Súčasné smerovanie vedy a výskumu sa momentálne uberá k nanotechnológiám. Nanotechnológia slúži na priamu manipuláciu hmoty na tzv. na noúrovni, na ktorú dnes ľudstvo ešte nemá dostatočne vybavenú techniku. Očakáva sa, že nanotechnológia by mohla výrazne znížiť výrobné náklady, ktoré by boli porovnateľné s cenou materiálu. Za najväčší prínos by sa ale považovala schopnosť nanotechnológie mať samoreplikujúce vlastnosti, z čoho by vyplývalo, že tieto systémy by mali byť schopné ako výroby produktov, tak replikácie samých seba, a to pri vzniku minimálneho množstva odpadu.
Nanotechnológie umožňujú veľmi presné umiestnenie atómu a tým aj väzby, ktorú naviaže s okolitými atómami. Základnou stavebnou jednotkou nano-zariadení sú objekty na báze uhlíka a jeho zlúčenín. Jedná sa o štruktúry a molekuly, ktoré obsahujú rádovo jednotky až desiatky atómov. Najväčší prínos nanotechnológií sa očakáva predovšetkým v medicínskych a biotechnicky zameraných odboroch. Táto nová platforma je výzvou aj pre dizajn, jeho kvalitu a jeho nové podoby. Nanomateriály sú už bežné v architektúre, či už ide o nestarnúce nanotitanové nátery alebo o obyčajný cement. Táto technológia so sebou prináša aj isté riziká, napr. mnoho z materiálov sa nedá ekologicky zlikvidovať.
Jedným so zaujímavých nanomateriálov je Aerogél. Má najnižšiu tepelnú vodivosť a aj je najľahší materiál na svete. Viac ako 99 percent objemu tvorí vzduch. Vďaka tomu sa mu hovorí aj zmrazený dym. Je to špeciálna nanoštruktúra, kompozit zložený z trubicovitých útvarov, ktoré zabezpečujú okrem nízkej hmotnosti aj spomenuté termoizolačné vlastnosti.
Najbežnejšie použitie nanomateriálov:
• ošetrenie povrchov, úprava povrchov a impregnácia povrchov za pomoci nanočastíc SiO2, ako aj oblečenie využívajúce pozitívne vlastnosti nanočastíc striebra.
• Efekt „ľahkého čistenia“ – Nečistoty ako vodný kameň, prach, škvrny, mastnota a iné nedokážu na povrch do takej miery priľnúť, nakoľko je medzi povrchom a nečistotou ochranná vrstva. Upravený povrch taktiež redukuje zachytávanie a množenie baktérií.
• Efekt „samočistenia“ (biomimicry) – Vďaka tomu, že nečistoty sú na ochrannej nano-vrstve, dokáže dážď sám na niektorých povrchoch zmyť veľkú časť nečistôt.
• impregnácia textilu a kože
• úprava laku automobilov proti poškriabaniu, NANO tekuté stierače
• úprava skla a keramiky
• impregnácia pórovitých povrchov
• impregnácia dreva
• ochrana kovov
• ochrana plastov a lakovaných povrchov
• impregnácia kameňa a minerálnych povrchov
• antibakteriálna povrchová úprava
Tvarová pamäť je efekt, ktorý môžeme pozorovať predovšetkým pri niektorých kovových zliatinách, ale bol objavený aj u niektorých plastov a v keramike. Sú zliatiny, ktoré si “pamätajú” svoj pôvodný tvar za studena. Návrat do pôvodného tvaru sa uskutoční zahriatím na určitú teplotu. Využívajú sa tri hlavné zliatiny meď-zinok-hliník- nikel (CuZnAlNi), meď-hliník-nikel (CuAlNi), titán-nikel (TiNi) nazývaný tiež NiTinol. Existuje mnoho zliatin s tvarovou pamäťou avšak ich pamäťový efekt je malý alebo nestabilný, preto sa veľmi nevyužívajú.
Efekt tvarovej pamäte má dva základné prejavy:
1. Jednosmerný – deformovaná zliatina sa pôsobením tepla dostane do pôvodného tvaru.
2. Dvojsmerná – materiál si pamätá dva rôzne tvary. Jeden tvar, keď je v základnom tvare a druhý tvar po zahriatí.
Sú materiály, ktoré aj napriek deformácii dokážu nadobudnúť svoj pôvodný stav pôsobením vonkajšieho podnetu, ako je napríklad zmena teploty. Okrem tepla môže byť týmto podnetom elektrický prúd, magnetické pole či svetlo. Polyméry s tvarovou pamäťou si dokážu zapamätať dokonca až tri rôzne tvary. Tak ako všetky polyméry majú aj tieto širokú škálu vlastností (biologicky odbúrateľné – stabilné, tvrdé – mäkké, priehľadné – nepriehľadné).
