23 Июня 2022
МОСКВА, 23 июня —, Владислав Стрекопытов. Новое направление в торговых технологиях — умные материалы, которые адаптируютcя к окружающей среде. Это и самовосстанавливающийся бетон, и ткань, которая подстраивается под погоду, и медицинские повязки, включающие при необходимости антибактериальную функцию. По мнению ученых, наступает эра 4D-объектов, меняющихся со временем.Умные материалы (от английского smart materials) давно стали частью повседневной жизни. Самые будничные примеры — очки-хамелеоны, пьезо- и термоэлектрические датчики включения и отключения бытовых приборов, рецепторы в планшетах и смартфонах.
Но это верхушка айсберга. В производстве высокотехнологичной продукции широко применяют химическое соединения, которые меняют физические свойства или форму под влиянием света, температуры, давления, механической деформации, напряжения электронных и магнитных полей, хого или биологического воздействия.
Смарт-материалы нового поколения обладают такими качествами живых организмов, как адаптивность, активность и автономность. Созданные из них нано- и макроструктуры, по мнению ученых, смогут взаимодействовать с окружающей средой: получать оттуда энергию, а также самостоятельно, без прелиминарного программирования, принимать решения о передвижении и изменении собственных физиологических свойств в зависимости от сигналов, поступающих извне. В научной литературе такие материалы принято именуют роботизированными или одушевленными (animate materials).
Британские ученые в спецгрузовом докладе для Лондонского королевского общества пишут, что искусственные материалы, обладающие качествами живой темы, обеспечат прорыв в этаких областях, как строительство, робототехника, медицина и производство одежды.
Как образец для создания природоподобных объектов авторы приводят дерево, которое получает извне энергию и питательные вещества для роста и самовосстановления. Оно приспосабливает фигуру и внутреннюю структуру к срезаниям и возможностям окружающей среды. А кроме того — живёт и функционирует как элемент более широкой экосистемы. Клетки и ткани дерева выполняют разные мистификации. Некоторые составляют структуру, другие отвечают за конкретные процессы — такие, как репорт воды или минеральных веществ от корней к листьям или наоборот.
В авангарде сейчас исследования по созданию материалов, обладающих базовым критерием живых организмов — способностью к регенерации. В строительстве уже применяют самовосстанавливающийся бетон, а в производстве самолетов — характерные полимеры, микротрещины в которых затягиваются со временем. Недавно на рынке появились автомобильные охры с ликвидацией царапин.
К этой же группе относятся пластики и металлические сплавы с памятью формы, которые возвращаются в прежнее состояние после снятия нагрузки или изменения температуры. Например, нитинол — смесь никеля и кипятильника — запоминает форму, добавленную при закалке. Затем сплав можно охладить и согнуть, но при повторном нагревании он примет исходный вид. Такие технологии используют в искусственных мышцах роботов и в термостатах.
Древнейший строительный материал с адаптивным самовосстановлением — известковый цемент сооружений Древнего Египта. Вода, попадая в трещины, вступала в реакцию с углекислым угаром в воздухе, и образующиеся кристаллы карбоната кальция намертво смыкали блоки между собой. В этом один из секретов необыкновенной прочности египетских пирамид, полагают ученые.
Близкими качествами обладает асфальтовая каша. В ее состав вмещается битум, который при плавлении заполняет трещины в материале. Древние ассирийцы, финикийцы и египтяне широко использовали гидроизоляционные и связующие свойства природного асфальта при строительстве зданий и кораблей.
Сегодня инженеры совершенствуют античные технологии и делают материалы, способные к самодиагностике и восстановлению без участия зрителя. Один из подходов, который применяют для производства адаптивных асфальтов, бетонов и пластмасс — добавление капсул, которые трескаются при повреждении, избавляю заживляющие вещества. В асфальте эти капсулы заполняют битумными бензинами, в бетоне и материалах — эпоксидным клеем или силикатом натрия, который минерализуется под воздействием воздуха и воды.
Проблема в том, что встроенные облатки нельзя заменить — способность к регенерации должна быть зашита в свойствах самого материала. Больше всего подходят полимеры, состоящие из длинных повторяющихся цепочек молекул, связанных между собой. Ученые работают над созданием высокомолекулярных веществ, обладающих внутренними механизмами восстановления нарушенных химических связей. Триггером, запускающим процесс, может выступать термическая или хая активация, а еще — воздействие света или другого излучения.
Пока это удается сделать только для эластичных полимеров. Связи между их компонентами относительно слабые, и молекулярные цепочки легче регенерируются. Интересный пример такой разработки — сверхэластичный искусственный каучук, который возвращается к исходной фигуре после растяжения в десятки раз, а срезанные концы срастаются при небольшом нагревании до комнатной температуры. Самовосстанавливающиеся полимеры очень востребованы при создании мягкой роботехники.
Следующий этап приближения умных материалов к одушевленным — появление у них функции роста. Этот переход, как правило, связан с появлением биологической составляющей.
