Powszechne mity o materiałach na codzień i od święta

Jako inżynier materiałowy muszę zauważyć,że niestety w potocznym życiu ludzie generalnie mało orientują się jeśli chodzi o proste drobiazgi związane z materiałami obecnymi i wykorzystywanymi codziennie. Dzisiaj więc kilka uwag, na temat powszechnych błędnych wyobrażeń i mitów:

  • Na stronie geekweek ukazała się kolejna „lista 10 najdroższych materiałów”. Powiedzmy szczerze, jak zwykle (widziałem sporo takich list) lista ta jest co najmniej tendencyjna, bowiem nie ma na niej choćby nanorurek węglowych, które wciąż są dość drogie. Owszem, niektóre rodzaje nanorurek bywają już tańsze niż złoto, ale…
  • Są osoby, którym wydaje się,że naczynia żaroodporne mogą być położone na bezpośrednim ogniu kuchenki gazowej. Bo skoro „odporne”… No niestety, osobą taką była niestety ostatnio i moja matka. Efekt był łatwy do przewidzenia – naczynie jednak pękło. Przypominam zatem osobom, które tego nie wiedzą – szklane „naczynia żaroodporne” mają podwyższoną odporność na wysokie temperatury, lecz wciąż mogą popękać, jeśli temperatury są zbyt wysokie. To samo tyczy się też „nietłukących” naczyń i szklanek. Można je potłuc, trzeba się tylko „bardziej postarać”. Warto o tym pamiętać.
  • Niektórzy mówią, że metale takie jak aluminium są odporne na korozję. Czyżby ? Tu też odpowiednio „starając się” można spowodować problem. Aluminium jest owszem odporne na korozję w środowiskach przemysłowych,ale np w ziemi (mogącej mieć nieodpowiednie PH) czy stykając się z większością metali (korozja elektrochemiczna) ,narażając je na styczność z chlorkami itd – i aluminium może skorodować. Inne metale też. Nie ma metali odpornych na korozję w każdych warunkach.
  • Właśnie przez korozję elektrochemiczną, przynajmniej w starszych komputerach nie było wskazane, by łączyć bezpośrednio elementy o stykach złotych i miedzianych. Czy obecnie wciąż takie rzeczy się robi ? Nie wiem na pewno jak w elektronice
  • Nie wszystkie materiały biodegradowalne lub kompostowalne są ok. Niektóre starsze torebki foliowe określane jako „biodegradowalne” zawierały dużo toksycznych metali ciężkich. Torebki te jednak zostały zakazane przez Europejską dyrektywę 94/62 Art 11 dotyczącą odpadów opakowaniowych,więc raczej ich nie spotkamy.
  • Istnieje ponad 3500 rodzajów stali i setki tysięcy materiałów.Większość z nich powstała w obecnym dwudziestoleciu. Co roku powstaje co najmniej kilka tysięcy nowych materiałów. Ale „spokojnie”. Tylko nieliczne znajdą szerokie zastosowanie komercyjne.
  • Rtęć jest metalem (co prawda przejsciowym,ale jednak). Możliwe jest też uzyskanie stopów metali,które topią się w temperaturach spotykanych w codziennym życiu.
  • Lutowanie cyną ma poważną wadę w warunkach polarnych – zajście przemiany alotropowej w niskich temperaturach w fazę alfa,zwane zarazą cynową [Anglojęzyczna wikipedia]. Mogło to mieć tragiczne konsekwencje dla wyprawy polarnej Scotta i Wyprawy Napoleona na Rosję. Teoretycznie przemiana ta zachodzi już poniżej temperatury 13,2 oC, jednak jest szczególnym problemem w temperaturach poniżej zera.
  • Nowa „elektronika bezołowiowa” jest mniej mniej trwała,ze względu na powstawanie tzw. wąsów cynowych (ang. whiskers) [Wikipedia] [Artykuł] – jest to jedna z przyczyn, dla których współczesna elektronika psuje się szybciej.

Coś dłuższego ? Może przed nowym rokiem zdążę.Miłego świętowania.

Ku regeneracji v. 2.0 – materiały samoleczące i regeneracja jako funkcja rekonfigurowalnej elektroniki.

