PORÓWNANIE WYTRZYMAŁOŚCI

I ENERGOCHŁONNOŚCI WŁAŚCIWEJ MATERIAŁÓW

Rysunek 2.54 ilustruje zależność wytrzymałości i energochłonności właściwej

materiałów (określanej jako iloczyn energii na wytworzenie materiału, tj. wydoby-
cie surowców, ich rafinację i kształtowanie gotowego materiału, odniesionej do 1 kg
materiału oraz jego gęstości).

2. Podstawy nauki o materiałach

90

Rysunek 2.54

Wytrzymałość i energochłonność właściwa różnych materiałów (opracowano według danych M.F. Ashby’ego)

2 roz 7-11-02 20:58 Page 90

2.4. Podstawy doboru materiałów

91

na produkty i ich elementy

Wskaźnik ten ujmuje pośrednio oddziaływanie procesów wytwórczych mate-

riału na degradację środowiska naturalnego. Energochłonność właściwa wykazuje
liniową zależność od wytrzymałości materiału. Największą energochłonność
wykazują stopy metali oraz ceramika inżynierska. Polimery cechują się dużą ener-
gochłonnością, nieznacznie większą od energochłonności szkła, ceramiki porowa-
tej i polimerów naturalnych oraz drewna, chociaż produkty z drewna mają niemal
10–krotnie większą energochłonność niż samo drewno.

PORÓWNANIE WYTRZYMAŁOŚCI I WZGLĘDNYCH KOSZTÓW MATERIAŁÓW

Na rysunku 2.55 porównano orientacyjne względne koszty jednostki objętości

materiałów (określone jako stosunek kosztu 1 kg danego materiału do kosztu 1 kg
pręta ze stali średniowęglowej, pomnożony przez gęstość danego materiału) w za-
leżności od wytrzymałości. Daje się zauważyć w przybliżeniu liniową zależność
między wytrzymałością a tak określonym kosztem materiałowym. Przy największej
wytrzymałości najwyższy jest koszt materiałów ceramicznych, mniejszy metali i ich
stopów oraz materiałów kompozytowych, następnie polimerów, elastomerów i pia-
nek polimerowych. Koszty drewna, jak również produktów z drewna, są mniejsze
od tak określonej prawidłowości, a jeszcze mniejsze są koszty ceramiki porowatej.

UDZIAŁ KOSZTÓW MATERIAŁOWYCH

W KOSZTACH WŁAŚCIWYCH RÓŻNYCH GRUP PRODUKTÓW

Czynnik kosztów materiałowych musi być oczywiście znacząco uwzględniany

przy doborze materiału na różne produkty. Ważąca rola tego czynnika występuje
jednak głównie w przypadkach, gdy koszty materiałowe stanowią znaczący udział
w ogólnej wartości rynkowej produktu. W przeciwnym razie, gdy udział kosztów
materiałów w ogólnej wartości rynkowej jest nieznaczny, a przeważający udział
stanowią koszty wytwarzania, projektowania i inne, porównywać można koszty
(można je określić jako właściwe) 1 kg różnych produktów.

Orientacyjne wartości właściwych kosztów różnych produktów podane na

rysunku 2.56, podobnie jak dane zawarte na rysunku 2.53, przydatne są raczej do
spostrzeżeń, niż do poważnych analiz. Warto jednak zauważyć, że tak pojmowany
koszt 1 kg różnych produktów może być zróżnicowany około milionkrotnie, tj. o 6
rzędów wielkości. Najniższy wskaźnik występuje w budownictwie, wyższy w opa-
kowaniach, a jeszcze wyższy w przypadku produktów przemysłu stoczniowego,
chociaż z pewnością szokuje, że koszt 1 kg folii aluminiowej jest porównywalny
z analogicznym kosztem promu morskiego lub samochodu małolitrażowego, które
są ponad 10–krotnie większe od właściwych kosztów ekskluzywnego nawet domu
jednorodzinnego.

Znacznie większe są koszty właściwe samochodów i artykułów gospodarstwa do-

mowego, chociaż musi zaskakiwać, że koszt właściwy ekskluzywnego samochodu
firmy „Rolls–Royce“, suszarki do włosów czy minutnika do jajek i obuwia
sportowego może być taki sam. Jeszcze bardziej zastanawia, że koszty właściwe
rakiety tenisowej, sprzętu wędkarskiego, samolotu pasażerskiego, np. Boeing 747
(tzw. Jumbo Jet), oraz implantów biomedycznych osiągają te same wartości,
zresztą ponad 100–krotnie większe od właściwego kosztu samochodu małolitra-
żowego. Koszty właściwe sprzętu sportowego, sprzętu lotniczego i kosmicznego

2 roz 7-11-02 20:58 Page 91

2. Podstawy nauki o materiałach

92

oraz materiałów biomedycznych są porównywalne ze sobą, lecz są zwykle 100– do
1000–krotnie większe od kosztów właściwych samochodu małolitrażowego.
Najwyższe koszty właściwe, około 10–krotnie większe od takich kosztów
określanych dla statków kosmicznych, osiągają soczewki kontaktowe i sztuczne
zastawki serca.

Rysunek 2.55

Wytrzymałość i względny koszt na jednostkę objętości różnych materiałów
(opracowano według danych M.F. Ashby’ego)

2 roz 7-11-02 20:58 Page 92

2.4. Podstawy doboru materiałów

93

na produkty i ich elementy

Przedstawione rozważania wskazują na możliwości uzyskania efektów eko-

nomicznych przy wytwarzaniu produktów wysokoprzetworzonych o najwyższym
możliwym poziomie technicznym, a także na to, że w takich przypadkach koszt
właściwy materiału może być nawet 100 000 razy mniejszy od właściwego kosztu
całego produktu. W takich przypadkach, niewątpliwie nieuzasadniona jest po-
zorna oszczędność na materiałach. Wręcz przeciwnie, spośród wszystkich
dostępnych należy wykorzystać materiały o najlepszych własnościach i największej
niezawodności.

