“Умные” материалы

Одним из главных практических применений нанохимии является производство всевозможных наноматериалов. Благодаря специфическим свойствам наночастиц, лежащих в их основе, такие материалы часто превосходят “обычные” по многим параметрам.

Например, прочность металла, полученного средствами нанотехнологии, превышает про-чность обычного в 1,5 – 2, а в некоторых случаях – и в 3 раза. Твердость его больше в 50_70

раз, а коррозийная стойкость – в 10_12 раз! Разнообразие наноматериалов с уникальными свойствами буквально поражает воображение: это и сверхлегкие, сверхпрочные нанопокрытия для чего угодно – от самолетов до режущих инструментов, и самоочищающиеся ткани, и материал, защищающий человека от вредного воздействия радиоизлучения (ведущие производители сотовых телефонов уже планируют производить из него корпуса для телефонов нового поколения).

"Умные" материалы активно реагируют на изменения окружающей среды и изменяют свои свойства в зависимости от обстоятельств.

Помимо улучшения свойств привычных промышленных материалов развитие нанохимии ведет ко все большему распространению так называемых “умных материалов”.

Самым простым примером “умного материала”, созданного природой, является наша кожа. Ведь подумать только: наше тело покрыто миллиардами чувствительных “нанодатчиков”, связанных с головным мозгом! Даже с закрытыми глазами мы легко отличаем круглое от квадратного, мокрое от сухого, горячее от холодного... Наша кожа способна реагировать на “опасность”, заставляя нас рефлекторно одергивать руку, чтобы не обжечься, или одеваться потеплее, чтобы защитить свой организм от переохлаждения; она способна к самозаживлению при травмах, самодостраивается по мере роста человека. Кроме того, наша кожа обладает уникальной системой потоотделения, необходимой для защиты организма в условиях высоких температур. Каждый школьник знает, что оптимальная температура здорового человека – около 36,6°С. При повышении или понижении температуры тела всего лишь на 2_3 градуса мы чувствуем слабость, наша работоспособность падает,внимание и память ухудшаются, портится настроение. Падение температуры тела ниже 30°С очень опасно для здоровья. При 27°С наступает кома, происходит нарушение сердечной деятельности и дыхания. Температура ниже 25°С является критической – человек умирает. Не менее опасно и повышение температуры тела. Критической считается температура 42°С – при ней происходит нарушение обмена веществ в тканях мозга, человек теряет сознание. Если такая температура долго не спадает, это грозит повреждением головного мозга и даже смертью. Тем не менее, благодаря потовым желе-зам, “встроенным” в нашу кожу, мы способны без особого вреда переносить температуры, намного превышающие эти критические 42 градуса.

Как доказали английские физики Благден и Чентри (проводившие ради опыта несколько часов в натопленной печи хлебопекарни), в сухом воздухе при постепенном нагревании наш организм способен выдержать до 160°С! (напомним, что это больше чем в полтора раза выше температуры кипения воды!). То есть можно запросто сварить яйцо или поджарить бифштекс в воздухе, в котором люди могут достаточно долго оставаться без вреда для себя.

Чем же объя-сняется такая выносливость? Тем, что наша кожа автоматически реагирует на повышение температуры окружающей среды посредством обильного выделения пота. Испарение капелек пота с поверхности нашего тела поглощает тепло из того слоя воздуха, который непосредствен-но прилегает к коже, тем самым охлаждая его до нормальной температуры.

Природа позабо-тилась о своих созданиях, наградив нас этим поистине волшебным средством защиты. Но и человеческая мысль тоже не стоит на месте! Уже довольно давно металлурги изобрели “потеющий” металл для защиты промышленных объектов от высоких температур. Этот, тоже своего рода “умный”,материал представляет собой пористую сталь с вкраплениями множества микрочастиц меди. Так как температура плавления меди меньше, чем стали, то, как только внешняя температура достигает некоторого критического предела, металл начинает активно “потеть”: медь расширяется и сквозь поры выходит на поверхность, унося излишек тепла из системы. При остывании капельки меди снова “всасываются” стальными капиллярами и материал возвращается в исходное состояние.

Разброс свойств наноматериалов огромен. В настоящий момент группа российских ученых под руководством Г.В. Поповой работает над созданием биомиметических материалов материалов, подражающих биологическим тканям, распространенным примером которых могут быть производимые насекомыми паутины, отличающиеся эластичностью и прочностью, превышающими эластичность и прочность всего, что до сих пор смогли создать наши технологии.

