Что такое композиционные материалы? Как значительно улучшить свойства ткани или металла? Как создают новые материалы? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

«Умные» материалы (интеллектуальные материалы, smart materials) — это новый класс материалов, который уже достаточно давно вошел в нашу жизнь, но только последние десять лет само это название — «умные» материалы — стало более-менее часто использоваться в научно-популярной литературе.

Самым первым интеллектуальным материалом можно назвать пьезорезистивные материалы. В 1856 году лорд Кельвин обнаружил, что если определенные материалы изогнуть, продеформировать, то в них меняется сопротивление. Сейчас такие пьезорезистивные материалы используются как различные датчики, например, деформации и давления. Если есть какая-то конструкция и на нее оказывается давление, то можно понять, после какого момента начнется разрушение. Если материал изогнулся и есть превышающие норму деформации, в них изменяется сопротивление, и с помощью электрических схем можно прочувствовать и измерить это.

Рекомендуем по этой теме:
Видео
5361 5
Создание водоотталкивающих покрытий

Умные материалы — это огромный класс материалов, которых объединяет одно общее свойство. Оно заключается в том, что под воздействием какого-то внешнего фактора — изменения давления, температуры, влажности, pH среды или наложения внешнего магнитного поля — начинает изменяться одна либо несколько характеристик материала.

В 1880 году, через тридцать лет после открытия лорда Кельвина, братья Жан и Пьер Кюри обнаружили пьезоэлектрический эффект, согласно которому материал при деформации может индуцировать образование электрического заряда. Через год был открыт обратный эффект: при наложении электрического поля материал может деформироваться. Сейчас пьезоэлектрики применяются повсеместно. Это могут быть пьезоэлектрические зажигалки, пьезоэлектрические двигатели, то есть двигатели, которые нужны при точном позиционировании, например, в конструкции зондового сканирующего микроскопа, где важны мельчайшие отклонения. Это происходит за счет того, что небольшие изменения электрического поля могут приводить к контролируемым деформациям материала и наоборот.

Есть еще ряд материалов, которые сейчас активно применяются в быту, — это термохромные и фотохромные пигменты и краски. Что же это такое? Думаю, у некоторых людей есть кружки, которые, если в них налить горячий чай, изменяют свой цвет либо прозрачность. Это материалы, реагирующие на изменение температуры. Они нужны не только для баловства в быту (например, из них делают детские бутылочки, которые реагируют на изменение температуры, то есть если температура превышена, то цвет один, если бутылочка остыла — другой). Такие материалы применяются также в промышленных установках, где важно следить за изменением внешней температуры. Также существуют фотохромные материалы, которые реагируют уже на изменение потока ультрафиолета. Это уже всем известные солнечные очки с изменением затемненности.

Есть и класс стрессочувствительных материалов. В 1948 году был разработан метод Улитовского — Тейлора, за который Улитовский в 1960 году, уже посмертно, получил Ленинскую премию. С помощью этого метода можно получать тончайшие нити, микропровода, состоящие из аморфного металла и покрытые стеклянной оболочкой. Прежде всего, такой провод очень тонкий: его толщина меньше толщины человеческого волоса — около 20 микрометров. В нем также возникает эффект гигантского магнитного импеданса. Суть этого материала в том, что небольшие деформации, напряжения, возникающие в этом материале, приводят к существенным изменениям магнитных характеристик микропровода.

Такие провода можно встраивать в структуру материалов, которые функционируют в серьезных изделиях, например в нефтегазовых трубах. Если где-то появляется коррозия, образуются трещины, то даже небольшая трещина может привести к увеличению напряжения, и этот микропровод начинает немного подтягиваться. Даже небольшие деформации приводят к существенным изменениям магнитных характеристик, и их можно детектировать.

Медики хотят активно применять такие микропровода для встраивания в протезы. Если человек ходит с протезом в конечности, то протез постоянно подвержен циклическим нагрузкам, под их воздействием может накапливаться усталость. Эти изменения в материале можно детектировать именно такими микропроводами. Их уже начали применять в качестве специальных магнитных меток. Вы все знаете, что на книжки клеятся аморфные пластины, которые предотвращают их унос из магазина. То же самое можно делать, используя тонкие микропровода: оторвать их с поверхности продукта довольно сложно, зато можно детектировать магнитным устройством.

