«Умные» материалы

«Умные» материалы становятся неотъемлемой частью нашего будущего, и во многих случаях они используются уже сейчас. Огромное количество обыденных предметов изготовлено из «умных» материалов: от налобного термометра до оправ солнцезащитных очков.

Детский налобный пленочный термометр – недорогой и удобный в использовании инструмент для измерения температуры, принцип которого основан на поверхностной реакции материалов слоистой пленки.

Но что делает его «умным»? Частицы, слоями расположенные на пленке термометра, являются специально подобранными чернилами и полимерными частицами, отражающие свойства которых изменяются в зависимости от температуры поверхности. Полученный эффект создает для пользователя видимость «умного» материала. Отдельные частицы специфически реагируют на непосредственное стимулирующее воздействие. После воздействия частицы меняют свои отражательные свойства в зависимости от температуры.

Данные реакции позволяют считать такую пленку «умным» устройством, которое отображает результаты измерения температуры в цветовом и цифровом формате. Таким образом физические реакции могут показаться нам чем-то невероятным.

Другой «умный» материал, широко использующийся в повседневной жизни, встроен в большинство оправ солнцезащитных очков, изготовленных с использованием сплавов с эффектом запоминания формы. Одним из самых удивительных металлических сплавов, используемых в настоящее время, является сплав титана и никеля (также известный как нитинол). Одним из свойств данного материала является способность запоминать форму металла при экстремальных температурах. Полученную форму можно вернуть путем повторного нагрева объекта до номинальной температуры, который установит частицы в исходную «запрограммированную» форму. Другим свойством сплава является запоминание формы. При нагревании материал, изготовленный из данного сплава, будет сокращаться подобно мышцам человеческого тела.  Третьим свойством материала является электропроводность.

Стимул, воздействующий на материал, представлен в виде электрической энергии и может активироваться при подаче компьютерного сигнала. Данное свойство может использоваться в робототехнике и промышленной автоматизации.

ЧТО ТАКОЕ «УМНЫЙ» МАТЕРИАЛ?

Итак, что такое «умный» материал? Общепринятое определение: «Материал, обладающий одним или несколькими свойствами, которые могут контролируемо изменяться под влиянием внешних воздействий».

Таким образом, можно сказать, что все предметы и живые существа являются «умным» материалом. Но в контексте материаловедения данное определение подразумевает неочевидные и необычные явления и предметы. Необходимо уточнить данный момент, так как восприятие новых и общедоступных сведений постоянно меняется. Мы можем полагать, что в недалеком будущем будет найден возможный способ управления молекулами о котором мы не могли и мечтать в прошлом. Наши предположения основаны на том, что в настоящее время происходит все больше открытий, связанных с моделированием ДНК и белка. На наш взгляд, все живые существа являются «умными» материалами, которые были «запрограммированы» с помощью ДНК и со временем стали организмами и людьми. Мы также постоянно изменяемся под воздействием внешних стимулов, реагируя на непрерывно меняющиеся ситуации. Несмотря на то, что сейчас нам доступно больше информации, чем ранее, совершаемые открытия все еще могут нас удивить.

Например, открытие движущихся частиц под воздействием температуры было совершено на основе исследования термометра Галилея, изобретенного в 1600-х годах. Это удивительное открытие показало, что движение частиц основано на плотности объекта и смещении жидкости. Изменение температуры отображается в автономном устройстве регистрации и отображения температуры. Данное изобретение, невероятное для своего времени, по-прежнему ценно для науки. Однако в сегодняшнем мире высоких технологий мы не считаем его чем-то необычным.

Многие научные открытия устаревают с течением времени, и в результате этого изобретения и открытия, которые когда-то считались невероятными и впечатляющими, не используются в современной промышленности.

Другим примером научного принципа, который все еще широко используется, является принцип смещения биметаллов под воздействием температуры. Данный принцип был использован для разработки термостата (рисунок 1).

Рисунок 1. Принцип смещения биметаллов под воздействием температуры в свое время считался «умной» технологией.

Движение двух разных металлов происходит из-за изменения физических характеристик под воздействием температуры. Суммарным эффектом является предсказуемое движение объединенной структуры биметалла, известной как биметаллическая пластина. Движение нагретой и охлажденной биметаллической структуры подобно двухпозиционному переключателю: положение переключателя «ВКЛ» включает охлаждение и «ВЫКЛ» его отключает. Данная структура является базовой почти для всех механических термостатов, изготовленных за последние сто лет. Интересно, что в современном мире мы не воспринимаем данное необычное явление как свойство «умного» материала.

