В этом курсе вы познакомитесь с новыми материалами, не вошедшими в курс классического материаловедения и появившимися в самое последнее время. Здесь всего две главы, посвященные наноматериалам и интеллектуальным материалам. Глава 1. НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ НАНОНАУКА изучает мир атомов и молекул; это нижняя граница нашего пространства, где еще действуют законы классической физики; за ней начинается удивительный квантовый мир, который мы, как существа другой реальности, не в состоянии даже представить; там все другое: математика, физика, логика, здравый смысл МАТЕРИЯ И ЭНЕРГИЯ содержат две составляющие — темную и обычную; темная составляющая не регистрируется приборами и не ощущается нашими органами чувств, она проявляет себя лишь косвенно; для того, чтобы объяснить ускоренное разбегание галактик, приходится допускать, что «темная» часть многократно превосходит «светлую» МАТЕРИЯ тоже представлена в двух разных формах: обычная, с положительными протонами и отрицательными электронами, и антиматерия с противоположными зарядами этих частиц; при контакте материи и антиматерии происходит аннигиляция вещества с огромным выбросом энергии (e = mc2); в наблюдаемой части Вселенной имеет место необъяснимый дефицит антиматерии; материю в макромире делят на поле и вещество; в квантовом мире такое разделение, как и многое другое, теряет смысл ВЕЩЕСТВО состоит из атомов; они практически вечны и до того, как попасть к нам, побывали в составе нескольких звезд и много где еще; атомы не изнашиваются, в них нет трения и рассеяния энергии, это квантовые объекты, не подчиняющиеся законам классической физики; представить атом невозможно: в нашем мире нет аналогов; хотя планетарная модель атома и далека от реальности, но плотное ядро у атома есть, и оно чрезвычайно мало; электроны хотя и находятся на дискретных орбитах, но не вращаются на них подобно планетам; они вообще не имеют очерченных границ и проявляют себя как частицы и как волны; электроны могут перемещаться между своими атомными орбитами, но в пространстве между ними при этом не появляются! АТОМЫ водорода, содержащие всего один протон, появились вскоре после Большого взрыва, произошедшего около 14 миллиардов лет назад и приведшего к образованию нашей Вселенной; затем из атомов водорода в результате термоядерной реакции образовались атомы гелия, содержащие два протона; более тяжелые атомы появились при взрывах сверхновых звезд; существует более сотни разных атомов; атомы могут соединяться друг с другом, образуя молекулы и кристаллы; без такой самоорганизации эволюция материи была бы невозможна; даже одинаковые атомы могут объединяться в разные молекулы, образуя аллотропные модификации химического элемента; у кислорода две таких модификации, у фосфора — 11, у серы и углерода — много; для кристаллических материалов понятия аллотропии и полиморфизма идентичны АЛЛОТРОПИЯ — способность некоторых простых веществ существовать в разной молекулярной форме; например, кислород может существовать в форме О2 и О3 (озон) ПОЛИМОРФИЗМ — способность некоторых кристаллических материалов изменять тип кристаллической решетки при изменении внешних условий; например, углерод может существовать в виде мягкого графита, твердого алмаза, графена или нанотрубок АТОМЫ СОСТОЯТ из компактного ядра и электронной оболочки; число протонов в ядре определяет принадлежность атома к какому-либо химическому элементу (водород, ге- лий и т.д.), а число нейтронов определяет изотоп атома; изолированные протоны могут существовать чрезвычайно долго, а свободные нейтроны существуют лишь около 15 минут и распадаются, если не успевают соединиться за это время с протоном МИКРОМИР — диапазон размеров от 1 мм до 1 мкм, он виден в оптический микроскоп и хорошо изучен; микроструктуры металлов изучают в курсе материаловедения НАНОМИР — диапазон размеров от 1 мкм до 1 нм, он виден только в электронный микроскоп и изучен намного хуже; 1 нм = 0,001 мкм = 0,000 001 мм = 10 ангстрем; приблизительный размер атома водорода 1 ангстрем; размер крупных белковых молекул достигает 10 нм; толщина диэлектрического слоя в лучших микросхемах 2015 года 14 нм; средний пробег молекулы газа между соударениями при н.