A mai ismereteink az anyagokról évezredek során gyűlt össze, a kő-, bronz- és a vaskorszakon keresztül. Jelentős előrehaladás volt az ókori Egyiptomban, itt kezdődött el a fémekkel, üveggel, bőrcserzéssel stb. kapcsolatos tapasztalatok gyűjtése és alkalmazása. A görögök és egyes keleti népek tapasztalatai indították el az anyagi világ mélyebb megismerésére irányuló érdeklődést. A vaskorszakot a XX. században a szintetikus anyagok kora követte. Az 1960-as évekig ezek a szerteágazó ismeretek a különböző műszaki tudományok körébe tartoztak (metallográfia, metallurgia, üvegtechnika stb.). Az alaptudományok (fizika, kémia, biológia) rohamos fejlődése tette lehetővé az összetett anyagtudomány kialakulását. Az anyagtudomány létrejöttét a hadiipar és az űrtechnika által támasztott szigorú követelmények kényszeríttették ki, különleges anyagok előállítására Amerikában. A követelmények teljesítése egyre nagyobb feladatok elé állította a szerkezetkutatást. Amerikában az első anyagtudományi laboratóriumot 1957-ben készítették el. Európában, a hetvenes években alakultak anyagtudományi intézetek és tanszékek. Nálunk 1993-ban indult anyagmérnöki képzés. A különböző anyagokat tekintve megkülönböztetünk szerkezeti és funkcionális anyagokat. A szerkezeti anyagoknál elsősorban a mechanikai tulajdonságok (szilárdság, kopásállóság stb.) dominálnak, de fontos a hőállóság is, néha követelmény a biokompatibilitás. A funkcionális anyagok lehetnek egyszerű és komplex szerkezetűek. Az egyszerű funkcionális anyagoknál, valamilyen fizikai, kémiai, biológiai tulajdonságot használnak ki: optikai, elektromos, mágneses, alakra emlékező stb. Komplex szerkezetű anyagokat technológiai műveletek sorával állítanak elő: optikai, elektromos, mágneses, mechanikai, gravitációs stb. érzékelés és beavatkozás céljára. Újabban intelligens anyagok kutatása a főirány. Intelligens anyagoknak nevezzük azokat a funkcionális anyagokat, amelyek érzékelik környezetük fizikai, vagy kémiai állapotának egy vagy több jellemzőjét, e jeleket feldolgozzák, és állapotuk megváltoztatásával adnak gyors választ.

A szerkezet fontosságát néhány egyszerű példával kívánom megvilágítani. Csuklósan kössünk össze 3 pálcikát háromszöggé, próbáljuk a háromszöget eltorzítani, ez nem sikerül, csak a pálcikák eltörésével. Hasonló módon 4 pálcikát kössünk össze csuklósan négyszöggé, húzzuk meg vagy nyomjuk össze a két szemben lévő csúcsát, alig kell hozzá erő és egészen más alakú négyszöget kapunk. Ha a négyszög két szemben levő csúcsát pálcikával csuklósan összekötjük, megint olyan alakzathoz jutunk, melynek megváltoztatásához nagy erő kell (a négyszög két háromszögből áll). Figyeljük meg a hídszerkezeteket, háromszögekből vannak felépítve! Vegyünk a kezünkbe egy ív papírt, könnyedén hajlik minden irányba. Tekerjük fel a papírt egy rúdra (elég két-három menet és ragasszuk össze, hogy ne bomoljon szét), sugár irányba kis erő hatására belapul, az erőhatás megszűntével visszanyeri a henger alakját. Tengely irányba már lényegesen nagyobb erőre van szükség, az erőt tovább növelve elhajlik a papírhenger. Ha van egy fémrúdunk (2-4 cm átmérő) és rá illeszkedő fémcsövünk, akkor készíthetünk papírrúgót. A fémrúdra rátekerjük az ívpapírt, megragasztjuk, és a csövet rátesszük a fémrúdra, jó nagy erővel összenyomjuk a papírhengert. A papír harmonikaszerűen összenyomódik, levesszük a rúdról, és az kirúg. A papírrúgó tetszőleges irányba elhajlítható vagy összenyomható, az erőhatás megszűnése után visszaáll az eredeti állapot. Úgy viselkedik, mint egy rúgó.