Wbrew tytułowi,tak naprawdę,jeśli chodzi o regenerację nie osiągnięto jeszcze tak wiele by dogonić naturę,tym bardziej zaś – wyprzedzić ją. Mimo to sprawa jest ciekawa.

W najnowszej wersji gry Starcraft 2 (Wings of Liberty), oprócz zdolnej do regeneracji rasy zergów również w rasie ludzi potencjalnie dostępna jest „technologia regenerującego się pancerza”. Nie wiem,czy w tej grze ma to jakieś szczególne znaczenie – w rzeczywistości jednak, miałoby na pewno. Popatrzmy bowiem ogólnie:

Siłą ludzi i zwierząt w porównaniu z robotami przy wykonywaniu prac fizycznych, jest zdolność do przystosowania – ale też, do częściowej regeneracji obrażeń. Skóra ulega regeneracji,a po drobniejszych zranieniach i otarciach po jakimś czasie nie pozostaje nawet ślad. Funkcje uszkodzonych tkanek przejmują inne. Naprawdę, trochę trzeba,by uszkodzenie żywego organizmu – człowieka czy zwierzęcia było naprawdę trwałe.Tymczasem uszkodzone maszyny i materiały zwykle pozostaną uszkodzone nawet w drobny sposób,a uszkodzenia te będą się kumulować. Co to oznacza ? Oczywiście: koszty,czas poświęcony na naprawy,konieczność ingerencji technika. mechanika, czy innego specjalisty i zakupu części zamiennej, lub wręcz konieczność zakupu nowego produktu…

Co z tym można zrobić ?

Generalnie rozwiązania są trzy:

  • „Płakać i płacić” – ponosić koszty występującego problemu i napraw usterek.
  • Znaleźć sposób,by część materiału czy systemu przejęła funkcję uszkodzonej,lub chociaż zachowywała się stosownie do uszkodzenia.
  • Znaleźć sposób,by część materiału czy systemu naprawiła się sama.

Rozwiązanie pierwsze,szczególnie gdy niezawodność przegrywa z ceną,czy też może być z natury ograniczona było stosowane do tej pory najczęściej. Pozostałe rozwiązania wyglądają na skomplikowane w praktyce. Nie oznacza to jednak,że przynajmniej częściowo nie mogą zostać zrealizowane.Jest to wyjątkowo ważne,ponieważ własność samoleczenia/samonaprawy może znacząco zwiększyć niezawodność materiałów i wydłużyć czas funkcjonowania niektórych urządzeń.To naprawdę jest możliwe !

Istnieje wiele (często współdziałających) rozwiązań składających się na te rozwiązania – a tym samym na mniej,lub bardziej zaawansowane systemy samoleczące.Są to:

  • Nadmiarowość
  • Modułowość
  • Samoorganizacja
  • Hierarchiczna struktura
  • Możliwość transportu w strukturze różnych jej elementów
  • Specyficzne elementy naprawcze

Przykładem częściowej realizacji stosunkowo prymitywnego sposobu, na pewnego rodzaju przejęcie funkcji uszkodzonego systemu, czy nawet regenerację w samolotach F15, była nadmiarowość elementów elektronicznych, połączona z modelowaniem lotu, w celu wykrycia rozbieżności z modelem sprawnego samolotu. Z czasem założono,że więcej osiągnąć można poprzez zastosowanie sieci neuronowych .Więcej o tych badaniach można poczytać w dokumencie „The story of Self-Repairing Flight Control Systems” dostępnym na stronie NASA

Współcześnie przy coraz krótszym czasie rekonfiguracji możliwe byłoby również (być może) w niektórych wypadkach skorzystanie z rekonfigurowalnych układów FPGA [Wikipedia: PL, ANG ]

Rekonfigurowalna elektronika, nie jest może w pełni porównywalna z najnowszymi dedykowanymi układami ASIC czołowych producentów,ale ma duży potencjał jeśli chodzi o elektroniczne systemy w których funkcję uszkodzonego układu przejmują po przeprogramowaniu inne. W niektórych (szczególnie tych bardzo zaawansowanych przypadkach) bardzo istotną kwestią jest jednak czas rekonfiguracji, zwłaszcza wczytania konfiguracji z pamięci flash. O układach FPGA już wielokrotnie wspominałem, jeszcze napiszę o nich wkrótce,ponieważ jest to bardzo interesująca i w niektórych zastosowaniach – bardzo obiecująca technologia.