у. 100 нм; размер бактерии около 500 нм; толщина человеческого волоса 80 000 нм РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ оптического прибора — расстояние между двумя точками, которые еще кажутся раздельными; разрешающая способность невооруженного глаза с расстояния 250 мм около 0,17 мм; оптического микроскопа 200 нм; сканирующего электронного микроскопа 5 нм; просвечивающего электронного микроскопа 0,5 нм; сканирующего зондового микроскопа 0,2 нм; рентгеноструктурный анализ определяет положение атома в кристаллической решетке с точностью 0,1 нм СКАНИРУЮЩИЙ ТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП создан в 1981 г. компанией IBM; он позволяет видеть и даже перемещать отдельные атомы посредством электричества, подающегося на образец через нанозонд, представляющий собой очень острую иглу АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОП, изобретенный в 1986 г., фиксирует малейшие отклонения зонда, вызванные взаимодействием атомов иглы и образца; на расстояниях менее 0,1 нм атомы отталкиваются, а на больших расстояниях — притягиваются РИЧАРД ФЕЙНМАН, лауреат Нобелевской премии по физике, в 1959 г. выступил с лекцией, в которой описал бесконечные возможности наномира и предложил идею сборки материалов непосредственным перемещением отдельных атомов; однако расчеты показывают, что для последовательной сборки атом за атомом даже 1 мл воды потребовалось бы столько же операций, сколько для вычерпывания океана с помощью чайной ложки; хорошей демонстрацией идей Фейнмана является т.н. закон Мура ЗАКОН МУРА — эмпирическое наблюдение, согласно которому число транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 2 года; такая закономерность наблюдалась на протяжении 50 лет и подтвердила утверждение Фейнмана о том, что в наномире очень много свободного места; предел уже достигнут ЖИВАЯ МАТЕРИЯ очень эффективно использует свое пространство; геном человека записан так компактно, что помещается внутри каждой клетки; четыре нуклеотида в разных сочетаниях содержат план строения и функционирования организма; клетка человека содержит 46 молекул ДНК, причем в каждой находится около 160 млн. пар нуклеотидов; весь этот огромный объем информации копируется и хранится почти без ошибок; это гораздо более надежная система хранения, чем в наших компьютерах В 1985 г. была открыта новая форма углерода — фуллерены, трехмерные сферические молекулы С60 которых состоят из 60 атомов; затем нашли фуллерены С70 и С80 ГРАФИТ и АЛМАЗ состоят из более простых молекул; графит при нагрузке расслаивается, что используют в карандашах и смазках; в алмазе все четыре связи между атома2 ми ковалентные, что обеспечивает ему огромную твердость и температуру плавления В 1991 г. с помощью электронного микроскопа были обнаружены многослойные углеродные нанотрубки, а в 1993 г. — однослойные; нанотрубки содержат от тысячи до миллионов атомов углерода; теоретически из них можно создать волокна, которые в 20 раз прочнее и в 5 раз легче стали; реализация этой возможности позволит приступить к грандиозному проекту — построению орбитального лифта, связывающего космическую станцию, находящуюся на геостационарной орбите (неподвижно над экватором на высоте 36 000 км) и земную поверхность; для этого нужен прочнейший трос ПРИНЦИПИАЛЬНОЕ ОТЛИЧИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ от менее дисперсных структур связано с влиянием квантовых эффектов; современная электроника вплотную подошла к пределам возможностей классической физики; другое отличие связано с наличием огромной фазовой поверхности, изменяющей свойства материала и, прежде всего, его химическую активность (и токсичность некоторых веществ); разбивка сплошного материала на наночастицы увеличивает общую площадь поверхности в миллионы раз НАНОЧАСТИЦЫ иногда образуются самостоятельно; атомы и молекулы сами собираются в наноструктуры под действием химических реакций, надо только создать необходимые для этого условия; однако сложные структуры так получить пока не удается; самосборка интегральных схем произвела бы революцию в электронике! САМОСБОРКА БЕЛКОВЫХ МОЛЕКУЛ — одно из чудес наномира, скрывающее тайну зарождения жизни; белковая молекула состоит из тысяч аминокислот, расположенных в строго определенном порядке; совершенно невероятно, чтобы белки появились случайно; в нашем организме миллион белков, а мы не можем синтезировать ни одного НАНОМАТЕРИАЛЫ КЛАССИФИЦИРУЮТ по происхождению на естественные и искусственные и по структуре на нульмерные, одномерные, двухмерные и трехмерные ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ — пористые кремний и оксид алюминия — обладают огромной внутренней фазовой поверхностью; их используют в оптоэлектронике, при изготовлении чрезвычайно тонких фильтров и мембран ИСКУССТВЕННЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ — пока в основном это углерод и кремний УГЛЕРОДНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ — плоские развернутые фуллерены называют графеном, а свернутые — углеродными нанотрубками ГРАФЕН — атомарный слой из гексагональных углеродных ячеек; двумерная кристаллическая модификация графита