Skúmajú keramiku a jej vlastnosti. No namiesto hrnčekov a soľničiek premýšľajú nad budúcim supermateriálom, napríklad pre automobilový priemysel. „Ten je však v zahraničných rukách,“ hovorí Pavol Šajgalík, riaditeľ Ústavu anorganickej chémie SAV. „A s nami zahraničné firmy veľmi nekomunikujú.“
Pri slove keramika si väčšina ľudí predstaví cibulák či nejaký hrnček. Čo je keramika pre chemika.
„V podstate je predstava ľudí správna. Z definície keramiky môžeme aj cibuľový porcelán aj keramický hrnček zahrnúť medzi keramické materiály, keďže keramika je anorganický materiál pripravený spekaním. Čo je inak veľmi voľná definícia.
Samotný cibulák má pritom veľmi komplikovanú históriu. Vývoj porcelánu od obyčajnej hlinenej keramiky vyžadoval veľa skúseností a akéhosi kvázibádania. Prví, ktorí objavili porcelán, boli Číňania, v Európe potom Taliani okolo mesta Faenza.
Ako sa prvá keramika pripravovala?
„Keramika vznikla pravdepodobne náhodou. Naši prapredkovia niekde našli hlinu, ktorá im zrejme omylom spadla do ohňa. Zistili, že z mäkkej hliny vznikne tuhé teleso. Najstarší keramický artefakt je Věstonická Venuša a okrem toho, že je najstaršia – má asi 26-tisíc rokov – je zaujímavá tým, že obec Věstonice je odtiaľto vzdialenán len o málo viac ako 100 kilometrov.
Praveký umelec urobil sošku z hliny, ktorú zamiešal s popolom a asi náhodou ju vypálil, pričom zistil, že soška má doteraz nevídanú trvácnosť.“
Až dodnes.
„Na Věstonickej Venuši sa veľmi dobre ukazujú vlastnosti keramiky. Ak by ten artefakt vyrobili z dreva, asi by ťažko prežil tú dlhú dobu a dnes by sme ho asi nemohli obdivovať. Drevo reaguje s okolitým prostredím a podlieha starnutiu. Vlastnosti keramiky sú iné, môžeme ich charakterizovať tým, že sú veľmi odolné voči vonkajším vplyvom.“
To znamená čo?
„Keramika veľmi nerada reaguje s prostredím a preto Věstonická Venuša prežila všetky nástrahy tisícročí, počas ktorých čakala na svoje znovuobjavenie. A keďže je porcelán z keramiky, vy ho môžete používať celý život. Teda, ak vám nespadne na zem. Keramika je krehká a pri páde na tvrdú podložku sa rozbije. Na druhej strane je veľmi odolná voči pôsobeniu prostredia a preto nemôže pri jej používaní dôjsť ku kontaminácii jedla ani k opotrebovaniu tanierov.
Ľudia asi najskôr používali drevené či plechové taniere, no neskôr prešli ku keramickým. K tejto zámene došlo asi aj preto, že keramické tanielre boli nielen krásne a estetické, ale aj hygienické s dlhou životnosťou. A teda tieto mimoriadne atraktívne vlastnosti keramiky prevaážili nad jedinou nevýhodou, ktorá jej krehkosť. Ľudia sa naučili s keramikou žiť a už dnes sotvakoho napadne mať vo vitríne drevený alebo plechový riad pre hostí.“
Keramika a veda
Rozumiem, prečo je keramika užitočná pre bežný život. Prečo je užitočná pre vedu?
„Ľudstvo sa vyvíja a naše hranice poznania sa posúvajú stále ďalej. S poznaním základných javov v prírode ide ruka v ruke aj vývoj techniky a technológií. V súčasnosti sa dostávame k technológiám, ktoré bez nových materiálov nemôžu fungovať. Napríklad návrat raketoplánu na Zem: keď sa raketoplán vracia cez atmosféru v dôsledku trenia vzniká vysoká teplota a mechanické namáhanie jeho povrchu.
