Материалы-хамелеоны: что умеет «умная» материя -

Наверняка, при выборе одежды вы во многом руководствуетесь прогнозом погоды. Но только представьте себе куртку, которая в метро легко становится ветровкой, а на морозе — тёплым пуховиком.

Сегодня это уже не звучит как фантастика, а становится частью повседневности. Инженеры-материаловеды активно разрабатывают новый, принципиально иной класс вещей — “умные” или адаптивные материалы. Они способны менять свои ключевые свойства — форму, прозрачность, теплопроводность, плотность — в ответ на конкретное внешнее воздействие: температуру, давление, влажность или электрический сигнал. В результате появляется ткань, которая сама регулирует теплообмен, и еще многие другие материалы. Выясним, как физические объекты вокруг нас обретают подобие реакций и рефлексов.

Что уже умеет «программируемая» материя?

Классические материалы — сталь, дерево, обычный пластик — ведут себя предсказуемо. Их свойства постоянны. «Умные» материалы, или материалы с адаптивными свойствами, — абсолютно иной класс. Их ключевая особенность — обратимое изменение характеристик (формы, цвета, плотности, теплопроводности) под воздействием внешнего стимула: температуры, давления, электрического тока, магнитного поля или даже химического состава среды.

Вот несколько принципов, которые легли в основу этой концепции:

Метаматериалы: Управление невидимым

Метаматериалы — это не новые химические элементы, а искусственно созданные структуры с периодической архитектурой (часто в виде микроскопических стержней, колец, спиралей). Их “магическое” свойство — способность управлять электромагнитными волнами, в том числе светом и теплом, способами, невозможными в природе. За счёт точной геометрии они могут, например, заставлять свет огибать объект, делая его невидимым в определённом диапазоне, или фокусировать тепло в узкий луч.

Это фундаментальная наука, которой активно занимаются ведущие университеты (MIT и Гарвард, например) и оборонные агентства (например, DARPA в США). Из практических стартапов можно выделить компанию Metamaterial Inc. (Канада), которая создала технологию «умных» стёкол для самолётов, динамически затемняющихся без подачи тока, а также ее разработчики работают над подобными покрытиями и для беспилотных летательных аппаратов.

Полимеры с памятью формы (SMP): Материал, который обладает памятью

Такой полимер можно деформировать (растянуть, смять), но при нагреве до определённой температуры он возвращается к своей первоначальной форме, которую он помнит. Секрет — в особой молекулярной сети, которая переключается между гибким и жёстким состоянием.

Технология уже вышла из лабораторий. Немецкий химический гигант BASF и американская Cornerstone Research Group разрабатывают на их основе самораскрывающиеся элементы для космических аппаратов, умные медицинские стенты (трубки, которые вводят в сосуд в сжатом виде, и они сами расширяются от температуры тела) и даже прототипы автомобильных бамперов, которые восстанавливают форму после небольшой аварии.

Гидрогели, добывающие воду из воздуха

Эти полимерные сетки способны поглощать и удерживать огромное количество воды — в сотни раз больше собственного веса. Новое поколение «умных» гидрогелей, часто на основе гигроскопичного материала MOF (металло-органические каркасы), работает как губка с таймером. Ночью, при прохладе и высокой влажности, они впитывают молекулы воды из атмосферы. Днём под воздействием солнечного тепла (того самого внешнего стимула) они резко меняют структуру и выделяют чистую, конденсированную воду. Эти материалы существуют в разных формах в зависимости от стадии разработки и назначения, но их внешний вид часто обманчиво прост. Гидрогели на основе MOF чаще всего выглядят как мелкодисперсный порошок, похожий на сахарную пудру или соду. Полимерные гидрогели (более классические) в сухом состоянии напоминают хрупкие полупрозрачные гранулы.

Стартап Watergen (Израиль) создал промышленные генераторы воды из воздуха. Лаборатория профессора Омара Яги (Калифорнийский университет в Беркли), один из пионеров MOF, сотрудничает с компаниями для создания персональных портативных устройств для засушливых регионов. Эта технология уже проходит полевые испытания.