W informatyce zresztą stosuje się również niekiedy zastępowalność i nadmiarowość – przykładem jest (w niektórych przypadkach) np. w niektórych macierzach dysków RAID. (należy uważać na macierze softwarowe – obciążają one procesor bardziej)

Jednym z bardziej wydajnych rozwiązań, zmierzających do regeneracji przez systemy elektroniczne pomimo uszkodzeń jest wykorzystanie automatów komórkowych w elektronice rekonfigurowalnej,poprzez wykorzystanie specyficznego algorytmu TTA (Tom Thumb Algorithm). Jest to algorytm powstały na podstawie uproszczenia mechanizmu samoreplikacji w automatach komórkowych znanych jako maszyna samoreplikująca (universal constructor) von Neumanna (który zresztą odpowiada, za wprowadzenie idei samoreplikacji w odniesieniu do maszyn i jest twórcą idei automatu komórkowego – choć opierał się początkowo również na pracach Polsko-Amerykańskiego matematyka Stanisława Ulama). Algorytm ten pozwala na wykorzystanie nadmiarowości urzadzenia rekonfigurowalnego tak,by w miarę możliwości ominąć uszkodzone obszary. Algorytm ten został on wprowadzony przez Umberto Pesavento,badacza włoskiego pochodzenia.

Jednak jak wspomniałem, nadmiarowość i ewentualnie hierarchiczna struktura nie są jedynym rozwiązaniem. Jeśli chodzi o materiały samoleczące, istnieje dużo więcej prostych ideowo,a przy tym bardzo skutecznych rozwiązań.

Zasadniczo, oprócz materiałów samoleczących, ulegających samodzielnej regeneracji wyróżnia się takie,które podlegają jej w odpowiedzi na wprowadzony przez człowieka odczynnik – np. odczynnik chemiczny. Ponadto, pewne materiały posiadają z natury pewne zdolności do „samoleczenia”, na przykład:

  • Określone tendencje do ruchu cząsteczek (w wyniku zjawisk fizykochemicznych takich jak np. dyfuzja
  • Odpowiednie naprężenia ściskające w przypadku pęknięć
  • Odpowiednie nagrzewanie (w wypadku szkieł,szkieł metalicznych i niektórych stopów)
  • Pasywacja / Utlenianie (również ceramiki) i inne reakcje chemiczne powodujące powstanie stabilnej międzywarstwy
  • Przemiany fazowe pozwalające na wypełnienie pęknięć przez nową fazę.
  • W pewnych określonych przypadkach – pamięć kształtu.

Natomiast w literaturze naukowej, wspomina się następujące procesy i rozwiązania intensyfikujące samolecznie:

  • Enkapsulacja i mikroenkapsulacja cząsteczek (zamknięcie w kapsułkach) lub „drążone włókna” („hollow fibres”) z określoną substancją/substacjami wypełniającymi np. pęknięcia.
  • Transport Kanalikowy (przez pęknięcia i pustki)
  • Rozszerzające się fazy
  • Rozdzielanie się faz
  • Odwracalne sieciowanie (polimery)
  • Wzrost temperatury
  • Procesy elektrochemiczne
  • Procesy biologiczne
  • Samoorganizacja cząsteczek (zwłaszcza organicznych – ale nie tylko)

Należy pamiętać,że nie wszystkie te rozwiązania występują we wszystkich materiałach i układach naraz,lecz można zastosować w odpowiednich warunkach nawet kilka z powyższych rozwiązań.

Do bardziej konkretnych przykładów samoleczenia w materiałach należą:

  • Warstwy antykorozyjne i polimerowe, wykorzystujące „mikrokapsułki” lub drążone włókna. Ich działanie polega na tym,że powstałe w materiale pęknięcie jest zasklepiane, dzięki działaniu odpowiednich żywic lub innych odczynników chemicznych. Rozwiązanie z „drążonymi włóknami” pozwala ponadto,na uzyskanie złożonych chemicznie kilku odpowiednich substancji reagujących ze sobą tuż po powstaniu pęknięcia – np. żywicy i utwardzacza w przypadku polimerów.Z przykładem działania enkapsulacji odczynnika w celu powstrzymania wzrostu pęknięcia można zapoznać się na poniższym obrazku:
  • Jonomery EMAA,w których powstałe wskutek trafienia pociskiem pęknięcie, które prawdopodobnie pod wpływem aktywowanych cieplnie przemian ulegają zasklepieniu. Swoją pracę (master thesis) napisał na ten temat Stephen James Kalista Jr.
  • Warstwy pasywacyjne – szczególnie warstwy chromu w stopach żelaza z chromem i strukturach chromowanych. Są to bardzo stare rozwiązania,co nie zmienia faktu,że bardzo skuteczne jeśli chodzi np. o ochronę przed korozją.
  • Pęknięcia mogą być usunięte dzięki obecności odpowiednich naprężeń ściskających oddziałujących na strukturę (na przykład w trakcie eksploatacji)
  • Pęknięcia mogą być usunięte w aluminium w odpowiednich warunkach ,dzięki dyfuzji atomów miedzi w strukturze stopów aluminium.
  • W pękniętej strukturze betonu dzięki obecności bakterii przyspieszeniu ulec może naturalny proces odbudowy struktury krystalicznej węglanu wapnia – co oznacza likwidację części uszkodzeń strukturalnych.

W ten sposób, materiały samoleczące są skutecznym rozwiązaniem, chroniącym materiały przed utratą pełnionych funkcji wskutek pęknięć,korozji i innych uszkodzeń które w sposób skuteczny wyłączają materiał lub urządzenie z dalszej eksploatacji.

Praktycznie jednak procesy te nie umywają się do skuteczności i elegancji np. powstania skrzepu w miejscu zranienia,zrastania się kości, czy natychmiastowego rozkładu,a następnie ponownego złożenia, uszkodzonego wskutek działania światła białka. Tak czy inaczej, technologie te będą dynamicznie rozwijane i w najbliższych dziesięcioleciach należy spodziewać się znacznego postępu w prowadzonych nad nimi badaniach.Ponieważ wbrew tendencji niektórych producentów do planowego postarzania produktów,my konsumenci chcemy dobrych i sprawnych produktów.A w pewnych sektorach – szczególnie medycznym i wojskowości sprawność urządzenia jak najdłużej nadal ma pierwszorzędne znaczenie.

Nowości w nauce, technice, bezpieczeństwie i nie tylko – 9.11.2014

Nauka:

  • Po szumnym ogłoszeniu odkrycia cząstki Higgsa,po Noblu itd przyszły (wreszcie) pytania,czy akcelerator LHC zaobserwował cząstkę Higgsa czy może coś podobnego, oraz pytanie czy była ona sama.No i bardzo dobrze.Model standardowy w fizyce nie do końca jest taki piękny, a ja osobiście uważam,że najciekawsze w teoriach i modelach są ich nieścisłości i ograniczenia. Więcej na omawiany temat na portalu phys.org; oraz artykule „Technicolor Higgs boson in the light of LHC data” opublikowanym w piśmie Physical Reviev Letters i dostępnym również na stronie arxiv.org.
  • Ciekawy argument przeciwko wierze w duchy – wrażenie „obecności” odtworzono w laboratorium. Całość eksperymentu opisana jest w artykule „Neurological and robot-controlled induction of an apparition” opublikowanym w piśmie Current Biology. Więcej na temat tego eksperymentu można poczytać tutaj.
  • Badania nad chipami neuromorficznymi trwają.Grupa z Uniwersytetu w Heidelbergu zaprojektowała w styczniu Chip neuromorficzny zawierajacy 384 sztuczne neurony i 100.000 sztucznych synaps. Ostatnie eksperymenty na MIT z chipem zawierającym 576 takich neuronów obsługującym drona dały bardzo ciekawe efekty.W przeprowadzonym eksperymencie maszyna korzystając z sensorów pracujących w zakresach promieniowania „optycznym” (widzialne promieniowanie), ultradźwiękowym i podczerwonym przeleciała przez 3 pokoje.Cykl uczenia i sam proces eksperymentu nie został dokładnie omówiony,więcej informacji można znaleźć pod adresami: http://phys.org/news/2014-11-drone-flight-special-chip.html i http://www.technologyreview.com/news/532176/a-brain-inspired-chip-takes-to-the-sky/  ponadto warto odwiedzić stronę: http://www.hrl.com/laboratories/cnes/cnes_main.html . O układach neuromorficznych pisałem natomiast tutaj.
  • Badacze z uniwersytetu Cambridge zidentyfikowali klasę polimerów,które przewodzą elektrony niczym nieorganiczne półprzewodniki. Więcej na stronie CambridgeNews.
  • Sukces w badaniach nad piezoelektrykami.Konkretnie chodzi o związek znany jako PZT o wzorze chemicznym Pb[Zr(x)Ti(1-x)]O3. Jest to jeden z najpowszechniej wykorzystywanych piezoelektryków ceramicznych,a sukces polega na potwierdzeniu istnienia specyficznej granicy mającej istotne znaczenie dla piezoelektrycznych właściwości. Więcej informacji na stronie phys.org oraz w artykule „The missing boundary in the phase diagram of PbZr1-xTixO3.” pisma „Nature Communications”. DOI: 10.1038/ncomms6231
  • Amerykańscy Naukowcy z Purdue University opracowali technologię nanoszenia diamentowych wzorów z wykorzystaniem lasera i powierzchni grafitowej.Jest to szczególnie ciekawe zważywszy,że nie potrzebowali do tego wysokich temperatur ani komory próżniowej. Więcej na stronie phys.org i w artykule „Direct Laser Writing of Nanodiamond Films from Graphite under Ambient Conditions” czasopisma „Scientific Reports„. Artykuł jest dostępny na stronie Nature Scientific Reports.
  • Możliwe jest już złamanie zasady symetrii przy samouporządkowaniu w metamateriałach optycznych.Pozwoli to wytworzyć metamateriały optyczne o izotropowej odpowiedzi/reakcji optycznej będące nową jakością,jeśli chodzi o ten rodzaj materiałów.Jednym z zastosowań jest (już wymieniona – przy okazji kropek kwantowych) „czapka niewidka”. Więcej na stronie phys.org oraz w artykule: „Feedback-driven self-assembly of symmetry-breaking optical metamaterials in solution.” czasopisma „Nature Nanotechnology”, DOI: 10.1038/nnano.2014.243
  • Naukowcy niemieccy z Fraunhofer IIS na najbliższych targach w Monachium zaprezentują samochodową łącze samochodowej sieci o przepustowności 10 Gbit/s i . Więcej na stronie Electronics Weekly.

Bezpieczeństwo:

  • Na stronie Cryptome ukazały się ciekawe artykuły:
    • Na temat szpiegowania na Facebooku osób które zmieniły nazwę użytkownika lub dane kontaktowe: PDF. Sztuczka jest jednak prosta.Polega ona na tym,że o ile ktoś nie założył nowego konta id facebooka jest to samo.
    • Ciekawy artykuł na temat Microsoft One Drive i programu PRISM (narzędzia microsofu do szyfrowania nie zapewniają bezpieczeństwa przed NSA)
    • Intel ukarany za nieautoryzowany eksport technologii szyfrujących kwotą 750 tysiecy $. PDF.
    • Artykuł na temat Aplikacji TextSecure,służącej do wysyłania wiadomości tekstowych i jej bezpieczeństwa.
    • Ciekawy tekst na temat bezpieczeństwa sieci Tor,zwłaszcza po zlikwidowaniu Silkroad 2.0
  • Bruce Schneier ostrzega z EFF – sieć Amerykańska firma Verizon śledzi użytkowników korzystających z telefonów komórkowych.Oryginalny artykuł EFF.
  • Pełne podręczniki narzędzia inwigilacji rządowej Hacking Team RCS (Galileo) opublikowane na The Intercept. Kilka serwerów tego programu podobno jest w Polsce.

Inne:

  • Firma Xilinx wyprodukowała FPGA w technologii 20 nm dla przyspieszania prac w systemach Data Center. Produkt nosi nazwę Kintex UltraScaleKU115 FPGA. Więcej na stronie Electronics Weakly.

Oczywiste twierdzenia na temat materiałów nie są oczywiste.