Pritom ide o také vysoké teploty, pri ktorých si ťažko predstaviť iný materiál ako keramiku, ktorý by toto zaťaženie prežil. Napríklad volfrám má síce teplotu topenia vyše tritisíc stupňov celzia, no keďže sa raketoplán vracia do atmosféry Zeme, ktorá obsahuje kyslík, zhorel by – preto ho nie je možné použiť. A takto by sme mohli vo výpočte látok, ktroré síce majú bod topenia dostatočne vysoký, ale ich oxidačná odolnosť je nedostatočná pokračovať.
Existujú technológie, ktoré potrebujú nové materiály s novými vlastnosťami. Tie, ktoré sme schopní nájsť na zemi a ktoré bežne používame – kovy, drevo, stavebné tehly – už nie sú vhodné. A preto potrebujeme vyvíjať nové progresívne materiály.“
Keramika je teda užitočná tam, kde sú veľmi vysoké teploty?
„Napríklad. Alebo v agresívnych prostrediach. Napríklad elektrické turbíny sú hnané vodnou parou, ktorá má veľmi vysokú teplotu a je agresívna. Dokážu to prežiť niektoré kovové zliatiny, ktoré sa používajú v turbínach leteckých motorov. Pre letecké motory je veľmi dôležitá spoľahlivosť a bezpečnosť. No pre stacionárne turbíny sú vhodné aj keramické platničky, ktoré majú vyššiu životnosť, hoci nižšiu spoľahlivosť.“
Čo znamená, že je odolná voči agresívnym prostrediam?
„V technológiách, ktoré pracujú v agresívnych prostrediach za prítomnosti kyselín či zásad, je vhodné použiť keramiku. Dôvod je jednoduchý: keramika sa skladá z malých čiastočiek, pretože keramika je polykryštalický materiál.
Tieto čiastočky – častice majú zvyčajne veľkosť niekoľko mikrometrov, čiže desať na mínus šiestu metra. Sú to zvyčajne monokryštály, ktoré sa líšia svojim chemickým zložením a kryštalickou väzbou. U kovov je to zväčša kovová väzba, u keramiky buď iónová, alebo kovalentná. A tá je najsilnejšia, čo znamená, že tieto látky neradi vstupujú do reakcií a sú oveľa odolnejšie voči korózii ako kovy.“
Keď je keramika poskladaná z takýchto maličkých čiastočiek, ako sa z nej stane čosi veľké, povedzme obkladačka či hrnček?
„Príprava surových výliskov rôzneho tvaru je celý vedný odbor. Ak si predstavíte, že potrebujete vytvoriť teleso čo i len centimeter krát centimeter veľké a spočítate, koľko mikrometrových častíc na jeho stavbu potrebujete usporiadať, tak pravdepodobnosť, že urobíte nejakú chybu v ich usporiadaní, je veľmi veľká. Preto pri príprave keramických telies vznikajú defekty a keramika je významne zraniteľná.
Defetky v chybe usporiadania čiastočiek východiskového prášku sú zvyčajne vo forme prázdneho priestoru v inak rovnomene vyplneného priestoru keramického telesa. Vtedy má keramika pri mechanickom namáhaní vážny problém. Keď sa podobný problém vyskytne u kovu, ktorý je schopný plastickej deformácie, tak pri mechanickom namáhaní sa kov zdeformuje a pôvodne voľný priestor je vyplnený plasticky deformovaným kovom.
U keramiky k plastickej deformácii nedochádza, keďže má silnú iónovú alebo kovalentnú väzbu. A tak voľný priestor v usporiadaní častíc výlisku pôsobí ako slabý článok celého telesa a pri mechanickom namáhaní z tohto miesta sa začne katastroficky šíriť trhlina a keramika odtiaľ praská.
A ako sa teda tieto čiastočky usporadúvajú?
„Tých spôsobov usporiadania častíc vo východiskovom výlisku je veľa. Jedna z možností je, že východiskový prášok nasypete do lisovacej formy a mechanickým tlakom ho zlisujete. Pochopiteľne, týmto spôsobom častice nikdy nerozdistribuujete tak, aby v ich usporiadaní nevznikla žiadna chyba. Navyše, ak sypete prášok, v strede vzniká kopec, to sme zvyknutí aj z každodenného života.