Из жизни суперматериалов

Эти лабораторные чудеса постепенно проникают в нашу реальность, обещая сделать её удобнее, безопаснее и экологичнее.

Одежда с микроклиматом

В основе — фазово-переходные материалы (PCM), такие как парафиновые микрокапсулы, вшитые в ткань. При перегреве тела они плавятся, поглощая избыточное тепло и охлаждая вас. При охлаждении — кристаллизуются, отдавая накопленное тепло. Более сложные системы, над которыми работают в MIT, используют бикомпонентные ткани: при повышении влажности и температуры их волокна меняют геометрию, открывая поры для вентиляции.

Спортивные бренды вроде The North Face и Under Armour уже несколько лет экспериментируют с PCM в линейках для экстремальных видов спорта. Стартап Ministry of Supply использует материалы с памятью формы для создания костюмов, которые не мнутся и адаптируются к движениям тела.

Самовосстанавливающийся асфальт и бетон

В бетонную смесь добавляют микрокапсулы с специальным полимером или спорами бактерий. Когда в материале образуется микротрещина и в неё попадает вода, капсулы разрываются. Либо полимер затвердевает, заполняя полость, либо бактерии активируются, питаются лактатом кальция и производят известняк, который «залечивает» повреждение. Это резко увеличивает срок службы конструкций.

Голландская компания Deltares успешно протестировала самовосстанавливающийся асфальт на одной из велодорожек. Компания Basilisk Concrete (Нидерланды), например, уже продаёт инновационный самовосстанавливающийся бетон, который «лечит» трещины благодаря специальным бактериям, добавляемым в смесь. Когда влага попадает в трещину, эти микроорганизмы активируются, производят известняк (кальций карбонат), который заполняет трещину, делая бетон водонепроницаемым и продлевая срок службы сооружений без необходимости ручного ремонта.

«Дышащие» умные стены и окна

Например, стены на основе пористых гидрогелевых панелей могут впитывать излишнюю влагу из воздуха в комнате, а при сухости — отдавать её обратно. Окна с электрохромным покрытием (от View Inc.) по команде с датчика затемняются, снижая нагрев помещения. А в Чикагском университете создали прототип «умного» радиаторного покрытия: при температуре выше 18°C оно автоматически переключается в режим, отражающий солнечное инфракрасное излучение, чтобы не было жарко, а ниже — поглощающий его для обогрева.

Помимо научных лабораторий, этим активно интересуются строительные гиганты, например, Saint-Gobain и Skanska, для создания энергоэффективных зданий с минимальным углеродным следом.

Биомимикрия — главный дизайнер «умной» материи

Учёные редко изобретают что-то совсем с нуля. Многие идеи, на самом деле, они подсмотрели у природы, которая за миллиарды лет эволюции отточила самые эффективные механизмы.

У хамелеона они позаимствовали принцип изменения цвета. Его кожа содержит не пигменты, а нанокристаллы, расстояние между которыми меняется. Это меняет длину волны отражаемого света — так появляется цвет. По аналогии создаются датчики деформации и «камуфляжные» материалы.
Паутина — эталон прочности и эластичности. Её структура, комбинация жёстких кристаллических и мягких аморфных областей в белковых цепях, вдохновила на создание новых типов синтетических волокон и композитов, которые не рвутся при ударе, а растягиваются, поглощая энергию.
Морские губки и раковины моллюсков — живые учебники по самовосстановлению и прочности. Процесс биоминерализации (как моллюск наращивает раковину) и способность губок регенерировать целые тела из отдельных клеток дали толчок развитию биовдохновлённых самозалечивающихся полимеров и сверхпрочной керамики.

«Умная» материя не просто служит человеку, она взаимодействует с ним и средой, решая проблемы еще до того, как мы о них вообще задумываемся, экономя энергию и сокращая отходы. Эта эволюция от создания вещей к проектированию поведения материального мира в самом разгаре. И как показывает практика, это поведение всё чаще напоминает разумную, почти живую, адаптивность природы.