W polszczyźnie funkcjonuje powiedzenie, że „nie wszystko złoto, co się świeci”. Jest ono jednak nieco mylące: złoto nie tyle świeci, co odbija światło. Materiały, które je emitują, rzadko kiedy połyskiem dorównują metalom szlachetnym, co nie znaczy, że są mniej cenne – o czym może przekonać się każdy z nas, kiedy wieczorem zapala światło w mieszkaniu.
Reklama
I chociaż czasy tradycyjnych żarówek minęły i jesteśmy w trakcie przesiadki na oświetlenie LED-owe, naukowcy nie ustają w poszukiwaniu innych, świecących materiałów. Zwłaszcza jeśli – jak to się profesjonalnie mówi – właściwość luminescencji idzie w parze z innymi zaletami, np. dużą wytrzymałością. – Z tego względu zainteresowaniem naukowców od jakiegoś czasu cieszą się luminescencyjne materiały ceramiczne – tłumaczy dr inż. Annamaria Naughton-Duszova z Sieci Badawczej Łukasiewicz – Krakowskiego Instytutu Technologicznego, która opracowała pierwszy na świecie takowy materiał oparty na dwuborku cyrkonu.

Czy będzie świecił?

Materiały ceramiczne są już wszędzie. Oprócz ostrzy kuchennych noży używa się ich tam, gdzie wymagana jest odporność na ekstremalne warunki. Przykład pierwszy z brzegu: dolna część amerykańskich promów kosmicznych była wyłożona płytkami ceramicznymi, co zapewniało pojazdowi ochronę przed ciepłem wytwarzanym przez opór atmosfery podczas powrotów na Ziemię (mowa o temperaturach rzędu 1,6 tys. stopni Celsjusza). Niestety ubytki w ceramicznej powłoce doprowadziły w 2003 r. do katastrofy Columbii, a w efekcie do zamknięcia programu wahadłowców.
Dwuborek cyrkonu to materiał o tyle nietypowy, że oprócz wytrzymałości mechanicznej, wysokiej temperatury topnienia (ponad 3,2 tys. stopni) i niezłego przewodnictwa jest również dość lekki. Nic więc dziwnego, że jest brany pod uwagę jako materiał, którym można byłoby np. powlekać powierzchnię samolotów poruszających się z prędkościami wielokrotnie większymi od prędkości dźwięku (hipersonicznymi).
Nauka nie działa jednak w ten sposób, że po otrzymaniu jakiegoś obiecującego materiału naukowcy dochodzą do wniosku, że ten jest wystarczająco dobry i przestają pracować nad jeszcze lepszymi. Gdyby faktycznie to tak wyglądało, to postęp w ceramice zatrzymałby się pewnie w epoce paleolitu, kiedy ludzie zaczęli wypiekać pierwsze naczynia ceramiczne. – I dlatego na jednej z konferencji podczas rozmowy z kolegą zrodził się pomysł: a może dodalibyśmy do dwuborku cyrkonu związek, który ma właściwości luminescencyjne, i zobaczyli, co się stanie? – wspomina dr Naughton-Duszova.

Udało się!

Mieszanie ze sobą różnych związków, chociaż brzmi prosto, z naukowego punktu widzenia wcale takie proste nie jest. Przede wszystkim dlatego, że mieszanina może okazać się wymianą siekierki na kijek – a więc otrzymany materiał będzie posiadał nową właściwość, ale kosztem innych, które jego składniki posiadały na wejściu. Co więcej, samo zmuszanie różnych materiałów do mieszania się jest właściwie osobną dziedziną wiedzy. Kto nie wierzy, niech spróbuje zmieszać olej z wodą. To możliwe, lecz wymaga sięgnięcia po parę chemicznych trików.
Nie inaczej jest w przypadku materiałów ceramicznych – tu mieszamy ze sobą dwa proszki starte na możliwie najmniejsze ziarna. Osobną kwestią jest takie dozowanie dodatków, aby nie utracić pierwotnych właściwości (w tym wypadku dozowane były tlenek glinu oraz jony chromu i neodymu). Jak mówi badaczka z krakowskiego instytutu, prace nad końcowym materiałem zajęły osiem miesięcy.
W efekcie powstał dwuborek cyrkonu, który po przekroczeniu temperatury 1,2 tys. stopni Celsjusza zaczyna świecić. Jak tłumaczy dr Naughton-Duszova, może on znaleźć w związku z tą unikatową właściwością zastosowanie m.in. jako materiał wyściełający wnętrza dysz silników rakietowych, pokrycie dziobów samolotów (punktów narażonych na nagrzewanie się w wyniku tarcia od atmosfery), a także materiał do konstrukcji paneli fotowoltaicznych.
– Ponieważ barwa emitowanego światła zależy od temperatury, w pewnym sensie nasz materiał działa jak termometr. A ponieważ światło jest emitowane od pewnej temperatury, to może również działać jako system wczesnego ostrzegania przed przegrzaniem lub wystąpieniem uszkodzeń mechanicznych – wyjaśnia dr Naughton-Duszova.
Mamy już słynną ceramikę z Bolesławca. Teraz możemy mieć świecącą ceramikę z Krakowa. ©℗
Eureka! DGP

Dobiega końca ósma edycja konkursu „Eureka! DGP – odkrywamy polskie wynalazki”, do którego zaprosiliśmy polskie uczelnie, instytuty badawcze, jednostki naukowe PAN oraz instytuty działające w ramach Sieci Badawczej Łukasiewicz. Od 29 stycznia w Magazynie DGP opisywaliśmy wynalazki nominowane przez naszą redakcję do nagrody głównej. Rozstrzygnięcie konkursu nastąpi podczas gali finałowej online: transmisja odbędzie się 24 czerwca 2021 r. o godz. 11.00 na www.facebook.com/gazetaprawna.pl oraz www.dziennik.pl i eureka.dziennik.pl. Podsumowanie tegorocznego cyklu ukaże się w Magazynie DGP 25 czerwca. Główną nagrodą jest 30 tys. zł dla zespołu, który pracował nad zwycięskim wynalazkiem, ufundowane przez Mecenasa Polskiej Nauki – firmę Polpharma, oraz kampania promocyjna dla uczelni lub instytutu o wartości 50 tys. zł w mediach INFOR PL (wydawcy Dziennika Gazety Prawnej), ufundowana przez organizatora.