Попробуйте ответить на вопрос «Почему так?» Или «Почему не так?» Ответ кроется в восприятии реальности, мы предпочитаем новые открытия старым. Мы считаем их чем-то «волшебным» и, следовательно, «умным».

Итак, в каком направлении развивается мир открытий, и какие «умные» материалы следует рассматривать в качестве значимых для будущего?

  • Полимеры
  • Керамика
  • Формы углерода
  • Смешанные материалы

«УМНЫЕ» МАТЕРИАЛЫ

Достижения в области химии полимеров стали частью повседневной жизни. Смазывающие полоски из водорастворимых полимеров на станках для бритья позволяют наносить смазывающий состав перед каждым бритьем. Для многих пользователей смазывающая полоска на станке воспринимается как волшебный пластик, поскольку при простом смачивании она способна обеспечить постоянное увлажнение в течение сотен или тысяч процедур (рисунок 2).

Рисунок 2. Смазочные полоски на бритвах демонстрируют достижения в области химии полимеров, которые стали частью повседневной жизни.

Материал в виде молекул полимера образует цепи, которые переносятся из полоски на кожу, обеспечивая гладкое покрытие для лезвия и уменьшая боль во время бритья.

Достижения в области полимеров также обеспечили возможность создания определенных молекулярных веществ или добавок для обеспечения различных состояний или форм. Один тип полимера, который может быть отнесен к «умным» материалам, может изменять цвет под воздействием температуры (рисунок 3).

Рисунок 3. Один тип полимера, который может быть отнесен к «умным» материалам, может изменять цвет под воздействием температуры.

Данная технология лежит в основе работы детского налобного термометра, и она также может быть использована для создания предметов с изменяющимся цветом, подобно кольцам-определителям настроения, популярным в 1970-х годах.

Сегодня данная технология может быть использована для обесцвечивания частиц полимера при повышении или падении температуры. Она может использоваться для создания знаков, вывесок и надписей и в строительных материалах, которые могут изменять цвет или обесцвечиваться.

В другую категорию «умных» материалов, изменяющихся при воздействии температуры, входит смешанный материал, который использует электрический ток для отображения количества заряда в батарейке непосредственно на ее корпусе (рисунок 4).

Рисунок 4. «Умные» частицы позволяют измерить количество заряда в батарейке непосредственно на ее корпусе.

Термочувствительная краска может быть использована с резистивным пленочным покрытием. Индикатор заряда будет изменяться в зависимости от напряжения аккумулятора. Необходимо обеспечить достаточное количество энергии для создания пропорционального тока и последующего получения тепла для отображения полного заряда. Чем ниже заряд, тем ниже уровень на индикаторе. «Умные» частицы позволяют измерить мощность без компьютера.

Пьезоэлектрические элементы в виде пленки, пластин или кристаллических частиц могут использоваться в качестве датчиков и приводов (рисунок 5).

Рисунок 5. Пьезоэлектрические элементы в виде пленки, пластин или кристаллических частиц могут использоваться в качестве датчиков и приводов.

Физические свойства поверхности позволяют перемещаться в зависимости от уровня напряжения и полярности поверхности кристалла. Это свойство можно использовать для совершения движения, подачи сигналов или оповещения. Другим интересным свойством материала является то, что возможно обратное действие: одно и то же устройство оповещения может действовать как микрофон или как датчик виброперемещения. Он также может создавать небольшое количество энергии во время вибрации для аккумулирования энергии.

Один из принципов материи заключается в том, что во всей вселенной существует температура.

Данный принцип знакомит нас с необычным свойством устройства, известным как элемент Пельтье или термоэлектрический охладитель. Основная функция специального кремниевого перехода заключается в обеспечении потенциала напряжения и тока, создающего одновременный эффект охлаждения на одной стороне устройства и нагрева на другой стороне (рисунок 6). Элемент может также генерировать небольшое количество энергии при обеспечении температурного перепада, высокой температуры и дельты температуры. Еще один «волшебный» пример потенциального аккумулирования энергии.

Рисунок 6. Специальный кремниевый p-n-переход элемента Пельтье обеспечивает потенциал напряжения и ток, создающий одновременный эффект охлаждения на одной стороне устройства и нагрева на другой стороне.

Органические светодиоды могут обеспечивать электрический стимул на стыке материалов и передачу света на специально запрограммированной длине волны (или цвета) (рисунок 7). Интересным свойством данного материала является возможность управления частицами для создания неплоской или гибкой поверхности. Данное свойство может быть использовано в производстве экранов и рекламных вывесок.

