Medžiagų mokslas yra seniausia mokslo ir technologijų sritis. Medžiagų poveikis civilizacijos raidai atsispindi erų pavadinimuose: akmens amžius, bronzos amžius, geležies amžius. Dabar mes gyvename pažangiųjų medžiagų amžiuje. Kokios medžiagos bus naudojamos netolimoje ateityje ir kaip jos keis mūsų kasdienį gyvenimą?
Pasaulyje medžiagų mokslas daro sparčią pažangą. Naujos medžiagos sukuria technologines revoliucijas ir jų tyrimai yra viena iš gyvybingiausių ir greičiausiai besiplėtojančių šiuolaikinio mokslo sričių.
„Vienas iš svarbiausių veiksnių, nulėmusių technologinį žmonijos progresą XXI amžiuje, buvo naujų medžiagų sukūrimas, ištyrimas ir praktinis panaudojimas“, – tikina Kauno technologijos universiteto (KTU) Matematikos ir gamtos mokslų fakulteto (MGMF) studijų programų vadovė Kristina Bočkutė.
„Vienu iš pagrindinių jos krypčių tapo medžiagų kūrimo principų perkėlimas į molekulinį lygmenį, toliau mažas molekules valdomai jungiant į didesnius klasterius ar polimerus, pereinant nuo nanometrinių matmenų į mikrometrinius ar centimetrinius. Medžiagų moksle yra panaikinami barjerai tarp tradicinių mokslų sričių ir siekiama neorganinės, organinės, polimerų, fizikinės, biologinės, analitinės chemijos, fizikos, inžinerijos bei matematinio modeliavimo integracijos“, – pasakoja K. Bočkutė.
Pasaulinė praktika rodo, kad toks multidisciplininis požiūris labai svarbus realizuojant sukurtų naujų medžiagų privalumus aukštosiose technologijose, kai sėkmę lemiančiu veiksniu tampa sujungtos įvairių sričių inžinerinės žinios.
Verta paminėti, kad bene visos šiuolaikinės žinioms imlios technologijos yra kuriamos naujų medžiagų pagrindu. Vertinant pasaulines tendencijas, minėti klausimai yra ypač svarbūs vystant naujas pramonės šakas ir, be abejonės, plėtojant tradicines technologijas. Medžiagų mokslas leidžia fundamentalių fizikos bei chemijos mokslo tyrimų metu atrastus dėsningumus ir medžiagų savybes adaptuoti ir pritaikyti taip, kad jos būtų tinkamos naudoti konkrečiose gyvenimo srityse.
Ateities medžiagos kuriamos įvairiose pritaikymo srityse – nuo statybinių medžiagų iki drabužių. Štai kelios pažangios ateities medžiagos, kurios jau greitai gali tapti įprastomis mūsų gyvenime:
- Aerogelis. Lengviausia kietosios būsenos medžiaga pasaulyje. Pavyzdžiui, grafeno aerogelio tankis yra mažesnis negu helio dujų ir tik dvigubai didesnis negu vandenilio – 0,16 kg/m3. Šiai medžiagai priklauso 15 įrašų Gineso rekordų knygoje (daugiau nei kitoms). Kartais vadinamas „užšaldytais dūmais“, aerogelis gaminamas pakeitus skystos būsenos aliuminio oksidą, chromo, alavo oksidą arba anglies junginius dujomis superdžiovinimo procese. 99,8 % aerogelio tūrio sudaro oras, todėl medžiaga atrodo pusiau skaidri. Nepaisant to, kad didžioji dalis medžiagos tūrio yra oras, ši medžiaga yra labai stipri, galinti išlaikyti daugiau negu 160 tūkst. kartų didesnį svorį už ją pačią. Aerogelis taip pat yra puikus šilumos izoliatorius, apsaugantis ne tik nuo karščio, bet ir nuo šalčio. Aerogelis jau yra naudojamas NASA, kuriami aerogeliu padengti apsauginiai sluoksniai karo pramonėje, kurie apsaugo nuo temperatūros poveikio ir gali apsaugoti nuo sprogstamųjų medžiagų sukeltų sprogimo bangų. Aerogelis yra perspektyvi medžiaga, sugerianti įvairius teršalus iš oro ir vandens.