Még egy példa az atomok világából. A szénnek korábban három formáját ismertük: ásványi szén, ami növényekből keletkezett az évmilliók során, a grafit kristályos szerkezetű, lágy ezt alkalmazzák a ceruzákban, olyan puha, hogy a sima papíron is nyomot hagy, a gyémánt kristályszerkezete más, mint a grafité, az atomok közötti kötés sokkal erősebb. A gyémánt a legkeményebb természetes anyagunk. A gyémánt és a grafit elektromos tulajdonsága is különböző. A szén újabb módosulata a szén nanocső, (lásd: "Új tudomány születik IV. rész" Szentiváni Tükör 2004. szeptember) a legkeményebb és legszilárdabb anyag, 1991-ben fedezték fel. Ez a szilárdság annak köszönhető, hogy a nanocsövekben a szénatomok közötti távolság kisebb, mint a gyémántban. Az anyagok szilárdság-sűrűség arányát tekintve (bronz, öntöttvas, acél, kompozit anyagok, szénszálak, polimerek), igen nagyok az eltérések. Nézzünk néhány példát a saját súlyuk alatt elszakadó sodronyok hosszára: acél 35 km, üveg 80 km, poliészter 85 km, szénszál 195 km, orientált polietilén 280 km.

Fontos gazdasági kérdés, hogy a hőerőgépeink (gőzgépek, gőzturbinák, robbanómotorok) milyen hatásfokkal működnek. A hőerőgépek hatásfoka annál jobb, minél magasabb hőmérsékleten működnek, ehhez olyan anyagok kellenek, amelyek magas hőmérsékleten, tartósan megőrzik a kívánt mechanikai tulajdonságaikat. A legjobb fémötvözetek 1100 Celsius fokon, a korszerű kerámiák 1400 Celsius fokon is üzemeltethetők, közben a tulajdonságaik lényegében nem változnak. Vizsgáljuk meg három hőerőgép elméleti hatásfokát: gőzgép 1920-ban 25 %, léghűtéses repülőgépmotor 1940-ben 60 %, gázturbinás sugárhajtómű 1980-ban 80 %. A tapasztalatok és az elméleti megfontolások azt igazolják, hogy az anyagok tulajdonságai és használata közben mutatott viselkedése az anyag összetételétől (atomok, molekulák) és szerkezetétől függ.

Az anyagtudomány létrejöttéhez jelentősen hozzájárult a félvezetőfizika, az elektronika és az informatika, ezek nélkül fejlett hadi technika és űrtechnika nem is létezne. Nem lehetne megvalósítani az űrhajók irányítását, és fogadni a rengeteg mérési adatot. A félvezetők elektromos vezetőképessége a szigetelők, és vezetők között van. A vezetők (fémek) elektromos ellenállása a hőmérséklet emelkedésével növekszik, míg a félvezetőké csökken. A félvezetők tulajdonságait kvantumfizikai alapon lehet tárgyalni. A félvezetőfizika és az elektronika fejlődése a tranzisztor felfedezésével (1948 Bell laboratórium három kutatója: J. Bardeen, W.H. Brattain és W. Shockly fizikusok) jelentősen felgyorsult. Kezdetben a tranzisztorok germániumból, később szilíciumból készültek. Az első integrált áramkörök 1958-ban, néhány tranzisztor kis félvezető-lapkára helyezésével valósultak meg. Később a mikroprocesszor megjelenése igazi forradalmat vitt az elektronikába. Az első mikroprocesszort az Intel cég (amely ma is a világ vezető cége a mikroprocesszorok gyártásában és fejlesztésében) 1971-ben jelentette meg a piacon. A mikroprocesszor szóhosszúsága 4 bit volt, a lapkán lévő tranzisztorok száma valamivel meghaladta a négyezret. A mikroprocesszor olyan siker lett az elektronikában, hogy a nagy üzlet reményében közel 100 cég kezdett a világon foglalkozni különböző architektúrájú mikroprocesszorok gyártásával. Mára ezen a piacon már csak néhány világcég maradt (Intel, AMD, Motorola, Texas). Az újabb mikroprocesszorok egy szilícium lapkán 50 milliónál több tranzisztort tartalmaznak. (Egymillió másodperc 12 nap alatt telik el, 50 millió másodperc közel 600 nap alatt.) Ebből látható, hogy egy új mikroprocesszor kifejlesztése óriási feladat, dollárban számolva milliárdos nagyságú. A mikroprocesszorokkal lehetővé vált a mikroszámítógépek, majd az olcsó és nagy teljesítményű személyi számítógépek gyártása, ezzel a számítógépek bekerültek az otthonunkba is. A mikroelektronika az informatikával együtt mindenütt jelen van, a szórakoztató elektronikától a különböző orvosi berendezéseken át az űrtechnikáig. Félvezetőanyagokból készülnek a napelemek (Szentiváni Tükör 2005. július augusztus), fényérzékelők (infrafény is), a digitális fényképezőgépek fényt elektromosjellé átalakító eleme, félvezetőlézerek, és még sokáig lehetne sorolni.

