Sami nie wiemy... Nawet mieszkańcy Warszawy i okolic rzadko pamiętają o tym, że w Pruszkowie znajduje się Muzeum Starożytnego Hutnictwa Mazowieckiego im. Stefana Wojdy. Ekspozycja nie jest może imponująca, ale robi wrażenie na turystach. Pod koniec lat 60. ubiegłego stulecia archeolodzy natrafili na liczące około 2 tysięcy lat ślady wytopu żelaza. Śladów znajdowano coraz więcej i na coraz większym obszarze. Okazało się, że w tej okolicy na przełomie er istniał jeden z najpotężniejszych ośrodków hutniczych świata barbarzyńskiego. Dziś nosi oficjalną nazwę Mazowieckiego Centrum Metalurgicznego.

Odlewanie stopu metalu w hali doświadczalnej byłego Instytutu Odlewnictwa w Krakowie

Opanowanie trudnej sztuki wytwarzania nowego materiału przyniosło poważne skutki polityczne. Niektórzy sądzą, że to właśnie żelazo masowo produkowane na ziemiach polskich przyczyniło się do skutecznych walk barbarzyńców z rzymskimi legionami i w konsekwencji do upadku imperium. O sukcesie decydują bowiem często materiały. Są ważne szczególnie teraz, w XXI wieku.

Kilkanaście lat temu na warszawskim Krakowskim Przedmieściu przeżyłem niezwykłą przygodę. Przed pomnikiem Mikołaja Kopernika ustawiona została scena, na której „na żywo” przeprowadzałem proste doświadczenia. Obserwowały to tłumy przechodniów. W pelerynie i szapoklaku grałem rolę profesora Geista, bohatera powieści Bolesława Prusa. W ten sposób wziąłem udział w obchodach rocznicy powstania słynnej powieści pt. Lalka. Pokazywałem nowe, niezwykłe, ale prawdziwe materiały z początków XXI wieku. Ci, którzy pamiętają jeszcze szkolną lekturę, wiedzą, że profesor Geist był szalonym wynalazcą, który poszukiwał metalu lżejszego od powietrza. W czasach Prusa była to czysta fantazja. A dziś?

Lubię pracę odlewników. To prawdziwi artyści ciekłego metalu. Byłem z kamerą w kilku polskich odlewniach. Zdjęcia płynącego metalu są ozdobą mojego archiwum filmowego. Przez wiele lat odwiedzałem także sławny wówczas w świecie Instytut Odlewnictwa w Krakowie. Widziałem, jak powstawały tam materiały o właściwościach, które zaskoczyłyby paryskiego uczonego, Geista.

Specjaliści z Instytutu Odlewnictwa badali na przykład stopy bardziej odporne na ścieranie. W wysokiej temperaturze specjalnego pieca żeliwo potrafi zmieniać swoją strukturę. Pod mikroskopem widać, że na tle zmodyfikowanej osnowy powstają owalne twory grafitu. Tak rodzi się żeliwo sferoidalne ADI, z którego w przemyśle wytwarzane są wyroby o superwysokich wymaganiach eksploatacyjnych, w tym elementy maszyn rolniczych, które pracują bezpośrednio w kamienistej glebie. Na przykład lemiesze pługów. Dla specjalistów dziś jest to już zwyczajny materiał. A inne?

Mam w domu tarczę z aluminium, która ma twardość większą niż stal. To kompozyt. Powstaje w sposób dość niezwykły. Do ciekłego aluminium dodawany jest lotny pył z popiołu z elektrowni. Powstaje nowy materiał o niezwykłych właściwościach. Taki kompozyt łączy zalety metalu i ceramiki. To świetny materiał na przykład na fragmenty tłoków w silnikach samochodowych.

Odlewanie stali w Hucie im. Sendzimira

Dodanie w innej proporcji mikrosfer ceramicznych z popiołu może także spowodować, że metal staje się... lżejszy od wody. A to interesuje już specjalistów w wielu dziedzinach. Szczególnie w przemyśle kosmicznym i w produkcji zbrojeniowej. Takie materiały były badane także w Instytucie Transportu Samochodowego w Warszawie. Pod mikroskopem skaningowym można było zobaczyć strukturę aluminium z wprowadzonymi do środka włóknami tlenku aluminium. To materiał, który umożliwia konstrukcję tłoków do lepszych, bardziej wytrzymałych silników spalinowych. Dziś coraz częściej materiały są tworzone na zamówienie konstruktorów. To oni żądają, by na przykład metale zapewniały niezawodną, dłuższą eksploatację.

Właśnie w Instytucie Transportu Samochodowego widziałem kolejny niezwykły materiał kompozytowy. Było to aluminium z dodatkiem węglika krzemu. Okazało się, że wykonane elementy są bardzo trudne nawet do obróbki skrawaniem. Nóż tokarski ślizga się po powierzchni materiału.

Innym zadziwiającym kompozytem było aluminium z grafitem, ponoć znakomite do zastosowania na łożyska ślizgowe.

W 2018 roku od prof. Jerzego Sobczaka z Instytutu Odlewnictwa w Krakowie otrzymałem niesztampowy kalendarz. Został on wydany przez Instytut Odlewnictwa razem z Europejską Agencją Kosmiczną (ESA). Taka współpraca jest nobilitacją. Ilustracjami w tym kalendarzu są nowe, niezwykłe materiały, gazary.

