Niech żyje nam żarówka

Każdy miesiąc ubiegłego roku przyniósł ponad sto znaczących odkryć w dziedzinie materiałoznawstwa!!! Thomas Edison wynalazca i przedsiębiorca, założyciel i administrator laboratoriów, które przyniosły mu dorobek ponad 1000 patentów na całym świecie, mawiał: "Nie poniosłem porażki. Po prostu odkryłem 10.000 błędnych rozwiązań". Praktyczną, w pełni użyteczną żarówkę wynalazł zespół badawczy w laboratorium w Menlo Park w stanie New Jersey (USA) pod kierownictwem T.A. Edisona. Jego pierwsza żarówka paliła się tylko 8 minut, ale po kilkumiesięcznych pracach udało się im w roku 1879 skonstruować żarówkę z włóknem węglowym świecącą przez kilkadziesiąt godzin, a później przedłużyć czas jej świecenia do ponad 100 godzin. Przy następnych próbach wybrano gatunek japońskiego bambusa, którego zwęglone włókna okazały się najtrwalsze. Umieszczone w szklanej banieczce, z której wypompowano powietrze paliły się przez kilkaset godzin jasnym żółtym światłem. Jednak zanim to osiągnięto, zużyto prawie dwa tysiące różnych materiałów, które służyły jako żarnik. Od włókna kokosowego, przez żyłkę, po włos z brody, wszystko to wymagało olbrzymich nakładów pracy. Wśród pionierów prac nad udoskonaleniem żarówki wymienić należy również Anglika Josepha Wilsona Swana. Zastosował on w swoich żarówkach włókno węglowe już w roku 1850. Żarówka skonstruowana w ten sposób miała jednak bardzo niską trwałość. Dopiero w roku 1878 wynalazca uzyskał na tyle zadowalające wyniki, że otrzymał na swój wynalazek patent - jego żarówka świeciła przez 13,5 godziny i miała włókno z bambusa. Zasadniczą różnicą w konstrukcji żarówek opatentowanych przez Edisona i Swana był ich cokół. Żarówka Swana posiadała cokół bagnetowy, w przeciwieństwie do edisonowskiego gwintu. Do dzisiejszego dnia żarówki do zastosowania domowego (gdzie nie są narażone na wstrząsy) posiadają trzonek gwintowy (Edisona – E27), zaś np. samochodowe – trzonek bagnetowy (Swana). Patent, który uzyskał J. W. Swan, zablokował Edisonowi rynek europejski, na który jego produkty mogły wejść dopiero po zawarciu umowy finansowej ze Swanem. Powstała wówczas w Anglii firma, pod nazwą "Siemens Edison Swan", sygnująca swe produkty marką EDISWAN. Były to pierwsze nadające się do praktycznego wykorzystania żarówki. Na początku XX wieku zaczęto używać w żarówkach drucików z wolframu i wypełniać je rozrzedzonym gazem obojętnym (najpierw argonem, a następnie kryptonem). Trwałość typowych żarówek wynosi dziś około 1000 godzin. Od ponad 100 lat świat jest oświetlany przez żarówki z włóknem wolframowym, a symbol żarówki został przyjęty jako rysunkowy skrót myślowy dla innowacji wszelkiego rodzaju.

Teraz żarówki są coraz częściej zastępowane przez diody elektroluminescencyjne (LED), które są bardziej wydajne przy przemianie prądu elektrycznego w światło niż włókna żarówek, a do tego są znacznie trwalsze. Diody po raz pierwszy pojawiły się w 1960 roku jako lampki kontrolne w urządzeniach elektrycznych. Prace nad ich ciągłym ulepszaniem trwają już prawie 60 lat! Obecnie stanowią one oświetlenie dla budynków, ulic i samochodów. Widzimy więc, jak długi, a co za tym idzie i kosztowny jest proces wynalezienia, wdrożenia i udoskonalania produktów.


