19.01.2019
PL EN
09.01.2019 aktualizacja 17.01.2019
Karolina Duszczyk
Karolina Duszczyk

Prząść nici mocniejsze niż struna fortepianu

Fot. Fotolia Fot. Fotolia

Struna fortepianowa ma wytrzymałość rzędu dwóch gigapaskali. Wiązanie chemiczne między atomami węgla w cząsteczce jest 200 razy mocniejsze. Nauczyliśmy się z takich makrocząsteczek uzyskiwać niezwykle plastyczne polimery; pokazaliśmy, że możliwe jest otrzymanie nanowłókien wytrzymalszych niż stal - mówi prof. Andrzej Gałęski, laureat Nagrody FNP 2018.

Prof. Andrzej Gałęski z Centrum Badań Molekularnych i Makromolekularnych PAN w Łodzi otrzymał Nagrodę Fundacji na rzecz Nauki Polskiej 2018 w obszarze nauk chemicznych i o materiałach za opracowanie nowego mechanizmu deformacji plastycznej polimerów. Dzięki pracom profesora zaczęły powstawać super wytrzymałe tworzywa sztuczne, na jakie od lat czekał przemysł lotniczy i motoryzacyjny.

CO WĘDRUJE PRZEZ KRYSZTAŁY

Fizyk wykazał, że zachowanie mechaniczne polimerów bardzo zależy od struktury. Kryształy polimerowe są bardzo plastyczne. Naturalnych kryształów soli czy cukru nie można deformować plastycznie w warunkach domowych, kiedy używamy ich w kuchni. Po prostu są kruche i pękają.

„Tworzywa polimerowe odkształcają się plastycznie, czyli mogą zmieniać kształt bez destrukcji kryształów. To dzieje się wskutek tzw. generacji defektów, które potrafią wędrować przez kryształy. To odkrycie było nie tylko fascynujące naukowo, ale otworzyło niemal nieograniczone możliwości zastosowań” – mówi prof. Gałęski.

Na przestrzeni lat badacze pracujący pod jego kierunkiem nauczyli się tworzyć np. taśmy z polimerów - powszechnie w tej chwili używane – o wytrzymałości dobrej stali. Tak powstały znakomite sznurki, taśmy i liny. Materiały polimerowe nazywano plastikami, bo widać było, że są giętkie i plastyczne, ale dopiero naukowcy wyjaśnili, dlaczego tak się dzieje.

KAWITACJA – SZUKANIE DZIURY W CAŁYM

Polimery poddane odkształceniu mechanicznemu bieleją. W wyniku badań okazało się, że przyczyną bielenia są malutkie pęcherzyki powstające wskutek rozrywania materiału amorficznego otaczającego kryształy polimerowe.

„Bezpośrednią przyczyną bielenia jest rozpraszanie światła na tych pęcherzykach. Poprzez analogię do podobnego zjawiska w wodzie i innych cieczach nazwaliśmy to zjawisko kawitacją” – tłumaczy fizyk.

Zaznacza, że proces kawitacji w polimerach jest bardziej skomplikowany niż w wodzie. Fragmenty makrocząsteczek tworzą kryształy, a tam, gdzie fragmenty makrocząsteczek są nieuporządkowane, pojawiają się dziury. Mimo to analogia do cieczy pomogła badaczom dokonać kilku dalszych odkryć. Chcieli spowodować, żeby dziurek było mniej i polimer nie pękał. I spotkało ich zaskoczenie.

„Pęcherzyki kawitacyjne powstają blisko drobnych domieszek, dodatków i zanieczyszczeń. Nazywamy to +zarodkowaniem+ kawitacji. Postanowiliśmy zatem usunąć z polimerów ewentualne zanieczyszczenia czy dodatki, które mogłyby być +zarodkami kawitacji+. Sądziliśmy, że pozbędziemy się dziur, a tu okazało się, że jest ich jeszcze więcej!” – opowiada prof. Gałęski.

Tak właśnie odkrył, że kawitacja w polimerach jest inicjowana czymś innym. Powodują ją malutkie, puste przestrzenie w fazie amorficznej. Dopiero wypełnienie ich substancją organiczną pozwala stłumić kawitację.