с уникальными электрическими, оптическими, механическими и тепловыми свойствами; преимущество графена в очень высоких скоростях движения электронов; полная оптическая прозрачность графена делает его перспективным для производства солнечных батарей и чипов оптической электроники УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ — цилиндрически свернутый графен диаметром 1–100 нм и длиной до 10 см; обладают огромной прочностью, электро- и теплопроводностью; сверхпрочные нити и композиты, нанопровода, топливные элементы, светодиоды КРЕМНИЕВЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ обнаружены в 2010 году; практический интерес представляет полученный в 2012 году силицен — двумерная модификация кремния ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ — непромокаемые грязеотталкивающие ткани из гидрофобных нановолокон, стеклоочистители с наночастицами диоксида титана, анти3 коррозионная защита, термостойкие покрытия, антибактериальные материалы, сверхтонкие компоненты для транзисторов, антибликовые экраны, эффективные солнечные батареи, биологически совместимые имплантаты, нанопленки и наносенсоры НАНОПЛЕНКИ очень хорошо отражают электромагнитные волны оптического, ультрафиолетового и даже рентгеновского диапазона; рентгеновские зеркала уже увеличивают эффективность рентгенографии в 100 раз; кремниевые нанопленки прозрачны БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАНОСЕНСОРЫ определяют очень низкие концентрации различных веществ; сенсоры глюкозы уже помогают диагностировать сахарный диабет НАНОМЕДИЦИНА диагностирует и лечит болезни на молекулярном уровне; онкологическим больным вводят нанооболочки с золотым покрытием, оседающие в опухолях; затем лазером золото нагревают и выжигают рак (химиотерапия уничтожает все быстрорастущие клетки); подобный прием используют для сварки тканей, ускоряющей заживление ран; нанооболочки помогают рассмотреть раковые клетки в микроскоп ДОСТАВКА ЛЕКАРСТВ в больную клетку — технически сложная задача; нанотехнологии доставляют медикаменты в недоступные для традиционных методов места с помощью полых микрокапсул; микрокапсулы могут переносить энзимы — сложные биологические молекулы, инициирующие многие клеточные процессы и управляющие ими БЕЛКОВАЯ ИНЖЕНЕРИЯ — наука создания или изменения белков; идут исследования по созданию искусственных белков, которые смогут атаковать вирусные инфекции АГЕНТЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ позволяют наблюдать за процессами в органах человека; радиоактивный изотоп бария 37Ba применяют для диагностики рака; для диагностики состояния сердечно-сосудистой системы используют радиоактивный изотоп таллия 201Tl; молекулярные зонды фиксируют начало заболевания, когда еще нет симптомов НАНОМЕМБРАНЫ имеют поры размером до 10 нм; тонкая очистка воды и воздуха КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ — полупроводниковые наночастицы, захватывающие электроны; в зависимости от размера испускают свет разного цвета; их используют как биологические маркеры для обнаружения раковых опухолей с помощью флуоресцентной спектроскопии; могут служить в качестве кубитов квантового компьютера; квантовые точки позволили создать голубые лазеры, еще недавно считавшиеся невозможными; компания Samsung уже производит телевизоры на квантовых точках, отличающиеся улучшенной цветопередачей, контрастностью и экономией энергии НАНОКОМПОЗИТЫ — новый класс материалов, армированных наночастицами; сверхтвердые керамические нанокомпозиты, армированные наночастицами силикатной глины, уже используют в автомобильной промышленности (ступени, панели) КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ характеризуются высокой твердостью и хрупкостью, а потому трудно поддаются обработке; из-за этого инженерам с трудом удается использовать их превосходные качества; однако благодаря уменьшению размера зерна обработка существенно упрощается, и популярность керамических материалов растет СВЕРХПЛАСТИЧНАЯ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ КЕРАМИКА на основе двуокиси циркония способна деформироваться до 300% своей исходной длины; это невероятно много НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ нитрид кремния Si3N4 и карбид кремния SiC используются в автомобилестроении для изготовления высокопрочных пружин и подшипников; поми4 мо прекрасных физических, химических и механических свойств, они обладают хорошей способностью к формоизменению, термической и станочной обработке; часто нанокристаллические материалы обрабатывают методами порошковой металлургии НАНОПОКРЫТИЯ повышают износостойкость и препятствуют коррозии; уже есть умные покрытия, которые в случае