Rysunek 2.56

Orientacyjne koszty różnych grup materiałów odniesione do 1 kg
(według danych M.F. Ashby’ego)

2 roz 7-11-02 20:58 Page 93

2. Podstawy nauki o materiałach

94

94

1

6

7

2

5

3

4

2 roz 7-11-02 20:58 Page 94

2.1. Materia i jej składniki

95

95

W starożytnej Grecji bardzo wysoko rozwinięto poziom wytwarzania i przetwórstwa złota, zarówno metodami
odlewniczymi jak i obróbki plastycznej na zimno. Wiele materialnych dowodów dostarczyło odkrycie
archeologa amatora Heinricha Schliemanna, który na podstawie lektury Homera odkrył w 1874 roku
w Mykenach pierwsze świadectwa dawnej kultury mykeńsko-kreteńskiej, ze słynnymi grobami królewskimi,
z bardzo obfitymi złotymi ozdobami, pełnymi artyzmu z ok. XVI wieku p.n.e. Należą do nich złote maski
sepulklarne (1) i (2) wykonane przez wytłoczenie bardzo drobnym narzędziem na drewnianym klocku, ryton
złoty w kształcie głowy lwa (8), złoty kubek Nestora (10) zwieńczenie złote srebrnej spinki do włosów (7), złote
ryngrafy (6).
Pozostałe przedmioty pochodzą z innych okresów i znaleziono je w innych stanowiskach archeologicznych.
Złoty wisiorek z dwoma sfinksami pochodzi z VII wieku p.n.e. z Argos. (3) Złoty łańcuch z rozetami
ze zwisającymi z nich żołędziami i głowami byków pochodzi ze Statatos z przełomu III i IV wieku p.n.e. (4).
Ryngraf złoty (5) pochodzi z XV wieku p.n.e. z Tirynsu, a złoty kubek udekorowany sceną chwytania byków
z Tsountas z Vapheio w Lakonii na południu Sparty (9) oraz złoty kubek mykeński wydobyty z nekropolii
Peristeria w pobliżu Pylos (11). Krater z Derveni, czyli bardzo duży pozłacany pojemnik z brązu ze srebrnymi
aplikami z 330 r. p.n.e. z wytłoczoną boską parą Dionizosa i Ariadny w tłumie satyrów i menad (12), znajduje się
w Muzeum w Salonikach.

8

9

10

11

12

2 roz 7-11-02 20:59 Page 95

2.5. Współczesne
znaczenie i tendencje
rozwojowe nauki
o materiałach

2.5.1. Definicja i zakres nauki o materiałach

i inżynierii materiałowej

DEFINICJA NAUKI O MATERIAŁACH I INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ

ORAZ ICH RELACJE Z INNYMI OBSZARAMI TECHNIKI

Nauka o materiałach może być najogólniej określona jako „poznawanie substan-

cji, z których jest lub może być wytworzone coś innego, oraz ich syntezy, własności
i zastosowań“

*)

. Należy zwrócić przy tym uwagę, że synteza jest rozumiana jako

„sztuczna produkcja substancji przez procesy chemiczne“

**)

. Podane sformułowanie

zadań nauki o materiałach, obejmuje materiały zarówno naturalne, jak i inżynierskie
(syntetyczne) (porównaj rozdz. 2.2.1) konwencjonalne, jak i rozwinięte (advanced).

Wydaje się, że warto również zastanowić się nad pojęciem „materiał“. W języ-

ku angielskim „materiał“ znaczy po prostu „tworzywo“ i jest definiowany jako
„substancja lub rzecz, z której coś jest lub może być zrobione“

**)

. W Polsce obie-

gowo przyzwyczajono się do znaczenia słowa „materiał“ jako „substancji“ albo
„produktu mającego praktyczne zastosowanie lub przeznaczonego do użytku“ al-
bo „tego, z czego się składają przedmioty“

***)

. W powszechnym odczuciu rozumie-

nie tego słowa rozminęło się zatem z podstawowym jego znaczeniem stojącym
u podstaw nauki o materiałach, tzn. „tego, z czego wytwarzane są (...) przedmioty;
tworzywa; surowca...“

***)

. Z pewnością takie właśnie wyczucie językowe w okresie

ostatnich dziesięcioleci, kiedy to w świecie rozwinęła się nauka o materiałach i in-
żynieria materiałowa (material science and engineering), zadecydowało o pojmowa-
niu zakresu tej dyscypliny naukowej w Polsce. Bardzo często jej przedmiot sprowa-
dzano do zainteresowania produkcją oraz oceną struktury i podstawowych własno-
ści różnych substancji, nierzadko w oderwaniu od sfery aplikacyjnej, co w istocie
przeczy celom i założeniom tych działań. Z kolei projektanci i wytwórcy różnych
produktów rutynowo stosowali tworzywa wybrane przypadkowo i bardzo często
przed wieloma laty, nie odczuwając potrzeby śledzenia zmian i postępu wprowa-
dzanego stale przez naukę o tworzywach (materiałach), ich własnościach i prak-
tycznej przydatności. Często w środowiskach inżynierskich, a nawet naukowych,
ignorowano nawet ten obszar wiedzy, traktując go jako egzotyczny lub wręcz zby-
teczny, co w konsekwencji oddalało skutecznie te środowiska od światowego pozio-
mu w tym zakresie i wielokrotnie przesądzało o niepowodzeniach i braku sukcesów

96

*)

M. Rühle, H. Dosch, E.J. Mittemeijer, M.H. Van de Voorde w „European White Book on
Fundamental Research in Materials Science“ 2002.

**)

J.M. Hawkins (ed.) w „The Oxford Reference Dictionary“, 1992.

***)

M. Szymczak (red.) „Słownik języka polskiego PWN“ 1979.

2 roz 7-11-02 20:59 Page 96

krajowych produktów na rynku międzynarodowym, a nawet krajowym, gdyż nie
wytrzymywały one warunków konkurencji i jakości, narzucanych przez czołowych
wytwórców światowych. Sytuacji nie poprawia również w pełni fakt, że są w Polsce
wykształceni specjaliści z zakresu inżynierii materiałowej, których prace i działania
wielokrotnie nie są zsynchronizowane z działaniami w branżach projektowych
i wytwórczych produktów finalnych, a nierzadko sprowadzają się jedynie do wypro-
dukowania lub nawet tylko przedstawienia propozycji półproduktu materiałowego,
jako potencjalnej oferty dla wytwórców produktów finalnych. Odczuwa się nadal
zbyt częsty brak świadomości tego, że badanie i produkcja materiałów ma sens je-
dynie wówczas, gdy będą one tworzywami o optymalnie dobranych własnościach,
ze względu na eksploatacyjne wymagania produktów. Z drugiej strony projektowa-
nie i wytwarzanie produktu, który może znaleźć zainteresowanie na rynku jest
możliwe jedynie wówczas, gdy do jego produkcji użyte zostaną najbardziej odpo-
wiednie tworzywa (materiały).

