Mark Miodownik o materiałach, które mogą zmienić świat

Tomasz Targański: – Materiały otaczają nas zewsząd, ale pana zdaniem nie darzymy ich szacunkiem, na jaki zasługują. Mark Miodownik: – Zgadza się. Przyjmujemy za pewnik, że są. Nie umiemy ich podziwiać, choć to one nadają kształt naszemu światu i dosłownie utrzymują cywilizację. Gdyby jakimś magicznym sposobem wszystkie tworzywa na świecie nagle zniknęły, znaleźlibyśmy się nadzy pośrodku niczego. Poza tym materiały odgrywają również ważną rolę cywilizacyjną. Otaczamy się nimi i przypisujemy im jakieś znaczenie. Są dla nas ważne, uosabiają nasze ideały, wyrażają tożsamość. Tysiące lat temu, gdy tylko wynaleźliśmy narzędzia, zaczęliśmy tworzyć biżuterię. Robiliśmy i robimy to, bo chcemy wyrażać siebie za pomocą realnych przedmiotów. Lubimy je dotykać, wąchać. Dzięki nim jesteśmy bardziej ludźmi. Czy istnieje jakiś uniwersalny sposób na upowszechnienie danego materiału? Na ile jest to wynik naszych codziennych potrzeb? A może decydującą rolę gra przypadek? Zwykle dzieje się tak, że ludzie wynajdują jakiś materiał, ale nie wiedzą, do czego go użyć. Czasem trzeba kilku stuleci, by znaleźli dla niego zastosowanie. Weźmy na przykład gumę. Korzystali z niej już Aztekowie, ale głównie w celach, powiedzmy, rekreacyjnych. Ale kto nie zwariowałby dla gumowej piłki! Dopiero na początku XX w. Zachód „odkrywa” gumę i niemal od razu robi z niej rzeczy masowego użytku: opony, podeszwy. Tak więc pojawienie się danego tworzywa i jego wartość zależy od wielu okoliczności. Nawet te, bez których dziś nie wyobrażamy sobie życia, pojawiły się przypadkiem. Ma pan na myśli… Stal nierdzewną. W 1913 r. inżynier Harry Brearley, pracujący w zakładach metalurgicznych w Sheffield, chciał stworzyć wytrzymalsze lufy dla wojska. Eksperymentował z różnymi stopami metali, działając metodą prób i błędów. Jednego dnia sięgał po aluminium, drugiego po nikiel. Olśnienie nadeszło, gdy przechodził przez pracownię i w stercie rdzewiejących blaszek zobaczył coś lśniącego. Wspomniana próbka składała się z mieszanki żelaza, węgla oraz chromu. W istocie był to pierwszy w dziejach kawałek stali nierdzewnej, czyli kolejnego materiału, którego dziś niemal nie zauważamy. Tymczasem, jeśli mówimy o ideach, to stal nierdzewna jest właśnie ucieleśnieniem ludzkich marzeń o nowoczesności. Dzięki niej mamy nie tylko nierdzewiejące i ostre noże – za co nasi pradziadowie daliby się nomen omen pociąć – ale należymy do jednego z pierwszych pokoleń, któremu metalowy posmak sztućców nie zakłóca smaku potrawy. Czyli najpierw muszą pojawić się odpowiednie materiały i odpowiedni człowiek, by można było przyoblec ideę w ciało? Trudno tu o matematyczny wzór, ale bez wątpienia idee, np. żelbetowy most, potrzebują materiałów o konkretnych właściwościach, by stać się rzeczywistością. Pomyślmy o rysunkach Leonarda da Vinci, o wspaniałych maszynach, które istniały tylko w jego wyobraźni. Z punktu widzenia zasad mechaniki tamte koncepcje były w większości trafione. Ale z powodu braku odpowiednich materiałów pozostały tylko na papierze. Każda idea musi trafić na właściwe tworzywo. Dopiero wtedy nabiera realnych kształtów. Jak określiłby pan cele, które stawia sobie materiałoznawstwo? W jednym z wywiadów powiedział pan, że nienagrzewająca się rączka od garnka jest jedną z nierozwiązanych tajemnic tej dziedziny nauki. Cóż, nie wszyscy uważają, że idealnie nienagrzewająca się rączka od garnka zasługiwałaby na miano przełomu, ale dzięki niej nasze życie byłoby z pewnością łatwiejsze. W gruncie rzeczy jest to złożony problem. Jak wiadomo, metale dobrze przewodzą ciepło. Niestety, możemy się przez to poparzyć. Aby temu zapobiec, korzystamy z drewna bądź plastiku, bo są izolatorami. Tyle że połączenie ich z metalem w sposób trwały jest bardzo trudne. W efekcie wielu z nas uchwyt od garnka lub patelni został kiedyś w ręku. Tak więc obmyślanie połączeń między różnymi materiałami to fascynujące zajęcie. Czasem czuję się jak mechanik samochodowy. Tyle że on, aby się dowiedzieć, co się dzieje w środku, zagląda pod maskę, a ja w głąb materiałów. Właśnie. Na ile użyteczność danego materiału zależy od jego wewnętrznej struktury? To kombinacja wielu zmiennych: liczby wiązań między atomami, ich wielkości i ładunku. Problem w tym, że patrząc wyłącznie na wspomniane wartości, nie sposób przewidzieć, czego potrzeba, by stworzyć pożądany materiał. Po prostu nie wiadomo. Możemy teoretycznie stwierdzić, że dane połączenie będzie trwałe, ale potem okazuje się, że nie wzięliśmy pod uwagę, jak dany pierwiastek reaguje z tlenem bądź wodą. To bardzo skomplikowany