Početak ovoga stoljeća nisu obilježili samo informatizacija i digitalizacija, o kojima se najčešće govori kao o najvećim tehnološkim dostignućima, nego i novi materijali, održivi, pametni i biološki, kao i računalna znanost o materijalima. Revolucija u znanosti o materijalima i kemiji te novi materijali redefiniraju sve – od ekološke održivosti do visokotehnološke proizvodnje. Nove tehnologije ubrzavaju inovacije, otkriće i dizajn novih materijala, a ključnu ulogu u razvoju novih materijala i procesa od molekularne do makroskopske razine imaju kemijski inženjeri. Kemijsko inženjerstvo ima golemu ulogu u dizajnu i proizvodnju novih materijala, i to ne samo danas. Primjerice, objava rada Hermanna Staudingera ‘Über Polymerisation‘ (1920.) označila je početak dizajniranja plastike s beskonačno prilagodljivim svojstvima, sposobnošću oblikovanja/obradivosti i iznimno niskim troškovima te su se polimeri infiltrirali u svaki aspekt života. Kemijski inženjeri razvili su, primjerice, membranu reverzne osmoze za desalinizaciju vode izrađenu od celuloznog acetata još polovinom prošloga stoljeća, što znači da kemijsko inženjerstvo, uza znanstvenike ostalih struka, sustavno sudjeluje u inovacijama.
Svemoćni polimeri
Pročišćavanje vode, čuvanje hrane, odjeća, pelene za novorođenčad, vozila, komponente računala i terapija lijekovima… oslanjanju se na industriju polimera, čija je proizvodnja na svjetskoj razini znatno porasla od polovine prošloga stoljeća. Primjerice, oni koji se upotrebljavaju u regenerativnom inženjerstvu (inovativna tehnika koja potiče kost na izgradnju vlastitog tkiva), nastali su u laboratoriju kemijskih inženjera… Ti su inženjeri bili ključni za razvoj te industrije od njezina začetka zbog integriranog razumijevanja kemijske sinteze i katalize, termodinamike, transporta i dizajna procesa. Primjerice, razumijevanje reologije polimera i projektiranje opreme za njihovo korištenje smatra se jednim od najvećih dometa kemijskog inženjerstva.
Dok inovativna otkrića preoblikuju industriju, sektor materijala prednjači u tehnološkom napretku. Novi materijali unose dinamičke promjene u znanost o materijalima, revolucioniraju proizvodnju te redefiniraju održivost, učinkovitost i dizajn budućih proizvoda. Primjerice, samozacjeljujući polimeri i grafen (otkrili su ga fizičari) upotrebljavaju se u elektronici, telekomunikaciji, za ‘neslomljive‘ zaslone osjetljive na dodir, tranzistore, brzopunjive baterije, a sve se više primjenjuju i u medicini, posebice u liječenju teških bolesti (poput raka), te su odgovor na neke od najvećih izazova današnjice.
Pametni i održivi
Integracija novih materijala naveliko mijenja industriju. Novi materijali, primjerice, mijenjaju zrakoplovnu industriju smanjujući težinu zrakoplova i povećavajući učinkovitost goriva, pojava vodljive tinte u elektronici otvara novo doba fleksibilne nosive tehnologije, a medicina znatno napreduje u protetici i uređajima za implantaciju. Sada su u središtu novih materijala oni održivi, pametni i biološki kao odgovor na inovacijske izazove u raznim industrijama. U razvoju novih materijala prednjače Sjedinjene Američke Države, Njemačka, Ujedinjeno Kraljevstvo i Indija, a gradovi poput New Yorka, Londona, Mumbaija, Sydneyja i Singapura njihova su inovativna središta. Zbog velikog potencijala industrija novih materijala iliti materijala budućnosti već je privukla oko 998 milijardi dolara investicija. Najveći su ulagači u taj sektor Tiger Global Management, SoftBank Vision Fund i Warburg Pincus…
Tako sitni, tako moćni
Prema podatcima TrendFeedra, platforme koja se koristi naprednim algoritmima za prepoznavanje budućih industrijskih i tehnoloških trendova, industrija materijala drži poziciju u prvih deset trendova, odnosno u prvih jedan posto industrijskih i tehnoloških svjetskih trendova. To naglašava njihovu središnju ulogu u poticanju inovacija u raznim industrijama, od zrakoplovstva do medicine. U središtu je svih trendova nanotehnologija. Ključna je za razvoj materijala s poboljšanim svojstvima: povećanom čvrstoćom, manjom težinom i većom kemijskom reaktivnosti. Nanomaterijali su usredotočeni na manipuliranje materijom na nanoljestvici kako bi se postigla iznimna svojstva. Zbog njihova sve većeg korištenja u raznim industrijama očekuje se da će to tržište do 2030. vrijediti više od 32 milijarde dolara. Taj rast proizlazi iz njihove primjene u zdravstvu, elektronici i zrakoplovstvu, pri čemu nanočestice titana i nanomaterijali zlata dobivaju na važnosti zbog jedinstvenih odlika.