Az üveg történetét pontosan nem ismerjük, de Mezopotámiában és Egyiptomban már kb. ötezer éve ismerték, persze nem a mai jól átlátszó ablaküveg formájában. A XII. században a templomok építésével fellendült az üveggyártás Európában is. A XX. század közepéig az üvegek fényáteresztő képessége nem sokat javult, ez a tulajdonság az üveg tisztaságával és a szerkezetével kapcsolatos. A nagymennyiségű információ továbbításának igénye 1960-ban elindította a kis fénycsillapítású üvegszálak kutatását. Ma már számos helyen valósítottak meg vékony üvegszálakkal információátvitelt. Mára óriási fejlődést értek el, iparszerűen állandó minőségben állítják elő az üvegszálakat információ átvitel céljára. A fényvezető üvegszálak előnyei a rézvezetőkkel szemben: a nagyon kis csillapítás miatt 100 km távolságot lehet áthidalni erősítő közbeiktatása nélkül, ez rézkábelnél néhány kilométer. Igen nagy a sávszélesség, több GHz, míg rézkábelnél néhányszor tíz MHz. Az üvegszál rugalmas, vékony és kicsi a súlya. Nem hatnak rá az elektromos és mágneses zavarok. Hátránya: nagyobb hajlítás esetén az üvegszál eltörik, és még drága a technológia. Fókuszváltó szemüveg: az öregedő szem kevésbé képes alkalmazkodásra, ezért sok embernek más szemüvegre van szüksége az utcára, másra olvasáshoz. A szemüvegek cseréje elég kényelmetlen. A bifokális szemüveg sem az igazi, nem mindenki tudja megszokni. A megoldás: két üvegréteg közé olyan folyadékkristályt zárnak, amely elektromos tér hatására változtatja a törésmutatóját. A szemüveg teljes felülete feszültség rákapcsolása nélkül utcai viseletre lesz alkalmas, feszültség bekapcsolásával lesz olvasószemüveg. Ezzel a beállítással akkor sincs gond, ha kocsivezetés közben merül le az elem. "Okos ablaküveg": a kutatók olyan ablaküveget fejlesztettek ki, ami alacsony hőmérsékleten átereszti a napfénynek a látható és az infravörös komponensét, 29 Celsius fok felett az infravörös fényt visszaveri. Így éppen akkor védi a szobát vagy az autót a napfénytől, amikor kell.

Saufert János

A mai technika, ami életünket kényelmessé teszi, műanyagok nélkül elképzelhetetlen, az elektrotechnika szigetelőanyagai, az elektronika és a távközlés számos kulcsfontosságú alkatrészei készülnek különböző műanyagból. A közművek korszerűsítésében is műanyagokat alkalmaznak, csak néhány példa: víz- gáz- és csatornacsövek. Ma már szinte bármilyen méretű és alakú tárgyat el lehet készíteni műanyagokból, a korábban használt anyagoknál olcsóbban. Erre jó példa az autóipar, a gyártók és a felhasználók célja, hogy az üzemanyag-fogyasztás minél kisebb legyen, ennek egyik módja az autók tömegének jelentős csökkentése. Az új anyagok a korábbi szerkezeti anyagokat fokozatosan felváltják, ebből eredő haszon: előnyös ár/fajlagos tömeg hányados, a jó mechanikai tulajdonságok és a korrózióállóság. Az EU célul tűzte ki, hogy 2005-től a középkategóriában már csak olyan autókat gyártanak nagy sorozatban, melyek100 kilométeren 5 liter üzemanyagnál nem fogyasztanak többet. Ez csak a polimerek és kompozitjaik további alkalmazásával érhető el. A polimereket egyre nagyobb mennyiségben használjuk a mindennapi életben, de gyorsan bővülnek a speciális alkalmazásaik is. Jelentősek lettek a gyógyászati és a környezetvédelmi felhasználásai.

