Розумні матеріали: пам'ять форми та самовідновлення – глобальна перспектива

Розумні матеріали, також відомі як інтелектуальні або чутливі матеріали, розроблені для реакції на зовнішні подразники, змінюючи свої властивості чи функції передбачуваним чином. Цими подразниками можуть бути температура, світло, тиск, електричні або магнітні поля та хімічне середовище. Ця адаптивність робить їх надзвичайно універсальними, із застосуванням у різноманітних галузях по всьому світу. У цій статті ми розглянемо два видатних типи розумних матеріалів: матеріали з пам'яттю форми та самовідновлювані матеріали.

Що таке матеріали з пам'яттю форми?

Матеріали з пам'яттю форми (МПФ) – це матеріали, які можуть «пам'ятати» свою початкову форму і повертатися до неї під впливом певного стимулу, зазвичай температури. Ця дивовижна властивість виникає завдяки фазовому перетворенню в кристалічній структурі матеріалу.

Типи матеріалів з пам'яттю форми

• Сплави з пам'яттю форми (СПФ): Це металеві сплави, найчастіше сплави нікелю та титану (NiTi), також відомі як нітинол. СПФ демонструють як ефект пам'яті форми (ЕПФ), так і наделастичність.
• Полімери з пам'яттю форми (ППФ): Це полімерні матеріали, що демонструють подібну поведінку пам'яті форми. ППФ зазвичай легші, дешевші та простіші в обробці, ніж СПФ, але мають меншу силу відновлення.

Ефект пам'яті форми

Ефект пам'яті форми ґрунтується на твердотільному фазовому перетворенні між двома кристалічними структурами: мартенситом (низька температура) та аустенітом (висока температура). Коли СПФ або ППФ перебуває у мартенситній фазі, його легко деформувати. Однак при нагріванні вище температури перетворення він повертається до своєї аустенітної фази, відновлюючи початкову, запрограмовану форму.

Уявіть, що ви згинаєте скріпку, виготовлену з нітинолу. Вона залишиться зігнутою при кімнатній температурі. Але якщо ви нагрієте скріпку феном, вона магічним чином повернеться до своєї початкової прямої форми. Це і є ефект пам'яті форми в дії.

Наделастичність

Деякі СПФ, особливо при температурах, трохи вищих за температуру перетворення, демонструють наделастичність (також відому як псевдоеластичність). У цьому стані матеріал може зазнавати значної деформації (до 8% для NiTi) і спонтанно повертатися до своєї початкової форми після зняття прикладеного навантаження. Це відрізняється від ефекту пам'яті форми, який вимагає зміни температури.

Застосування матеріалів з пам'яттю форми

СПФ та ППФ знайшли широке застосування в різних галузях промисловості по всьому світу:

Медичне застосування

• Стенти: Саморозширювані стенти з нітинолу використовуються для розширення заблокованих артерій та інших судин. Ці стенти стискаються до малого діаметра для введення, а потім розширюються до своєї заданої форми всередині тіла, забезпечуючи підтримку та відновлюючи кровотік. Компанії по всьому світу, зокрема в США, Європі та Азії, виробляють і розповсюджують ці життєво важливі пристрої.
• Ортодонтичні дроти: Дроти зі СПФ використовуються в брекетах для застосування постійної сили до зубів, поступово вирівнюючи їх. Ці дроти забезпечують більш послідовне та комфортне лікування порівняно з традиційними дротами з нержавіючої сталі.
• Хірургічні інструменти: СПФ використовуються в хірургічних інструментах для малоінвазивних процедур, що дозволяє здійснювати точні та контрольовані маніпуляції всередині тіла.
• Медичні імплантати: СПФ досліджуються для фіксації кісток та інших імплантованих пристроїв.

Аерокосмічне застосування

• Адаптивні крила: СПФ можна використовувати для створення адаптивних крил, які змінюють свою форму в польоті для оптимізації продуктивності та паливної ефективності. Boeing, Airbus та інші аерокосмічні компанії активно досліджують і розробляють цю технологію.
• Розгортальні конструкції: СПФ можна використовувати для розгортання конструкцій у космосі, таких як сонячні панелі та антени. Компактна, складена структура може бути розгорнута після досягнення потрібного місця шляхом активації ефекту пам'яті форми.
• Демпфування вібрацій: СПФ можуть бути вбудовані в конструкції літаків для гасіння вібрацій та зменшення шуму.

