Civilizacijos progresą lemia daug faktorių: pradedant mokslu ir baigiant institucijomis. Tačiau mus lydinčios technologijos ir medžiagos tokios svarbios, kad net istorinės epochos yra vadinamos akmens, geležies arba bronzos amžiais.
Kadangi pastaruoju metu žmonės sugeba sukurti ypatingų medžiagų, XXI amžių pagrįstai būtų galima pavadinti sumaniųjų medžiagų amžiumi. Sumanus šiais laikais gali būti ne tik telefonas ar organinis puslaidininkis, bet ir betonas. Nenuostabu, jog viena iš šešių sumaniosios specializacijos prioritetinių krypčių Lietuvoje vadinasi „Nauji gamybos procesai, medžiagos ir technologijos“. Ji susideda iš keturių prioritetų.
„Pirma sritis yra fotoninės ir lazerinės technologijos. Jau dabar ji panašiausia į tą sumaniosios specializacijos sumanymą. Kadangi lazerių fizika ir lazerių pramonė Lietuvoje gera išvystyta. Ji nėra didelė, bet šiuolaikiška“, – LRT Televizijos laidai „Mokslo ekspresas“ sako VU Puslaidininkių fizikos katedros vedėjas prof. Gintautas Tamulaitis.
Platus panaudojimo spektras
Lietuvos mokslininkai ketina savo žinias, kuriant pikosekundinius ir keičiamos šviesos bangos ilgio lazerius, pritaikyti pramoninių lazerių gamyboje. Kaip žinia, lietuviai jau dalyvauja, kuriant galingiausią lazerį pasaulyje.
Kita vertus, sudėtingos struktūros daugiasluoksnės puslaidininkinės medžiagos turi vis didesnę paklausą, nes jos gali būti taikomos, kuriant itin mažus lazerius, įvairių spalvų šviestukus, teraherciniame arba infraraudonajame diapazonuose veikiančius spinduliuotės šaltinius ir jutiklius, naudojamus medicinoje, kosminėje, karo pramonėje ir kitur.
Šios tematikos tarpusavyje siejasi, nes naudojami panašūs gamybos principai ir medžiagos. Gimsta užuomazginės technologijos. Juk kol nebuvo ultravioletinę šviesą spinduliuojančių šviestukų, niekas nekūrė ir prietaisų, kuriems reikia kompaktiškų, mažai energijos naudojančių ultravioletinės šviesos šaltinių.
„Paprastas pavyzdys – mobilusis telefonas yra bakterijų ir ligų sukėlėjų šaltinis. Jeigu įdėsime mobilųjį telefoną į dėklą su UV šviestuku, per penkias minutes didžioji jų dalis bus sunaikinta. Tai – smulkus pritaikymas, bet jis atsiranda tuomet, kai atsirado šaltinis“, – sako G. Tamulaitis.
Antrasis šios krypties prioritetas – funkcinės medžiagos ir dangos. Kaip liudija pavadinimas, kuriamos medžiagos, galinčios atlikti įvairias svarbias, dažniausiai naujas funkcijas. Didžiausias dėmesys šioje srityje skiriamas organinei elektronikai bei optoelektronikai.
„Dabar visa elektronika pagrįsta neorganiniais puslaidininkiais. Galėtume elektronines sistemas sukurti iš organinių puslaidininkinių medžiagų. Galima tuos lustus gaminti ant lanksčių padėklų. Tokie prietaisai būtų pigūs ir nekenksmingi aplinkai. Organiniai puslaidininkiai perspektyvūs ir optoelektronikoje. Šviestukus irgi galima daryti iš organinių medžiagų. Vietoj mums įprasto apšvietimo sienų tapetus galima padaryt iš organinių šviestukų ir turėsime šviečiančią sieną“, – sako G. Tamulaitis.
Gali sukelti naują revoliuciją?
Progresas šioje srityje priklauso nuo įvairių sričių mokslininkų bendradarbiavimo. Organinių šviestukų amžius prasidėjo maždaug 1995 metais. Jie buvo žinomi ir anksčiau, bet chemikai nesugebėdavo pagaminti pakankamai švarių medžiagų.
Dabar situacija pasikeitė ir chemikai su fizikais jau kuria telefonus su lanksčiais ekranais bei naujos kartos televizorius.
Nuo puslaidininkių metas pereiti prie kur kas dažniau naudojamų medžiagų. Pavyzdžiui, betono, be kurio ne vieną šimtmetį neįsivaizduojamos statybos. Net 75 proc. žmonių visame pasaulyje gyvena gelžbetonio pastatuose.