POKONAĆ SPLĄTANIE MAKROCZĄSTEK

Kolejnym problemem, z jakim zmierzył się prof. Gałęski, była teoria splątań, nad którą pracował również laureat Nagrody Nobla, Pierre-Gilles de Gennes. Głosi ona, że polimery splątane znacznie różnią od tych niesplątanych. Wtedy gdy noblista pracował nad swoją teorią znano tylko jeden przykład politetrafluoroetylenu, który po polimeryzacji był niesplątany.

„Był on polimeryzowany w stosunkowo niskiej temperaturze i łańcuch makrocząsteczki, kiedy rósł, od razu krystalizował i nie miał szansy splątać się z innymi rosnącymi makrocząsteczkami. Nam się to udało z polietylenem polimeryzowanym w temperaturze pokojowej lub niższej. Taki polietylen jest zupełnie inny niż ten, który można kupić w hurtowniach tworzyw sztucznych. Dziś potrafimy też pozbyć się splątań przez rozpuszczenie w rozpuszczalniku i strącanie” – tłumaczy laureat Nagrody FNP.

Kiedy splątań jest o wiele mniej albo ich wcale nie ma, naukowcy potrafią taki polimer rozciągnąć nawet 1000 razy! To powoduje, że z małego ziarenka polimeru powstaje bardzo długa i cienka nitka – o grubościach nanometrowych. Jest ona niezwykle wytrzymała, bowiem wykorzystuje siłę wiązania chemicznego węgiel-węgiel.

„To jedno z najsilniejszych wiązań, jakie występują w przyrodzie. Jeśli próbowalibyśmy rozerwać je mechanicznie, okazałoby się, że ma ono wytrzymałość rzędu 400 gigapaskali. Dla porównania - struna fortepianowa, stal najwyższej jakości, ma wytrzymałość 2 gigapaskali. I kiedy takie makrocząsteczki poukładają się wzdłuż kierunku odkształcenia to takie włókienko może mieć wytrzymałość nawet 200 razy lepszą niż najlepsza stal” – zapewnia naukowiec.

Dodaje, że korzyść jest podwójna. Rozplątany polimer po pierwsze łatwo się odkształca, a po drugie nanowłókna mają bardzo wysokie wytrzymałości. Polacy opatentowali sposób otrzymywania takich włókien poprzez odkształcenia w wytłaczarce - typowej maszynie przetwórczej. Na bazie tej technologii wciąż produkuje się worki na piasek wykorzystywane przeciwpowodziowo. Uruchomiono także instalację do produkcji taśmy z recyklatu z butelek.

PLASTIKI A EKOLOGIA

"Badania nad biodegradowalnymi polimerami rozpoczęliśmy 10 lat temu. Wspólnie z Instytutem Biopolimerów próbowaliśmy syntezy poliestru alifatyczno-aromatycznego. Badaliśmy właściwości takiego polimeru, robiliśmy też kompozycje, które mogłyby mieć praktyczne zastosowanie. Można było z niego robić kubeczki, widelczyki, talerzyki, torebki. Ale warto podkreślić, że biodegradacja nie ma samych zalet i nie zastąpi nam zbierania śmieci. Polimer jest biodegradowalny tylko wtedy, kiedy się go umieści w kompoście, czyli w specjalnej przemysłowej instalacji, gdzie znajdują się specjalnie dobrane grzyby i enzymy niszczące plastik. Materiały biodegradowalne potrafią znikać, ale wtedy znika również energia włożona w ich wyprodukowanie. Żeby ją odzyskać, trzeba by taki materiał raczej zgazować i spalić niż biodegradować" - opisuje.

„Biodegradacja nie rozwiąże naszych problemów z zanieczyszczaniem środowiska naturalnego i nie zastąpi zbierania śmieci” – podsumowuje fizyk.

Więcej o laureacie Nagrody FNP na stronach www.fnp.pl i w serwisie Nauka w Polsce.

PAP – Nauka w Polsce, Karolina Duszczyk

kol/ ekr/

Copyright © Fundacja PAP 2019