Większość osób uważa,że szkła są kruche i łatwo pękają.Nie jest to jednak prawda,ponieważ już w 2011 roku znano szło metaliczne na bazie palladu wytrzymalsze od stali. Mało tego. W świetle stosunkowo niedawnych badań z Lutego 2013 ,przeprowadzonych na uniwersytecie Yale teoretycznie istnieje specyficzna dla każdego szkła prędkość chłodzenia, od której  zależy czy szkło będzie kruche czy nie.Generalnie małe prędkości chłodzenia sprzyjają kruchości szkła.Co prawda możliwość uzyskania bardziej plastycznych szkieł jest raczej teoretyczna,ale – jest.

https://i0.wp.com/images.sciencedaily.com/2011/01/110110121709-large.jpg

Wspomniałem o szkłach metalicznych.Otóż właśnie.To wbrew pozorom nie jest nonsens,metal również oprócz swojej klasycznej postaci krystalicznej może być przeprowadzony w stan zeszklony. Potrzebna jest do tego odpowiednia prędkość chłodzenia,więc takie szkła raczej nie będą często tak kruche jak szyba.Choć być może…

W praktyce, co prawda to co nazywamy szkłami metalicznymi i szkłami fachowo określa się jako ciała amorficzne,tym niemniej mówimy tu w praktyce o tym samym obiekcie fizycznym. I oczywiście szkło naturalne, wbrew pozorom nie jest tak do końca amorficznym ciałem. Szkła metaliczne też tak do końca nie muszą. W praktyce czystość danej formy nie jest raczej naturalna.

Twierdzi się,że z natury szkło jest ciałem stałym. W istocie jeśli chodzi o stan skupienia – tak,jednak jeśli chodzi o strukturę, jest ono rodzajem zamarzniętego przechłodzonego płynu. Jest raczej ważne by używać określenia „zamarznięty” ze względu na „miejską legendę” z którą niektórzy walczą – wg której w długotrwałym okresie czasu szkło zachowuje się jak płyn. Otóż owszem – rodzaj płynu – jednak taki, który właściwie utracił zdolność płynięcia.To zresztą uproszczenie,a na zachowanie szkła takie jak samoistne płynięcie w dłuższych okresach czasu nie ma podobno mocnych dowodów. Ale szkło raczej różni się od innych ciał stałych, ponieważ w temperaturach bliskich zera bezwzględnego może się… topić,jak sugerują badania z 2011 opisane tutaj.

Czy zatem materiały mogą być szkliste, albo krystaliczne lub polikrystaliczne w swojej stałej postaci ? To też nie jest takie proste,choć naukowcom przez wiele lat wydawało się że tak właśnie jest.Niektóre materiały są np w formie Kwazikrystalicznej. Odkrycie kwazikryształów posiadających zabronioną przez klasyczną krystalografię i zabronioną przez warunek translacji 5-krotną (a także jak okazało się później i inne) oś symetrii było dość szokujące i uderzyło w klasyczny paradygmat inżynierii materiałowej.

I co np. z ciekłymi kryształami ? Być może posiadasz właśnie monitor ciekłokrystaliczny.One też nie są takimi klasycznymi kryształami.

Niektórym ludziom wydaje się,że „kryształy są piękne”. No nie wszystkie są aż tak piękne, kostki cukru czy kryształy insuliny np:

Kryształ insuliny - wikipedia

Innym popularnym mitem jest to,że im grubszy (i cięższy) materiał tym bardziej wytrzymały produkt. Nie jest tak do końca,i nie chodzi tu tylko o umocnienie materiału, czy zastosowanie lepszych materiałów lub ich kompozytów.W praktyce bowiem, bardzo cienkie warstwy (zaznaczam jednak: mówimy o skali dużo poniżej 1 milimetra,ba, często poniżej mikrona !)  potrafią być odporniejsze mechanicznie niż te grubsze. A jeśli chodzi o wytrzymałość materiałów, to pomimo najmniejszej aktualnie możliwej masy, aerożele mogą wytrzymać nacisk 4000 razy większy niż ich masa.

Cegła o masie 2,5 kg położona na ważącym 2 gramy aerożelu-wikipedia

Co prawda niestety, aerożele są bardzo kruche i mało odporne np. na skręcanie,niektórym z nich może zaszkodzić też woda,ale mimo wszystko ich zdumiewające właściwości mają znaczenie praktyczne.

I tym na dzisiaj kończę,niestety tego tematu nie da się wyczerpać jednym artykułem.Jedną książką zresztą też…