„Šis prioritetas – konstrukcinės ir kompozicinės medžiagos. Jis specifinis tuo, kad daug tų pramonės sričių yra didelės, antai betono pramonė. Tai susiję su statybomis, todėl mokslinių idėjų įdiegimas sunkesnis ir įdiegimo kelias ilgesnis. Antra vertus, net nedideli patobulinimai gali duoti didelį ekonominį efektą“, – tikina G. Tamulaitis.
Kompozitines medžiagas žmonės ėmė kurti prieš kelis tūkstančius metų. Kad molinės plytos netrūkinėtų, į jas buvo dedama susmulkintų akmenų. Puodų žiedėjai įmaišydavo į molį organinių medžiagų, kad indų sienelėse susidariusios ertmės padidintų jų šiluminę varžą.
Na, o labiausiai išgarsėjęs šiuolaikinis kompozitas yra anglies pluoštas. Panašiai stiprinamas ir šiuolaikinis armuotas betonas, mišinį papildant skaidulomis. Tačiau apie tai netrukus, o dabar – apie ketvirtąjį prioritetą.
„Ketvirtoji kryptis – lanksčiosios produktų gamybos ir kūrimo technologinės sistemos. Šitas prioritetas gan platus, nes tos sistemos gali būti pritaikytos plačiose srityse. Išskirtos keturios kryptys – virtualus produktų kūrimas, medžiagas tausojantis produktų kūrimas, sumanus gamybos organizavimas, robotika, mechatronika“, – pasakoja G. Tamulaitis.
Vienas iš klasikinių pavyzdžių – Henry Fordo sugalvotas konvejeris, sukėlęs revoliuciją ne tik automobilių pramonėje ir leidęs atpiginti daugumą plataus vartojimo prekių. Praėjus beveik šimtmečiui, daugelyje šalių darbininkus prie konvejerių vis dažniau pakeičia robotai.
Naują revoliuciją šioje srityje gali sukelti su kompiuteriais sujungti 3D spausdintuvai. Tai leidžia bet kuriam iš mūsų pačiam susiprojektuoti ir atsispausdinti įvairaus dydžio bei sudėtingumo objektus. Tai atliekama labai operatyviai, tiksliai ir praktiškai be atliekų.
Jau spausdinami automobiliai, žmogaus kūno dalys ir netgi pastatai. Svarbu tai, kad vienoje srityje įdiegta technologija gali būti pritaikyta visiškai kitoje pramonės srityje. Štai kodėl būtinas ne tik įvairių sričių mokslininkų, bet taip pat mokslo bei verslo bendradarbiavimas.
„Mokslininkus reikia paskatinti generuoti ir diegti tokias idėjas, kurios turi praktinę vertę. Tokios idėjos nesimėto. Mes turime mažokai praktikos generuoti tokias idėjas. Antra vertus, idėja praeina daug etapų. Tai – maketų, prototipų kūrimas. Kiekvienam etape daug idėjų atkrinta. Reikia visa tą piramidę gerai sustatyti“, – „Mokslo ekspresui“ sako VU Puslaidininkių fizikos katedros vedėjas.
Gamyba ir naudojimu atsilieka tik nuo vandens
VGTU statybinių konstrukcijų laboratorijoje mokslininkai naudoja ne tik kompiuterius, bet ir didžiulius presus, lenkdami, tempdami ar kitaip tikrindami naujų arba patobulintų statybinių medžiagų galimybių ribas.
„Aš tiriu armuoto betono konstrukcijas. Tai – plačiausiai paplitęs pasaulyje kompozitas. Tai ir apskritai plačiausiai paplitusi dirbtinė medžiaga, kuri savo gamyba ir naudojimu atsilieka tik nuo vandens. Šiuo metu per metus vienam žmogui pagaminama apie 3 tonas šios medžiagos“, – pasakoja VGTU Tiltų ir specialiųjų statinių katedros darbuotojas prof. Gintaris Kaklauskas.
Pirmieji betoną statyboms plačiai ėmė taikyti senovės romėnai. Romos Panteono kupolas iki šiol išlieka didžiausia pasaulyje kupolo konstrukcija, išlieta iš nearmuoto betono. Romėnai betono mišiniui naudojo labai mažai vandens, tad jį buvo sudėtinga kloti.
