24 Июня 2022
МОСКВА, 23 июня —, Владислав Стрекопытов. Новое направление в индустриальных технологиях — умные материалы, которые адаптируютcя к окружающей среде. Это и самовосстанавливающийся конструкция из 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 полезные примеры — очки-хамелеоны, пьезо- и термоэлектрические датчики включения и отключения бытовых приборов, детекторы в планшетах и смартфонах.
Но это верхушка айсберга. В производстве высокотехнологичной продукции широко применяют вещества, которые меняют физические свойства или форму под влиянием света, температуры, давления, механической деформации, напряжения гальванических и магнитных полей, хого или биологического воздействия.
Смарт-материалы нового колена обладают такими качествами живых органонов, как адаптивность, предприимчивость и автономность. Созданные из них нано- и макроструктуры, по мнению ученых, смогут взаимодействовать с окружающей средой: получать оттуда энергию, а также самостоятельно, без заблаговременного программирования, принимать решения о передвижении и изменении собственных телесных свойств в зависимости от сигналов, поступающих извне. В научной литературе такие материалы называют роботизированными или одушевленными (animate materials).
Британские ученые в плоском докладе для Лондонского королевского общества пишут, что искусственные тексты, обладающие качествами живой материи, обеспечат прорыв в таких 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 форму и внутреннюю структуру к ограничениям и возможностям окружающей среды. А кроме того — существует и функционирует как элемент не менее широкой экосистемы. Клетки и ткани дерева выполняют разные роли. Некоторые составляют структуру, другие отвечают за конкретные споры — такие, как перенос 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 — особые полимеры, микротрещины в которых затягиваются со временем. Недавно на рынке появились автомобильные краски с ликвидацией царапин.
К этой же группе относятся пластики и стальные сплавы с памятью формы, которые возвращаются в прежнее состояние после снятия нагрузки или изменения температуры. Например, нитинол — смесь никеля и металла — запоминает форму, сообщённую при закалке. Затем металл 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 природный газом в воздухе, и образующиеся кристаллы карбоната кальция намертво смыкали блоки между собой. В этом один из секретов беспримерной прочности египетских пирамид, считают ученые.
Близкими качествами обладает асфальтовая смесь. В ее состав входит битум, который при таянье заполняет трещины в материале. Древние ассирийцы, финикийцы и египтяне широко использовали гидроизоляционные и связующие свойства природного асфальта при строительстве зданий и кораблей.
Сегодня бортинженеры совершенствуют античные технологии и придумывают материалы, способные к самодиагностике и восстановлению без участия человека. Один из подходов, который применяют для производства адаптивных асфальтов, бетонов и пластик — добавление капсул, которые трескаются при повреждении, освобождаю заживляющие вещества. В тиоасфальте эти капсулы заполняют битумными спиртами, в бетоне и пластмассах — 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, заключающиеся 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 воскрешаются. Интересный пример такой разработки — сверхэластичный искусственный каучук, который возвращается к исходной форме 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, объединённый 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 форму. После охлаждения и высушивания можно получить детали сложной конфигурации, которые до этого получали только на 3D-принтере.
В некоторых шансах адаптивные материалы не содержат органонов, но взаимодействуют с оживленными тканями для роста и развития. Один из примеров — биоактивное стекло: его уже двадцать лет используют в отличной 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 4-ех ядерного поколения больше всего востребованы именно в медицине. Простейший показатель — биоактивные повязки, которые при появлении бактерий начинают выдавать антибиотики. Более продвинутый вариант — бинты, меняющие цвет, по которому можно устроить, остались ли под повязкой резистентные к лекарствам микробы.
Объединив способные к самосборке белки с сверхтехнологичным оксидом графена, ученые запустили материал, который можно использовать в качестве биочернил для 3D-печати искусственных сосудов. Получающиеся трубчатые структуры обладают многими биохимическими и механическими свойствами живой сосудистой грануляции, 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 диапазону флуоресценции, а раскрытием облаток управляют с помощью ультразвука.
Использование 3D-принтеров для производства умных материалов именуется 4D-печатью. Этот термин посоветовал 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 первых проектов Тиббита была обувь. Разработчики напечатали предварительно рассчитанный на компьютере эскиз полимерными чернилами на натянутой текстильной ткани. Как только ее сняли с рамки, плоская фигура приобрела титрометрическую форму.
После этого в лаборатории, которой руководит Тиббит, из 4D-материалов создали множество удивительных пророческой — меняющие форму и жесткость автомобильные сидения и предметы экстерьера, ткани, подстраивающиеся под тело и погоду, строительные конструкции с программируемыми свойствами и многое другое.
Все это стало возможным благодаря новаторской технологии быстрой жидкостной печати, разработанной информатиком и его коллегами. В отличие от традиционного 3D-принтера, который создает объекты слой за слоем, 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 тексты. Созданные из них механизированные структуры можно назвать опытом воспроизводства жизни на молекулярном уровне.
Редактор рубрики
Олег Кудрин
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....