Ak na ten kopec zatlačíte piestom lisovacej formy, tak po lisovaní je výlisok v strede hutnejší ako na krajoch. Najjednoduchšia metóda, aby sme sa tomuto problému vyhli – používa sa napríklad pri robení dlaždíc – je, že sa východiskový prášok zgranuluje. Vytvoria sa malé, guľaté granulky, ktoré sú „zlepencom“ viacerých častíc prášku, a ktoré vo forme prášku tečú skoro ako voda.“
Ako to môžem volať prášok, keď to tečie?
„Je to stav prášku. Skupenstvo je stále tuhé, aj keď sa správa podobne ako kvapalina. Aj v kvapaline sú v priestore distribuované molekuly vody. A v prípade granulovaného prášku sa nedistribuujú molekuly, ale oveľa väčšie granulky, ktoré majú tú vlastnosť, že sa po sebe ľahko kĺžu. Aj futbalové alebo pinpongové lopty dokážu ľahšia vyplniť priestor, ako keď na hromadu nahádžete kamene, ktoré sa do seba zaseknú a vytvoria pevný skelet s veľkými prázdnymi priestormi vo vlastnom usporiadaní.“
Toto nalejem do formy?
„Áno. Toto je jedna z metód, bežne používaná a úplne najjednoduchšia.“
Hovorili ste, že tie čiastočky veľmi neradi vstupujú do interakcií. Keď teda v lise prestanem tlačiť, neodskočia zase od seba?
„Nie k takej aby sa lisovaný granulát nanovo úplne rozpadol. Pri lisovaní samozrejme dochádza k nejakej elastickej deformácií jednotlivých častíc prášku. No keď prekonáme istú hranicu vzájomného dotyku častíc, tak medzi tými drobnými časticami, na atomárnej úrovni začnú pôsobiť sily, ktoré výlisok držia po hromade.“
Aké sú tie ďalšie metódy?
„Druhou z možných metód je, že vytvoríte suspenziu východiskového prášku v kvapaline. A tá vám pomáha častice v celom objeme kvapaliny distribuovať. Takto pripravenú suspenziu nalejete do formy, ktorá má tvar vami požadovaného telesa.
Pri sušení surového výrobku je vašou úlohou dostať z telesa kvapalinu preč. Odlievajú sa takto rôzne tvary, a preto je väčšina záhradných trpaslíkov dutá, pretože sa odlievajú do formy, trpaslík sa vo forme vysuší, po jej roztvorení dostanete surový tvar trpaslíka.
Tretia metóda je, že sa z východiskových práškov pripravujú za pomoci plastifikátorov a anorganickej hmoty cestá. Keramické cesto môžete buď injekčne vstrekovať alebo vytláčať do formy. Pri vytláčaní keramického cesta piest extrúdera tlačí na keramickú hmotu a tá je vháňaná do formy. Takto sa pripravujú mnohé stavebné keramické dielce.
V takto pripravenom keramickom výrobku však máte plastifikátory, a tie musíte ešte pred spekaním odstrániť. Odstraňovanie plastifikátorov je dosť zložitý proces, pretože ak ich odstránite prirýchlo, vytvoria v surovom telese trhliny, ktoré už nikdy nezacelíte.“
Načo je keramika dobrá
Kedysi stačilo vziať hlinu a vypáliť ju. Prečo dnes potrebujeme tieto zložité postupy?
„Dôvod je, že z hliny, ktorú nakopete v prírodnom ložisku sa nedá urobiť všetko. Keramická hlina je v zásade zmes ílových minerálov, ktoré obsahujú množstvo nečistôt. Keď takúto hlinu vypálite a získate tuhé teleso, jeho vlastnosti postačujú na to, aby vám povedzme keramická figúrka stála vo vitríne.
Ale rozhodne takáto figúrka, respektíve materiál z ktorého je zložená, nemá také vlastnosti, aby mohol slúžiť ako materiál pre ložisko veternej elektrárne. Pre každú aplikáciu potrebujete špecifické charakteristiky použitej keramiky. Preto pri prechode k náročejším aplikáciám sa musíte dostať od „nečistej vonkajšej prírody“ do sterility laboratória. A sami syntetizovať východiskové prášky, aby bolo nečistôt v syntetizovaných východiskových práškoch čo najmenej.