Obecnie wykorzystanie nanotechnologii, czyli tworzenia struktur na poziomie atomów i cząsteczek, doprowadziło do zalewu nowych substancji i nowych pomysłów na sposoby wykorzystania ich do starych rzeczy w lepszy sposób oraz do stworzenia nowych rzeczy, które nigdy nie zostały wykonane wcześniej. To jest to, co niektórzy naukowcy opisują jako "złoty wiek" dla materiałów. Nowe stopy metali i różnego typu kompozyty sprawiają, że mamy do czynienia z materiałami pamiętającymi swój kształt, mogącymi się samodzielnie naprawić lub podzielić się na części składowe. Dzięki wykorzystaniu mikroskopów elektronowych, mikroskopów sił atomowych i synchrotronów rentgenowskich naukowcy mogą dokonać pomiaru materiałów o wiele bardziej szczegółowo niż kiedykolwiek było możliwe wcześniej. Dzięki nowoczesnym komputerom dostępną mamy ogromną moc obliczeniową. Obecnie wiele prototypów jest wykonywanych w formie wirtualnej, za pomocą oprogramowania, na długo przed powstaniem elementu fizycznego. Dzięki symulacji komputerowej można też oczywiście podjąć decyzję o niewdrażaniu projektu w fazę wykonawczą.
Wszystko to znacznie przyspiesza rozwój produktu, a także obniża koszty. Oprogramowanie jest wystarczająco silne, by po wzięciu pod uwagę właściwości zastosowanych materiałów, obliczyć np. obciążenia, naprężenia, dynamikę płynów, aerodynamikę, warunki termiczne i wiele więcej.
Dąży się do tego, żeby naukowcy zamiast szukać substancji o pożądanych właściwościach dla określonej pracy, mogli zdefiniować potrzebne właściwości, a komputery żeby dostarczyły je z listy odpowiednich kandydatów. Sporządzona ma być lista podstawowych właściwości materiałów, jak: przewodność, twardość, elastyczność, zdolność do wchłaniania innych substancji chemicznych.
Inżynieria na poziomie molekularnym poprawia stare materiały i tworzy nowe. Wykorzystując unikalne fizyczne, chemiczne, mechaniczne i optyczne właściwości cząstek, można je wprowadzić do materiałów, uzyskując nowe o znacznie ulepszonych właściwościach.

Można to prześledzić na przykładzie baterii.

W zależności od składu elektrolitu i budowy elektrod możemy rozróżnić akumulatory: kwasowo-ołowiowe, NiCd, NiMH, Li-ion, Li-poly. Największy postęp i rozwój dokonuje się dla tych dwóch ostatnich.

Li-ion – akumulator litowo-jonowy, w którym jedna z elektrod jest wykonana z porowatego węgla, a druga z tlenków metali. Rolę elektrolitu pełnią złożone chemicznie sole litowe rozpuszczone w mieszaninie organicznych rozpuszczalników. Akumulator litowo-polimerowy z kolei stanowi odmianę akumulatorów Li-ion, w którym ciekły elektrolit jest zastąpiony stałym elektrolitem polimerowym. Naukowcy dążą do otrzymania takiego akumulatora, by miał jak największą pojemność, szybko się ładował, był lekki, miał dowolny kształt, i oczywiście co równie ważne, był jak najtańszy.
Jak drogi to materiał świadczy m.in. fakt, że akumulatory dla samochodu elektrycznego stanowią około 30% wartości całego pojazdu. Obecnie koszt 1 kWh waha się od 400 do 500$. Przewiduje się, że gdy cena za 1 kWh spadnie do poziomu 100$, pojazdy elektryczne staną się głównym nurtem przemysłu samochodowego.
Wciąż trwają prace nad technologiami, które pozwolą naładować akumulatory nie przez wiele godzin, ale w ciągu czasu liczonego w kilku-kilkudziesięciu minutach. Prototypy takich baterii są już dostępne.
Poprzez napylenie grafitu na powierzchnię anody, otrzymano baterię litowo-jonową, którą można doładować do 50% jej pełnej pojemności w czasie zaledwie pięciu minut (akumulator o pojemności 3.000 miliamperogodzin, czyli standardowa bateria dla smartfonów).
W drugim przykładzie szybko ładującej się baterii – wprowadzając do elektrod jony aluminium. Baterię taką można doładować do poziomu jej pełnej pojemności zaledwie w jedną minutę. Baterie, w których anoda zawiera aluminium, a katoda cząsteczki grafitu można doładowywać 7.500 razy (podczas gdy w przypadku baterii litowo-jonowych, można to robić około tysiąca razy). Niestety ze względu na małą pojemność nie nadają się nawet do instalowania w smartfonach.
W przypadku trzeciej technologii umożliwiającej szybkie ładowanie skorzystano z pirytu, minerału żelaza nazywanego nieraz złotem głupców, ponieważ barwą do złudzenia przypominania złoto. Wprowadzenie do elektrod pirytu w klasyczny sposób pozwala co prawda na szybkie ładowanie baterii, ale po wykonaniu kilku takich operacji nie nadaje się ona do dalszego użytku. Wykorzystano więc nanocząstki pirytu (FeS₂). Podczas ładowania baterii jony litu napotykają na swej drodze nanocząstki pirytu (ok. 4,5 nm); zachodzi wtedy reakcja, w wyniku której powstaje siarczek litu. Gdy bateria rozładowuje się, zachodzi odwrotny proces i w elektrodzie pojawiają się z powrotem cząsteczki FeS₂. Proces taki można powtarzać dowolną ilość razy, doładowując za każdym razem baterię w ciągu kilkudziesięciu sekund. Tajemnica tkwi w tym, że cząsteczki pirytu są tak małe iż jony litu mogą w nie swobodnie wniknąć i wytrącić z nich atom żelaza, tworząc w to miejsce siarczek litu. Zbudowana przez naukowców eksperymentalna bateria zawiera około 50 mln nanocząstek pirytu. Do uruchomienia produkcji droga jeszcze daleka, ale prowadzone badania pozwalają na lepsze zrozumienie procesów chemicznych, jakie zachodzą wewnątrz baterii litowo-jonowych podczas ich ładowania i rozładowywania. A to może skutkować odkryciem nowych zjawisk fizyko-chemicznych na poziomie nanocząstek, co pozwoli w przyszłości zbudować baterie kolejnej generacji o bardzo dużych pojemnościach, a które z kolei będzie można doładowywać w ciągu kilkudziesięciu sekund i powtarzać ten proces wiele tysięcy razy.
Za czwarty przykład posłużyć może bateria litowo-jonowa, w której zainstalowano elektrody poddane działaniu wodoru. Testy wykazały, że dzięki nowym elektrodom czas ładowania baterii można skrócić o około 40%. Naukowcy wykorzystali w bateriach elektrody wykonane z grafenu i odkryli, że po poddaniu ich działaniu wodoru stają się bardziej elastyczne i mogą produkować więcej elektryczności. Na powierzchni elektrod tworzą się wtedy niewielkie szczeliny, dzięki którym jony litu mogą się między nimi dużo łatwiej przemieszczać, co przekłada się na większą wydajność baterii. Wyniki prowadzonych prac dają nadzieję, że już niedługo będziemy mogli się cieszyć kolejnymi generacjami baterii instalowanych nie tylko w sprzęcie przenośnym, ale i w przemyśle motoryzacyjnym, czy też do magazynowania energii z odnawialnych źródeł.