Pomimo że sprawa wydaje się oczywista, nadal nie jest właściwie postrzegana

i rozumiana przez wiele osób, które z jednej strony decydują o asortymencie i za-
kresie produkcji, a z drugiej strony o kształceniu kadr. Po tych rozważaniach, zwa-
żywszy ponadto, że ogólnie „inżynieria jest zastosowaniem nauki dla bezpośrednio
użytecznych celów, takich jak budowa, napęd, komunikacja i przesył informacji lub
wytwarzanie“

*)

można zdefiniować zarówno naukę o materiałach jak i inżynierię

materiałową (tabl. 2.23).

CELOWOŚĆ POWSZECHNEGO NAUCZANIA NAUKI O MATERIAŁACH

I INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ

W świetle przedstawionych rozważań należy stwierdzić, że konieczne jest na-

uczanie inżynierii materiałowej wśród studentów i kadry wszystkich specjalności in-
żynierskich, gdyż niemal w każdym przypadku, chociaż nie wyłącznie, tworzywo
(czyli materiał) i jego własności decydują o możliwości wytworzenia produktu
i o jego walorach użytkowych. Z kolei postęp w inżynierii materiałowej (tworzyw)
jest tak wielki, że w najbardziej rozwiniętych i awangardowych obszarach okres pół-
dezaktualizacji

**)

wiedzy szczegółowej nie przekracza 2÷3 lat. Ktoś, kto na bieżąco

2.5. Współczesne znaczenie i tendencje rozwojowe

97

nauki o materiałach

*)

D. Sinkel (prod.) w „Oxford talking dictionary“, 1998.

**)

Okres półdezaktualizacji wiedzy szczegółowej (pojęcie wprowadzone przez analogię do okre-
su półrozpadu promieniotwórczego) oznacza, że po danym okresie ok. 50% szczegółowych
informacji w danym obszarze zostanie zastąpione przez nowe, aktualne, wprowadzone
w związku z nowymi odkryciami technicznymi i naukowymi.

Dyscyplina nauki lub inżynierii

Definicja

Nauka o materiałach

nauka o materiałach jest dziedziną nauki, dotyczącą struktury i własności materiałów (tworzyw),
zwłaszcza z uwzględnieniem możliwości ich zastosowania

*)

Inżynieria materiałowa

inżynieria materiałowa jest dziedziną inżynierii, obejmującą zastosowanie nauki o materiałach
(tworzywach) dla bezpośrednio użytecznych celów związanych z projektowaniem, wytwarzaniem
i użytkowaniem różnych produktów i dóbr powszechnego użytku

Tablica 2.23

Definicje nauki o materiałach i inżynierii materiałowej

2 roz 7-11-02 20:59 Page 97

nie śledzi tego postępu, po pewnym czasie dysponuje jedynie wiedzą przestarzałą
i bez ponownych gruntownych studiów nie jest w stanie podjąć sensownych dzia-
łań inżynierskich. O dynamice rozwoju inżynierii materiałowej mogą świadczyć na-
grody Nobla w dziedzinie fizyki i chemii uzyskane w ostatnich dziesięcioleciach za
wybitne osiągnięcia, które w zastosowaniach inżynierskich znacząco zmieniły rze-
czywistość techniczną w świecie. Wystarczy tylko wspomnieć tranzystory, układy
scalone, fullereny, materiały nadprzewodzące, polimery przewodzące prąd elek-
tryczny i półprzewodnikowe oraz inne (porównaj załącznik).

ZAKRES NAUKI O MATERIAŁACH I INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ

Współcześnie zainteresowania nauki o materiałach i inżynierii materiałowej

można sprowadzić do zagadnień podanych w tablicy 2.24.

DOBÓR MATERIAŁÓW JAKO PODSTAWOWY CEL NAUKI

O MATERIAŁACH I INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ

Dotychczas, od początku kreowania się najpierw metaloznawstwa a potem ma-

teriałoznawstwa jako dyscypliny inżynierskiej, podstawową metodą nauki o mate-
riałach i inżynierii materiałowej było wprowadzanie nowych materiałów, głównie
na podstawie badań empirycznych realizowanych metodą prób i błędów. Podejście
to uległo zmianie w miarę poznawania podstaw procesów decydujących o własno-
ściach i zachowaniu się materiałów w trakcie wytwarzania i eksploatacji i wprowa-
dzono początkowo dobór materiałów, a obecnie projektowanie materiałowe, w celu
udostępnienia materiału o najkorzystniejszym zestawie własności użytkowych za-
pewnianych przez odpowiedni skład chemiczny i proces technologiczny materiału.

2. Podstawy nauki o materiałach

98

Zakres tematyczny

Cele do osiągnięcia i metody działania

Synteza (wytwarzanie) i przetwórstwo
materiałów (tworzyw)

ułożenie atomów i składników o większej skali w materiałach w systemy o wymaganej
konfiguracji

Skład chemiczny i mikrostruktura

*)

materiałów (tworzyw)

ocena wpływu składu chemicznego i mikrostruktury na zachowanie się materiałów

Zjawiska i własności materiałów
(tworzyw)

badanie mechanizmów przebiegających w materiałach (tworzywach) w trakcie
procesów technologicznych i eksploatacji w celu wyjaśnienia zjawisk i ich wpływu
na własności materiałów

Zachowanie materiałów (tworzyw)
w warunkach eksploatacji

ocena przydatności materiałów do różnych zastosowań

Projektowanie materiałów (tworzyw)
oraz przewidywanie ich trwałości
i/lub żywotności

przewidywanie składu chemicznego, własności oraz trwałości materiałów
w warunkach eksploatacyjnych metodami teoretycznymi oraz przy wspomaganiu
komputerowym z włączeniem metod sztucznej inteligencji

Tablica 2.24

Zakres zainteresowań nauki o materiałach oraz inżynierii materiałowej
(opracowano na podstawie materiałów M. Rühlego, H. Doscha, E. Mitteimeijera i M. H. Van de Voorde)

*)

Zwykle w niniejszej książce używane jest ogólne określenie „struktura“ w tym znaczeniu, jed-
nak w niniejszym rozdziale, dla podkreślenia znaczenia skali, wyróżniono pojęcia nanostruk-
tury, mikrostruktury i makrostruktury.

2 roz 7-11-02 20:59 Page 98

Na rysunku 2.57 schematycznie przed-

stawiono czynniki konieczne do uwzględnie-
nia przy wprowadzaniu nowych materiałów
inżynierskich, z uwzględnieniem ich rozwo-
ju, bezpieczeństwa i uwarunkowań ekologi-
cznych.