Tieto laboratórne techniky majú výhodu aj v tom, že kým v prírode ílovité minerály nájdete v nejakom zrnitostnom rozdelení, v laboratóriu si ich nasyntetizujete v podstate také veľké, ako len chcete, lepšie povedané také veľké ako potrebujete.“
Okrem veľkosti im môžem dať aj iné vlastnosti?
„V princípe nemáte veľmi veľa nástrojov, ako výsledný produkt pripraviť. Prvý nástroj je vybranie látky, z ktorej má výsledný produkt byť.
Napríklad pre zuby si vyberiete oxid hlinitý – korund, pretože je biely a dostatočne tvrdý. A nitrid kremičitý je tmavošedý až čierny a aj keď má porovnateľnú tvrdosť, tak z toho zrejme zuby robiť nebudete. Keď však potrebujete, aby materiál odolal teplote 1500 stupňov Celzia, tak si nevyberiete sklo nadopované niečim, pretože tento materiál teplotu nezvládne. Vyberiete si karbid kremičitý, pretože ten bude aj pri takýchto teplotách celkom spoľahlivo pracovať.
Prvé výberové pravidlo je teda typ materiálu. Okrem typu látky východiskového prášku však máte k dispozícii ešte teplotu a tlak v peci počas spekania. Pri použití rovnakého východiskového prášku použijeme v peci iný tlak, tak drobné čiastočky východiskového prášku sa počas spekania môžu inak usporiadať a v závisklosti od použitej teploty v peci môžu mať rôznu finálnu veľkosť. Zmenou týchto parametrov môžete získať iné vlastnosti keramického výrobku po spekaní.“
Prečo sú potom všetky keramické produkty krehké? S tým sa urobiť čosi nedá?
„V podstate od konca 60. rokov až doteraz je veľké úsilie venované zníženiu krehkosti keramiky. Bolo veľa vedeckých projektov, a jedného som sa aj v Nemecku zúčastnil, ktoré sa venovali zníženiu krehkosti keramiky. Išlo o vývoj keramického ventilu do dieselového motora.
A jedným z hlavných cieľov tohto projektu bolo – pretože ventil v motore kmitá s vysokou frekvenciou a pri každom kmite naráža na podložku – vyvinúť keramický materiál na výrobu ventilu, ktorý by bol menej krehký. Na konci projektu bol vyvinutý keramický materiál, ktorého krehkosť klesla na polovicu, čo stačilo konštruktérom na to, aby keramický ventil mohol v motore fungovať.
Podstatou vtedajšieho prístupu pri výskume a vývoji menej krehkej keramiky bolo donútiť častice vo výlisku pri spekaní rásť tak, aby boli do seba zapletené a tak vytvorili mikroštruktúru podobnú povedzme čadiču, ktorý je veľmi málo krehký.“
Keramika teraz vyznieva ako supermateriál.
„Kedysi boli predstavy, že keramika raz nahradí kovy. Napríklad, že bude skonštruovaný celokeramický motor. Jeho výhodou by bolo, keďže keramika má nízky koeficient teplotnej rozťažnosti a vysokú pevnosť aj pri vysokých teplotách, že bude pracovať bez použitia chladenia.
Takto by mohol stúpnuť jeho výkon ako aj ekológia jeho prevádzky. Prečo je dôležitý práve nízky koeficient teplotnej rozťažnosti? Pretože kovy majú koeficient teplotnej rozťažnosti v rozmedzí osem až pätnásť – na rozmere teraz nezáleží. Keramika má tri.
Takže keď o sto stupňov zahrejete kovový výrobok, roztiahne sa podstatne viac ako keramický. Ak si predstavíte, že niekde máte mechanické časti, ktoré musia okolo seba pracovať pri vyššej teplote, tak pri nevhodnej kombinácii kovových materiálov vám jednotlivé súčasti motora začnú o seba drieť.