Polyméry majú oproti zliatinám viacero výhod: nižšie náklady, menšia hustota, väčšie spektrum teplôt, vysoká schopnosť pružnej deformácie až 200%.
Tvarová pamäť súvisí so zmenami atómovej štruktúry pri rôznych teplotách. Výrobky navrhnuté z takéhoto materiálu sú schopné so zmenou teploty cielenej tvarovej deformácie.
So zmenou atómovej štruktúry súvisia aj vizuálne javy ako napr. farba. Neprekvapí preto, že dnes už máme aj kovové materiály, ktoré môžu samy od seba meniť farbu. Takéto materiály často nazývame aj materiály inteligentné. Asi najúžasnejší z týchto nových inteligentných materiálov je samo-opravovací plast. Existuje niekoľko spôsobov ako to funguje. Jeden je inšpirovaný prírodným princípom, stromom kaučukovníka. Tento prírodný princíp aplikovali vedci na elastoméry. Aby podnietili v plastoch požadovaný „samohojivý proces“ vložili tam mikrokapsule s lepiacim materiálom na báze polyizobutylénu. Tie ak sa na ne vyvolá určitý tlak praskajú a uvoľňujú vysoko viskózny pastovitý materiál. Ten sa zmieša s polymérnymi reťazcami elastoméru a uzatvára mikrotrhlinky v základnom materiáli. Iné princípy sú schopné poškodené miesto do istej miery opraviť, len s pomocou denného svetla, a čo je ešte neuveriteľnejšie, takéto poškodené miesta môžu aj krvácať. Pri poškodení zmenia farbu a upozornia tak na potrebnú opravu. Asi netreba pripomínať, že využitie takýchto materiálov v dizajne je naozaj široké.
Pohľadový betón – betón vystužený skleneným vláknom sa vyrába zo zmesi modifikovaného polymér-cementu a alkalivzdorného skleneného vlákna. Táto kombinácia ponúka nové možnosti dizajnu betónových výrobkov. Materiál umožňuje výrobu betónových prvkov individuálnej 2D, 3D geometrie, ohýbanie, tvarovanie, zaoblenie rohov bez stykov a lepenia. Použitím základných prírodných surovín a sklenených vláken pôsobí pohľadový betón opticky ako obyčajný betón na vysokej kvalitatívnej úrovni. V možnostiach kombinácie farebnosti, textúry a opracovania povrchu poskytuje nekonečné možnosti pre jedinečnosť prvkov. Výhodou je použitie prírodných surovín, veľký formát tenkostenných dosiek pohľadového betónu znamenajúci nízku hmotnosť, nízke náklady na dopravu, manipuláciu a montáž. To všetko zároveň znižuje dopad na životné prostredie.
Uhlík je unikátny chemický prvok, ktorého kryštalická štruktúra má takmer ideálne termo-izolačné a elektro-vodivé vlastnosti. V závislosti od konkrétneho atómového usporiadania môže mať aj skvelé pevnostné vlastnosti, preto sa najčastejšie stretávame s uhlíkovým vláknom, ktoré sa v podobe tkaniny používa v tzv. karbóne – vysokopevnom kompozitnom materiáli, ktorý má uplatnenie aj v priemyselnom dizajne. Prelomovým uhlíkovým materiálom by sa v blízkej budúcnosti mal stať tzv. grafén. Má takmer dokonalú elektrickú vodivosť a svetelnú priepustnosť. To mu zaručuje pevné miesto vo fotovoltaike a nových zobrazovacích zariadeniach. Ďalším derivátom uhlíka sú uhlíkové nanotrubice, ktoré môžu dobre slúžiť napr. v elektrotechnike. Podľa jednej štúdie sú dokonca kľúčom k bezpečnému uchovávaniu tekutého vodíka vo vodíkových automobiloch. Uhlíkový základ má aj nový prevratný materiál na uchovávanie elektrickej energie. Ide o materiál vyvíjaný švédskou automobilkou Volvo, ktorý sa vzhľadom podobá plastu, ale zároveň môže slúžiť ako batéria. Využitie takéhoto materiálu v dizajne by opäť bolo nekonečné, vzhľadom na nepraktickosť a neekologickosť súčasných Li-ON a Li-POL batérií.
