Nové lasery dovedou vypálit keramiku i bez pecí

TLDR verze: Keramika je super materiál, ale pokud stojí po boku jiného materiálu, která nemá rád teploty, blbě se spojuje dohromady. Vyžaduje to totiž pec. Ale nově – díky laserům – už nutně ne! Studie tu.

Jáchyme, hoď ho do laseru

Každé doba měla svůj materiál budoucnosti. Století nazpět to byla ocel. Půlstoletí nazpět to byl plast. Dnes si vědátoři trhají rodidla, jen co zaslechnou grafen. Možná proto bude překvapivé číst, že velmi užitečná budou nejspíše ve Světě zítřka i stará dobrá keramika! Tedy v zásadě ta samá keramika, kterou dodnes nacházejí hrobokopové v prehistorických lidských sídlištích a je to vlastně asi první umělý materiál vytvořený člověkem…

Keramika je totiž naprosto boží materiál! Je biokompatibilní a nehrozí z ní taková neplecha jako z kovů. Zároveň je oproti plastům velmi tvrdá. Jasně, má také vyšší křehkost, takže třeba karosérii pro auta z keramiky ještě nějaký čas nečekejme. Leč třeba na biomedicínské užití nebo ochranné obaly elektroniky keramika sedí jako zadek na hrnci!

Problém je, že se keramika také trochu ošemetně spojuje do větších dílů – a to zvláště pokud u nejde (bez kladiva) rozpojit & pokud má chránit elektroniku a/nebo polymery. Čili přesně v té situaci, kdy je keramika potenciálně nejužitečnější. Abyste totiž spojili několik (i dopředu vyrobených) keramických komponentů, potřebujete teploty pecí. Tedy stejné teploty, které mají soudní zákaz se přibližovat k elektronice a polymerům alespoň na 10 metrů.

Lze samozřejmě vytvořit keramický obal a do něj až pak vložit komponenty, ale to situaci komplikuje a nehodí se to pro všechny scénáře. Nyní však tým Javera Garaye z UC San Diego spolu s ostatními vědátory vyvinul metodu laserového svařování jednotlivých komponent, která si vystačí s minimem energie a mohla by z keramiky udělat skutečný matroš budoucnosti!

Laserové svařování zase jinak

Lasery samozřejmě nejsou u keramiky žádný nováček. Krom jiných pokusů o svařování se používají i na gravírování nebo řezání. Garay et al. ale přišli s nápadem svařovat keramické fláky i s již vloženými polymerovými/elektrickými součástkami. Zajištěno je to pomocí krátkých laserových pulzů, které jsou schopné dostatečně roztavit rozhraní keramiky, aby došlo na spojení dílů, ale zároveň nezahřát okolí.

Metoda se v bance podepisuje jako Ultrarychlé pulzní laserové svařování a k jejímu vynálezu byly třeba dva komponenty: kalibrace parametrů laseru a průhlednost keramického materiálu. To první bylo zajištěno klasickou metodou „Pokus-Omyl-Náprava“. Také známou jako „Pokus-Omyl-Podejmitenhasičák-Pokusonápravu-Podejmitulékárničku-Pokusčíslo28-Hurá-Jdemseopít“. Příliš mnoho energie laseru totiž keramiku zničilo, a příliš málo ji jenom polechtalo.

Nakonec se zdá, že ideální je svařovat keramiku po dvě pikosekundy při vysoké opakovací frekvenci jednoho megahertzu. To maximalizuje roztavení rozhraní, minimalizuje ablaci materiálu a jde na ruku i chladnutí. Je nasnadě, že pro průmyslovou aplikaci bude třeba správný poměr díl od dílu ještě akurátně poštelovat & zkontrolovat kvalitu. Jistá míra průsvitnosti pak byla nezbytná pro fungování laseru na větší ploše rozhraní.

Aby však doručili důkaz místo slibů, autoři pokusně přivařili průsvitnou keramickou zátku na keramickou trubičku (udělátko je vidět na obrázku nejvýše). Síla spoje byla dostatečná, aby se uvnitř podařilo udržet vakuum. Což je solidní test pevnosti! Rovněž je příjemné, že celý proces vyžaduje jenom 50 wattů energie. Jinými slovy, energeticky je laserové svařování daleko úspornější než pece!


Doufám, že vám teď kontextová reklama prodává vysoké pece. 

Keramika včera, dnes a zítra

Prozatím bylo laserové svařování ovšem otestováno zejména na kouscích keramiky pod 2 centimetry. Pro ty je sice metoda určená primárně, další výzkum se přesto zaměří na škálování do větších velikostí, různějších druhů keramiky samotné a také do barvitějších tvarů.

Zdá se však, že jakés takés základy pro to, abychom našli uplatnění keramiky v budoucnosti, tu rozhodně je! S trochou dalšího pilování materiálové fyziky a reálné aplikace se tak i budoucí archeologové můžou těšit na to, že jednou objeví i v ruinách naších současných sídlišť zbytky keramický obalů kybernetických implantátů a počítačových komponentů!

[LL]

Když už jsme u těch vyšších teplot, připomeňte si misi sondy Parker ke Slunci, od jejíhož startu před pár dny uplynul už celý rok:

Vědátor vzniká v dílně spolku studentů a popularizátorů vědy UP Crowd za podpory MUDRstart, který tvoří přípravné testy pro studenty vysokých škol – podpořte i vy drobákem mojí snahu informovat o vědě věčně & vtipně a přispějte mi v kampani na Patreonu.

A sledujte mojí snahu případně i na Facebooku či YouTube!

Diskuze