Kokybinis šuolis įvyko tuomet, kai anglų mūrininkas Josephas Aspdinas 1824 m. Išrado Portlando cementą – klinčių ir molio mišinį, degant jį aukštoje temperatūroje.
Armuotas betonas, liaudiškai vadinamas gelžbetoniu, buvo išrastas XIX a. viduryje. Ji sudaro dvi skirtingos medžiagos – betonas ir armuojanti medžiaga. Šiame kompozite buvo sujungtos geriausios plieno ir betono savybės. Svarbu suprasti jų trūkumus ir išnaudoti privalumus.
„Lyginant plieną ir betoną, plieninė armatūra yra labai stipri, plastiška. Tai yra, pasiekusi maksimalius įtempius, medžiagos stiprį, ji toliau plastiškai deformuojasi, nenutrūksta staiga. Tai irgi labai svarbu konstrukcijoms. Pasiekus ribines apkrovas, jos nesuyra staiga, duoda įspėjamuosius ženklus. Bet tai brangi medžiaga ir jos trūkumas kitas – ji koroduoja“, – pasakoja G. Kaklauskas.
Kita vertus, betonas yra pigi, ilgaamžė medžiaga, turinti didelį gniuždomąjį stiprį. Jis naudojamas, statant įvairiausių formų statinius. Tačiau didžiausias šios medžiagos trūkumas – mažas tempiamasis stipris. Jis penkiolika kartų mažesnis už gniuždomąjį ir šimtus kartų mažesnis už armatūros tempiamąjį stiprį. Toks vidinis konfliktas reiškia nemenkas problemas.
„Dėl to, kad betonas pleišėja, dėl to kad yra trapi medžiaga, atsiveria plyšiai, dažnai jie atsiveria neleistino dydžio. Dėl to agresyvioje aplinkoje armatūra gali rūdyti. Dalinai ir dėl to ES apie 50 proc. viso biudžeto skirto statybos pramonei, skirta rekonstrukcijai. Taigi labai aktyviai mokslininkai ieško kelių, kaip pagerinti šio labai sėkmingo kompozito eksploatacines savybes“, – teigia G. Kaklauskas.
Viena vertus, gerinamos armatūros savybės, kuriant nerūdijančią armatūrą. Dažniausiai naudojama polimerinė kompozitinė armatūra, anglies pluošto, stiklo pluošto, bazalto ir kitokio pluošto armatūra.
„Kita vertus, gerinamos betono savybės. Vienas iš būdų – naudoti plaušą. Tai, liaudiškai tariant, yra fibros – nedideli plieniniai strypeliai, kurių ilgis 10 – 60 mm, dedami į betono mišinį“, – aiškina G. Kaklauskas.
Konstruktorių išradingumui nėra ribų
Taip pagerintų konstrukcijų standumas labai padidėja, o jų deformacijos bei plyšių pločiai labai sumažėja. Tai – naujos kartos medžiagos. Be to, mokslininkai mėgina sukurti dvigubai lengvesnį betoną, taip pat įvairiais būdais sumažinti jo trapumą. 1986 metais japonai sukūrė savaime sutankėjantį betoną, kurio svarba lyginama su gelžbetonio atsiradimu XIX a. viduryje.
„Yra sukurti vadinami lankstieji betonai. Jie pagaminti, taikant labai smulkų užpildą ir mikrofibras. Veikiant apkrovai, fibros tiesiog pasislenka betone ir tuo metu konstrukcijos, pagamintos iš tokio betono, gali smarkiai įlinkti. Nuėmus apkrovą, jos grįžta į pradinę padėtį“, – pasakoja G. Kaklauskas.
„Jo esmė ta, kad jis armuotas mikroplaušu. Smulkiomis metalo dalelėmis, kurios leidžia betono konstrukcijai deformuotis plastiškai. Pasiekti dideles deformacijas. Atsiveria mažo pločio plyšiai ir tai leidžia apsaugoti konstrukciją nuo armatūros korozijos ir prailginti jos eksploataciją. Tokios rūšies betonas panaudojamas statiniuose, kurie veikiami seisminių apkrovų. Azijos šalyse, Japonijoje jis plačiai taikomas, ypač tiltų perdangų, keičiant įprastą betoną šiuo betonu“, – laidai „Mokslo ekspresas“ sako VGTU Tiltų ir specialiųjų statinių katedros darbuotojas dokt. Vytautas Tamulėnas.
