Ceramika może być podstawą innowacji w wielu branżach. Stosuje ją już telekomunikacja w smartfonach 5G czy zbrojeniówka w czołgach

Medycyna, elektronika, telekomunikacja czy przemysł zbrojeniowy oraz jądrowy – to dziedziny gospodarki, w których zastosowanie znajduje ceramika, dziś kojarzona głównie z materiałami budowlanymi czy akcesoriami do wnętrz. Co więcej, zaawansowana ceramika jest zaliczana do materiałów determinujących innowacyjność tych branż. Ceramiczne elementy w smartfonach pozwolą w pełni wykorzystać łączność w technologii 5G, a produkowane w drukarkach 3D ceramiczne protezy są dobrze przyjmowane przez organizm pacjenta. Rynek tego typu materiałów wzrośnie w ciągu kilku najbliższych lat o jedną trzecią.

– Ceramika kojarzy nam się przede wszystkim z materiałami budowlanymi. W domach mamy dużo przedmiotów ceramicznych codziennego użytku, takich jak wazony z betonu architektonicznego, blaty kwarcowe czy po prostu filiżanki do kawy. Coraz częściej ceramikę możemy zastosować w medycynie, elektronice, telekomunikacji, a nawet w przemyśle jądrowym. Materiały ceramiczne pozyskujemy już nie z surowców naturalnych, lecz z proszków ceramicznych, które sami musimy zsyntezować – wyjaśnia w rozmowie z agencją Newseria Innowacje dr hab. inż. Paulina Wiecińska, profesor Politechniki Warszawskiej z Katedry Technologii Chemicznej. 

Współczesne materiały ceramiczne, nazywane ceramiką zaawansowaną, mają właściwości kluczowe dla wykorzystywania ich w innowacjach technologicznych. Są bardzo odporne na ekstremalne zmiany temperatury (2 tys. stopni C), ogniotrwałe, a także niezwykle twarde, wytrzymałe i odporne na ścieranie. Pozwala to wykorzystywać je na przykład w branży zbrojeniowej do tworzenia pancerzy w czołgach. Z uwagi na to, że dodatkowo są biokompatybilne, można je stosować w implantologii. Protezy wykonane z tych materiałów są dobrze tolerowane przez organizm, a przy tym odporne na zużycie mechaniczne, nawet jeśli wszczepiane są na przykład w stawach.

– Wśród ceramiki znajdziemy też materiały, które są półprzewodnikami, podobnie jak krzem i german. Powłoki z ceramiki półprzewodnikowej możemy nanosić na szyby. Daje nam to taki efekt, że niwelujemy straty ciepła, oszczędzamy energię, a my po prostu czujemy komfort termiczny – wymienia prof. Paulina Wiecińska. – Jest to na dodatek materiał ferroelektryczny. Oznacza to, że nie przewodzi prądu, ale w pewnych warunkach ulega polaryzacji. Dzięki temu możemy go stosować w dronach, systemach komunikacji satelitarnej, nowoczesnych antenach, a także w smartfonach wykorzystujących łączność w technologii 5G.

Wykorzystanie ceramiki do odbioru sygnału w urządzeniach mobilnych pozwala na pracę w wyższym paśmie częstotliwości, nawet do 100 GHz. Jego użycie jest niezbędne do tego, by w pełni wykorzystać potencjał superszybkiej łączności 5G. W smartfonach są też montowane inne ceramiczne podzespoły, między innymi kondensatory. Oprócz posiadania właściwości wpływających na wydajność i szybkość przesyłania danych ceramika może poprawić bezpieczeństwo użytkowników.

– Prowadzimy badania nad materiałami ferroelektrycznymi, które mogą być elastyczne. Ceramikę łączymy razem z polimerem i taki materiał – dzięki temu, że odpowiednio dobierzemy sobie surowce – może pracować w wysokich częstotliwościach, o których mówimy „terahercowe”. Trzeba podkreślić, że takie promieniowanie jest jednak bezpieczne dla komórek, w przeciwieństwie na przykład do promieniowania rentgenowskiego – wyjaśnia ekspertka Katedry Technologii Chemicznej PW.