Proces wprowadzania nowych materia-

łów jest związany z doskonaleniem istnieją-
cych materiałów albo przez uwzględnianie
nowych osiągnięć związanych z opracowy-
waniem nowych związków, struktury oraz za-
pewnianiem nowych własności (rys. 2.58).
Podstawową możliwością jest projektowanie
nowych materiałów bardzo często z uwzględ-
nieniem małej skali, do nanometrycznej
włącznie, optymalizacja ich zastosowań,

a także optymalizacja produkcji z uwzględ-
nieniem modelowania własności i procesów.

Materiały są produkowane z surowców

pobieranych ze środowiska naturalnego,
w celu kreowania rozwoju zapewniającego
stworzenie bardziej komfortowych warun-
ków życia. Aktywność ta jest częścią syste-
mu cywilizacyjnego, który stanowi fragment
ekosfery tworzonej przez geosystem i biosys-
tem. Tradycyjny rozwój materiałów realizo-
wany był niemal wyłącznie w ramach syste-
mu cywilizacyjnego, z ignorowaniem od-
działywań z ekosferą. Dopiero od stosunko-
wo niedługiego czasu, jako ważną determi-
nantę w projektowaniu, wytwarzaniu i eks-
ploatacji materiałów wprowadzono koniecz-
ność współdziałania z pozostałymi wymie-
nionymi systemami, a wraz z nią pojęcie
ekomateriałów

*)

, uwzględniających holi-

styczne (całościowe) podejście do ekosfery

2.5. Współczesne znaczenie i tendencje rozwojowe

99

nauki o materiałach

Rysunek 2.57

Podstawowe czynniki uwzględniane w konwencjonalnych
badaniach nowo wprowadzanych materiałów inżynierskich
(opracowano według rysunku D. Raabego)

*)

W roku 1992 w czasie konferencji Narodów Zjednoczonych o Środowisku i Rozwoju „Szczyt
Ziemi“ w Rio de Janeiro w Brazylii proklamowano „Deklarację z Rio o Środowisku i Rozwo-
ju“, w „Agendzie 21“ ustalono zasady zrównoważonego społeczeństwa i zrównoważonego
rozwoju, a o rok wcześniej powstała koncepcja ekomateriałów (ecologically–benign materials
– materiały przyjazne ekologicznie), które nie degradują środowiska globalnego i stanowią
mniejsze obciążenie dla planety w trakcie produkcji. W roku 1999 VAMAS (The Versailles
Project on Advanced Materials and Standards) zatwierdził inicjatywę dotyczącą standaryza-
cji działań proekologicznych w zakresie technologii materiałów pt. „Określenie i rola uczest-
nictwa VAMAS w środowiskowej standaryzacji działań dla technologii materiałów“.

Rysunek 2.58

Schemat ogólnej strategii wprowadzania nowych materiałów inży-
nierskich (opracowano według H. Doscha i M.H. Van de Voorde)

2 roz 7-11-02 20:59 Page 99

(rys. 2.59). Podejście to uwzględnia zarówno
konieczność rozwoju nowych technologii zwią-
zaną z kreatywnością rozwojową, jak i harmo-
niczną koegzystencją z ekosferą i minimalizację
degradacji środowiska naturalnego, jak również
optymalizację technologii i infrastruktury w ce-
lu zapewnienia zdrowego życia w zgodzie z na-
turą. Działania związane z tym podejściem obej-
mują 3 grupy (rys. 2.60) związane z wytwarza-
niem specjalnych materiałów zapewniających
ochronę środowiska naturalnego (typ A), mate-
riałów stosowanych w systemach zapewniają-
cych zmniejszoną emisyjność zanieczyszczeń
(typ B) i materiałów dla strategicznej substytu-
cji (zastępowania) materiałów dotychczas stoso-
wanych, lecz znacząco zagrażających środowi-
sku i powodujących jego degradację (typ C).

2. Podstawy nauki o materiałach

100

Rysunek 2.60

Schematyczny podział
materiałów ze względu
na proekologiczne podejście
do ich wytwarzania
i zastosowania
(opracowano według
K. Yagiego i K. Halady)

Rysunek 2.59

Schemat koncepcji ekomateriałów
(według K. Yagiego i K. Halady)

2 roz 7-11-02 20:59 Page 100

W tablicy 2.25 podano przykłady zastosowania ekomateriałów w obszarach mate-
riałów o bardzo dużym zużyciu globalnym, materiałów znacznie rozpowszechnio-
nych oraz materiałów związanych z przetwarzaniem energii.

INTERDYSCYPLINARNY CHARAKTER NAUKI O MATERIAŁACH

I INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ

Nauka o materiałach wykreowała się jako niezależna dyscyplina nauki pod ko-

niec lat 50-tych XX wieku, kontynuując głównie tradycje metaloznawstwa, które
utworzyło się wraz z początkiem rewolucji przemysłowej, przekształconego następ-
nie w sposób ciągły w materiałoznawstwo i w konsekwencji w naukę o materiałach.
Równocześnie budowano więzi między nauką o materiałach i inżynierią materiało-
wą a naukami podstawowymi, czego liczne przykłady można przedstawić. Badania
półprzewodników stworzyły okazję do współpracy z fizyką ciała stałego. Rozwój
materiałów polimerowych wykazał efektywność współpracy z chemią polimerów.
Są liczne przykłady zaimplementowania dla potrzeb rozwoju materiałów licznych
modeli odkrytych przez fizykę i chemię. Liczne modele matematyczne wykorzysta-
no m.in. do opisu przemian fazowych, koncepcji całki J w mechanice pękania, geo-
metrii fraktalnej do opisu wzrostu klastrów i systemów koloidalnych, do rozwiąza-
nia nieliniowego problemu migracji granic ziarn lub laplasjanowych procesów
wzrostu w opisie morfologicznych przejść fazowych. Koniec XX wieku wskazał, że

2.5. Współczesne znaczenie i tendencje rozwojowe

101

nauki o materiałach

Materiały konstrukcyjne o bardzo dużym zużyciu globalnym

Materiały szeroko rozpowszechnione o masowym zużyciu

materiały o obniżonym obciążaniu środowiska w pełnym cyklu
życia
•materiały o mniejszym zużyciu surowców i energii
•materiały naturalne

– bazujące na drewnie
– drewniano-ceramiczne
– ceramika z gleby

•materiały z odpadów

– cement z odpadów komunalnych (ekocement)
– cement z popiołów
– inne nowe materiały z odpadów

•materiały z surowców wtórnych (recyrkulacyjne)

– stale ze sztucznymi wtrąceniami (składniki błądzące)
– rekonfiguracja stosowanego drewna