Mielőtt továbbmegyünk, vázlatosan tekintsük át a műanyagok történetét, és pontosítsuk a fogalmakat. Az első műanyagot 1862-ben Alexander Parks angol kémikus készítette nitrocellulózból, ez kemény elefántcsontszerű anyag. 1897-ben W. Krische gyáros sovány túróból készített műszarut. 1909-ben L. Hendrik Backeland előállította a bakelitot. A PVC-t két német kémikus -Klatte és Zacharias- szabadalmaztatta 1912-ben. A Bayer cég 1929-ben előállította az első szintetikus poliésztergyantát. Ottó Bayer német kémikus 1936-ban kifejlesztette az első poliuretánt. A német Bayer vegyi konszern 1967-ben a hannoveri ipari vásáron kiállította az első műanyag-karosszériájú autót. Először 1983-ban használtak fel több műanyagot, mint vasat, 125 millió köbméter vasat gyártottak a világon és valamivel több műanyagot.

A műanyagokra jellemző, hogy óriás molekulák alkotják. A műanyagokat több szempont szerint csoportosíthatjuk, tekintsük csak a legfontosabbakat. 1. A kiindulási anyaguk lehet természetes, vagy szintetikus. 2. Feldolgozás szerint feloszthatók hőre lágyuló és hőre keményedő műanyagokra. 3. Szerkezetük alapján lehetnek műszálak vagy térhálós műanyagok. Természetes alapú műanyagokat a természetben előforduló nagy molekulájú (pl. cellulóz, fehérje) anyagok kémiai átalakításával állítják elő. A szintetikus műanyagok: polimerizációs műanyagok és polikondezációs műszálak. A polimerizáció olyan kémiai folyamat, melyben sok azonos telítetlen molekula óriás molekulává egyesül, úgy hogy melléktermék nem keletkezik. Telítetett szénvegyület molekuláiban a szénatomok egymáshoz csak egy vegyértékkel kapcsolódnak. A telítetlen szénvegyület molekuláiban a szénatomok között előfordulnak két vagy három vegyértékű kapcsolódások. A polikondenzáció óriásmolekulájú anyagok előállítása több kiinduló vegyület molekuláiból kis molekulájú melléktermékek keletkezésével.

A polimerek nem természetidegen szerkezeti anyagok. A fa, a bőr, a természetes gumi, a biomassza mind polimer. A polimerek kémiája létrehozott egy új, mesterséges anyagcsaládot, melyek évi felhasználási mennyisége 200 millió tonna, ami már kétszerese térfogatban a világ acél felhasználásának. A polimerek kovalens kémiai kötéssel összekötött ismétlődő molekulákból felépített makromolekulák. Az élő természet ugyanígy építi fel a makromolekuláit, monoszacharidokból a cellulózt, az aminosavakból a fehérjét stb. Évenként megújuló természetes polimerek adják a nyersanyagot számos mesterséges polimer gyártásához, ezek felhasználói: a fa-, papír-, bútor-, a textil- és bőripar. A mesterséges polimerek nagyobb hányadát ma még kőolaj alapanyagból gyártják, ezek között számos olyan polimer anyag van, amilyet a természet nem hozott létre. A műanyagipar a kitermelt kőolajnak kevesebb, mint egy tizedét fogyasztja el, a többit energiatermelésre, közlekedésre, lakások fűtésére stb. fordítják, tehát elfüstölik. Autók és egyéb járművek súlyának csökkentésével a műanyagipar gyakorlatilag már megtakarította az általa felhasznált kőolaj mennyiséget. A kémia fejlődésével, fogyó kőolajkészletek esetén is remény van arra, hogy a mainál környezetkímélőbb polimereket állítsanak elő a szükséges mennyiségben, megújuló természetes polimerekből (pl. biomasszából). Keményítőből már ma is tudnak készíteni olyan tárgyakat (táskákat), amelyek teljesen lebomlanak, nem hagynak hátra veszélyes hulladékot, csak ezek még sokkal drágábbak, mint a kőolajból készült polimerek. A szintetikus polimerekkel szemben az a vád, hogy nem bomlik el, és ez felelős a veszélyes környezetszennyezésért. A törött üvegek és a betontörmelékek sem igazán környezetbarátok. Sokan állítják, hogy a műanyag összeférhetetlen a természettel. Megjegyzem, hogy műanyagokat sem lehet előállítani a természettörvényei ellenére. A növények idővel elkorhadnak, mert nem elég stabilak. A szintetikus polimerek annyira stabilak az UV fénnyel, hővel, nedvességgel és egyéb korrózióval szemben, amilyen mértékben stabillá teszik, ez a követelményektől függ. A rozsdamentes acél, alumínium, üveg sem bomlik el a földben. Ma már több ezer szintetikus polimert kínálnak: a feldolgozási eljárásnak (sajtolás, fröccsöntés, hengerlés, mélyhúzás, stb.) megfelelő és a felhasználási követelményeket is kielégítő anyagok közül válogathatunk. A földbe fektetett PVC csövektől különbözik a tűző napsugárnak ellenálló műanyag ablakkeret, mindkettő legalább 50 évig tartós marad.