Mam w domu niewielką, lekką płytkę metalową. Ma barwę miedzi. Uniesiona pod światło okazuje się... półprzezroczysta. Metal przecinają cienkie kanaliki. To właśnie gazar. Gazary to metale zbrojone... gazami. Zostały otrzymane po raz pierwszy w latach 60. ubiegłego wieku w Dniepropietrowsku, w Związku Radzieckim. Ich otrzymywanie jest wprost sensacyjne. W autoklawie do ciekłego metalu wprowadzany jest gaz. Wodór, o którym wiemy, że jest niebezpieczny. A temperatura przekracza 1000 stopni Celsjusza. Już w tym momencie czujemy, że nie jest to zwyczajna produkcja, a balansowanie na krawędzi. A jednak... Specjaliści powoli chłodzą zawartość tygla, ale prowadzą krystalizację metalu tak, by uzyskać materiał o zamówionych właściwościach. W trakcie krystalizacji wodór bezpiecznie opuszcza autoklaw. W urządzeniu pozostaje lekki materiał, w którym znajdują się drobne, równoległe kanaliki ułożone zgodnie z potrzebami projektantów. W innym przypadku mogą to być kuliste lub cylindryczne pęcherzyki. Opracowana technologia pozwala na wytwarzanie materiałów ultralekkich i wytrzymałych.

Badania tych niezwykłych tworów prowadzone były we współpracy z Instytutem Materiałoznawstwa Bułgarskiej Akademii Nauk oraz z Instytutem Transportu Samochodowego. W Polsce wybitnym specjalistą, który potrafi wytwarzać i badać gazary, jest właśnie prof. dr hab. inż. Jerzy Sobczak, który obecnie pracuje w Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Badaniami prowadzonymi przez tego uczonego we współpracy z Instytutem Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN interesują się specjaliści nie tylko ESA i NASA. Z takich materiałów powstają między innymi filtry pracujące w wysokich temperaturach, filtry do produkcji insuliny, elementy generatorów tlenu do uzdatniania wody, ale także części rakiet lub łożysk. Z każdym rokiem rośnie zainteresowanie tymi zaskakującymi kompozytami – metalami zbrojonymi gazem. W marcu 2021 roku ukazała się książka Jerzego J. Sobczaka, Natalii Sobczak, Ludmiła Drencheva Metale o ukierunkowanej porowatości wydana przez Wydawnictwa AGH.

Wspomniałem wcześniej moją rolę uczonego Geista z okazji obchodów rocznicy powstania Lalki Bolesława Prusa. W czasie tego pokazu zaprezentowałem inny niezwykły, bardzo efektowny materiał. To lakier, który zabezpiecza drewno przed ogniem. Lubimy drewniane domy, zabytkowe drewniane kościoły, rzeźby i meble. Drewniane budynki mają klimat i – jak, mówią niektórzy – „duszę”. Nierzadko czujemy do nich wielki sentyment. Niestety, jak wiadomo, drewno zapala się dosyć łatwo. Nawet jeśli taki obiekt uda się szybko ugasić, na drewnianych powierzchniach pozostaną ślady zniszczenia. W Instytucie Krajowych Włókien Naturalnych w Poznaniu już w latach 80. XX wieku prowadzone były badania nad substancjami, które mogą zabezpieczyć przed działaniem ognia drewno, tekstylia, ale także konstrukcje metalowe.

W wyniku wykorzystania najnowszych osiągnięć inżynierii materiałowej powstały rozwiązania, które mogą pomóc chronić drewniane kościoły, domy czy elementy wystroju budynków. W oparciu o nanocząstki opracowany został lakier, który pęcznieje pod wpływem płomienia. Na powierzchni drewna powstaje wówczas gruba piana, która jak kożuch izoluje drewno od dalszego wpływu wysokiej temperatury. Po zakończeniu działania ognia suchą pianę można zeskrobać np. tępym nożem. Powierzchnia drewna pozostaje nieuszkodzona. Lakier można nakładać na powierzchnię drewna pędzlem lub metodą natryskową. Po wysuszeniu przedmiot wygląda tak jak po każdym lakierowaniu. W laboratorium Instytutu (dziś jest to Instytut Włókien Naturalnych i Roślin Zielarskich w Poznaniu) kamerą zarejestrowałem różnice w działaniu silnego żaru i płomienia gazowego na płytki z surowego drewna i na takie same płytki zabezpieczone nowym materiałem. Czyste drewno pali się jasnym płomieniem już po kilkudziesięciu sekundach. Płytka pokryta lakierem po chwili zaczyna pokrywać się czarną pianą. Coraz grubszą. Nawet po wielu minutach ta warstwa izoluje drewno przed płomieniami i dostępem tlenu. Taki lakier o nazwie Expander FR można dziś bez najmniejszego problemu znaleźć w składach materiałów budowlanych. Czytam czasem informacje o pożarach zabytkowych budynków. Szkoda, że ich właściciele nie wydali naprawdę drobnych kwot, by ochronić drewno przed działaniem ognia.

Niestety, na ogół dość rzadko interesujemy się osiągnięciami naszych instytutów i laboratoriów. Szkoda. Nowe materiały naprawdę decydują o sukcesie.