•materiały wytwarzane z mniejszą emisją zanieczyszczeń

i mniejszym zużyciem energii

materiały o dużej przydatności dla recyklingu
•stopy projektowane dla recyklingu

– stale o mniejszej liczbie składników
– powszechne stopy aluminium
– materiały odporne na wtrącenia i zanieczyszczenia

•materiały polimerowe projektowane dla recyklingu
•materiały kompozytowe projektowane dla recyklingu
•materiały kompozytowe złożone z materiałów

projektowanych dla recyklingu

materiały bez szkodliwych substancji
•lutowia bezołowiowe
•alternatywne materiały dla azbestu
•alternatywne materiały dla polichlorku winylu PVC
•materiały polimerowe z nieszkodliwymi elementami

utrudniającymi zapalność

•blachy stalowe laminowane olefinami jako substytuty PVC

Materiały dla generowania i przetwarzania energii

materiały o podwyższonej przydatności w fazie użytkowania
•wysokowytrzymałe stale na samochody
•stopy żarowytrzymałe na turbiny wysokotemperaturowe
lekkie stopy na pojazdy
•stopy Al na samochody
•stopy Mg
inne materiały projektowane z uwzględnieniem analizy pełnego
cyklu życia, zwłaszcza fazy użytkowania

Tablica 2.25

Przykłady zastosowania ekomateriałów w różnych obszarach (opracowano według K. Yagiego i K. Halady)

2 roz 7-11-02 20:59 Page 101

osiągnięcia inżynierii materiałowej są zwykle wynikiem daleko posuniętej integra-
cji między różnymi dyscyplinami nauki, co w konsekwencji doprowadziło do te-
go, że nauka o materiałach w XXI wieku jest interdyscyplinarnym obszarem utwo-
rzonym na styku i na przecięciu różnych podstawowych dyscyplin (rys. 2.61),
głównie fizyki ciała stałego, chemii, matematyki i inżynierii procesowej, ale także

mechaniki i budowy maszyn, ekologii, eko-
nomii, zarządzania i informatyki stosowa-
nej, a nawet biologii i medycyny, wykorzy-
stując osiągnięcia tych dyscyplin naukowych
w celu zaproponowania tworzyw o najko-
rzystniejszym zestawie własności i najlepiej
odpowiadających coraz to wyższym wyma-
ganiom stawianym produktom i dobrom wy-
korzystywanym przez ludzi, w warunkach
ostrej konkurencji rynkowej i przy wysokich
wymaganiach odnośnie do jakości, nieza-
wodności, trwałości i ceny.

W świetle przedstawionych rozważań na-

leży również stwierdzić, że klasyczne założe-
nia podziału nauki na dyscypliny wprowadzo-
ne w wieku XVIII przez Auguste Comte

*)

stały się nieaktualne, ze względu na interdy-
scyplinarność lub wielodyscyplinarność
większości podejmowanych problemów na-
ukowych. Metody naukowe są uniwersalne
i bezpodstawne są próby przyporządkowania
sobie którejkolwiek z nich przez którąkol-

wiek z dyscyplin naukowych, bowiem wszystkie z nich wykorzystują już specyficz-
ne metody naukowe. Kreowanie w przyszłości nowych osiągnięć nauki o materia-
łach i sprostanie nowym wyzwaniom przy pełnej oczekiwanej innowacyjności wy-
maga zatem nie tylko technicznego podejścia do nauki, lecz również podejścia kul-
turowego zapewniającego dociekliwość, refleksyjność i skłonność do nieraz odle-
głych skojarzeń.

Na rysunku 2.62 przedstawiono schematycznie zależności między licznymi in-

terdyscyplinarnymi czynnikami uwzględnianymi we współczesnej nauce o materia-
łach i inżynierii materiałowej. Znajomość i dalsze poznawanie licznych zjawisk,
m.in. elektrycznych, magnetycznych, optycznych, mechanicznych, cieplnych, przy
uwzględnieniu wzajemnych oddziaływań między czynnikami zewnętrznymi, struk-
turą materiałów oraz teorii dotyczącej podstaw tych zjawisk, po wykorzystaniu
współczesnych metod modelowania matematycznego, a także z wykorzystaniem na-
rzędzi sztucznej inteligencji i innych metod komputerowego wspomagania oraz roz-
winiętych technik analitycznych i metod badawczych wyjaśniających zachowania

2. Podstawy nauki o materiałach

102

Rysunek 2.61

Usytuowanie nauki o materiałach między innymi dyscyplinami
nauki (według Y. Brecheta, W. Pompego i M. Van Rossuma)

*)

A. Comte (1798–1857) francuski filozof i socjolog, główny przedstawiciel francuskiego pozy-
tywizmu, twórca pojęcia socjologii.

2 roz 7-11-02 20:59 Page 102

materiałów, zwłaszcza w skali nanometrycznej i atomowej oraz w wyjątkowo krót-
kim czasie femtosekund, co umożliwia dostosowanie własności materiałów, w tym
także nanomateriałów, biomateriałów i materiałów biomimetycznych (bionaśla-
dowczych), do wymagań stawianych przez ich zastosowania praktyczne.

2.5. Współczesne znaczenie i tendencje rozwojowe

103

nauki o materiałach

Rysunek 2.62

Schemat interdyscyplinarnych zależności między materiałami, zjawiskami materiałowymi, modelowaniem,
rozwiniętymi technikami analitycznymi oraz dostosowania do wymaganych zastosowań
(opracowano według H. Doscha i M.H. Van de Voorde)

2 roz 7-11-02 20:59 Page 103

2. Podstawy nauki o materiałach

104

104

Z kolebki cywilizacji w Azji Środkowej stosunkowo szybko umiejętności technologiczne przeniosły się na tereny
współczesnej Europy. Misa złota z motywami zwierzęcymi, słonecznymi i księżycowymi z ok. 900 r. p.n.e.
znaleziona w Altstetten w obecnym Kantonie Zurich w Szwajcarii zawiera wyraźne wpływy kultury celtyckiej
(1). Złote naczynia (2) (3) znalezione w Villena w obecnej prowincji Alicante w Hiszpanii pochodzą ze zbioru 60
złotych przedmiotów z ok. 730 r. p.n.e., świadcząc o wysokich poziomie technologicznym, talentach
i zamożności Iberów, a ponieważ zakopano je razem z 2 przedmiotami z żelaza dowodzą o bardzo wysokiej
ocenie wartości żelaza przez Iberów. Kulturę celtycką reprezentują także złote nauszniki z 300 r. p.n.e. znalezione
w Erstelfeld w Kantonie Uri w obecnej Szwajcarii (4). Złota moneta rzymska (5) pochodzi z czasu panowania
Cesarza Nerona w latach 64-68 n.e. Złotą łódź misternie wykonał rzemieślnik iryjski w I wieku n.e., a została ona
znaleziona w Broighter w hrabstwie Londonderry w Irlandii (6). Złota zausznica z Kijowa lub Bizancjum
z XI w. n.e należy do zbiorów Zamku Królewskiego na Wawelu (7).

