Materiaalit muokkaavat sivilisaatioita

Aivan uusien materiaalien etsimisen sijaan materiaalitutkijat keskittyvät nykyään kehittämään olemassa olevia materiaaleja mullistavien uusien prosessien avulla. Heidän työnsä tulokset tulevat epäilemättä muuttamaan ympäröivää maailmaamme - ja mahdollisesti auttamaan sen pelastamisessa.

Uusien materiaalien kehittäminen on ehkä yksi ihmiskunnan tärkeimmistä pyrkimyksistä, sillä se on määrittänyt historiallisia aikakausia ja muuttanut tapaa, jolla ympäröivä maailma näyttää. Kivi-, rauta- ja pronssikausi on nimetty niin niiden materiaalien vuoksi, joita tuolloin käytettiin eniten.

Kun mietitään huomisen materiaaleja tänään, suurin painopiste on kestävyydessä. Materiaalitiede on avainasemassa, kun halutaan mahdollistaa turvalliset, puhtaat ja tehokkaat energiajärjestelmät ja tehdä kestäviksi koko joukko teollisuudenaloja liikenteestä valmistukseen.

Annika Borgenstam on professori Tukholman Kuninkaallisen teknillisen korkeakoulun KTH:n materiaalitieteen ja -tekniikan laitoksella. Hän käyttää Eiffel-tornia esimerkkinä siitä, miten materiaalitiede voi johtaa kestävämpään maailmaan.

"Jos käyttäisimme nykyisiä kehittyneitä lujia teräksiä, voisimme rakentaa neljä Eiffel-tornia samalla materiaalimäärällä kuin alun perin käytettiin", hän sanoo. "Kevyempien rakenteiden rakentaminen tarkoittaa, että materiaalin kuljetuksia tarvitaan vähemmän ja materiaalia on tuotettava vähemmän. Molemmat tekijät johtavat pienempiin hiilidioksidipäästöihin₂. Vahvempi teräs tarkoittaa myös sitä, että lentokoneet, autot ja muut vastaavat painavat vähemmän, mikä tarkoittaa vähemmän CO₂ -päästöjä."

Radikaali rakenneuudistus

Materiaalitutkijat etsivät materiaaleja, jotka ovat kevyempiä ja kestävät korkeampia lämpötiloja ja syövyttävämpiä ilmakehiä.

Mutta sen sijaan, että pyrittäisiin kehittämään aivan uusia materiaaleja, nykyään alan suurimpana pyrkimyksenä on nykyisten materiaalien (usein radikaali) uudelleenjärjestely, jossa käytetään vallankumouksellisia uusia prosesseja, kuten additiivista valmistusta eli 3D-tulostusta, ja laskennallista mallintamista.

"Additiivinen valmistus avaa täysin uusia tapoja käyttää samantyyppisiä materiaaleja, joita meillä on nykyäänkin, lisäämällä niihin tarvitsemamme ominaisuudet", Borgenstam sanoo.

Additive manufacturing has opened up completely new ways of using the same types of materials that we have today, by building in certain properties and allowing products to be topologically optimized.

Yksi syy siihen, miksi materiaalitieteessä keskitytään nyt uusiin prosesseihin ja nykyisten materiaalien kehittämiseen, on se, että aivan uusien materiaalien kehittäminen voi kestää useita vuosia. Vaikka tiettyjä niukkoja materiaaleja, kuten kobolttia, jota käytetään leikkuutyökaluissa ja sähköautojen akuissa, pyritään korvaamaan, materiaalitutkijat keskittyvät yhä enemmän myös materiaalien kierrätykseen.

Vaikea kilpailla teräksen kanssa

Borgenstam mainitsee teräksen esimerkkinä olemassa olevasta materiaalista, jolle ei ole tarvetta löytää korvaavaa materiaalia. "Teräs on täysin kierrätettävissä, halpa ja runsas, ja voimme valmistaa sitä monin eri ominaisuuksin", hän sanoo. "Sen kanssa on vaikea kilpailla. Teräksessä on vielä parantamisen varaa. Olemme kaukana sen teoreettisesta vahvuudesta."

Ehkä yksi suurimmista ongelmista uusien materiaalien kehittämisessä on se, että on pulaa nuorista ihmisistä, joilla on oikeanlainen osaaminen tehdä tarvittavaa tutkimusta. "Nuoria ei ole kovin helppo rekrytoida materiaalien pariin", Borgenstam sanoo. "Materiaalitutkimus ei ole yhtä tunnettu kuin fysiikka ja kemia, ja sen osa-alueita, kuten terästeollisuutta, esitellään tiedotusvälineissä toisinaan negatiivisesti." "Materiaalitutkimus ei ole yhtä tunnettu kuin fysiikka ja kemia, ja sen osa-alueet, kuten terästeollisuus, esitetään joskus kielteisesti tiedotusvälineissä."

Hän lisää kuitenkin, että tällä alalla nuoret tutkijat ja insinöörit voivat vaikuttaa valtavasti ympäröivään maailmaan: "Neuvoisin nuorille, että materiaalitieteiden pariin hakeutuminen on keino pelastaa maailma, koska sillä voi todella vaikuttaa kestävään kehitykseen ja ympäristön pelastamiseen. Parempien materiaalien käytöllä on niin monia myönteisiä vaikutuksia, ja meidän on näytettävä heille tämä."