Основу всех биомиметиков составляют искусственные белки. Подобно своим природным собратьям, они также состоят из аминокислот, но синтезируются не рибосомой, а человеком. Причем если обычные белки имеют уникальную последовательность из двадцати различных аминокислот, то белки для биомиметиков вполне могут ограничиться какой-либо одной, но повторяющейся молекулой. Так получаются аналоги белков полиаминокислоты, построенные на основе одного-единственного элемента. Затем эти белковые блоки можно как угодно соединять между собой, "цеплять" к ним другие молекулы-красители, фотоактивные, электроактивные, люминесцирующие и т.д., всякий раз получая материалы с новыми интересными свойствами.

Вспомните, какое огромное количество белков с самыми разными функциями создала природа. Большинство из них умеют активно реагировать на изменения внешней среды, активно приспосабливаться к ним. Искусственные биомиметики, сходные по своим качествам с природными белками, также проявляют "разумность" в ответ на слабые внешние раздражители: облучение, тепло, электроток, вредные вещества. На их основе уже сконструированы оптические сенсорные материалы для нанобиотехнологии и наноустройств, производящих экологический мониторинг.

Повышаешь, например, температуру на полградуса-биомиметический сенсор сразу меняет цвет, а потом приходит в исходное состояние. Или пускаешь совсем слабенький электрический ток _ и система тут же обесцвечивается. Откроешь рядом банку с нашатырным спиртом или даже Кометгелем-система начинает светиться (люминесцировать), а закроешь банку и никаких "кошачьих глаз". Чем не разумный материал? Самое интересное, что с самим материалам при этом вроде бы ничего не происходит все эти отклики и изменения вызываются внутренней перестройкой, неразличимой для человеческого глаза.

Особый интерес представляют также и биодеградируемые материалы, среди которых очень интересен упаковочный биоматериал, способный быстро разлагаться на естественные природ-ные компоненты по истечении определенного времени (скажем, срока хранения продукта), не загрязняя окружающую среду, как это делают металлические и пластиковые упаковки.

В этом направлении британскими учеными реализован весьма оригинальный проект по утилизации сотовых телефонов. В настоящее время мобильные телефоны являются одними из самых выбрасываемых устройств среди потребительской электроники. В Европе пользователи ежегодно избавляются от более чем ста миллионов старых телефонов. Суть инновации заклю-чается в материале, из которого изготавливается корпус телефона. Ученые предлагают заменить его на новый полимер, который способен разлагаться в земле в течение нескольких не

дель. Кроме того, внутри корпуса, под прозрачным окошком, можно разместить семена растений – например, подсолнуха.

После того, как телефон попадет в землю, семя начнет прорастать, и из телефона вырастет цветок. Новый полимер совершенно нетоксичен и полностью разлагается при попадании на

мусорную свалку. Таким образом, по мнению специалистов, удастся решить проблему экологичной утилизации старых сотовых телефонов.

К числу вещей, созданных из "умных материалов" можно отнести так называемую "умную одежду". Среди огромного количества подобных проектов можно выделить, например, одежду, реагирующую на изменение температуры: когда жарко, одежда пропускает воздух, чтобы охладить своего владельца, а когда холодно _ наоборот, уплотняется. Совсем скоро на при-лавках магазинов появится одежда, не впитывающая запах табачного дыма, самоочищающаяся одежда, спортивная одежда с эффектом охлаждения, костюмы и куртки, самостоятельно "подгоняющие" свой размер под размер хозяина, одежда, отгоняющая насекомых, носки, благо-ухающие цветочными ароматами, рубашки которые не мнутся, даже если их скомкать и надолго запихнуть в чемодан.

Современные фантастические фильмы буквально изобилуют примерами подобных “умных” материалов. Самый яркий пример – жидкий “Терминатор” из одноименного фильма,принима-ющий любую форму. С развитием нанотехнологий материалы с подобными чудодейственными способностями становятся реальностью. А сегодня уже существует уникальная ферромагнит-ная жидкость, способная принимать определенную форму под действием электромагнитного поля. На рисунке изображены несколько кадров видеоролика, демонстрирующего поведение ферромагнитной жидкости под действием электромагнитного поля.

