Materiály kolem nás

Od pravěku až po současnost je naše civilizace závislá také na využívání různých materiálů často protichůdných vlastností. Některé z nich daly dokonce jméno prehistorickým epochám (doba kamenná, doba železná). Dnešní dobu bychom mohli označit jako dobu křemíkovou, neboť krystalický křemík je základem veškeré elektroniky. Ale vezměme to pěkně popořádku.

Jeden z prvních materiálů, které člověk využil, byl kámen. Proč ho lidé začali používat? Je tvrdý a například pazourek se také snadno štípe a vytváří ostré hrany. Pomocí nich pak dokázali porcovat maso a čistit kůže.

13.20 – Pazourek je druh křemene – chalcedon. Lze ho dobře štípat a byl používán k výrobě pravěkých nástrojů.

Stejně tak využíváme jeho úžasných vlastností při zpracování dřeva. Dřevo můžeme poměrně snadno štípat ve směru jeho podlouhlých vláken, zatímco ve směru k nim kolmém je to velmi obtížné. Truhlář, chce-li ze dřeva vyrobit nohu židle, musí dřevo také řezat určitým směrem, aby byla dostatečně pevná a dlouho sloužila.

Materiál, který má v různých směrech různé vlastnosti, nazýváme anizotropní (viz Aktivita 3 a 4 v úvodu této kapitoly). Naopak izotropie materiálu značí stejné vlastnosti ve všech směrech.

13.21 – Struktura celulózového vlákna

Člověk si také vyráběl nástroje ze zvířecích kostí, které jsou dalším velmi zajímavým materiálem. V tlaku jsou dostatečně pevné, aby unesly celou hmotnost zvířete nebo člověka. Musí však vykazovat i dostatečnou pevnost při ohýbání. Aby dokázaly splnit všechny tyto požadavky, mají velice zajímavou strukturu. Struktura kostí je tvořena krystaly fosfátu vápníku (65 %), které jsou obepnuty kolagenními vlákny. Tím se kost stává pevnější, než kdyby v ní kolagenní vlákna nebyla. Taková struktura je dnes velmi často využívána pro vytvoření materiálu lepších vlastností, než vykazuje každý materiál sám o sobě nazývá se kompozitní materiál.

13.22 – Kost je tvořena dvěma materiály – nanokrystaly hydroxylapatitu, které jsou „omotány“ pružnými vlákny kolagenu. Minerální látky tvoří až 65 % objemu kosti.

V průběhu staletí se člověk naučil vyrábět železné nástroje. Železo a další kovy mají na rozdíl od kamene nebo dřeva velmi zajímavou vlastnost – jsou kujné. To znamená, že je můžeme tvarovat kováním, například rozklepat do velmi tenkých plíšků, aniž by se rozpadly. Nejprve byly železné nástroje poměrně jednoduché a nekvalitní. Postupně člověk vyvinul různé zajímavé techniky zpracování železa, kterými železu dodal další vlastnosti. Nejvýznamnější postup zpracování železa je výroba oceli. Ocel je slitina železa a uhlíku a dalších prvků, přitom uhlíku je do 2,14 %. Při obsahu uhlíku vyšším než 2,14 % se hovoří o litinách.

Surové železo obsahuje procento uhlíku poměrně velké (asi 3 %) a je špatně kujné, protože je křehké. Ocel se vyrábí ze surového železa odstraňováním přebytečného uhlíku a dalších prvků. Kvalitu oceli pak ovlivňuje dodání dalších, tzv. legujících prvků (např. mangan, nikl, chrom nebo křemík).

Dnes se prakticky veškeré surové železo zpracovává na ocel různých vlastností a různých užití v průmyslu a stavebnictví. Rozlišujeme více než 2 000 druhů oceli. Železo nebo ocel můžeme poměrně dobře recyklovat.

Stejně jako železo nás také provází od úsvitu lidstva keramika . Jestliže dříve jsme ji používali hlavně na výrobu nádob na uchování obilí, vína, oleje (či jiných tekutin), dnes je její použití mnohem širší. Ve své podstatě jde o soudržné, ve vodě prakticky nerozpustné polykrystalické látky získané z anorganických nekovových surovin. Vypálením výrobku v žáru dojde ke zpevnění a vytvoření nové mikrostruktury. Chemickým složením se jedná o různé oxidy, např. Al2O3 a SiO2 v cihlářských výrobcích nebo porcelánu.

Hlavní vlastností keramiky je její tvrdost a odolnost. Vydrží i velké teploty, nepodléhá korozi. Její slabou stránkou však je, že se špatně tvaruje a je křehká. O tom svědčí množství střepů, které se nám z minulých dob dochovaly, zachovalá prehistorická nádoba je velkou vzácností. Dnes se s keramickými materiály můžeme setkat při stolování, nalezneme je však i v jiných oblastech. Například v elektrotechnice (izolátory), při výrobě nástrojů (hroty vrtáků), ve stavebnictví (cihly, sanitární keramika, obklady, střešní krytina, …).

Od počátku 20. století došlo díky rozvoji chemie k vytvoření celé skupiny materiálů, které dnes nazýváme plasty. Chemicky jsou základem plastů dlouhé organické molekuly – polymery. Základním strukturním prvkem polymerů je atom uhlíku C, který je díky své atomové struktuře schopen vytvořit čtyři kovalentní vazby. Podle druhu přísad (plniva, změkčovadla, stabilizátory a jiné) získávají velmi rozdílné vlastnosti. Skrývají se pod zkratkami: PET (polyethylentereftalát), PVC (polyvinylchlorid), PE (polyetylen), PP (polypropylen), PS (polystyren) a další.

Plasty dokázaly ve velké míře nahradit tradiční materiály (sklo, látky nebo dřevo), které však byly recyklovatelné nebo byla jednoduchá jejich likvidace. U plastů se celosvětově řeší jejich opětovné zpracování, protože jinak často končí ve volné přírodě.

Zkuste si projít následující galerii a uvědomit si, kde všude se s plasty setkáváme. Další informace naleznete na https://www.samosebou.cz/.