Az "intelligens" anyagok megjelenését az anyagtudomány igen gyors fejlődése tette lehetővé. A kémiai szerkezet és a tulajdonságok közötti kapcsolat ismerete már lehetővé teszi, hogy adott célra tervezzenek műanyagokat. Speciális fémötvözetek, kerámiák, műanyagok és ezek kombinációi alkotják a szerkezeti anyagainkat. A felhasználói igények kényszeríttették ki a funkcionális anyagok kutatását, ezek eredményeként jöttek létre a második generációs anyagok. Itt már a fő cél nem a legelőnyösebb mechanikai tulajdonságok elérése, hanem a különböző anyagokat jellemző fizikai tulajdonságok összekapcsolása egyetlen anyagi rendszerbe. Intelligens anyagoknak nevezzük azokat a funkcionális anyagokat, amelyek érzékelik környezetük állapotának egy vagy több jellemzőjét, ezekre saját állapotuk megváltoztatásával válaszolnak. Az érzékelő funkció leggyakrabban a szóban forgó anyag és környezete közötti dinamikus egyensúly következtében valósulhat meg. A környezet megváltozása szükségszerűen az egyensúlyi állapot megváltozását idézi elő. Az új állapotban pedig, az anyag tulajdonságai megváltoznak. Erre példa az I. részben említett fototróp üveg, amit 1967-ben, az USA-ban fejlesztettek ki. Ha ezt az üveget erősebb látható fénnyel sugározzák be, akkor a fényáteresztő képessége jelentősen csökken, gyengébb fénnyel megvilágítva a fényáteresztő képessége jobb lesz. Az ilyen üveg olyan szemüvegek készítésére alkalmas, amelyek fényáteresztő képessége a fény erősségétől függ. Vannak olyan folyadékok, amelyek viszkozitása (folyékonysága, az alakváltoztató erővel szembeni belső súrlódás) elektromos vagy mágneses térrel széles tartományban változtatható: a kis viszkozitású folyadéktól közel szilárd gél állapotig. E folyadékok, folyékonyból közel szilárd állapotba való változása és fordítva, gyorsan végbemegy. Az ilyen anyagok olyan erőátviteli rendszerek kifejlesztését teszik lehetővé, amelyek jelentősen különböznek a hagyományos súrlódáson alapuló tárcsás erőátviteltől, nem tartalmaznak kopásnak kitett alkatrészeket. Az erőátvitel nagysága és időtartama elektronikával szabályozható.

A kerámiákat rideg, törékeny anyagokként ismerjük, az utóbbi két évtizedben e téren is jelentős javulások történtek. Megjelentek a mechanikai hatásoknak ellenálló, szívós kerámiák. Ezek általában kemények, kopásállóak, mechanikai szilárdságuk nagy, elviselik a magas hőmérsékletet. Többnyire jó elektromos és hőszigetelők, néhányuk jó elektromos szigetelő tulajdonsága ellenére, elég jól vezetik a hőt. Vannak közöttük szupravezetők, félvezetők, ferromágneses és piezoelektromos tulajdonságú kerámiák is.

Az anyagtudomány eredményeit még hosszan lehetne sorolni, de talán ennyi elég. Az eddigiekből két tanulságot jegyezzünk meg: az egyik, hogy több tudomány összefogása szinte csodákra képes, a másik, hogy hosszútávon legjobb befektetés az oktatás, a kutatás és a fejlesztés. Akiket a téma bővebben érdekel, a Google keresőben kérdezzenek rá az anyagtudomány szóra, vagy az angol megfelelőjére: "materials science", ahol rengeteg cikket találnak.

Saufert János