Рисунок 7. Органические светодиоды могут обеспечивать электрический стимул на стыке материалов и передачу света на специально запрограммированной длине волны (или цвета).

Электронная пленка изготовлена в виде сетки электрически программируемых частиц размером менее 100 мкм которые могут использоваться для создания гибких знаков, этикеток и дисплеев. Одним из уникальных свойств частиц является отражение или поглощение света; они также могут оставаться в текущем состоянии без дополнительного питания. Электрические сигналы в виде импульсных сигналов используются для перехода частиц в дискретно заданные цвета (черный, белый или красный) (рисунок 8).

Рисунок 8. Электронная пленка изготовлена в виде сетки электрически программируемых частиц размером менее 100 мкм, которые могут использоваться для создания гибких знаков, этикеток и дисплеев.

Экранная пленка обладает гибкостью и может быть перепрограммирована до уровня пикселей. Существуют также сегментные и блочные режимы для изменения цветов или тепловых свойств, например, тепловые коллекторы излучения отражающих или черных тел.

Термочувствительные частицы полимеров можно использовать для покрытия поверхности, например, битумной черепицы, для изменения цвета частиц под воздействием температуры. На рисунке 9 показан пример запрограммированных частиц, активированных при воздействии 90° F, которые отражают свет летом и становятся черными в более прохладные месяцы для поглощения тепла.

Рисунок 9. Термочувствительные частицы полимеров можно использовать для покрытия поверхности, например, битумной черепицы, для изменения цвета частиц под воздействием температуры.

Покрытие наносится для модификации существующих способов производства и обеспечения разнообразия смесей цветов и образцов. Используя данный метод, можно создавать строительные материалы для постройки внутренних стен, потолков и прочих поверхностей. В некоторых случаях сам материал можно изготавливать литьем под давлением или штамповкой для получения функционального композитного материала.

Гибридизация «умных» материалов позволяет изготавливать другие материалы, такие как краски и покрытия. Одним из примеров является недавно обнаруженная модификация углерода, известная как графен, которая позволяет упрочить структуру путем смешения с исходным компонентом и субстратом. В результате формируется решетчатая структура с чрезвычайно сильными структурными связями, напоминающими гексагональную сетку. Одним из важных свойств этого материала является электропроводность. Это означает, что использование данного материала позволит разработать множество датчиков и вычислительных устройств.

Одной из наиболее интересных областей исследования «умных» материалов является область углеродных форм, таких как фуллерен C-60 (бакибол), углеродные нанотрубки (УНТ) и графен. На рисунке 10 показана суспензия УНТ, которую можно использовать в качестве покрытия, краски или клея при смешении с соответствующим исходным материалом.

Рисунок 10. Суспензия УНТ, которую можно использовать в качестве покрытия, краски или клея при смешении с соответствующим исходным материалом.

Основные материалы, такие как силиконовый каучук, эпоксидные смолы и акриловые краски, могут образовывать решетчатые структуры, которые повышают эластичность, ударопрочность и резонансную устойчивость, например, демпфирующие свойства.

Электропроводящие свойства углеродных добавок позволяют создавать гибридный материал, который может использоваться для создания датчиков и приводов для настройки или нарушения настройки резонансных колебаний.

Гибридные композитные материалы также могут быть использованы для настройки твердомера и реакции на удар при электрическом и/или тепловом возбуждении. Режимы нагрева могут создавать «распределенное нагревание» путем пропускания электрического тока через гибридный композитный материал для создания растворов, используемых для упрочнения хрупких материалов при воздействии холода.

Пластиковые и эпоксидные материалы изготавливаются и формуются в зависимости от их применения или для использования физических характеристик вибрации на основе структурно сформированных сигналов, используемых для смещения материала. Они могут использоваться для звукового демпфирования и активного шумоподавления. Эластичный силиконовый клей, прокладки, шайбы и уплотнительные кольца могут быть сформированы для программируемого ответа на колебания, давление, температуру или другие электромагнитные свойства.

Можно изготовить заглушку с внешним питанием, которая может уменьшить запотевание стеклянных поверхностей во влажной среде или способствовать разморозке поверхностей в холодной среде.

Углеродные нанотрубки образуют непрерывную решетчатую структуру при отвердевании материалов, обеспечивая равномерное распределение электросети по гибридному композитному материалу. Одним из свойств структур решетки УНТ является поглощение электростатических разрядов (ЭСР), которые могут повреждать электронные устройства. Таким образом, гибридные композитные «умные» материалы УНТ могут быть использованы для повышения электробезопасности. Покрытия УНТ и клей для герметизирующих смесей могут решить проблему рассеивания тепла, а также увеличить выделение энергии.