2

5

7

6

1

3

4

2 roz 7-11-02 20:59 Page 104

2.1. Materia i jej składniki

105

W Ameryce zarówno Północnej jak i Południowej przedkolumbijskiej również od wielu wieków opanowano
produkcję i przetwórstwo złota. Na wiele przed pojawieniem się konkwistadorów hiszpańskich, na terenie
obecnego Peru, w rozkwicie była cywilizacja Inków dysponujących ogromnymi zasobami złota i srebra, które
używano do produkcji artefaktów, jak np. rytualny nóż prawdopodobnie przedstawiający boga, bogato
inkrustowany szmaragdami i innymi kamieniami szlachetnymi (8) oraz złota maska (9). Złota maska (10) ma
srebrne gałki oczne poruszające się na cienkim drucie, a maska złota (11) ma oczy z klejnotów. Złoty człowiek
z Calimy (12) znajduje się teraz w Muzeum Złota w Bogocie w Kolumbii. Natomiast w Muzeum Prekolumbijskich
Metali Szlachetnych w La Paz w Boliwii znajduje się maska z Tiwanoku (Tiahuanaco) (13), położonego ok. 20 km
na południe od Jeziora Titicaca i założonego ok. 200 r. p.n.e., a w VIII wieku n.e. będącego stolicą imperium. Złota
statuetka aztecka (14) z dzisiejszego Meksyku pochodzi sprzed Hernanda Corteza przed 1519 rokiem n.e. Złotą
maskę rycerza-jaguara, świadectwo kultury Misteków (15), najpewniej z X wieku n.e., znaleziono natomiast
w Monte Alban (w „grobie nr 7”), które pamięta kulturę Zapoteków, przeżywającą szczyt swego rozkwitu
w latach między 500 a 300 p.n.e. Skarby te odkrył 9.01.1932 meksykański archeolog Alfonso Caso.

8

11

10

9

14

13

12

15

105

2 roz 7-11-02 20:59 Page 105

2.5.2. Najistotniejsze zadania do osiągnięcia przez

naukę o materiałach i inżynierię materiałową

w najbliższych dziesięcioleciach

GŁÓWNE ZADANIA NAUKI O MATERIAŁACH I INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ

Nauka o materiałach i inżynieria materiałowa odgrywają kluczową rolę w ustaleniu

i poprawie warunków ekonomicznych i jakości życia, zwłaszcza w sferach wytypowa-
nych jako priorytetowe w rozwoju światowym na najbliższe dziesięciolecia (tabl. 2.26).

2. Podstawy nauki o materiałach

106

Priorytetowa

dziedzina

rozwoju

Cel strategiczny

Rola nauki o materiałach

i inżynierii materiałowej

Poprawa
warunków
życia

ze względu na zagrożenie środowiska naturalnego
wymagane jest pilnie bardziej efektywne
wykorzystanie materiałów i źródeł energii

rola inżynierii materiałowej w tym zakresie sprowadza
się do udziału w rozwoju nowych technologii
generowania energii, bardziej energoefektywnych
urządzeń oraz materiałów mniej toksycznych i lepiej
przystosowanych do recyklingu

System
ochrony
zdrowia

ze względu na konieczność przezwyciężania i zapo-
biegania chorobom, ograniczenia zakresu i skutków
inwalidztwa oraz troski o poprawę zdrowotności w
całym

świecie konieczne jest opracowanie całkowi-

cie nowych generacji metod diagnostycznych i tera-
peutycznych oraz nowych urządzeń, aparatów i leków

rola inżynierii materiałowej w tym zakresie obejmuje
opracowanie i wprowadzenie całkowicie nowych
materiałów, w tym dla rozwoju sztucznych kości,
implantów oraz sztucznych organów, bezpiecznych
systemów podawania leków, systemów filtrowania wody
oraz urządzeń terapeutycznych i diagnostycznych

Komunikacja
i przesył
informacji

ze względu na konieczność zwiększenia szybkości
i niezawodności wzajemnych połączeń w świecie
konieczne jest opracowanie nowych generacji urzą-
dzeń telekomunikacyjnych i informatycznych oraz
komputerów w pełni zminiaturyzowanych wraz
ze wszystkimi urządzeniami peryferyjnymi

rola inżynierii materiałowej w tej rewolucji
informatycznej i komputerowej jest bardzo ważna,
determinuje ten postęp i wymaga wprowadzenia
nowych materiałów elektronicznych, optycznych
i magnetycznych

Dobra
konsumpcyjne

ze względu na oczekiwania przez klientów szybkiej
dostawy dóbr konsumpcyjnych o bardzo wysokiej
jakości i niezawodności oraz dużej trwałości przy
możliwie najniższych, uzasadnionych i akceptowal-
nych cenach, dostarczanych niezależnie od miejsca
wyprodukowania w świecie, a także wysokiej jakości
i sprawności usług, konieczne są intensywne prace
w celu osiągnięcia oczekiwanego stanu

rola inżynierii materiałowej w tym zakresie polega
na opracowaniu i wdrożeniu materiałów, które umo-
żliwią zwiększenie zarówno jakości i użyteczności
produktów, jak i sposobów ich doręczania (np. opa-
kowania) co wpłynie na przyspieszenie i ułatwienie
produkcji oraz skrócenie czasu dostawy dóbr
użytkowych o najlepszych własnościach

Transport

ze względu na konieczność poprawy warunków po-
dróżowania zarówno w związku z przedsięwzięciami
gospodarczymi, wypoczynkiem oraz eksploracją
świata i kosmosu konieczne są zorganizowane dzia-
łania związane ze zwiększeniem szybkości, bezpie-
czeństwa i komfortu środków transportu

rola inżynierii materiałowej w tym zakresie polega m.in.
na opracowaniu i wdrożeniu lekkich karoserii i osprzętu
samochodów, np. ze stopów aluminium i magnezu oraz
materiałów kompozytowych, systemów hamulcowych
dla szybkobieżnych pociągów, samolotów emitujących
znacznie mniejszy hałas, pokryć izolacyjnych wahad-
łowych promów kosmicznych i wielu innych rozwiązań
technicznych gwarantujących osiągnięcie założonych
celów