- Dirbtinis voratinklis. Natūralus vorų šilkas yra iki penkių kartų tvirtesnis nei tokio paties svorio plienas. Be to, dėl sudėtingos tinklo struktūros, net ir nutrūkus vienai gijai, bendras viso mezginio tvirtumas padidėja. Mokslininkai nustatė, kad ypač stiprios šilko gijos susiformuoja iš esmės dėl baltymo fibroino. Dekodavus geną, atsakingą už fibroino baltymo gamybą voratinkliuose, šią natūralią medžiagą mokslininkai neseniai susintetino. Iš vieno gramo fibroino galima pagaminti net 9 km dirbtinio vorų šilko. Ši medžiaga elastinga ir labai tvirta. Iš jos galima gaminti šarvuotas liemenes, kitą aprangą. Šios medžiagos laukia proveržis ir medicinoje. Itin mažas svoris, puikus tamprumas ir lankstumas sukuria sąlygas vorų šilką naudoti transplantologijoje gaminant dirbtines sausgysles.
- Metamedžiagos. Medžiagos, kurios savybės labiausiai priklauso nuo jos struktūros, o ne sudėties, yra vadinamos metamedžiagomis. Metamedžiagos pasižymi neįprastomis optinėmis savybėmis. Naudojant metamedžiagas, turinčias neigiamą lūžio rodiklį, buvo sukuriami dvimačiai nematomi apsiaustai – apsiausto medžiaga laužia ir nukreipia šviesos spindulius taip, kad po ja esančio daikto nematyti. Šios medžiagos taip pat žada revoliuciją optinių lęšių gamyboje bei elektronikoje didinant duomenų perdavimo spartą.
- Metalo putos. Šios putos gaminamos iš putojančio reagento ir titano hidrido miltelių, ištirpintų aliuminyje. Rezultatas – gaunama lengva stipri medžiaga, kurios 75–95 proc. tūrio sudaro oras. Ši medžiaga gali būti pritaikoma daugybėje sričių – nuo plūduriuojančių miestų statybos, karinės pramonės, medicinos iki kosmoso tyrimų ar branduolinių atliekų saugojimo.
- Išmanioji tekstilė. Ateities madas gali diktuoti ne tik aukštosios mados dizaineriai, bet ir mokslininkai, kuriantys tekstilę su integruotais elektroniniais jutikliais, pvz., reguliuojantys temperatūrą, į šviesą ar judesį reaguojantys audiniai, integruoti jutikliai, stebintys nešiojančiojo sveikatos būklę, audiniai, atstojantys vaizdo projektorių ar netgi naudojami kaip vaizdo kamera. Tokių audinių galimybės yra neribotos.
Plėtojant aukštųjų technologijų pramonę visame pasaulyje medžiagų mokslas užėmė labai svarbią poziciją. Kartu tai viena labiausiai besivystančių mokslo šakų, kurios specialistų poreikis nuolat auga. Medžiagų mokslo sąvoka – gana plati mokslinių problemų visuma, apimanti įvairius medžiagų tyrimo klausimus, taip pat technologinio pobūdžio darbus.
KTU MGMF rengia medžiagų mokslo ir nanotechnologijų specialistus – fakultete vykdomos dvi studijų programos, ruošiančios universalius medžiagų mokslo ir nanotechnologijų specialistus Lietuvai ir tarptautinėms rinkoms: studijų programa lietuvių kalba „Medžiagos ir nanotechnologijos“, suteikianti medžiagų technologijų bakalauro laipsnį, ir unikali dvikryptė bakalauro studijų anglų kalba programa „Medžiagų fizika ir nanotechnologijos“, suteikianti fizinių ir technologinių mokslų bakalauro laipsnį.