Pri keramike však môžete skladať súčiastky a môžete urobiť celokeramický motor, ktorý by mohol pracovať pri vyššej teplote ako kovový motor, pretože ich rozmerové zmeny so zvyšujúcou sa teplotou nie sú tak veľmi významné. A ako som už povedal keď motor pracuje pri vyššej teplote bude mať aj vyššiu účinnosť – pri kovovom motore totiž veľa účinnosti strácate tým, že ho chladíte. Zároveň aj produkty použitého paliva, keďže by sa spaľovali pri vyššej teplote, by boli menej toxické.“
A prečo to nevyšlo?
„Ukázalo sa, že práve u keramiky je problém s výrobou veľkých blokov. Neviete tie drobné čiastočky východiskového prášku usporiadať tak, aby v surovom a aj v spekanom výrobku nevznikli defekty. Prítomnosť defektov spôsobila to, že štatistická odchýlka od strednej hodnoty pevnosti bola nakoniec natoľko veľká, že urobiť čisto keramický motor nebolo možné.
Je pravda, že som počul, že keramický motor údajne skonštruovali Číňania v devädesiatych rokoch minulého storočia, ale nikto ho nikdy nevidel. Problém s defektnosťou keramiky bol natoľko veľký, že dnes sa vyrábajú hybridné motory – časť je kovová a časť keramická.“
Keramika a slovenské automobilky
Čím sa zaoberáte vy?
„Pôsobíme v celej šírke a rozmanitosti keramických materiálov a venujeme sa oxidovej a aj neoxidovej keramike.“
To znamená čo?
„Oxidová keramika je zložená z chemických látok, ktorých chemický vzorec je v podstate oxid nejakého kovu. Napríklad Al2O3 – oxid hlinitý, ktorý poznáte ako korund. Neoxidová keramika je práve naopak zložená z chemických prvkov, ktoré kyslík neobasahujú a sú to predovšetkým karbidy a nitridy kovov. Každopádne sa tieto dve skupiny odlišujú v tom, že u oxidov prevláda iónový charakter väzby. A tie druhé sú kovalentné, preto sa aj trošku inak pripravujú a majú trochu iné použitie. My sa venuje obom rodinám.“
A čo ste zistili?
„Napríklad nitrid kremičitý sme začali skúmať v čase keď sa rozbehol výskum keramického ventilu. Ako som už povedal, pre keramický ventil boli dôležité jeho mechanické vlastnosti. Aj my na našom ústave sme sa snažili znižovať krehkosť keramiky. Druhou výzvou bolo, aby si keramický materiál udržal pevnosť do vysokých teplôt – hornou hranicou bola teplota do 1400 stupňov Celzia.
„Naháňali“ sme mechanické vlastnosti a študovali úlohu mikroštruktúry keramického telesa vo vzťahu k mechanickým vlastnostiam. V nedávnej dobe sme sa venovali napríklad implantácii nanočastíc do mikroštruktúry a aj štruktúry nitridu kremičitého, čo viedlo k podstatne zvýšenej pevnosti pri vysokých teplotách a zníženiu krehkosti týchto materiálov.
Slepou uličkou predošlých snáh bolo, že sme sa snažili povedzme v mechanicky namáhanej časti stroja nahradiť kovovú súčiastku keramickou, a pritom táto kovová súčiastka spoľahlivo funguje. Hľadali sa preto iné druhy využitia.
Ukázalo sa, že ak materiály na báze nitridu kremičitého dopujete európiom a vytvoríte tuhý roztok, a ak na ne zasvietite ultrafialovým svetlom, dokážu ho transformovať do viditeľnej oblasti. V súčasnosti sa venujeme výskumu a vývoju takýchto luminofórov.
Ukazuje sa tiež, že nitrid kremičitý je veľmi málo toxický a preto je dobrý materiál aj pre bioimplantáty. V súčasnosti máme projekt na výskum nitridovej keramiky, ktorá by bola schopná nahradiť v ľudskom tele porušené kosti. Snažíme sa vyvinúť keramický materiál, ktorý by simuloval štruktúru ľudskej kosti.“
Na Slovensku máme množstvo autofarbík. Pri takomto výskume tu nemáte každý druhý deň niekoho z automobilky?