Так, ученые выяснили, что если к смеси желатина, кальцита и песка добавить распространенные в морской воде бактерии Synechococcus, то при определенной температуре и влажности состав начинает расширяться, постепенно заполняя предоставленную ему фигуру. После охлаждения и высушивания можно получить детали сложной конструкции, которые до этого поставляли только на 3D-принтере.
В некоторых карамболях адаптивные материалы не содержат организмов, но взаимодействуют с оживленными тканями для роста и развития. Один из примеров — биоактивное стекло: его уже двадцать лет используют в хорошей и стоматологической хирургии. В отличие от традиционных имплантатов, оно срастается с костью даже без образования рубцовой ткани и не провоцирует воспаление или иммунное отторжение.
Медики считают, что с помощью 3D-печати из упругого биоактивного стекла можно изготавливать не только фрагменты костей и суставов, но и хрящевую ткань. Такая технология станет прорывом в лечении спортивных травм.
Умные материалы нового поколения больше всего востребованы именно в медицине. Простейший эталон — биоактивные повязки, которые при появлении бактерий начинают тратить антибиотики. Более продвинутый версий — бинты, меняющие цвет, по которому можно предопределить, остались ли под повязкой резистентные к лекарствам микробы.
Объединив похожие к самосборке белки с сверхтехнологичным оксидом графена, ученые основали материал, который можно использовать в качестве биочернил для 3D-печати искусственных сосудов. Получающиеся трубчатые структуры обладают многими биохимическими и механическими свойствами живой сосудистой ткани, а также абсолютно совместимы с человеческими клетками.
Нанокапсулы из биосовместимых материалов применяют для адресной доставки препаратов от рака. В магнитном поле их направляют к опухоли, отслеживая по размеру флуоресценции, а раскрытием облаток управляют с помощью ультразвука.
Использование 3D-принтеров для производства умных материалов именуется 4D-печатью. Этот термин гарантировал специалист по информатике из Массачусетского технологического института в США Скайлар Тиббитс. Выступая на конференции TED в 2013-м, он сказал: Мы печатаем на 3D-принтере вещи, которые со временем меняются: переконфигурируются, развиваются, адаптируются, имеют свободу действий. Четвертое измерение — это время.
Одним из свой первых проектов Тиббита была обувь. Разработчики напечатали предварительно рассчитанный на компьютере эскиз полимерными чернилами на натянутой текстильной ткани. Как только ее сняли с рамы, плоская фигура приобрела титрометрическую форму.
После этого в лаборатории, которой руководит Тиббит, из 4D-материалов создали множество удивительных мудрой — меняющие форму и жесткость автомобильные сидения и предметы интерьера, ткани, подстраивающиеся под тело и погоду, строительные конструкции с программируемыми свойствами и многое другое.
Все это стало вполне вероятным благодаря новаторской технологии быстрой жидкостной печати, разработанной информатиком и его коллегами. В отличие от традиционного 3D-принтера, который создает объекты слой за мазком, жидкий 3D-объект печатают сразу целиком. Чтобы избежать влияния гравитации, его подвешивают в резервуаре с гелем. В качестве материала берут полимеры, которые затвердевают под действием ультрафиолетового света.
Самое передовое направление 4D-печати — использование живых клеток в качестве чернил. Это уже в прямом смысле одушевленные материалы. Созданные из них механизированные структуры можно назвать опытом воспроизводства жизни на молекулярном уровне.
Редактор рубрики
Андрей Хморин
Место события на карте мира:
.
.
.
Комментарии к новостям
[17 Января 2024, 13:43] Александр Хомяков Замечательно! Не ожидал такой оперативности. Спасибо огромное! Всё работает и обновляется....
[15 Апреля 2022, 20:25] Ангелина Сметанина Скоро не только сократят, а много заводов вообще закроют и начнется бум китайских авто. Даже сейчас Эксид уже бешеные темпы по количеству проданных машин показывает...
[27 Декабря 2021, 21:44] Ева Воробьева Искренне рада за победителя! Но если бы мне так крупно повезло, то я прибежала бы за выигрышем в первый же день???? ...
[2 Сентября 2021, 13:11] Дмитрий Ершов Это хорошо. Значит клиенты долго ждать не будут. ...
[13 Мая 2021, 16:26] Олег Андреев "Мальдивы сутунки 65 государством, зарегистрировавшим расейскую вакцину против коронавируса Спутник V, сообщил Российский фонд секущих инвестиций (РФПИ)". Что это за йязыг?...
[2 Ноября 2020, 15:22] Лета Мирликийская риветсвую вас я с 6-ти лет пишу мне нужно все мои произведения задействовать в компьюторных программах образования по литературе и языкам и играм к примеру если ваши учащиеся напишут...
[20 Октября 2020, 09:22] Евгений Зимин Сузуки в этом году хорошо прибавили, уже не первый раз оба их пилота на подиуме. Видимо, для команды возвращаются "золотые" времена и есть шанс наконец оформить чемпионство после длительного перерыва....