Существуют также материалы в виде специальных сплавов, которые чувствительны к возникновению трещин на их границе. В обычный массив материала можно встраивать микрочастицы сплава, и когда трещина идет через материал и доходит до этой частицы, то в этой частице происходят структурные превращения — например, мартенситное превращение, а это сопровождается акустическим сигналом и изменением магнитной характеристики материала. Можно внешним датчиком с большой точностью детектировать место образования трещины. Именно такие материалы могли бы использоваться, например, в костюме Тони Старка, Железного Человека. В фильмах и комиксах компьютер говорит ему: «Ваши повреждения — 70%». Как это можно узнать? Например, встроив в костюм Железного Человека либо микропровода, либо специальные микрочастицы сплавов.

Рекомендуем по этой теме:
Видео
7390 8
Аэрогель

С умными материалами связывается такой бум, который произошел уже ближе к концу XX века. В 1948 году советскими металлургами Курдюмовым и Хандросом был предсказан сплав с памятью формы. Уже в 1962 году в США был разработан и запатентован первый коммерчески успешный сплав нитинол — по первым буквам: «ни» — никель, «ти» — титан, «нол» — это лаборатория морской артиллерии США, где и был разработан и запатентован этот сплав. Суть нитинола и всех сплавов с памятью формы заключается в том, что это материалы, которые могут восстанавливать свою форму даже после существенных деформаций.

Деформации бывают разные. Например, упругая деформация: в металлах она небольшая, в резинах — наоборот, поэтому их можно растянуть на большую длину, отпустить, и резина вернет свою форму. Есть пластическая деформация, когда можно сильно деформировать полимер и металл, но они не могут вернуть форму, а материалы с памятью формы могут. Если изделие из нитинола продеформировать, а потом нагреть выше температуры превращения структур внутри этого материала, то можно заставить материал вернуть свою изначальную форму.

Нитинол с 1970–1980-х годов стал применяться в медицине для создания специальных клипс на кровеносные сосуды, которые могут пережимать сосуд во время хирургической операции. Охлажденную скрепку ставят на кровеносный сосуд, и она постепенно смыкается под действием температуры человеческого тела. То есть можно подобрать такие температуры реакции сплава с памятью формы, чтобы они подходили, например, к температуре человеческого тела. Есть также специальные проволоки, которые при введении в кровеносный сосуд начинают сворачиваться, раздвигая стенки кровеносных сосудов и восстанавливая кровоток.

Ближе к 1990–2000-м годам был бум, связанный с разработкой сплавов и других материалов с памятью формы, которые могли бы применяться в аэрокосмической отрасли. Изначально NASA и различные крупные организации делали заказы на разработку летательных аппаратов, которые могли бы реагировать на изменение температур и изменять внешнюю конфигурацию. Такие компании, как, например, «Боинг», занимаются разработкой конфигурации крыла, для того чтобы изменять аэродинамику непосредственно в полете за счет разогрева. Появлялись специальные концепты летательных аппаратов, которые могли бы разворачивать антенны в космосе за счет прогрева.

Следующий бум умных материалов связан с появлением различных полимерных материалов с памятью формы. Плюс в том, что в них восстанавливаемые деформации составляют сотни процентов, в нитиноле же восстанавливаемая деформация не более 8%. Полимеры с памятью формы стали пытаться сразу использовать для создания медицинских имплантатов, самоустанавливающихся конструкций, которые можно создать в виде большого имплантата, а потом сжать до компактного состояния и уже малоинвазивно без больших разрезов поместить в организм, где под действием тепла человеческого организма он развернется и примет нужную форму.

Еще одна большая область применения «умных» материалов — это самозалечивающиеся материалы. Всегда хотелось, чтобы искусственные материалы сами восстанавливались: разбил кружку, пошла трещина, а материал стал сам зарастать. Существует два принципа работы таких материалов. Первый — когда в материал можно встраивать маленькие микрокапсулы, которые содержат залечивающее вещество либо какой-то химический реагент. Если прошла трещина и она достигла микрокапсулы, то капсула лопается, из нее выходит залечивающее вещество, оно затвердевает, и материал начинает зарастать. Второй вариант — использование материалов с памятью формы, которые после существенных деформаций при специальном разогреве начинают эту трещину смыкать.

Рекомендуем по этой теме:
Видео
27910 6
Постлитийионные аккумуляторы

Передовое направление последних пяти лет — 4D-печать. Это обычная 3D-печать, но материалами с памятью формы. Сейчас стали появляться концепты, согласно которым можно распечатать имплантаты с заданными характеристиками под индивидуального человека уже в изначальном объеме, изначальной геометрии, а потом заставить имплантат внутри организма принять новую форму и выполнить специальные функции.