Автомобільне застосування

• Активні системи підвіски: СПФ можуть використовуватися в активних системах підвіски для покращення комфорту їзди та керованості.
• Клапани двигуна: СПФ можуть використовуватися для керування клапанами двигуна, покращуючи його продуктивність та паливну ефективність.
• Клапани контролю температури: СПФ використовуються в системах охолодження для регулювання потоку охолоджувальної рідини залежно від температури.

Споживча електроніка

• Оправи для окулярів: Оправи зі СПФ є дуже гнучкими і можуть повертатися до своєї початкової форми навіть після згинання або скручування.
• Антени мобільних телефонів: СПФ можна використовувати для створення висувних антен, які автоматично висуваються за потреби.

Робототехніка

• Приводи (актуатори): СПФ можна використовувати як приводи в роботах, забезпечуючи точний і контрольований рух. Їхній малий розмір і високе співвідношення потужності до ваги роблять їх придатними для мініатюрних роботизованих систем.
• М'яка робототехніка: ППФ особливо корисні в м'якій робототехніці, де потрібні гнучкі та деформовані структури.

Що таке самовідновлювані матеріали?

Самовідновлювані матеріали – це клас розумних матеріалів, які мають здатність самостійно усувати пошкодження, такі як тріщини або подряпини, тим самим подовжуючи термін їхньої служби та підвищуючи надійність. Ця здатність до самовідновлення імітує природні процеси загоєння, що існують у живих організмах.

Типи механізмів самовідновлення

Самовідновлювані матеріали використовують різні механізми для досягнення самовідновлення:

• Капсульне відновлення: Цей підхід передбачає вбудовування в матеріал мікрокапсул, що містять відновлювальну речовину. Коли тріщина поширюється і руйнує капсули, відновлювальна речовина вивільняється і заповнює тріщину, тверднучи та усуваючи пошкодження.
• Судинні мережі: Подібно до кровоносних судин у людському тілі, в матеріали можуть бути вбудовані судинні мережі для транспортування відновлювальних речовин до місця пошкодження.
• Внутрішнє відновлення: Цей підхід спирається на вроджену здатність матеріалу до самовідновлення через оборотні хімічні зв'язки або молекулярне переплетення. Коли виникає пошкодження, ці зв'язки розриваються, але можуть спонтанно відновлюватися, закриваючи тріщину.
• Оборотні полімерні мережі: Ці матеріали містять оборотні хімічні зв'язки, які можуть розриватися і відновлюватися під навантаженням, дозволяючи матеріалу адаптуватися до пошкоджень і відновлюватися з часом.
• Біо-натхненне відновлення: Дослідники черпають натхнення з біологічних систем, таких як здатність рослин і тварин до самовідновлення, для розробки нових самовідновлюваних матеріалів.

Застосування самовідновлюваних матеріалів

Самовідновлювані матеріали мають потенціал революціонізувати різні галузі промисловості, підвищуючи довговічність, безпеку та стійкість продуктів:

Покриття та фарби

• Автомобільні покриття: Самовідновлювані покриття можуть усувати дрібні подряпини та потертості, зберігаючи вигляд автомобілів новішими довше. Великі автомобільні виробники досліджують та впроваджують самовідновлювані прозорі лаки на окремих моделях по всьому світу.
• Захисні покриття: Самовідновлювані покриття можуть використовуватися для захисту конструкцій від корозії та зносу, подовжуючи термін їхньої служби та зменшуючи витрати на обслуговування.
• Морські покриття: Самовідновлювані покриття можуть запобігати росту морських організмів на корпусах суден, зменшуючи опір води та покращуючи паливну ефективність.

Будівельні матеріали

• Самовідновлюваний бетон: Бактерії або інші мікроорганізми вводяться в бетонні суміші. Коли утворюються тріщини, ці мікроорганізми активуються і виробляють карбонат кальцію, який заповнює тріщини та усуває пошкодження. Ця технологія досліджується та випробовується в різних інфраструктурних проєктах по всьому світу для підвищення довговічності та зменшення витрат на технічне обслуговування.
• Самовідновлюваний асфальт: Мікрокапсули, що містять регенератори, можуть додаватися в асфальт для усунення тріщин і продовження терміну служби доріг.