proces. Dlatego miarą postępu w materiałoznawstwie zawsze były doświadczenia empiryczne. Jestem ich wielkim zwolennikiem. W biologii i medycynie metody eksperymentalne przeważają nad teoretycznymi, ponieważ organizmy, którymi się zajmują, są tak złożone, że wymykają się opisowi teoretycznemu. W mojej dziedzinie jest podobnie. Stworzenie dobrego materiału wymaga dużo wiedzy, ale przede wszystkim wytrwałości, by wciąż próbować. Pańska książka „W rzeczy samej” uczy, że historia cywilizacji to w pewnym sensie sztafeta materiałów. Stare i mniej użyteczne są wypierane, bo zastępują je nowe, bardziej przystosowane do naszych potrzeb. Może pan wymienić kilka takich przypadków? W średniowieczu i czasach nowożytnych ogromnie popularny był cynołów, czyli stop przede wszystkim cyny i miedzi. Wykorzystywano go głównie do wyrobu talerzy bądź kufli do piwa. Alternatywą dla niego było drewno, ale ono nadawało jedzeniu określony smak. Albo metale szlachetne, jak złoto czy srebro, tyle że poza arystokracją nikogo nie było na nie stać. Cynołów stał się metalem, nazwijmy to, klasy pracującej. Później, kiedy cena szkła i ceramiki zaczęła spadać, cynołów został na lodzie i dziś tak naprawdę nikt go nie potrzebuje. Światem materiałów rządzi więc swego rodzaju darwinizm? Jeszcze do niedawna tak właśnie mogło się wydawać, ale w ostatnich latach zarysował się jeszcze jeden czynnik. Wytłumaczę to na przykładzie azbestu, którym posługiwaliśmy się przecież od stuleci. Jego włókna były cenione ze względu na wytrzymałość, używano ich dosłownie do wszystkiego: od szycia po konstrukcję domów. W XIX i XX w. azbestem ocieplano budynki, pokrywano dachy, a w latach 50. firmy tytoniowe chciały nawet robić z niego filtry do papierosów. Kiedy naukowcy udowodnili, jak bardzo jest szkodliwy, wszystko się zmieniło. Dziś nawet nie chcemy o nim słyszeć. Moim zdaniem historia azbestu symbolizuje wielką przemianę w podejściu do materiałów. Jak nigdy przedtem, zaczynamy przywiązywać dużo większą wagę do środowiskowych i zdrowotnych konsekwencji ich używania niż do użyteczności czy ceny. W książce wymienia pan kilka materiałów, które w przyszłości mogą mieć kolosalne znaczenie dla naszej cywilizacji. Jednym z nich ma być samonaprawiający się beton. Historia tego materiału zaczęła się, gdy naukowcy badali różne organizmy żyjące w warunkach ekstremalnych. Odkryli pewien gatunek bakterii zamieszkujący dna silnie zasadowych jezior wulkanicznych. Okazało się, że Sporosarcina pasteurii, bo o nich mowa, wytrącają taki sam rodzaj kalcytu jak ten obecny w betonie, a przy tym są niezwykle odporne i mogą trwać uśpione w kamieniu przez wiele dekad. Umieszczono je więc w betonie wraz z pewnym rodzajem skrobi, stanowiącym ich pożywienie. Kiedy bakterie „śpią”, otaczają je włókienka uwodnionych krzemianów. Jeśli jednak powstaje pęknięcie, uwalniają się z pułapki. W obecności wody budzą się do życia i zaczynają szukać pożywienia. Wtedy znajdują dodaną do masy betonowej skrobię, zaczynają się mnożyć, wydzielając mineralne kalcyty – odmianę węglanu wapnia. Kalcyt wiąże się z betonem i zaczyna budować strukturę mineralną, która nie tylko zapobiega powiększaniu się szczeliny, ale wręcz ją zasklepia. Czy to naprawdę działa? Tak. Dotychczasowe badania wykazały, że „przyprawiony” bakteriami beton po spękaniu i samoregeneracji odzyskuje pierwotną wytrzymałość w 90 proc. Trwają prace mające na celu przysposobienie tego materiału do realnych zastosowań inżynierskich. Dlaczego mielibyśmy nie zostać przy starym, sprawdzonym i pewnie tańszym betonie? Aby odpowiedzieć na to pytanie, trzeba spojrzeć na problem szerzej. Moim zdaniem istnieją dwa równoległe scenariusze na przyszłość. W obu energia jest pozyskiwana w zrównoważony, odnawialny sposób, dzięki czemu przestaliśmy wyrządzać szkody środowisku. Pierwszy scenariusz zakłada jednak, że energia jest nie tylko „zielona”, ale również bardzo tania. Drugi, przeciwnie – może i jest „zielona”, ale jej produkcja kosztuje krocie. Dziś wszystko wskazuje, że zmierzamy w kierunku modelu „zrównoważona i droga”. Jeśli tak się stanie, musimy za wszelką cenę zmniejszyć zużycie energii, co oznacza: przestać w kółko przebudowywać, remontować i naprawiać. Praktycznie połowa budowli na świecie jest wykonana z betonu, a ich konserwacja to kosztowne i energochłonne przedsięwzięcie. Potrzebujemy materiałów, które wytrzymają 100 lat albo dłużej, a w razie czego same się naprawią. Nie tak dawno materiałem przyszłości okrzyknięto aerożele. To niezwykłe tworzywo, najlżejsze ciało stałe na świecie, w 99 proc. złożone z powietrza. Co ciekawe, na zewnątrz a