Tablica 2.26

Zadania nauki o materiałach i inżynierii materiałowej w priorytetowych sferach rozwoju światowego w najbliższych
dziesięcioleciach (opracowano według założeń M. Rühlego, H. Doscha, E. Mitteimeijera i M.H. Van de Voorde)

2 roz 7-11-02 20:59 Page 106

STRATEGICZNE PRZYSZŁOŚCIOWE ZADANIA INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ

Istotne wyzwania stojące przed inżynierią materiałową wymagają przekonania

sfer przemysłowych, menedżerskich i politycznych o potrzebie inwestowania w na-
ukę o materiałach dla osiągania nowoczesnego postępu technologicznego. Ważne
jest, aby czas pomiędzy dokonaniem odkryć naukowych i ich praktycznymi zasto-
sowaniami był jak najkrótszy i aby w społeczeństwie panowało przeświadczenie
o związkach między obecnie wykonywanymi badaniami podstawowymi a przy-
szłym dobrobytem. Brak ciągłego finansowania badań naukowych obecnie, unie-
możliwi nowe odkrycia naukowe i wykształcenie wysokokwalifikowanych eksper-
tów niezbędnych do wdrożenia i wykorzystania tych osiągnięć, a w konsekwencji
uniemożliwi wprowadzenie w przyszłości innowacyjnych produktów.

Dla wprowadzenia nowych generacji materiałów i upowszechnienia produktów

o oczekiwanych własnościach, które mogą być wytworzone z tych materiałów, nie-
zbędne jest poznanie zachowania się materiałów jako tworzyw do wyprodukowania
nowych produktów, od skali atomowej/nanostrukturalnej przez mikrostrukturę do
skali makroskopowej przy użyciu rozwiniętych technik analitycznych (rys. 2.63)

2.5. Współczesne znaczenie i tendencje rozwojowe

107

nauki o materiałach

Rysunek 2.63

Znaczenie rozwiniętych technik analitycznych w nauce o materiałach i inżynierii materiałowej
(opracowano według H. Doscha i M.H. Van de Voorde)

2 roz 7-11-02 20:59 Page 107

i modelowania komputerowego (rys. 2.64).
Ta strategia wymaga zastosowania zarówno
do polepszenia konwencjonalnych materia-
łów produkowanych i stosowanych masowo,
takich jak stal lub stopy metali nieżelaznych,
jak i do nowoczesnych materiałów funkcjo-
nalnych stosowanych w coraz to mniejszych
„inteligentnych“ urządzeniach.

Stosując podstawowe zasady fizyki i che-

mii dotyczące stanu i własności skondenso-
wanej materii, teoria materiałów jest wyko-
rzystywana do modelowania struktury i wła-
sności funkcjonalnych rzeczywistych mate-
riałów oraz projektowania i przewidywania
nowych materiałów i urządzeń o zwiększo-
nej praktycznej przydatności. Nowoczesna
teoria nauki o materiałach i modelowanie są
stosowane do rozwoju nowych materiałów
(rys. 2.65). Na rysunku 2.66 przedstawiono

2. Podstawy nauki o materiałach

108

Rysunek 2.65

Znaczenie teorii w rozwoju nowych materiałów w różnych gałęziach przemysłu
(opracowano według M. Rühlego, H. Doscha, E.J. Mitteimeijera i M.H. Van de Voorde)

Rysunek 2.64

Modelowanie
i symulacja w nauce
o materiałach i inżynierii
materiałowej (opracowano
według F. Aldingera i J.F. Baumarda)

2 roz 7-11-02 20:59 Page 108

natomiast różnorodność modeli stosowanych w komputerowej nauce o materia-
łach w zależności od skali, jak również możliwości wykorzystania modelowania
materiałów inżynierskich, ich syntezy, struktury, własności i zjawisk.

Weryfikacja eksperymentalna umożliwia sprawdzenie wyników symulacji kom-

puterowej w różnych skalach i metodami sztucznej inteligencji dla zastosowania

2.5. Współczesne znaczenie i tendencje rozwojowe

109

nauki o materiałach

Rysunek 2.66

Zakres i metody modelowania materiałów
(opracowano według M. Rühlego, H. Doscha, E.J. Mitteimeijera i M.H. Van de Voorde)

2 roz 7-11-02 20:59 Page 109

nowych materiałów i procesów ich wytwarzania (rys. 2.67). Wprowadzenie no-
wych materiałów oraz polepszenie własności materiałów produkowanych dotych-
czas wymaga opracowywania i wdrażania nowych metod wytwarzania (syntezy)
i przetwórstwa (rys. 2.68), odpowiedzialnych za wysoką jakość i niskie koszty pro-
dukcji. Główne zadania innowacyjne w tym zakresie dotyczą:

zwiększenia kontroli nad złożonością, składem chemicznym, strukturą i funk-
cją materiałów,
chemii roztworów wodnych w zastosowaniu do niskokosztownych i przyja-
znych środowiskowo procesów syntezy,
szybkiego kształtowania wykorzystywanego w chemii kombinacyjnej i poszuki-
waniach nowych materiałów,
dostosowywaniu materiałów do potrzeb we wszystkich skalach, od atomowej
do makroskopowej,
komputerowego modelowania złożonych zjawisk zachodzących w materiałach,
dla polepszenia ich poznania i kontroli,
cienkich pokryć i warstw, dla polepszenia ich własności i trwałości,
chemii cieczy nadkrytycznych, dla przygotowania nowych materiałów i nano-
materiałów, jak tlenki, azotki, metale z kontrolowanymi równocześnie kształ-
tem i wielkością w skali zmiennej od mikrometrowej do nanometrowej.
Podstawowe poszukiwania obejmują wzrost kryształów, osadzanie próżniowe,

spiekanie, przemiany fazowe i reologię dla lepszego poznania ich oddziaływania
i sposobu kontrolowania podczas wytwarzania (syntezy) i przetwórstwa materiałów.

2. Podstawy nauki o materiałach

110

Rysunek 2.67

Wzajemne oddziaływania między teorią nauki o materiałach, symulacją komputerową
i działaniami eksperymentalnymi (opracowano według C.A.J. Fishera)

2 roz 7-11-02 20:59 Page 110

W tablicy 2.27 podano główne kierunki działań podjętych lub kontynuowanych

w zakresie nauki o materiałach i inżynierii materiałowej, których wyniki jak się oce-
nia będą miały największy wpływ na osiągnięcie celów związanych z rozwojem spo-
łeczeństw w najbliższych dziesięcioleciach.