Kompozitné materiály patria medzi tie staršie nové materiály, ale vývoj pokračuje aj v tomto smere a stále sa stretávame s novinkami v tejto oblasti. Kompozitný materiál (kompozit) je materiál zložený z vhodne a cielene usporiadanej zmesi zložiek (na makroskopickej alebo mikroskopickej úrovni), ktoré sú navzájom nerozpustné a výrazne sa odlišujú svojimi vlastnosťami. Cieľom vytvárania kompozitných materiálov je získať materiály so špeciálnymi vlastnosťami alebo s kombináciou vlastností, ktoré sa nedajú dosiahnuť pri klasických materiáloch. Hoci sa kompozity vyrábajú často z dôvodu zlepšenia napr. elektrických, magnetických, tepelných či klzných vlastností, primárnym cieľom je zlepšenie mechanických vlastností. V konštrukčných plastoch je dôležité zvýšenie tuhosti a pevnosti, v kovoch zvýšenie pevnosti, v keramických materiáloch a sklách zvýšenie lomovej húževnatosti, a teda zníženie krehkosti.
Najpoužívanejší kompozit poznáme z architektúry – železobetón. V priemyselnom dizajne sa často používa kompozit skleného alebo uhlíkového vlákna a tvrdenej živice, či napríklad kevlar. V našich domovoch sa najčastejšie stretávame s kompozitným materiálom menom umelý kameň. Umelý kameň našiel svoje uplatnenie naozaj v celom byte. Pre svoje výhody trvalo stúpa obľuba umelého kameňa predovšetkým v namáhaných a vlhkých prevádzkach. Medzi prednosti kompozitov patrí predovšetkým ich nízka hmotnosť, vysoká pevnosť, praktickosť použitia a často aj nízka cena. Na trhu sa objavujú dokonca kompozity, ktoré sú 100 percentne recyklovateľné a majú skvelé termoizolačné vlastnosti. S príchodom pokročilých technológií je prakticky možné „namiešať“ zložky kompozitu tak, aby mali presne požadované vlastnosti, napríklad aj imitáciu organických povrchov. Existujú kompozity, ktoré sa vyrábajú z dreveného odpadu a majú v budúcnosti úplne nahradiť čisté drevo.
Samostatnú kategóriu tvoria tzv. prepregy, čo sú predimpregnované kompozitné pláty, ktoré stačí vložiť do formy a nechať vytvrdnúť, čo uľahčuje a urýchľuje prácu dizajnéra. Kompozity majú potenciál zohrať dôležitú úlohu, avšak mierne zaostáva ich výskum v oblasti potenciálnej viacnásobnej recyklácie. Pre dizajnéra všeobecne platí. Nie je kompozit ako kompozit. Jeho použitie si treba vždy zvážiť a použiť ho naozaj vtedy, keď jeho vlastnosti využijeme hlavne z funkčného hľadiska.
Patria sem rôzne penové hmoty:
penoplasty: (polystyrénkovové peny, hliníková pena, penová keramika;
vláknové dosky: (grafitová plsť, sklenené rohože, keramické izolácie).
Za zaujímavé nové materiály môžeme považovať aj tzv. kovové peny , ktoré sa takisto ako kompozity vyznačujú nízkou hmotnosťou a extrémne vysokou tuhosťou. Využívajú sa pre bezpečnostné deformačné zóny dopravných prostriedkov, zdvíhacích a manipulačných systémov. Samonosné tuhé a veľmi ľahké panely pre dopravné a stavebné konštrukcie. Nehorľavé stropné a stenové panely so zvýšenou schopnosťou izolovať teplo a hluk. Trvalé jadrá odliatkov, výplne dutých súčiastok zabraňujúce ich zborteniu pri mechanickom zaťažení, odliatky strojov so zvýšenou schopnosťou zvukového a vibračného tlmenia a kryty elektronických prístrojov, slúžiace ako ochrana pred pôsobením elektromagnetického žiarenia. Je na dizajnéroch, či nájdu pre tento nový materiál uplatnia vo svojich návrhoch.
