Коллектив авторов - На что похоже будущее? Даже ученые не могут предсказать… или могут?

Анна Плошайски.

Представьте, какой была бы жизнь, если бы ваши вещи могли чувствовать, реагировать, двигаться, адаптироваться, трансформироваться и ремонтировать сами себя без посторонней помощи. В будущем все это станет реальностью: обычные предметы будут выполнять полезную работу для нас без нашего участия и без использования каких-либо элементов робототехники или электроники. Их функции будут определяться «умными» материалами, из которых они будут сделаны. Речь идет об объектах, свойства которых — такие как цвет, форма или магнетизм — меняются сами по себе в ответ на внешние стимулы, включая воздействие света, температуры, усилия и влаги. Тема эта поистине безгранична. В течение своей жизни нам предстоит стать свидетелями того, как умные материалы заполнят все вокруг: на крышах зданий, меняя их цвет для регулировки температуры внутри, в переносных дисплеях, в человекоподобных роботах или даже в самооткрывающихся банках с консервированной фасолью внутри.

Умные материалы не являются чем-то новым. В природе они появились задолго до нас: например, сосновые шишки закрываются во время дождя, а растения тянутся к источнику свету. Умные материалы сопровождают нас на всем протяжении истории: 4500 лет назад строители пирамид в Гизе использовали для внешней отделки самовосстанавливающийся известковый раствор. Но впервые само понятие «умного» материала было введено учеными в 1880 г. Поводом для этого послужило открытие, совершенное братьями Пьером и Жаком Кюри — мужем и деверем Марии Кюри. Они обнаружили, что при сжатии кристалла кварца, широко распространенного прозрачного минерала, входящего в состав гранита, между его гранями возникает электрическое напряжение. Годом позже они доказали, что данный эффект проявляется и при обратном воздействии: подача напряжения на грани кристалла приводит к его деформации. Они обозначили данный эффект термином «пьезоэлектричество» — от греческого слова «пьезо», означающего «давлю», и слова «электрон», что означает «янтарь» — материал, электрические свойства которого были известны еще в древности. Впервые пьезокристаллы были использованы во время Первой мировой войны в гидролокационном оборудовании. Сегодня они применяются во многих сферах — от зажигалок и микрофонов до часов и аппаратов УЗИ.

Революционное открытие братьев Кюри заставило ученых-материаловедов, инженеров и изобретателей пересмотреть подходы к разработке материалов, результатом чего стало появление целого класса новых «умных» материалов. Сегодня количество запатентованных изобретений, в которых они используются, исчисляется уже миллионами. Если отвлечься от частностей, все «умные» материалы можно распределить по шести категориям в соответствии с теми функциями, которые они выполняют: изменение цвета, распознавание состояния внешней среды, перемещение, нагрев и (или) охлаждение, самовосстановление и изменение фазового состояния (замерзание и плавление). Ну и конечно же, «умные» материалы можно встретить не только в научно-фантастических мирах или лабораториях: большинство людей уже знакомы с некоторыми из них — например, с фотохромными очками, которые затемняются под воздействием солнечного света, или с термохромными кружками, которые меняют свой цвет, стоит налить в них горячий кофе.

Благодаря умным материалам поездка на футуристическом умном велосипеде превратится в беззаботное путешествие — велосипедисту больше не нужно будет думать о выбоинах на дорогах, бояться проколов или беспокоиться за состояние краски. А с появлением одежды, которая быстро реагирует на изменение температуры тела или начавшийся дождь, вы сможете ездить на велосипеде в любую погоду. Если ночь застанет вас в дороге, путь вам будет освещать дорожное покрытие, получающее энергию от давления на него проезжающих транспортных средств. Случись вам упасть и порвать одежду, она — ведь это будет умная одежда — сама себя восстановит, пока вы отдыхаете на обочине.

Для путешествий на дальние расстояния вы сможете воспользоваться футуристическим самолетом, который будет больше походить на птицу, чем на современный лайнер. Самолеты будут менять свою форму в зависимости от внешних условий, обеспечивая максимальный комфорт пассажирам. Новые лайнеры не только побьют все рекорды скорости, но при этом еще и будут расходовать меньше топлива — и все благодаря умным материалам. Вот что ждет мир вещей в будущем — жить в нем точно будет интересно.

«Планируемое старение» — этим термином обозначают усилия производителей по ограничению срока службы продукции с целью стимулирования новых продаж — наряду с непригодными для ремонта товарами способствует все большему распространению культуры потребительства и отношения к вещам как к чему-то одноразовому. Несмотря на универсальную конструкцию и изначально заложенную в нее возможность замены всех деталей, обеспечивающую практически 100 %-ную ремонтопригодность, даже любимый всеми велосипед рано или поздно приходит в негодность: с него сходит краска, детали начинают ржаветь, а шины теряют герметичность. Но в будущем умные материалы спасут наши велосипеды от свалки.

Самовосстанавливающаяся краска содержит полимерное вещество, заключенное в крошечные микросферы, которые лопаются при повреждении поверхности. Стоит поцарапать такую краску, как полимер высвобождается и заполняет царапину, автоматически устраняя дефект. Для производства самовосстанавливающихся покрышек можно использовать вулканизированную резину, измененную таким образом, чтобы вдоль длинных молекулярных цепочек выстраивались заряженные частицы (ионы). Противоположно заряженные части смежных молекул будут притягиваться друг к другу, образуя сильные связи и тем самым повышая прочность и долговечность самого материала. В случае увеличения расстояния между молекулами в результате пореза запустится процесс спонтанной перестройки связей, в основе которого лежит тот простой факт, что противоположные заряды притягиваются. В современных проколостойких покрышках применяются специальные герметизирующие материалы с адгезивными свойствами, которые закладываются под протектор и заполняют собой места порезов и проколов. Устройство самовосстанавливающейся умной резины иное — оно предполагает использование всего одного компонента, способного многократно восстанавливаться.

Если оставить современный велосипед под дождем на длительное время, на подверженных воздействию влаги частях обязательно появится ржавчина. При этом поверхность металла становится более щелочной. Умные галохромные материалы меняют свой цвет в случае изменения уровня pH во внешней среде подобно лакмусовой бумаге. Самый распространенный пример — фенолфталеин, который окрашивается в розовый цвет в щелочной среде. Галохромное покрытие на любой детали — от деталей велосипеда до пролета моста — позволит эффективно выявлять коррозию на ранних стадиях и принимать меры по борьбе с ней еще до того, как она причинит серьезный ущерб.