2.5. Współczesne znaczenie i tendencje rozwojowe

111

nauki o materiałach

Rysunek 2.68

Schemat zależności syntezy (wytwarzania) i przetwórstwa we wdrażaniu nowych materiałów i procesów
od czynników związanych z kwalifikacjami kadr, modelowaniem oraz dostosowywaniem struktury i własności
materiałów (opracowano według M. Rühlego, H. Doscha, E.J. Mitteimeijera i M.H. Van de Voorde)

2 roz 7-11-02 20:59 Page 111

2. Podstawy nauki o materiałach

112

Główne kierunki

działań

Ocena obecnej sytuacji i zamierzenia przyszłościowe

Projektowanie
materiałowe

przedmiotem nowoczesnej nauki o materiałach i inżynierii materiałowej jest dostosowywanie materiałów,
począwszy od składu chemicznego, faz składowych i mikrostruktury, do zespołu własności wymaganych dla
danego zastosowania. W niezbyt odległej przyszłości tradycyjne empiryczne metody wprowadzania nowych
materiałów będą uzupełniane w coraz większym stopniu o przewidywanie teoretyczne. W niektórych
przypadkach w skali przemysłowej jest już stosowana symulacja komputerowa, a przewidywany jest rozwój
narzędzi komputerowych dla oceny własności materiałów w wirtualnym środowisku. Umożliwi to polepsze-
nie tych własności, a ponadto ich przewidywanie nawet przed wyprodukowaniem materiałów, przy znaczą-
cym zmniejszeniu nakładów i czasu niezbędnych dla ich badania i wdrożenia

Komputerowa
nauka
o materiałach

w ostatnim dziesięcioleciu dokonano znaczącego postępu w zakresie symulacji własności i przetwórstwa ma-
teriałów inżynierskich, natomiast już w najbliższej przyszłości modelowanie komputerowe stanie się nieodzo-
wnym narzędziem w nauce o materiałach i inżynierii materiałowej. Strategia komputerowa zapewnia chemi-
czny i fizyczny opis materiałów w szerokiej skali, zarówno długości jaki i czasu, a wieloskalowe modelowanie
umożliwia wykorzystanie spójnej struktury symulacji w całym lub większości interesującego zakresu tych skal

Rozwinięte
techniki
analityczne

rozwój nowych materiałów inżynierskich w przyszłości oraz odkrywanie nowych zjawisk decydujących o ich
własnościach wymagają rozwoju, wprowadzenia i upowszechnienia nowych i wydajniejszych technik bada-
wczych umożliwiających badanie materiałów w skali atomowej, takich jak wysokorozdzielcza transmisyjna
mikroskopia elektronowa, skaningowa mikroskopia sondująca, dyfrakcja rentgenowska i neutronowa i różne
rodzaje spektroskopii, zintegrowanych z komputerami większej mocy, umożliwiających szybką wizualizację
i porównanie z modelami komputerowymi, włączając w to także zatosowanie w procesach wytwarzania
(syntezy) materiałów, gdzie mogą być stosowane do kontroli i manipulowania materiałów w skali atomowej
i nanokrystalicznej, jak w mikroskopii sił atomowych

Wytwarzanie
(synteza)
i przetwórstwo

celem przyszłościowych technik wytwarzania i przetwórstwa jest konstruowanie materiałów inżynierskich
ze złożonych układów atomów i cząsteczek, z taką samą dokładnością i kontrolą jaką obecnie stosuje się
w odniesieniu do materiałów półprzewodnikowych, a do najbardziej obiecujących technik można zaliczyć
m.in. chemiczne przetwarzanie z prostych jednostek prekursorów, szybkie prototypowanie komponentów
ceramicznych i metalowych z użyciem techniki strumieniowej, spiekanie mikrofalowe, metody osadzania
z faz gazowych (CVD, PVD) do kształtowania cienkich warstw, infiltracja kompozytów

Nanomateriały

zdolność kontroli, wytwarzania i projektowania materiałów w skali nanometrycznej (10

–9

m) jest jednym

z głównych kierunków postępu w celu wykorzystania tych materiałów dla opracowywania nowych zastoso-
wań, minimalizacji odpadów i zanieczyszczeń i optymalizacji własności we wszystkich podstawowych
grupach materiałów inżynierskich, w tym m.in. w ultraprecyzyjnych systemach podawania leków, nanorobo-
tach, w mikrowytwarzaniu, nanoelektronice, ultraselektywnych sitach molekularnych i nanokompozytach
do zastosowania w samolotach i innych pojazdach o wysokich własnościach użytkowych

Materiały
inteligentne
(smart materials)

materiały inteligentne, w odróżnieniu od pozostałych (obojętnych) materiałów, są projektowane tak, aby
reagowały na zewnętrzną stymulację i adaptując się do warunków środowiskowych polepszały swe własności,
zwiększając trwałość, oszczędzając energię lub dostosowując warunki dla poprawy komfortu ludzi, a także
samoistnie się powielając, naprawiając lub uszkadzając w miarę potrzeby, zmniejszając odpady i zwiększając
efektywność; prace w tym zakresie mają szczególnie awangardowy charakter

Materiały
biomimetyczne
(bionaśladowcze)

dzięki lepszemu zrozumieniu mechanizmów wytwarzania minerałów i kompozytów przez organizmy żywe,
szybko rozwijającym się zakresem inżynierii materiałowej stają się materiały biomimetyczne, które kopiują
lub naśladują procesy i materiały biologiczne, zarówno organiczne jak i nieorganiczne (np. syntetyczna nić
pajęcza, chipy DNA, wzrost kryształów wewnątrz klatek wirusów) i są wytwarzane coraz bardziej precyzyjnie
i efektywnie, w wyniku czego poprawia się ich użyteczność, a odsłaniają się nowe możliwości ich wykorzysta-
nia (np. autonaprawianie, ultratwarde i ultralekkie kompozyty do samolotów), co wymaga nowej strategii
chemicznej, łączącej samoorganizację ze zdolnością do formowania hierarchicznie zbudowanych materiałów

Tablica 2.27

Główne kierunki działań w zakresie nauki o materiałach i inżynierii materiałowej dla osiągnięcia celów
strategicznych rozwoju społeczeństw (opracowano na podstawie informacji M. Rühlego, H. Doscha,
E. Mitteimeijera i M.H. Van de Voorde)

2 roz 7-11-02 20:59 Page 112