voltak ugyan, de nem léteztek megfelelő technológiák előállításukra, alkalmazásukra.
Néhány példa az újabban (nem régen) használt fémekre és alkalmazásaikra.
A volfrámot ugyan már 1781-ben felfedezték, de rendkívül nehéz feldolgozhatósága
miatt, csak 1907-ben kezdték el izzólámpákban használni, jóval a szénszálas
izzólámpák (1879) elkészítése után.
A titánt csak 1930-ban állították elő, ma azonban már rendkívül fontos.
Egyre nagyobb mennyiségben használják kitűnő mechanikai és korróziós tulajdonságai
és kis súlya, valamint hőállósága miatt, pl. gázturbinák lapátjaihoz, rakétamotorokhoz,
nagy sebességű repülőgépekhez,
vegyi berendezések béléseként.
Speciális acél és más ötvözetek készítésére is használják (a képen titánötvözet
fúrószárak láthatók)
A lantánt, már 1843-ban előállították, de hidrogéntároló fémszivacs előállítására - téfogatának
400-szorosát tárolja hidrogénből és visszanyerhető belőle - csak nem rég kezdték el alkalmazni.
Az indiumot ötvözetekhez,
csapágyak felületének bevonására és félvezetőkhöz,
termisztorokhoz
(a képen) használják.
Nagyon alacsony olvadáspontú
ötvözetek állíthatók
elő vele, pl. a 24% indium
- 76% gallium tartalmú ötvözet
szobahőmérsékleten
folyékony.
Üvegre gőzölögtetve
tükörként használható, amely ugyanolyan jó, mint az ezüst,
de ellenáll a légköri korróziónak.
Ma már az egyik legritkább, és rendkívül veszélyes elemet, az 1898-ban felfedezett polóniumot is használják, pl. beriliummal keverve neutronforrásként, illetve űreszközök radioaktív áramforrásaihoz nagy radioaktív bomlási hője miatt.
A hafnium sem tartozik a gyakori elemek közé, de kivételesen jó neutronelnyelő, valamint kiváló mechanikai tulajdonságai és rendkívüli korrózióval szembeni ellenállása miatt, atomreaktorok szabályzó rúdjainak készítésére használják, elsősorban az atomtengeralattjárókban.
A technéciumot csak 1937-ben állították elő molibdénből nagy energiájú deuteronokkal, vagyis elemátalakítással. A természetben csak uránércekben fordulhat elő nagyon kis mennyiségben. Mégis használják Tc[99]-es izotópját a gyógyászatban rövid (6,01 óra) felezési ideje miatt. Alkalmazzák továbbá korróziógátló acél ötvözőanyagaként, már igen kis mennyiségben (55 ppm!) adagolva is hatásos.
Itt gyakorlatilag a fémeken és ötvözeteken kívül az összes többi szervetlen anyaggal foglalkozom.
A szilícium a földkéreg
második leggyakoribb eleme,
és Berzelius már
1824-ben tisztán is előállította.
Azt azonban aligha gondolhatta, hogy a 20. század utolsó harmadától megváltoztatja
a fél világot a belőle készült áramköri elemekre épülő mikroelektronika.
Egész iparág épült fel homokból, némi alumínium,
foszfor és egyéb "szennyezéssel".
Az ittrium-oxidot ittrium-vas gránit előállítására használják, amely
nagyon hatékony mikrohullámú szűrő
(a képen ilyen mikrohullámú szűrő eszközök láthatók).
A gallium egyik
legfontosabb vegyülete
a gallium-arzenid (GaAs), amely az elektromos energiát látható
fénnyé alakítja, és a fénykibocsátó
diódákban (a képen) használatos.
Koherens fényforrásként
is használható.
A kerámiák
egyáltalán nem tartoznak az új anyagok közé, mint ahogyan a baloldali képen
látható ókori váza is jelzi. (Sőt ennél sokkal régebben is használtak már kerámia
edényeket.)
A másik két képen viszont már sokkal újabb, igazán különleges tulajdonságú kerámia
anyagok láthatók.
A kerámialapos tűzhely egyre jobban eltejed a háztartásokba.
Anyaga úgynevezett üvegkerámia, ami az üveghez
hasonlóan készül. Összetételét tekintve lítium-oxid,
szilícium-oxid és alumínium-oxid
alapanyagú, amit különleges hőkezelési eljárással úgy kristályosítanak,
hogy 70-80%-ban kristályos
és 20-30%-ban amorf
szerkezetű.
Nagyon kicsi a hőtágulása,
ezért nem törik el hirtelen hőmérséklet
változások esetén sem.
Ókori váza
|
Kerámialapos tűzhely
|
|
Még ennél
is különlegesebb tulajdonságokkal rendelkeznek azok a kerámia
csempék, amelyeket az űrrepülőgépek
alsó felületére ragasztanak, hogy megvédje a felhevüléstől, amikor több, mint
20.000 km/óra sebességgel
a légkörbe lép.
A képen egy ilyen csempe melegítéses vizsgálata látható. Amikor a közepe ilyen
vörösen izzik (1600°C-on), akkor a széleit még puszta kézzel meg lehetne fogni!