Рис 80. Кадры видеозаписи ферромагнитной жидкости под действием изменяющегося

магнитного поля

Ферромагнитная жидкость представляет собой трехкомпонентную систему, состоящую из дисперсионной среды, магнитной фазы и стабилизатора. В качестве дисперсионной среды может выступать любая жидкая среда: вода, масло, различные растворы. В качестве магнитной составляющей обычно используются наночастицы, обладающие сильными ферромагнитными свойствами. Введение же в жидкость стабилизатора, прочно связывающегося с поверхностью магнитных частиц и препятствующего их агрегации, обеспечивает устойчивость такой жидкости. Ферромагнитные жидкости – это совершенно новый обширный класс магнитных материалов, и их, несомненно, ждет широкий спектр применений в технике и промышленности.

Такая система не только активно реагирует на изменения окружающей среды, но и поддается управлению. Поведение таких материалов можно запрограммировать заранее.

"Умные материалы" следующего поколения представляют собой программно-аппарат-ный комплекс из всевозможных сенсоров, миниатюрных компьютеров и исполнитель-ных наноустройств.

Разработчиками компании Philips был предложен проект по созданию нижнего белья, со встроенными нанодатчиками, отслеживающими нарушения в сердечном ритме своего облада-теля. В экстренном случае (например, инфаркт) одежда связывается по беспроводной связи с ближайшей станцией скорой помощи и спасает человеку жизнь...

Наверняка многие читатели видели фантастический фильм “Хищник”, где хитрый инопла-нетный монстр, нападавший на Шварценеггера, обладал чудесным костюмом-невидимкой.

Рис 81. Кадр из кинофильма “Хищник”

И что бы вы думали? Сегодня уже продемонстрированы первые образцы такого костюма, созданного с помощью нанотехнологий! Они пока еще далеки от совершенства, но, кажется, уже в ближайшие годы мы получим первого настоящего “человека-невидимку”.

Рис 82. Демонстрация одного из опытных образцов костюма_невидимки *

Правительство США планирует к 2018 году оснастить таким камуфляжем своих солдат. Принцип работы костюма-невидимки будущего прост: он представляет собой наноматериал, в который встроены миниатюрные видеодатчики и светоизлучающие элементы. Каждый датчик, принимающий изображение из какой_либо точки, например, со спины, посылает видеосигнал на процессор, который перенаправляет его на соответствующий участок “экрана” спереди.

При этом процессор моделирует траекторию луча таким образом, как если бы между принимающим датчиком и светоизлучающим элементом ничего не было. Это позволяет наблю-дателю видеть предметы, которые фактически находятся за обладателем костюма.

Рис 83. Схема работы костюма_

невидимки

Технология “невидимости” наверняка будет задействована во многих сферах человеческой деятельности. Возможно, ею воспользуются хирурги, которым собственные руки и инструменты часто мешают видеть оперируемые органы. Летчики также будут не против “прозрачного” пола в кабине самолета, показывающего все детали посадки и т.д.

Теперь давайте немного пофантазируем… Как уже было отмечено, одной из особенностей “умных материалов” является возможность программного управления их поведением. Так что мешает нам как программистам такого материала невидимки запрограммировать его “показывать” внешним наблюдателям не только “пустое место”, и даже не самого пользователя костюма, а кого_нибудь другого, например, известную кинозвезду или пришельца-гуманоида? Вот где было бы раздолье для любителей розыгрышей!

Впрочем, сколь бы ни был изобретателен ум шутника-невидимки, “оружие” против него может быть самым простым: баллон с яркой краской да распылитель – и никакой вам невидимости! Кстати, вот вопрос: а будет ли “человек невидимка” отбрасывать тень в яркий солнечный денек? Предлагаем поразмыслить над этим вопросом самостоятельно…

Сегодня создать столь совершенную конструкцию невидимости пока нереально-нет ни соответствующих компьютерных мощностей, ни малых размеров. Однако технологии примене-ния той же идеи, ну, например, в архитектуре уже вполне реальны. Для маскировки всего или части высотного зданиядостаточно даже сантиметрового “разрешения”. Поэтому, наверное, не за горами то время, когда однотипные многоэтажные “коробки” канут в лету, а нашему взору предстанут архитектурные ансамбли, буквально “парящие в воздухе”. Архитектура будущего будет потрясать воображение красотой, надежностью и индивидуальностью.

Рис 84. Возможно, именно так в будущем смогут выглядеть современные города.

Следует отметить, что идея подобной конструкции не нова. Сотни миллионов лет назад при-рода уже изобрела похожее покрытие из микроскопических видеодатчиков и наградила ими глаза некоторых насекомых. На рисунке изображены глаза стрекозы с 200 кратным увеличе-нием.