– Nasze badania mają na celu poszukiwanie nowych dróg formowania materiałów ceramicznych, które są bardziej przyjazne dla środowiska, ale także bardziej wydajne, ekonomiczne, czyli pozwalają nam nie tylko zaoszczędzić surowce, ale także czas – zauważa dr inż. Paweł Falkowski, adiunkt w Katedrze Technologii Chemicznej Politechniki Warszawskiej. – W tych badaniach poszukujemy nowych związków przyjaznych środowisku, pozyskiwanych z surowców odnawialnych, takich jak np. cukry, fruktoza, sacharoza, związków, które powszechnie używamy, a mają zastosowanie w technologii ceramiki. Związki z tej grupy siłą rzeczy są bardziej przyjazne dla nas, możemy je stosować bez obawy o nasze zdrowie, ponieważ w chemii stosujemy często różne związki, z którymi obcowanie potrafi spowodować podrażnienia skóry i które nie są przyjazne dla naszego organizmu.

W laboratoriach chemicznych materiał ten sprawdza się w zwiększaniu wydajności przeprowadzanych procesów. Przykładem mogą być zyskujące na popularności mikroreaktory ceramiczne.

– To niewielkie urządzenia z kanałami o średnicy 50–100 mikrometrów, w których można wydajnie prowadzić reakcje chemiczne. Tutaj reakcja zachodzi dużo szybciej i nawet jeżeli w przypadku jakiejś awarii czy wycieku mamy do czynienia z odczynnikami toksycznymi, to w takim mikroreaktorze, gdzie używamy mikroilości składników, siłą rzeczy negatywne efekty są zminimalizowane – zauważa dr inż. Paweł Falkowski, adiunkt w Katedrze Technologii Chemicznej Politechniki Warszawskiej. – Z kolei kaskady takich mikroreaktorów ceramicznych pozwalają uzyskać nam duże ilości produktu w relatywnie krótkim czasie. Materiały ceramiczne są też stosowane w konstrukcji reaktorów plazmowych np. do rozkładu niebezpiecznych, toksycznych gazów.

Okazuje się, że ceramika może być też przyszłością technologii druku przyrostowego. W kwietniu na rynku pojawiła się drukarka CeraFab Lab L30 firmy Lithoz, przeznaczona do drukowania z wykorzystaniem ceramiki tlenkowej. Kompaktowa drukarka 3D jest przeznaczona przede wszystkim dla branży biomedycznej, lotniczej czy elektronicznej i pozwala produkować elementy na małą skalę.

– Wykorzystując pasty ceramiczne, możemy otrzymywać np. porowate materiały o ściśle zaprojektowanej porowatości i wielkości porów. Tego typu materiały mogą być stosowane zarówno jako podłoża do wzrostu komórek, jak i w przemyśle ciężkim do filtracji stopionych metali – podkreśla dr inż. Paweł Falkowski.

Według analityków Research and Markets światowy rynek zaawansowanej ceramiki wypracuje w 2027 roku przychody sięgające kwoty ponad 101 mld dol. W 2020 roku wycena wyniosła ponad 75 mld dol.

Innowacyjne zastosowanie ceramiki oraz badania prowadzone przez Katedrę Technologii Chemicznej Politechniki Warszawskiej były tematem Good Morning Science – comiesięcznego spotkania w ramach inicjatywy klubu Trend House założonego przez Fundację Venture Café Warsaw. Klub liczy dziś ponad 160 członków, ekspertów ze świata nauki, biznesu i ekosystemu innowacji. Jego misją jest łączenie innowatorów i rozwiązywanie ważnych problemów społecznych, ekonomicznych i technologicznych.