повреждения самостоятельно залечиваются; нанопокрытия для военной техники меняют цвет для создания маскировки в разных условиях КАТАЛИЗАТОРЫ — нанотехнологии обладают огромным потенциалом для создания новых высокоэффективных катализаторов для химической, нефтеперерабатывающей, автомобильной, фармацевтической и пищевой промышленности; эффективность платиновых нанокатализаторов возрастает в 20 раз по сравнению с литой платиной МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ — коллоидные технологии, конденсация в атмосфере инертного газа, механическое перемалывание, плазменный синтез, электролитическое осаждение, литография НАНОЭЛЕКТРОНИКА — лидер в области нанотехнологий; идет процесс экстремальной миниатюризации полупроводников, проводников, диэлектриков и магнитных слоев ПОЛУПРОВОДНИКИ по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками; они отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей и внешних условий (температуры, полей и др.); основной полупроводниковый элемент — транзистор ТРАНЗИСТОР — электронный прибор, в котором током в цепи двух электродов управляет третий электрод; изобретен в 1948 году и заменил электровакуумную лампу в качестве регулятора электронных сигналов; транзистор состоит из трех полупроводниковых слоев и действует как очень быстрый переключатель электрического тока; современные микропроцессоры содержат миллионы транзисторов в одной схеме МИКРОПРОЦЕССОРЫ — огромные интегральные микросхемы; ширина дорожек в микросхемах должна быть минимальной, это уменьшает энергопотребление и нагрев (выше допустимая частота процессора); лучшие современные микропроцессоры выполнены по технологии 14 нм (Samsung, galaxy s6); переход технологии с процесса 20 нм на 14 нм увеличил на 20% быстродействие и снизил на 35% энергопотребление; сейчас Samsung штурмует 10 нм процесс; микропроцессоры создают литографией ФОТОЛИТОГРАФИЯ — технологический процесс репликации чертежа схемы на подложку; сильно уменьшенное изображение электрической схемы проецируют на кремниевую подложку, покрытую светочувствительным слоем, затвердевающим под действием света; маска играет роль фотопленки, а подложка — фотобумаги; остатки светочувствительного слоя смывают растворителем; процесс повторяют, пока не будет создана вся микросхема; ширина дорожки ограничена длиной световой волны; современные чипы создаются с помощью ультрафиолетового света с длиной волны 10–15 нм ИММЕРСИОННАЯ ЛИТОГРАФИЯ — операции выполняются в сверхчистой жидкости, куда погружается оптическая система и подложка; фокусировка лучше, дорожки тоньше РЕНТГЕНОВСКАЯ ЛИТОГРАФИЯ, использующая более короткие волны, позволит к 2017 году преодолеть 10 нм рубеж; в этой технологии применяют зеркала с нанопокрытием НАНОПЕЧАТНАЯ ЛИТОГРАФИЯ переносит изображение наноструктуры на подложку 5 штамповкой, процесс облучения из технологии исключен; позволяет получать наноструктуры 10 нм на больших площадях, что недоступно для других методов литографии НАНОПРОВОДНИКИ — нанопровода и наностержни из углерода, кремния, золота, меди НАНОПРОВОД — провод диаметром несколько нанометров из углеродных нанотрубок; методы очистки, распутывания, выпрямления и сортировки нанотрубок гораздо сложнее, чем методы выращивания монокристаллов; нанопровод называют также квантовым проводом; большое влияние на его работу оказывают краевые эффекты НАНОСТЕРЖЕНЬ — нанопровод из кремния, следующий этап кремниевой электроники МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ставит целью создание функциональных элементов (транзисторов, переключателей, логических элементов) на основе молекул; если эта цель будет достигнута, произойдет переход от микроэлектроники к наноэлектронике КВАНТОВЫЕ КОММУНИКАЦИИ основаны на квантовом запутывании фотонов; из одного фотона с большой энергией получают два запутанных фотона с меньшей энергией; измерение характеристик одного из них оказывает влияние на другой, что позволяет осуществить телепортацию информации или создать высокоэффективные квантовые алгоритмы вычислений; такая передача абсолютно неуязвима для перехвата КВАНТОВЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ благодаря параллельности могут выполняться в миллионы раз быстрее, чем вычисления в современных последовательных суперкомпьютерах; в квантовых вычислениях используются квантовые свойства, например спин электрона СПИН элементарной частицы может принимать два значения и переносить один бит информации, который в квантовых вычислениях называют кубитом; методы сохранения и передачи информации на основе спина электрона чрезвычайно сложны, поскольку его значение принципиально неизвестно до измерения; характер взаимодействия спина электрона