Sú vyrábané na báze živíc, farbív a minerálnych zložiek takzvaným spôsobom „solid surfaces“ – vo vákuu, a preto je konečný produkt neporézny (nemá póry), nenasiakavý, nepreniknú do neho žiadne nečistoty, plesne a mikroorganizmy a môžeme ho zaradiť do skupiny antibakteriálnych materiálov. Polotovar sa spracováva takzvanou bezspojovou technológiou s „takmer neviditeľnými spojmi“, takže výrobok tvorí jednoliaty celok aj pri veľkoformátových kusoch. Technológia spracovania umožňuje a dáva neobmedzené možnosti tvarov hotových výrobkov. Výsledný produkt je ľahko udržiavateľný a taktiež po rokoch užívania sa dá povrch zrenovovať. Vynikajú možnosťou voľne tvarovať po zahriatí . Takisto je nehorľavý, dobre vedie svetlo a je príjemný na dotyk. Jeho využitie je široké, dnes sa používa predovšetkým na kúpeľne a kuchyne, ale možno ho použiť aj v exteriéri.
Bioplasty sú plastické hmoty vyrobené z biomasy. Na prvý pohľad vyzerajú rovnako, ako bežné plastické látky. Sú schopné dosiahnuť rovnaké vlastnosti ako tradičné plasty, ako tvrdosť, pružnosť, odolnosť. Niektoré môžu byť menej odolné vode alebo bežným poveternostným podmienkam. Od klasických plastov sa líšia tým, že väčšina z nich je vyrobená z obnoviteľných materiálov a môžu biologicky degradovať, čím nepredstavujú ekologickú záťaž. Ako základná surovina na ich výrobu slúži rastlinná biomasa, napríklad z kukurice, obilnín, repy alebo zemiakov. Veľmi často sú vyrábané zo škrobu. Patentovanými postupmi a technológiami sa dajú vyrobiť plasty a fólie požadovaných vlastností. Často sú používané v prípadoch, kedy sa vyžaduje použiť plast so skrátenou životnosťou. Momentálne sa z nich vyrábajú rôzne obaly, bio-balenia, tašky, ale aj plastové taniere, poháre, príbory alebo kvetináče. Vzhľadom na to, že likvidácia plastov je stále problematickejšou a zamoruje sa ním cely svet, dá sa predpokladať, že bude snaha nahradiť umelé hmoty práve degradovateľnými bioplastami v čo najväčšej miere. Nasvedčujú tomu aj merateľné úspechy výskumných laboratórií a firiem, ktoré sa snažia v kvalite bioplastov priblížiť a vyrovnať existujúcim umelým hmotám na trhu.
Ďalším zaujímavým plastovým materiálom je tzv. tekuté drevo. Tekuté drevo je silný, termoplastický materiál vyrobený zo zmesi lignínu a prírodných vlákien, ako je ľan alebo konope, a prísad, ako je vosk. Tento nový materiál je často oslavovaný ako ekologicky šetrná alternatíva plastov, pretože je netoxický, biologicky odbúrateľný a prírodný. Dá sa spracovávať podobne ako plasty vstrekovaním a/alebo lisovaním a navyše je recyklovateľný, pričom pokusy ukazujú, že zvládne minimálne 5 recyklačných cyklov bez zmeny kvality materiálu. Na prvý pohľad môže byť na nerozoznanie od živého dreva.
Vyrábajú sa vysokotepelnými chemickými reakciami z kremičitanov, oxidov, nitridov a pod. Všeobecnými vlastnosťami keramických materiálov je z chemického hľadiska nereaktivita, z mechanických vlastností tvrdosť, vysoká tepelná stabilita a krehkosť, a z elektrických nevodivosť. Nové keramické materiály sú navyše ekologické a niektoré druhy biokeramiky sú dokonca bioaktívne a organizmus na ne reaguje ako na živé tkanivo. V dizajne sa využíva hlavne jej tvrdosť (nože) a tepelná stabilita, čo sa využíva najmä pre kuchynské náradie, kde je potrebná odolnosť voči teplotám – hitom sú keramické panvice, kde keramický poťah dosahuje vďaka mikroštruktúre nepriľnavý charakter.