„Bohužiaľ to tak nie je. My sme dosť špecifická krajina. Kedysi som sa nádejal, že to, čo vlastne robíme, je fajn. Že budeme mať kvantum spolupráce s priemyslom. Problém spočíva v tom, že ten priemysel je v zahraničných rukách a tieto firmy si výskumné kapacity nechávajú doma. S nami veľmi nekomunikujú.
Pozitívny prvkom -aj keď to trochu zabrzdila kríza – je, že tie menšie firmy, ktoré fungujú okolo veľkých automobiliek, sa snažia rozmýšľať aj trochu ďalej. A premýšľajú, čo budú robiť, keď automobilky odídu. Tie hľadali nejaké inovačné programy a komunikovali s nami.“
Čo je výsledkom takejto spolupráce?
„Máme spoluprácu s rakúskou firmou RHI, ktorá sa venuje žiaruvzdorným materiálom. Na prvý pohľad sa zdá, že je zbytočným luxusom dávať naše materiály do výmurovky taviacich pecí. Ale oni prišli s myšlienkou, že by chceli inovovať výrobu a že ak by materiály, ktoré doteraz s úspechom predávajú dopovali našimi nitridami, predĺžila by sa ich životnosť.
Spolupráca je dobrá v tom, že RHI je silná firma a navrhla trojročný projekt. Stanovila výsledný cieľ a poskytla finančné prostriedky. Ďalší partner, univerzita v Leobene je špecialistom na žiaruvzdorné materiály. Pre potreby tohto projektu poskytla doktorandku, mimochodom najlepšiu študentku z katedry keramiky, ktorú sme spolu s nimi v rámci projektu školili.
Takýto priemyselný projekt je úplne ideálny, za tri roky sme nielen vyvinuli nový materiál, ktorý je momentálne v patentovom konaní, ale sme pripravili pre prax špičkového odbornika s titulom PhD. Projekt bol natoľko úspešný, že v tom istom zložení partnerov pokračuje v ďalšom trojročnom cykle.“
A u nás?
„Slovenské firmy, ak vôbec prídu, väčšinou chcú aby sme im vyriešili, a to okamžite, problém s kolabujúcou technológiou. Ich požiadavka často znie: „Zajtra potrebujeme výrobu obnoviť, tak nám poďte povedať, v čom je problém a odstráňte nám ho.“ Toto zadanie však nie je projekt, to je servis - ako inštalatér. Jedno je vyvinúť práčku a druhé opraviť odtrhnutú hadicu. A oni od nás chcú to druhé.“
Ak niečo vyviniete na kľúč, ako to je s patentovými právami?
„Na začiatku každého projektu s priemyslom a aj zahraničným partnerom sa spíše zmluva: ako to bude, ak niečo bude. Aj teraz takú máme. RHI je objednávateľ a my sme partneri. Preto keď sme teraz podávali prihlášku patentu tak máme jasné pravidlá ako sa budú benefity z jeho prípadného predaja deliť.“
Predpokladám, že o novú technológiu majú záujem aj iné firmy ako tá, ktorá výskum financovala. Čiže sa im to dá predať.
„Áno. Ale väčšinou to býva tak, že firma, ktorá celý výskum a vývoj zafinancuje, od vás patent odkúpi. A má exkluzívne právo ho využívať. Je to obchod, ktorý sme s objednávateľom uzavreli ešte v čase, keď sa úspešný výsledok nedal garantovať. My s patentom na voľnom trhu nemôžeme obchodovať, pretože sme ho vyvinuli za peniaze firmy. Ale ten patent je aj náš my z neho profitujeme tiež.“
Hovorili ste o protetike. Aká je výhoda keramického kĺbu oproti povedzme titánovému?
„Výhoda keramiky je v tom, že nereaguje s ľudskými tekutinami a je veľmi tvrdá. Tvrdosť keramiky spôsobuje to, že keď sa keramické časti kĺbu po sebe šmýkajú, nedochádza k ich opotrebovaniu. Keďže keramika ani nereaguje s ľudskými tekutinami a neopotrebúva sa, kĺb má dlhšiu životnosť ako pacient a netreba ho meniť.