Електроніка

• Гнучка електроніка: Самовідновлювані полімери можуть використовуватися для створення гнучких та розтяжних електронних пристроїв, які можуть самостійно ремонтуватися після пошкодження. Це особливо важливо для носимої електроніки та датчиків.
• Акумулятори: Самовідновлювані матеріали можуть використовуватися для підвищення безпеки та терміну служби акумуляторів шляхом усунення тріщин та запобігання витоку електроліту.

Аерокосмічна галузь

• Конструкції літаків: Самовідновлювані матеріали можуть використовуватися для ремонту пошкоджень конструкцій літаків, таких як тріщини у фюзеляжі або крилах, підвищуючи безпеку та зменшуючи витрати на технічне обслуговування.
• Компоненти космічних апаратів: Самовідновлювані матеріали можуть використовуватися для захисту компонентів космічних апаратів від радіації та ударів мікрометеороїдів, подовжуючи термін їхньої служби в суворих умовах космосу.

Текстиль

• Самовідновлювані тканини: Самовідновлювані покриття можуть наноситися на тканини для усунення розривів та проколів, подовжуючи термін служби одягу та інших текстильних виробів. Це особливо корисно для захисного одягу та спортивного одягу.

Виклики та майбутні напрямки

Хоча розумні матеріали пропонують величезний потенціал, все ще існує кілька проблем, які необхідно вирішити, перш ніж вони зможуть отримати широке поширення:

• Вартість: Вартість виробництва розумних матеріалів може бути високою, що обмежує їх використання в деяких сферах.
• Довговічність: Довговічність деяких розумних матеріалів, особливо ППФ та самовідновлюваних матеріалів, потребує покращення для стійкості до суворих умов навколишнього середовища.
• Масштабованість: Масштабування виробництва розумних матеріалів для задоволення промислового попиту може бути складним.
• Вплив на довкілля: Вплив виробництва та утилізації розумних матеріалів на довкілля потребує ретельного розгляду.
• Довгострокова продуктивність: Необхідно провести більше досліджень, щоб зрозуміти довгострокову продуктивність та надійність розумних матеріалів.

Незважаючи на ці виклики, дослідження та розробки в галузі розумних матеріалів швидко розвиваються. Майбутні напрямки включають:

• Розробка нових та вдосконалених розумних матеріалів з покращеними властивостями та функціональністю.
• Дослідження нових застосувань розумних матеріалів у таких новітніх галузях, як штучний інтелект та біотехнології.
• Покращення економічної ефективності та масштабованості виробництва розумних матеріалів.
• Розробка стійких та екологічно чистих розумних матеріалів.
• Інтеграція розумних матеріалів у повсякденні продукти для покращення їхньої продуктивності, довговічності та стійкості.

Глобальні дослідження та розробки

Дослідження та розробка розумних матеріалів є глобальним зусиллям зі значним внеском університетів, науково-дослідних інститутів та компаній по всьому світу. Такі країни, як Сполучені Штати, Німеччина, Японія, Південна Корея, Китай та Велика Британія, є лідерами в цій галузі. Міжнародне співробітництво та обмін знаннями мають вирішальне значення для прискорення розробки та впровадження розумних матеріалів.

Висновок

Розумні матеріали, включаючи матеріали з пам'яттю форми та самовідновлювані матеріали, являють собою зміну парадигми в матеріалознавстві та інженерії. Їхня здатність реагувати на зовнішні подразники та адаптуватися до мінливих умов відкриває світ можливостей для інновацій та технологічного прогресу. Оскільки дослідження та розробки продовжують розширювати межі можливого, ми можемо очікувати ще більш революційних застосувань розумних матеріалів у найближчі роки, що впливатиме на промисловість та покращуватиме життя людей у всьому світі. Від медичних пристроїв до аерокосмічних конструкцій, розумні матеріали готові відігравати вирішальну роль у формуванні майбутнього.