Érdemes megemlíteni a NASA
Stardust űrszondájához kifejlesztett aerogélt is.
Ez egy szilícium alapú,
szivacsos szerkezetű anyag, amelynek 99.8%-a (!) levegő.
Valamiféle "megsziládult semminek" tekinthető.
Az 1999.
01. 03. indított Stardust űrszonda
célja a Wild 2 üstökös
anyagának Földre juttatása
volt. Ezt az igazán különleges anyagot azért fejlesztették ki, hogy a kozmikus
sebességgel száguldó apró szemcséket "kíméletesen", minél kevesebb
kölcsönhatás nélkül
"foghassák meg", hiszen másképpen nem lennének vizsgálhatók.
A szonda, sikeres küldetés után, 2006. 01.02-án tért vissza a mintákkal.
A képen az aerogélben begyűjtött "üstököspor" nyomai láthatók.
A szemcsék kb. 200-szor olyan hosszú nyomot hagynak az aerogélben, mint amilyen az átmérőjük. Ezek a nyomok azután mikroszkóppal vizsgálhatók az átlátszó anyagban.
Nem mellesleg minden eddig anyagnál kiválóbb hőszigetelő,
és persze hangszigetelő, továbbá rendkívül könnyű. (Ami az összetétele alapján
nem meglepő, sűrűsége
az üvegének mindössze
ezredrésze! Ezért "fényes karrier" előtt áll.
Az egyik legérdekesebb és leginkább fejlődő terület.
Kompozit anyagokat
igazán csak az elmúlt évtizedekben kezdtünk emlegetni, elsősorban a műanyagok
és egyéb anyagok együttes alkalmazása kapcsán. Pedig, mint lentebb láthatjuk,
nem is annyira új területről van szó.
Az élővilág
is számos "kompozit anyagot" használ, pl.
- a csontok (a képen), a kagylóhéjak (fehérjerostok és kalcium-karbonát
kompozitjai)
- a fák ágai (cellulóz és lignin kompozitjai)
Jobban belegondolva az emberek által készített eszközök között sem tekinthető
annyira újnak.
Gondoljunk olyanokra, mint
- a vályog
Szalmából és agyagos sárból készült "kompozit anyag"
Meglehetősen régóta alkalmazzák az építkezéseknél
- az íj,
(amit a legtöbb helyen állati és növényi eredetű anyagok "kompozitjából"
készítettek)
A magyarok íját pl. fából, szürke marha szarvából és állati ínakból állították
össze, az egyes rétegeket pedig halenyvvel rögzítették egymáshoz.
- a vasbeton,
(ami szintén nem nagyon új és nem említik a "tipikus" kompozitok között)
Megfelelően elhelyezett (feszített vagy feszítetlen) acél szerkezet, amit "körülöntenek"
betonnal.
Amiket igazán kompozit anyagnak nevezünk azok legnagyobbrészt a már említett
módon, műanyagok és
szervetlen vagy szerves rostok együttes alkalmazásával készülnek.
Az üveg, szén, vagy egyéb
rostokat, vagy belőlük készült szövetet) általában több rétegben egymásra helyezik
és valamilyen műgyantába (pl. epoxi) ágyazzák.
Rendkívül könnyű, rugalmas, szilárd és többféle igénybevételnek ellenálló eszközök
alakíthatók ki ezzel a módszerrel
Ilyenek például a széles körben alkalmazott üveg- és szénszálas műanyagok.
Egyre több kompozit anyagot használnak az űreszközökben és a repülőgépgyártásban,
de számos egyéb területen is.
Üvegszálas műanyag permetező tartály és szénszálas műanyag kerékpár
Vannak persze teljesen más kompozitok is.
Biztosan mindenki ismeri például a gipszkartont, ami papírlapok közé
öntött, rostokkal kevert gipszből áll.
Ha a belőle készült komplett falazatot tekintjük, az még fát vagy fémet (attól
függően, hogy milyen vázra rögzítik) és hőszigetelőként üveg- vagy kőzetgyapotot
is tartalmaz. Az egyes lapok összeillesztésénél még üvegszálszövetet is alkalmaznak
és a glettanyag a gipsz mellett műanyagot
is tartalmaz.
Szóval a teljes falazat már tényleg nagyon sok különböző anyagból áll.
A csomagolóanyagok között különösen sok kompozit anyagot alkalmaznak.
Mindenki jól ismeri a "dobozos" termékeket (tej, gyümölcslé) amelyeket
többrétegű, különböző anyagokból (papír- műanyag- fémfólia) felépülő kompozitokból
állnak.
Rengeteg műanyag-papír, műanyag-fém, papír-fém kompozitot alkalmaznak egyéb
élelmiszerek, gyógyszerek és más termékek csomagolására is.
Ezek általában nagyon jó csomagolási tulajdonságokkal rendelkeznek az adott
célra, ugyanakkor az újrafeldolgozásuk csak nagyon bonyolult technológiákkal
oldható meg. Sokszor nagyon nehéz "szétszedni" a különböző összetevőket.
Egy kis ízelítő csomagolóanyagokból...