Jednocześnie producenci znajdują się pod rosnącą presją, aby wziąć odpowiedzialność za cały cykl życia produktów. Wiąże się to z obowiązkiem rozważenia wszystkich skutków związanych z oddziaływaniem na środowisko i zdrowie, od wydobycia surowców do produkcji, dystrybucji, a ostatecznie, recyklingu lub utylizacji. Ponieważ materiały stają się coraz bardziej złożone, "zapanowanie" nad nimi staje się coraz trudniejsze.
Dostępne w sprzedaży produkty budowlane, których powierzchnie wzbogacono nanocząstkami dwutlenku tytanu, np. samoczyszczące szyby, czy elewacje, które zawierają dodatek aktywnych fotochemicznie nanocząstek dwutlenku tytanu (TiO₂) nie do końca są takie super.
Według badań przeprowadzonych przez brytyjskich naukowców z University of Cambridge, nanocząstki dwutlenku tytanu nie tylko skutecznie reagują z brudem na elewacjach czy szybach, niszcząc go i pozostawiając szyby zawsze czyste, ale równie dobrze reagują z zawartymi w powietrzu chemicznymi zanieczyszczeniami. Promieniowanie UV aktywuje nanocząstki dwutlenku tytanu, które w kontakcie z zawartym w powietrzu tlenkiem azotu (NO₂) inicjują reakcję przekształcenia NO₂ w kwas azotawy - azotowy (III), HNO₂ − w postaci gazu^[1]. Jak dowiodły badania, aktywowany TiO₂ nie tylko generuje kwas azotawy, ale również rodniki tlenowe, hydroksylowe oraz lotne organiczne zanieczyszczenia (VOC).


Z kolei nanocząstki ZnO i CuO (wykorzystane jako pigment w farbach) w środowisku morskim skutecznie zapobiegają porastaniu konstrukcji i mogą być z powodzeniem wykorzystane przy produkcji farb przeciwporostowych. Jednocześnie naukowcy odkryli, że nanomateriały stosowane jako składniki farb przeciwporostowych mają szkodliwy wpływ na embriony jeżowców, które pod wpływem nanocząstek stają się bardziej podatne na toksyny. To pierwsze badania sugerujące, że nanocząstki mogą działać jak substancje uwrażliwiające na niektóre związki chemiczne. Substancje te wykorzystuje się na przykład w leczeniu nowotworów, aby komórki rakowe były bardziej wrażliwe na środki podawane w ramach chemioterapii. Okazało się, że na komórki jeżowców analogicznie działają nanocynk i nanomiedź - blokują kanały, które normalnie służą do wypompowywania toksyn na zewnątrz.