Geopolyméry sú anorganické materiály, ktoré sú veľmi podobné prírodným kameňom. A tak ako kamene vykazujú aj geopolyméry mimoriadnu trvanlivosť a vysoký stupeň tvrdosti. Ich štruktúra pozostáva, podobne ako je to v prípade keramickej dlažby, z minerálnych komponentov. Geopolyméry možno považovať za perspektívne materiály spĺňajúce náročné technické, ale aj ekologické požiadavky. Sú to materiály schopné konkurovať po technickej stránke portlandským cementom a po stránke ekologickej ich bezvýhradne prevyšovať. Ich prednosť spočíva v tom, že technológia geopolymérov poskytuje možnosti eliminácie prakticky všetkých ekologicky nepriaznivých okolností výroby cementov. Geopolymérne materiály majú vysokú odolnosť voči pôsobeniu agresívneho prostredia roztokov síranov a chloridov. Lepšie odolávajú kyslému agresívnemu prostrediu a sú značne odolné voči striedavému zmrazovaniu a rozmrazovaniu.
3D tlač
Tak ako väčšina nových technológií, aj 3D tlač bola dlho iba záležitosťou úzko špecializovaných odborov. Potenciál tejto technológie je však obrovský a tak si postupne nachádzala uplatnenie v stále nových odvetviach.
Tak ako klesala cena 3D tlačiarní, rástla aj popularita 3D tlače. Dizajnéri a architekti veľmi rýchlo tiež pochopili prednosti tejto technológie. Jednoducho a rýchlo si vedeli otestovať nové tvarové riešenia svojich dizajnov. Namiesto týždňov alebo mesiacov, mali funkčný model za niekoľko hodín. Výrazne to znížilo náklady a uľahčilo vývoj nových produktov a ich prototypovanie. Dnes sa dokonca využíva na výrobu malých sérií výrobkov a do veľkej miery môže nahradiť aj tradičnú výrobu.
3D tlač v sebe zahŕňa niekoľko spôsobov vytvárania objektov, ale v podstate ide o aditívnu výrobu (pridávanie materiálu). Dochádza k spájaniu materiálov s cieľom vytvoriť objekty z 3D dát. Spájanými materiálmi môžu byť rôzne typy plastov, živice, vosky, kovy alebo aj sklo a keramika. Jedna z najstarších metód 3D tlače stereolytografia bola vyvinutá už v polovici 80-tych rokov.
Táto technológia je stále len na svojom začiatku a jej možnosti využitia neustále pribúdajú. Každým dňom sa zdokonaľuje, navrhujú sa nové tlačiarne a objavujú sa nové materiály, ktoré je možné tlačiť. V súčasnosti je ich viac než stovka, od rôznych typov plastov, skla, porcelánu, ako už bolo spomenuté, až po drahé kovy alebo zmesí, ktoré pripomínajú drevo. V závislosti od využitej technológie a materiálu je možné uspokojiť veľmi rôznorodé potreby a požiadavky jednotlivých odvetví:
• Umenie a Dizajn
• Architektúra a Urbanizmus
• Protypová výroba a malosériová výroba
• Medicína
• Veda, výskum a vzdelávanie
Pri 3D tlači je možné použiť veľkú škálu materiálov a vytlačiť prakticky čo chceme. Dokonca existujú technológie schopné vytlačiť aj objekty priamo na kolmej stene a v priestore (anti-gravity project modeling). Technológií 3D tlače existuje veľké množstvo a neprestajne prichádzajú nové, lacnejšie a dokonalejšie. Nelíšia sa však obvykle vo filozofii tvorby priestorového objektu, ale skôr v použitých materiáloch a metódach vytvrdzovania vrstiev. Po vytvorení počítačového modelu vo formáte digitálneho súboru alebo po nasnímaní 3D skenerom sa model skontroluje softvérom a následne sa dá vytlačiť.
Jedným z najrozšírenejších formátov digitalizácie 3D objektov je Standard Triangulation Language (STL), formát súboru *.stl. Súbor v tomto prípade obsahuje zoznam trojuholníkov definujúcich povrch daného objektu. Ďalšie používané formáty sú napr. *.bld, *.pcy, *.sfx, *.3dc, *.zec, *.zpr, *.wrl. Rozlíšenie tlače je dané hrúbkou vertikálne ukladaných vrstiev a hustotou a veľkosťou bodov ukladaných v rovine. Veľkosť bodov sa pohybuje zhruba v rozsahu 0,05-0,1 mm v priemere. Kým v rovine X-Y dosahuje rozlíšenie bežne hodnoty laserových 2D tlačiarní, vertikálne rozlíšenie býva nižšie. Hrúbka vrstvy je asi okolo 100 mikrometrov (0,1 mm), pri lacných tlačiarňach aj väčšia. Naopak, niektoré profesionálne stroje dosahujú omnoho jemnejšie vertikálne rozlíšenie.