Pochopiteľne bedrové kĺby sa vyrábajú aj z kovov. Určite aj v ich vývoji nastal pokrok. No pamätám si časy, keď môjmu kolegovi voperovali oceľový bedrový kĺb a po operácii mu oznámili, že o pätnásť rokov mu ten kĺb musia vymeniť.“
Chápem, prečo nemať kovové kĺby. Prečo ale nemáme všetko z keramiky?
„Zase je problémom krehkosť. Pretože noha je pri chôdzi namáhaná a nielen staticky, ale hlavne dynamicky a pritom je sprevádzaná s prudkými nárazmi. A keramika je predsalen krehká. Preto, ako som už povedal, sú aplikácie, kde je výhodnejšie použiť vhodný kov a sú aplikácie, ktoré si vyžadujú použitie keramiky.
Napriek tomu sa uplatnenie kreamiky stale viac približuje aj k bežným predmetom dennej potreby. Všetci máme doma vodovodnú, pákovú batériu. Pákové batérie sa dnes predávajú s prívlastkom – večné. My starší si pamätáme obyčajné vodovodné batérie s nekeramickými tesneniami. A tie sústavne kvapkali. Páková batéria funguje na princípe dvoch keramických platničiek, ktoré zmiešavajú vodu.
Výhoda použitia keramiky v batérii spočíva opať v tom, že keramika je veľmi tvrdá. Vo vode – tvrdšej aj mäkšej - sa tvorí vodný kameň vo forme väčších či menších zŕn. Tie sú tvrdé dosť aby dokázali preseknúť gumové alebo iné tesnenie a kohútik kvapkal. Dnes vodný kameň nemá na keramické zmiešavače vody šancu.“
Ak sa podarí zabezpečiť, aby keramika nebola krehká, budú všetky veci z keramiky večné?
„Hypoteticky áno. No máme problém, aby sme významným spôsobom znížili krehkosť keramiky, musíme ju pripraviť z látok ktoré by obsahovali pevnú keramickú (kovalentnú) a kujnú kovovú väzbu v jednom kryštále. Takéto zlúčeniny naozaj existujú, sú to takzvané MAX-fázy. Keramika pripravená z týchto zlúčenín je naozaj odolná voči silným nárazom a teda je veľmi málo krehká.
Túto vlastnosť zabezpečuje kovová väzba. Keramika z MAX-fázy je aj veľmi pevná, čo zabezpečuje kovalentná väzba takejto keramiky. Ale ako väčinou vživote, takýto úspech je spravádzaný stratou inej vlastnosti. A preto tieto keramiky majú veľmi nízku tvrdosť.“
To asi nie je veľmi dobré.
„No, veľmi nie. Samozrejme však opäť veľmi záleží na potenciálnej aplikácii takéhoto materiálu. Keď porovnávame aplikačný potenciál keramiky a kovov, musíme priznať, že kovy sú jednoducho univerziálnejšie vo svojom použití.
U keramiky musíte vždy premýšľať, pre akú potrebu, pre aký účel ten-ktorý druh keramiky pripravujete. Keramika určená pre ložisko do veternej elektrárne bude iná, ako keramika na doštičky raketoplánu.“
Napríklad, keď chcem krájať?
„Reklama, ktorá je s keramickými nožmi spojená, je do veľkej miery pravda. Keramický nôž naozaj nemusíte brúsiť, keď je raz nabrúsený, mal by taký ostať vždy. Ale... To ale spočíva v tom, že je veľmi krehký. Nabrúsená časť keramického noža je veľmi tenká lamela a stačí jeden neopatrný pohyb a vy ostrie noža síce neotupíte, ale vyštiepite ho.
Keramický nôž je najlepšie používať na krájanie paradajok. Nikdy sa vám nestane, že vaše pekné tričko bude postriekané, pretože čepeľ keramického noža šupku spoľahlivo prereže bez toho, aby ste na paradjku prisilno tlačili.