Znane nam nanosrebro posiada efektywne właściwości bakteryjno-, wiruso- i grzybobójcze. Jego wykorzystanie wzrasta w zastosowaniach medycznych, kosmetycznych, produktach konsumenckich (AGD) i w przemyśle.
Efektywność nanosrebra jako środka biobójczego wobec patogenów chorobotwórczych jest dobrze udokumentowana, przez co jest ono używane w medycynie np. jako składnik bandaży i opatrunków. Kolejnym zastosowaniem jest jego użycie w systemach oczyszczania wody i powietrza, w kosmetykach, detergentach oraz w warstwach pokrywających zabawki i sprzęty gospodarstwa domowego. Według badaczy wykorzystanie "cudownego" materiału nabrało rozpędu między innymi w wyniku braku dowodów na możliwość pojawienia się opornych drobnoustrojów.
Możemy też znaleźć informację, że nadmierna ekspozycja powszechnie występujących bakterii na cząsteczki nanosrebra powoduje ich przystosowanie i rozwój. To może nieść daleko idące konsekwencje dla przyszłego wykorzystania srebra jako środka przeciwbakteryjnego. W jednym z eksperymentów zaobserwowano, że nanosrebro jest efektywne w tłumieniu E.coli, jednak jego obecność spowodowała nieoczekiwane pojawienie się, adaptację i szybki wzrost innego gatunku bakterii (Bacillus spp.). W badaniu zaobserwowano naturalne zdolności Bacillus spp. do ominięcia właściwości cytotoksycznych nanosrebra. Adaptacje obejmowały zarówno przeciwdziałanie drobnym zaburzeniom równowagi redox komórek, jak i śmiertelnym poziomom stymulacji ROS przez nanosrebro.
Z kolei według innych badań naukowych nanosrebro może penetrować skórę i powodować jej uszkodzenia. Samo srebro nie jest niebezpieczeństwem, ale nanosrebro może nim być. Srebro jako metal nie stanowi żadnego niebezpieczeństwa, ale jeśli rozbije się je do nanocząstek, przybierają one rozmiar tak mały, że mogą przebić ścianę komórki. Jeśli nanosrebro przejdzie do komórek ludzkich, może powodować w nich zmiany i prowadzi do uformowania się w nich szkodliwych wolnych rodników. Oprócz tego można zauważyć, że pojawiają się zmiany w kształcie i ilości białek. Badacze podkreślają, że tworzenie się znaczącej ilości wolnych rodników w ciele jest połączone z poważnymi chorobami, takimi jak choroba Alzheimera i choroba Parkinsona.


Dyskusja na temat nanotechnologii cały czas trwa. Nanocząstki, nanowarstwy i nanomateriały opanowały już niemal cały przemysł. Naukowcy twierdzą, że nie wiedzą, jakie długofalowe skutki stosowania materiałów wersji nano będziemy ponosili. Wciąż stosunkowo niewiele wiadomo o ich wpływie na nasze zdrowie czy środowisko naturalne, zwłaszcza przy stosowaniu w większych stężeniach.
Nie zmienia to faktu, że każde odkrycie początkowo wydawało się niebezpieczne, nieznane i niosące niechciane skutki dla ludzkości. Wiele wynalazków było wyśmiewanych; na widok odkrywców-naukowców pukano się w głowę. Jednak doszliśmy już do takiego etapu rozwoju nauki, że nie możemy sobie pozwolić na zaniechanie, na brak poszukiwań nowych rozwiązań. A gdy przyjdzie nam pomyśleć, że np. nanotechnologia nie jest do końca bezpieczna, może niepotrzebna i nie wiadomo, w jakim kierunku nas zaprowadzi, spójrzmy na otaczające nas w te szare zimowe dni oświetlenie i pomyślmy o pierwszej żarówce, która paliła się tylko 8 minut. Kto wie, co będą mówić o dzisiejszych odkryciach ludzie żyjący dajmy na to za 200 lat.

^[1] Kwas azotowy(III) ma bardzo negatywny wpływ na organizm i może prowadzić do mutacji DNA.