Рис 85. Взгляните в глаза стрекозы*

* Фото перепечатано с разрешения Курта Декерта _ автора замечательной книги “Eye Design Book”(www.eyedesignbook.com)

Некоторые наноматериалы “ведут себя” совсем не так, как им “положено” себя вести с точки зрения классической науки. В школе нас учат, что при нагревании все тела расширяются, а при охлаждении сжимаются. Однако наноматериал, над которым в настоящее время работает Елена Сердунь – молодой кандидат наук из ФЭИ, – ведет себя с точностью до наоборот! Мате-риал состоит из пористой матрицы и лиофобной, то есть несмачивающей ее, жидкости. Если его нагреть, то он сжимается,накапливая тепло. И наоборот-отдавая тепло, расширяется.

Можно поступить наоборот: сжать систему, и тогда она самопроизвольно нагреется!

Такой “умный” материал, превращающий тепловую энергию в механическую и наоборот, фактически представляет собой обратимый тепловой аккумулятор. Благодаря своим удиви-тельным способностям он может использоваться как преобразователь тепловой энергии в двигателях, холодильниках или стать основой для невиданных прежде энергетических устано-вок. К примеру, защитные клапаны и мембраны, автоматически срабатывающие при изменении температуры или давления (в случае перегрева или разгерметизации) без вмешательства человека. Такие клапаны способны самостоятельно контролировать весь производственный процесс, предотвращать последствия ошибок персонала и останавливать работу оборудования

в случаях угрозы аварии.

Их можно применять для повышения надежности производства, для защиты емкостей, находящихся под давлением, при перевозке и хранении опасных или ядовитых грузов и т.п.

Но инженеры на этом не остановились и создали наноструктурированный сплав четырех металлов – свинца, сурьмы, серебра и теллура, преобразующий тепловую энергию… прямо в электричество. Это позволит не только использовать тепло, бесполезно рассеиваемое при работе разных устройств, но и получать огромное количество дармовой энергии из лавы и расп-

лавленных пород, из которых почти целиком состоит наша Земля, начиная с глубины в несколько десятков километров.

Американские ученые уже сумели пропустить мощные электрические заряды по молекуля-рным полимерным цепочкам, что является одним из ключевых моментов в создании так называемых “солнечных пластмасс”, которые могут сделать солнечные батареи настолько эффективным источником электричества, что они составят серьезную конкуренциюсегодняшним

тепловым электростанциям. Тончайшие пленки, вырабатывающие электроэнергию, можно будет просто наклеить на крышу дома и полностью обеспечить его электричеством. Долговечные и эффективные солнечные батареи могут быть созданы, например, на основе фуллеренов или биополимеров.

Сегодня такие “умные” наноматериалы кажутся нам чудесными, необычными, и, конечно же, являются весьма дорогостоящими, поскольку их получение еще остается в рамках лабораторий. Но все же не за горами тот день, когда и они переступят их порог и войдут в нашу привычную жизнь.

Ведь сегодня мы повсеместно используем, например, алюминий и даже не задумываемся над тем, что когда-то алюминиевая посуда (аналог современных баночек из_под кока_колы) ценилась наравне с золотой и серебряной. До изобретения электричества из-за огромных трудностей, связанных с получением алюминия, этот легкий и красивый металл применялся

только для изготовления ювелирных изделий. Об этом свидетельствуют многие археологические находки. Хрестоматийный пример: алюминиевая кружка на золотой цепочке. В 1889 г., когда великий русский химик Д. И. Менделеев приезжал в Лондон, ему были преподнесены в качестве особо ценного подарка весы, сделанные из золота и алюминия.

Так что весьма вероятно, что вскоре каждый из нас сможет использовать “умные” наноматериалы в своей повседневной жизни. Только представьте: вы садитесь в сверхпрочный и сверхлегкий автомобиль, температура салона в котором вне зависимости от погоды-будь то невыносимая жара или трескучий мороз – всегда остается в пределах 20_22єС. Кресла и стулья в вашем доме сделаны из “умного” материала, реагирующего на изменение давления. Когда вы садитесь, они автоматически трансформируются таким образом, чтобы сидеть в них было удобно и комфортно. Окна вашего дома, сделанные из самоочищающегося стекла, самостоятельно расщепляют и удаляют попадающую на них грязь и пыль, не требуя никаких усилий с вашей стороны. А на грядках у вашего дедушки парниковая пленка реагирует на потепление или похолодание и сама открывает и закрывает грядки. Красота!