Εξυπνα υλικά που {LF}αλλάζουν συμπεριφορά

«Το 1920, ο γερμανός χημικός Herman Staudinger πρότεινε πως τα πολυμερή – μια ευρεία γκάμα υλικών που περιλάμβαναν το φυσικό ελαστικό και την κυτταρίνη – αποτελούνται από μόρια μακριών αλυσίδων (μακρομόρια) που συγκροτούνται μέσω ομοιοπολικών δεσμών, ισοδύναμων με αυτούς που υπάρχουν σε άλλες χημικές ενώσεις» λέει ο Σπύρος Αναστασιάδης, καθηγητής Επιστήμης και Τεχνολογίας Πολυμερών στο Πανεπιστήμιο Κρήτης και διευθυντής του Ινστιτούτου Ηλεκτρονικής Δομής και Laser του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Ερευνας (ΙΤΕ). Αν δεν καταλάβατε πολλά από το παραπάνω, ο Σπύρος Αναστασιάδης αναλαμβάνει να εξηγήσει: «Η “μακρομοριακή υπόθεση” του Staudinger επιβεβαιώθηκε όταν ο Wallace Carothers της εταιρείας DuPont, εφευρέτης του νάιλον, απέδειξε πως είναι δυνατή η σύνθεση πολυμερών χρησιμοποιώντας κλασικές αντιδράσεις οργανικής χημείας. Ο Staudinger βραβεύτηκε με το βραβείο Νομπέλ το 1953». Και γεννήθηκε η επιστήμη των πολυμερών…

ΜΕΓΑΛΗ ΠΟΙΚΙΛΙΑ. Τι όμως είναι ακριβώς τα «συνθετικά πολυμερή» που βρίσκονται παντού γύρω μας; «Απλά κλείστε τα μάτια σας και ακουμπήστε κάτι: κατά πάσα πιθανότητα θα ακουμπήσετε ένα πολυμερές» λέει μιλώντας στα «ΝΕΑ» ο Αναστασιάδης.

«Τα πολυμερή βρίσκουν πλήθος εφαρμογών εξαιτίας της μεγάλης ποικιλίας αλλά και των ιδιαίτερων ιδιοτήτων τους: από ύλες και αντικείμενα καθημερινής χρήσης (π.χ. πλαστικά, χρώματα, υφαντικές ίνες) έως ειδικών απαιτήσεων εξειδικευμένα προϊόντα (π.χ. τεχνητές αρθρώσεις ισχίου, απορροφήσιμα ράμματα), ενώ διεισδύουν όλο και περισσότερο σε τομείς υψηλής τεχνολογίας (π.χ. μικροηλεκτρονική, αεροναυπηγική – αεροδιαστημική βιομηχανία, ιατρική – φαρμακολογία). Για παράδειγμα, σύνθετα πολυμερή υλικά αποτελούν περίπου το 50% του βάρους του πιο καινούργιου αεροσκάφους Boeing 787 Dreamliner. Το βασικό πλεονέκτημα των πολυμερών που επιτρέπει αυτή την τεράστια ποικιλία εφαρμογών είναι η δυνατότητα εξειδίκευσης των ιδιοτήτων τους μέσω της κατάλληλης χημείας, η ικανότητα αυτοοργάνωσης, η ευκολία ανακλιμάκωσης αλλά και επεξεργασίας, π.χ. από διάλυμα για εκτύπωση σε μεγάλες επιφάνειες» εξηγεί ο ίδιος. Στο εργαστήριο του Σπύρου Αναστασιάδη και της Ομάδας Υβριδικών Νανοδομών του ΙΤΕ, φυσικοί, χημικοί, χημικοί μηχανικοί, επιστήμονες υλικών και βιολόγοι ασχολούνται με την ανάπτυξη νέων λειτουργικών «νανοδομημένων υλικών». Οπως λέει ο Αναστασιάδης, χαρακτηριστικά παραδείγματα της ερευνητικής δραστηριότητας αποτελούν «η ανάπτυξη υπερυδρόφοβων και αυτοκαθαριζόμενων επιφανειών, η ανάπτυξη υπερυδρόφιλων αντισταγονιστικών φύλλων, η ανάπτυξη έξυπνων επιφανειών, οι οποίες έχουν την ικανότητα να αποκρίνονται σε εξωτερικά ερεθίσματα μεταβάλλοντας τις ιδιότητες διαβροχής τους από υπερυδρόφοβες έως υπερυδρόφιλες, η ανάπτυξη νέας γενιάς επιστρωμάτων που προσφέρουν βιοστατική δράση και, παράλληλα, έχουν την ικανότητα αναγέννησης, η ανάπτυξη νανοσύνθετων υλικών με βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες αλλά με μειωμένο βάρος και επιβραδυμένη ανάφλεξη για τη βιομηχανία αυτοκινήτων».

ΝΕΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ. Σήμερα, η γενική τάση είναι η διεύρυνση των εφαρμογών των πολυμερών σε τομείς που δεν ήταν παραδοσιακά δικοί τους, όπως αυτοί της ενέργειας, του περιβάλλοντος και της ιατρικής. Σημαντικά βήματα αναμένονται στη χρήση εξειδικευμένων πολυμερών σε συστήματα παραγωγής ενέργειας (π.χ. οργανικά φωτοβολταϊκά, μεμβράνες για κελιά καυσίμου), σε συστήματα αποθήκευσης ενέργειας (π.χ. στερεοί πολυηλεκτρολύτες για μπαταρίες λιθίου), σε συστήματα μεμβρανών για διαχωρισμό αερίων (π.χ. μεθάνιο / υδρογόνο από το φυσικό αέριο) ή αφαλάτωση νερού κ.λπ. Παράλληλα, οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει νέες μεθόδους για τη σύνθεση μακρομορίων, υψηλής διακριτικής ικανότητας τεχνικές για τη μελέτη της δομής και των φυσικοχημικών τους ιδιοτήτων. Την ίδια στιγμή, έχουν καταφέρει να μιμηθούν δομές και ιδιότητες πολυμερών που υπάρχουν στη φύση. Η Κρήτη αποτελεί έναν από τους σημαντικούς πόλους διεθνώς στην επιστήμη των πολυμερών, ενώ το εργαστήριο του Σπύρου Αναστασιάδη έχει διεκπεραιώσει με επιτυχία πληθώρα ερευνητικών προγραμμάτων με προϋπολογισμό πολλών εκατομμυρίων ευρώ.

Γλωσσάρι
– Πολυμερές. Ενα πολύ μεγάλο μόριο (μακρομόριο ή μακρομοριακή αλυσίδα) που σχηματίζεται με την ομοιοπολική σύνδεση (δηλ., τον πολυμερισμό) ενός μεγάλου αριθμού επαναλαμβανόμενων μονάδων (μονομερών) της ιδίας ή διαφορετικής χημικής δομής.
– Πολυμερη νανοσύνθετα υλικά
Σύνθετα υβριδικά υλικά που αποτελούνται από πολυμερή μήτρα και ανόργανα εγκλείσματα, των οποίων η μία τουλάχιστον διάσταση είναι στην κλίμακα νανομέτρων (1 νανόμετρο είναι 1 δισεκατομμυριοστό του μέτρου).
– Εξυπνες επιφάνειες
Επιφάνειες υλικών που έχουν την ικανότητα να αποκρίνονται σε εξωτερικά ερεθίσματα (π.χ., pH, θερμοκρασία, φως).

Τι λέει η «νέα γενιά»
Γεωργία Νικολακάκου
Η επιστημονική προσέγγιση πολυμερών και έξυπνων υλικών αποτελεί σήμερα ένα πολύ φλέγον ζήτημα, καθώς εμφανίζουν ένα πλήθος από αξιοσημείωτες ιδιότητες αλλά και ιδιαιτερότητες. Ειδικότερα, οι στερεοί πολυμερείς ηλεκτρολύτες βρίσκουν ευρεία εφαρμογή σε θέματα τεχνολογίας, όπως είναι οι μπαταρίες ιόντων λιθίου που αποτελούν την πρώτη επιλογή στον τομέα των ηλεκτρονικών λόγω των ποικίλων πλεονεκτημάτων που παρουσιάζουν. Η ιδέα της χρήσης των στερεών πολυμερών υλικών αποτελεί μια ερευνητική πρόκληση για εμάς.
Η Γεωργία Νικολακάκου είναι μεταπτυχιακή φοιτήτρια

Φάνης Κρασανάκης
Πολλοί χαρακτηρίζουν τον 20ό αιώνα ως αιώνα των πολυμερών. Στο εργαστήριό μας ασχολούμαστε κυρίως με τη μελέτη των ιδιοτήτων νανοσύνθετων πολυμερών υλικών, όπως είναι οι επιφανειακές ή οι θερμικές ιδιότητες. Σε συνεργασία με μεγάλες βιομηχανίες ή άλλα ερευνητικά ιδρύματα και μέσω διεθνών ή εγχώριων ερευνητικών προγραμμάτων, προσπαθούμε να δώσουμε λύσεις και να αναπτύξουμε νέα προϊόντα τα οποία να έχουν άμεση εφαρμογή στην αγορά.
Ο Φάνης Κρασανάκης είναι μεταδιδακτορικός ερευνητής