Snažan rast bilježi i tržište termoplastike, čija bi vrijednost ove godine trebala dosegnuti više od dvadeset milijardi dolara. Pojavljuje se kao ključan rastući trend u raznim sektorima koji potiče usmjerenost industrije na smanjenje težine proizvoda, posebice u automobilskom i zrakoplovnom, te održivost i učinkovito iskorištavanje resursa. Tržište električnih vozila veliki je korisnik termoplastike jer su termoplastični kompoziti ključni za proizvodnju lakih komponenata.
Sami se podmazuju
Inovacija je i uvođenje samopodmazujućih termoplastičnih kompozitnih ležajeva s malim trenjem koji smanjuju trošenje mehaničkih sustava. Industriji također trebaju pametni materijali koji promjenom svojstava odgovaraju na vanjske podražaje: temperaturu, vlagu, lužnatost te električna ili magnetska polja. Riječ je o materijalima u nastajanju koji donose inovacije u različite primjene, od energetske učinkovitosti do produljenja vijeka proizvoda. Tržište pametnih materijala znatno raste i predviđa se da će do 2030. vrijediti više od 250 milijardi dolara, četiri puta više nego što je vrijedilo 2021. Uzrok tomu sve je veća primjena u automobilskom sektoru za razvoj inteligentnih vozila i u zdravstvu za biomedicinske primjene. Novi materijali imaju važnu ulogu i u održivosti. Primjerice, ekonomski i ekološki teret elektroničkog otpada konkurira onom od plastike i segment je krutog otpada koji najbrže raste na svjetskoj razini. Stoga se proizvođači okreću zelenim materijalima koji mijenjaju industriju ekološki prihvatljivom alternativom tradicionalnim materijalima i koju je moguće reciklirati.
Korištenje biosvijeta
U kemijskom inženjerstvu snažan rast dogodio se i u biomaterijalima zato što je velik napredak donijelo kliničko iskorištavanje razgradivih i biološki izvedenih polimernih sustava. Ključna područja za napredak u biomaterijalima uključuju regenerativno inženjerstvo, zacjeljivanje rana, sustavnu i lokaliziranu isporuku nukleinskih kiselina. Biomaterijali također mogu ponuditi rješenja u područjima izvan ljudskog zdravlja, poput znanosti o biljkama i životinjama, kao i dizajn sustava biljnih ili organskih materijala koji bi mogli omogućiti biološki izvedene ili biomimetičke polimere. Biotehnologija preoblikuje materijale olakšavajući razvoj živih materijala koji rastu, sami se popravljaju i prilagođavaju okolini. Biomaterijali uključuju drvo, kožu, svilu, vunu, celulozu itd. i njihovo iskorištavanje smanjuje ovisnost o fosilnim resursima, omogućava biorazgradivost i manje onečišćenje okoliša. Dragocjeni su tvrtkama koje smanjuju ugljikov otisak i okreću se ekološki prihvatljivim proizvodima. Ti su materijali održivo rješenje za sveprisutan problem otpada, posebice u industriji ambalaže. Tako američka tvrtka Covation Biomaterials upotrebljava biološke materijale za različite namjene, primjerice održivi tekstil i biorazgradive materijale za osobnu njegu, te tako učinkovitom alternativom zamjenjuje proizvode koji se temelje na nafti.
Mala pomoć tehnologije
Iako su neki od novih materijala još u testnoj fazi, njih ne bi bilo bez pomoći računalne znanost o materijalima – tehnologije koja se koristi moćnim simulacijama za predviđanje ponašanja i interakcije materijala. To ubrzava otkrivanje i razvoj novih materijala i revolucionira način na koji se provode istraživanja materijala i na koje se razvijaju. Integracijom umjetne inteligencije i analitike podataka znanstvenici predviđaju svojstva materijala, optimiraju odabir i ubrzavaju otkrivanje novih materijala.
Potražnja za novim, naprednim materijalima u svim industrijama ima velik gospodarski učinak na tranziciju materijala. To tržište stalno raste i, prema izvješću IndustryARC-a, procjena je da će ono dosegnuti 2,1 trilijuna američkih dolara do 2025., na što utječe velika potražnja u raznim industrijama.
Industrija materijala trenutačno zapošljava 31,8 milijuna radnika na svjetskoj razini, s godišnjim porastom od 1,6 milijuna zaposlenika. Na godišnjoj razini uprihodi 5,6 bilijuna dolara, stoga je sektor materijala jedan od glavnih igrača u svjetskom gospodarstvu. Pritom su Sjedinjene Američke Države i Njemačka glavni igrači u tom sektoru, a slijede ih Ujedinjeno Kraljevstvo i Indija.
Novi materijali ne znače samo tehnološki napredak nego i predanost održivom razvoju – industrija novih materijala prednjači u oblikovanju inovativnije budućnosti. Integracija novih tehnologija s trendovima u razvoju novih materijala i kemijskoj znanosti ogleda se u sinergiji tehnologije, ponajprije umjetne inteligencije, biotehnologije i ekologije. Upotrebom algoritama umjetne inteligencije i napredne analitike podataka tehnološka inteligencija omogućuje organizacijama da steknu djelotvoran uvid u tehnološki krajolik koji se neprestano mijenja, osnažujući ih da donose informirane odluke, predviđaju tržišne promjene i da budu ispred konkurencije.