Углеродные нанотрубки и графен могут быть одновременно структурированы в решетчатую конструкцию, которая может образовывать электрические сенсорные сети, включая функциональный полевой транзистор (рисунок 11).

Рисунок 11. Углеродные нанотрубки и графен могут быть одновременно структурированы в решетчатую конструкцию, которая может образовывать электрические сенсорные сети.

Благодаря тому, что «умный» гибридный материал может использоваться в качестве транзистора, перед нами открывается новая область исследований полупроводников, в которой «умные» материалы, находящиеся за пределами нашего понимания, предстают перед нами в форме функционирующей компьютерной схемы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Известные «умные» материалы могут быть воплощены в виде твердых веществ, клея, покрытий, красок и жидкостей. Они имеют вязкую жесткую или гибкую структуру, которая устойчива к воздействию температуры при поглощении нежелательных колебаний.

Сегодня некоторые технологии могут казаться недостижимыми, но в какой-то момент они будут широко использоваться в повседневной жизни как, например, термостат. Будьте готовы к встрече с устройствами и функциями будущего, которые позволят вам использовать преимущества «умных» материалов. Они все больше завоевывают наш мир…и это не так уж плохо.

Дэвид Струмпф. Вице-президент по исследованиям и разработкам Компания Windgo, Inc., Колумбия, штат Миссури

Связаться с нами

Готово, ваша заявка успешно отправлена.
Ошибка, попробуйте обновить страницу и попробовать снова.

Вам будет интересно

Экологически безопасные жидкие полибутадиены
Экологически безопасные жидкие полибутадиены
Линейкой POLYVEST eCO направление покрытий и клеев на основе смол компания Evonik открывает новый ряд…
07.10.2022
63
Как стабилизаторы повышают долговечность?
Как стабилизаторы повышают долговечность?
Материалы, входящие в состав клеев и герметиков, зачастую должны быть защищены от разрушения с помощью…
Бенно Бликенсторфер
26.11.2020
157
Шэньчжэньский технологический центр исследует материалы для электроники
Шэньчжэньский технологический центр исследует материалы для электроники
Toyo Ink SC Holdings Co., Ltd., головная компания токийского производителя специализированных материалов Toyo Ink Group,…
12.08.2022
80
Липкие ленты обеспечивают соответствие ужесточающимся требованиям
Липкие ленты обеспечивают соответствие ужесточающимся требованиям
Липкие ленты с клеем, чувствительным к давлению, обеспечивают функциональность, универсальность и индивидуальный подход в автомобилестроении
Скотт Крусински
06.12.2022
42
Применение конструкционных клеев для соединения металлов перед жидкой и порошковой окраской
Применение конструкционных клеев для соединения металлов перед жидкой и порошковой окраской
Конструкционный клей уже давно используется для соединения деталей при сборке таких изделий, как металлическая офисная…
Тони Кремер
21.01.2020
1850
Новые проблемы и решения в сфере производства упаковочных клеев
Новые проблемы и решения в сфере производства упаковочных клеев
Независимо от того, используются ли такие продукты, как транспортные этикетки, ленты для брендирования и герметизации…
Майкл Паппас
22.08.2022
78
Приготовление клеев и герметиков без пузырьков
Приготовление клеев и герметиков без пузырьков
При смешивании клеев и герметиков важно получить как можно более однородный состав без пузырьков, чтобы…
Hauschild Engineering
06.12.2022
47
Конструкция спинок кресел из композиционных материалов для автомобилей Toyota Tundra получила награду Altair Enlighten Award в 2022 году
Конструкция спинок кресел из композиционных материалов для автомобилей Toyota Tundra получила награду Altair Enlighten Award в 2022 году
Компании BASF, Flex-N-Gate, L&L Products и Toyota упростили сборку конструкции из стали, сократив количество деталей…
03.09.2022
66
Достижения в разработке оптически прозрачных нежелтеющих клеевых составов на основе силанмодифицированных полимеров
Достижения в разработке оптически прозрачных нежелтеющих клеевых составов на основе силанмодифицированных полимеров
Использование гидрофобного коллоидного диоксида кремния с обработанной поверхностью в сочетании с новым нежелтеющим аминофункциональным силановым…
Sheba Bergman, Jose Abrantes, Anthony Gosselin, Charlie Pikus, Christina Sotelo, Carmelo Gabay
05.08.2020
660