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.


Szerves anyagok: Műanyagok, Egyéb szerves "vegyi"anyagok
Szervetlen anyagok: Fémek, Nemfémek, vegyületek
Kompozit anyagok: "Élő kompozitok", "Hagyományos kompozitok", Újabb kompozitok

 

 

Szerves anyagok

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.

 

Műanyagok

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.

 

Egyéb szerves "vegyi"anyagok

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

 

 

Szervetlen anyagok

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.

 

Fémek

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.



Nemfémek, vegyületek

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
Repülőgép szárny belépőéle szénszálas kerámiából

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.

 


Kompozit anyagok

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.

 

"Élő kompozitok"

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)

 

"Hagyományos kompozitok"

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.

 

Újabb kompozitok

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...


Felhasznált irodalom