Ale ak by ste ho používali na porcovanie pečeného kuraťa a narazíte na kosť, tak sa dostanete do problémov - odštiepite z čepele noža. Keramické nástroje sa používajú aj na rezanie tvrdokovov, to sú však sústružnické keramické nože.“
Budúcnosť keramiky
Akú má keramika budúcnosť?
„Ľudstvo dnes trápi terorizmus. Ochrana ľudí, techniky – tam hrá keramika svoje miesto. Napríklad nepriestrelná vesta. Výhoda keramiky oproti iným materiálom je tá, že má nízku hustotu. Keramické vesty sú ľahšie a výhodnejšie ako oceľové vesty.
A znovu sa využíva tvrdosť keramiky. Strela je veľmi ostrá a rýchlo letí. Jej ostrý hrot sa prebíja materiálmi, respektíve ľudským telom. Úlohou keramického panciera je rozbiť túto strelu na množstvo malých kúskov, pretože kinetická energia kúskov je podstatne menšia ako celej strely.“
Čiže obranný výskum?
„My sme mali projekt aj na nepriestrelné sklá a nami navrhovaný koncept je pomerne jednoduchý. Bežné nepriestrelné sklo sa sklada z mnohokrát opakovaných vrstiev skla a polyetylénovej fólie. Potrebujete na seba poukladať dostatok vrstiev, aby zastavili strelu.
Takéto npriestrelné sklo musí byť poriadne hrubé. My sme navrhli, aby prvú vrstvu tvoril monokryštál zo zafíru, čo je opať monokryštál oxidu hlinitého, teda veľmi tvrdý materiál. Jeho tvrdosť zabezpečí roztrieštenie strely aj pri oveľa menšom počte vrstiev nepriestrelného skla. A teda naše nepriestrelné sklo je o polovicu ľahšie ako bežne používané sklá. Ale je aj o dosť drahšie. “
Má keramika ešte nejakú vlastnosť, ktorú poriadne nepoznáme?
„Teraz sa objavujú nové vlastnosti látok. Pred desiatimi rokmi sme boli prekvapení, že jestvuje istá forma uhlíka – fulerén. Potom sme zápasili s uhlíkovými nanotrubicami a teraz máme grafén. Dvojrozmerné štruktúry grafénu majú unikátne vlastnosti. Teraz premýšľame, či by sa nedali využiť napríklad na zníženie krehkosti keramiky.“
A dali?
„Spolu s univerzitou v Darmstadte máme projekt na prípravu keramiky z polymérnych látok. Tento spôsob prípravy sa líši od klasického procesu prípravy keramiky, ktorý využíva zmiešavanie východiskových práškov, ich sformovanie do surového výlisku a spekanie v peci, kde dosahujeme ich výslednú hustotu. V novom koncepte prípravy sa vychádza z organometalických prekurzorov, ktoré potom zosieťujete do polymérneho stavu, ktorý sa dá ľahko formovať, povedzme aj sústružením ako bežný kov.
V takto vyformovanom telese môžete kontrolovaným zbavovaním sa polymérov vytvárať v keramike grafénové siete. Viem si predstaviť, že by sme vďaka prítomnosti grafénových sieti v objeme keramiky mohli získať nové užitočné vlastnosti keramiky.“
Toto je vec, ktorá by byť mohla. Čo by ste ale chceli, aby naozaj prišlo?
„Moja túžba je – a dúfam, že si ju splním – aby výskum, ktorý robíme nekončil len vo forme publikácie či patentu. Čím nechcem povedať, že publikácia alebo patent je niečo menejcenné. Ale keďže náš výskum je orientovaný na materiály pre nové technológie tak by som strašne rád videl nami vyvinutý konečný produkt, ktorý by sa vyrábal. Toto je momentálne moja najväčšia túžba.
Aj to je dôvod prečo spolupracujeme s firmami a snažíme sa riešiť veľké množstvo projektov. Od implantátov, cez svietenie LED diódami až po žiaruvzdorné materiály.
A nabudúce pri podobnej príležitosti by som rád, aby som vám opäť mohol povedať: toto sú naše rezné nástroje, luminofór alebo implantáty, ktoré sú úspešné na trhu.“