Tiria betono elgseną
G. Kaklausko grupė mėgina suprasti sudėtingą šios kompozitinės medžiagos – armuoto betono elgseną ir prognozuoti jo deformacijas bei pleišėjimą. Už savo darbų ciklą mokslininkas pelnė 2013 m. Lietuvos mokslo premiją ir Amerikos civilinės inžinerijos sąjungos apdovanojimą.
„Pagrindinė mūsų tyrimų sritis armuoto betono konstrukcijų deformacijos, pleišėjimas. Ir fizikinis modeliavimas. Šiuo metu statybines konstrukcijas projektuotojai gali skaičiuoti dvejopai. Tradiciniais metodais, empiriniais metodais, kurie dažnai primena medžiagų atsparumo formules. Kadangi ši medžiaga – armuotas betonas yra sudėtinga, šios išraiškos tampa griozdiškos“, – tikina G. Kaklauskas.
Mokslininkai šiuo metu kuria kompiuterinius betono elgesio analizės metodus. Tiriant betono pleišėjimo, traukimosi ir valkšnumo – medžiagos savybės deformuotis, bėgant laikui – sąveiką bei jų įtaką konstrukcijų deformacijoms ir pleišėjimui, gauti nauji fizikinio modeliavimo būdai ir fizikiniai modeliai, kuriuos galima taikyti standartinėse kompiuterinio modeliavimo programose.
„Mano tyrimų grupė ir kuria šiuos fizikinius modelius. Iki šiol deja šie modeliai pasaulyje nesukurti, juolab naujoms medžiagoms. Armuoto betono konstrukcijų pleišėjimo niekas negali tinkamai prognozuoti“, – sako G. Kaklauskas.
Pavyzdžiui, statydami Great Belt ir Oresundo tiltus, skandinavų projektuotojai armatūros įdėjo dvigubai daugiau, negu reikia, bet plyšių atsivėrė irgi gerokai daugiau, nei tikėtasi. Dėl šių priežasčių ir Lietuvos tiltų statytojai vengia statyti sudėtingos formos objektus.
Kol nėra modelių, aprašančių tokio betono savybes, Lietuvos mokslininkai siūlo savaip spręsti pleišėjimo problemas. Panaudojus bene naujausią inovaciją betono pasaulyje – biologinį betoną. Šioje srityje praverčia ir mikrobiologijos žinios.
„Viena naujesnių betono rūšių yra biologinis betonas. Jis geba savaime užgydyti savyje atsiradusius plyšius. Tai padeda padaryti bakterijos. Vyksta biologiniai procesai, bakterijos betono viduje valgo maistines medžiagas, išskiria Kalcio karbonatą. Jis nusėda ant sienelių, užgydo plyšius ir konstrukcija vėl atsistato į pradinę būseną“, – teigia V. Tamulėnas.
Tokių bakterijų pavyko rasti gamtoje, šarminės terpės ežeruose Rusijoje, Sibire. Ištyrę tas bakterijas, mokslininkai sužinojo, kad jos gali išgyventi betono mišinyje net 200 metų. Tai yra, kur kas ilgiau, negu numatytas norminis eksploatacinis statinių laikotarpis. Tačiau kaip jas įdarbinti?
„Jos dedamos į betono mišinius kartu su maisto medžiagomis kapsulėse. Kurios apsaugo nuo pirminio susimaišymo betono gamybos metu. O kai plyšys atsiveria, plyšys atidaro kapsules, jos perskyla ir tada skverbiasi drėgmė, oras, deguonis. Tuomet susimaišo ir prasideda reakcija“, – aiškina V. Tamulėnas.
Kapsulės su kalcio laktatu šarminę aplinką mėgstantiems mikroorganizmams – bacillus cohnii bakterijoms, yra pakankama sąlyga nepailstamai darbuotis žmonijos labui. Šį metodą ir betoną prieš dešimt metų sukūrė Olandijos mokslininkai. Be abejo, toks savaiminis pažeistų konstrukcijų atsikūrimas labai svarbus statiniuose, esančiuose sunkiai prieinamose vietose arba agresyvioje aplinkoje.
Tokie pavyzdžiai liudija, kad net tradicinės medžiagos XXI amžiuje įgauna vis daugiau išmanumo. Išradingai keičiamos jų savybės, o iš jų pagamintos konstrukcijos, praturtintos jutikliais, tampa besiplečiančio daiktų interneto dalimi. Įdiegus tų statinių nuolatinio stebėjimo sistemas, inžineriniai objektai, pastatai taps sumanūs ir saugesni.
Rolandas Maskoliūnas, LRT Televizijos laida „Mokslo ekspresas“