со светом зависит от длины волны и поляризации света КУБИТЫ можно использовать для математических операций сразу с четырьмя разными состояниями, что открывает удивительные перспективы; однако пока квантовые математические операции чрезвычайно чувствительны к внешним воздействиям (это приводит примерно к одной ошибке на каждую 1000 вычислений, что недопустимо) СПИНТРОНИКА — создание схем на основе спинов, а не зарядов; новый путь развития электроники на основе магнитных наноструктур со сверхточным позиционированием АТОМАРНОЕ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ исследует методы передачи данных от молекулы, расположенной на металлической поверхности, к молекуле на полупроводящей поверхности, с последующей передачей сигнала внешнему контакту; для решения таких задач требуется позиционирование атомов с точностью, превышающей 0,1 нм СОЗДАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ — большая проблема для наномасштабной химии; необходимо подобрать молекулы, которые были бы надежными элементами схемы, но не стали бы источником помех для квантовых вычислений; исследования молекулярной схемы с помощью сканирующего туннельного микроскопа могут оказать разрушительное влияние на саму схему СБОРКА МОЛЕКУЛЯРНЫХ СХЕМ с наномасштабной точностью находится на начальном этапе своего развития; необходимо найти методы самосборки таких схем; химики пока добились некоторых успехов лишь в синтезе полупроводниковых наноструктур 6 УСТРОЙСТВА ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ, созданные на основе нанотехнологий, в ближайшее время позволят создать невероятно емкие и быстродействующие хранилища; перспективной представляется оптическая запись информации в трехмерные кристаллические структуры; образцом может служить природа, создавшая чрезвычайно компактную и надежную систему хранения генетической информации УСТРОЙСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ — разрешение телевизоров и дисплеев определяется размером пикселей; пиксель — минимальный неделимый квадратный объект; размер пикселя светочувствительных матриц сейчас около 1 мкм; пиксели устройств отображения пока крупнее, но и они постоянно уменьшаются; при изготовлении дисплеев высокого разрешения начинают использовать нанотехнологии СТРУЙНЫЕ ПРИНТЕРЫ для высококачественной фотопечати используют столь мелкие капли чернил, что их размеры изменяют привычные нам свойства жидкостей; у струйной 3-D нанопечати и 3-D принтеров большие перспективы в самых разных областях ЭНЕРГИЯ доступна людям разных стран в разной степени; около 2 млрд человек вообще не имеют доступа к электричеству, а еще 2 миллиарда вынуждены использовать для ее выработки биомассу; бедность — это главным образом недостаток энергии ЭКОНОМИИ ЭНЕРГИИ можно достичь за счет использования легких и прочных композитов; примером может служить новый самолет Boeing 787, спроектированный на основе композитных материалов, позволяющих более эффективно использовать топливо СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ в фотоэлементах используется с эффективностью 30% (один фотон генерирует только один электрон), остальная энергия рассеивается в виде тепла; в квантовой точке один фотон может генерировать три свободных электрона, что в перспективе может повысить эффективность использования солнечной энергии до 65% ГЛАВНАЯ ПРОБЛЕМА ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ — получение дешевого водорода; воду надо разложить на водород и кислород экономически целесообразным методом; разработана технология, в которой водород получают с помощью солнечной энергии в массивах нанотрубок из диоксида титана; нанотрубки повышают эффективность процесса диссоциации воды и запасают полученный водород в своих нанопорах ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ связана с потерями из-за сопротивления проводов; использование сверхпроводящих кабелей требует глубокого охлаждения; электросопротивление углеродных нанотрубок в 6 раз меньше, чем у меди; на их основе можно создать квантовый провод, который будет в 10 раз легче медного и значительно прочнее БАТАРЕИ ВЫСОКОЙ ЕМКОСТИ — пористые нанокристаллические материалы способны хранить электрическую энергию с гораздо большей плотностью, поэтому батареи и аккумуляторы на их основе смогут работать без подзарядки гораздо дольше ОРУЖИЕ — в огнестрельном оружии скорость пуль достигает 2 км/с; в электромагнитных пушках снаряды разгоняются до скорости 10 км/с; рельсы для разгона снарядов в таких системах должны иметь высокую электропроводность; медь является отличным проводником, но обладает низкой износостойкостью; композитные наноматериалы на основе вольфрама, меди и титана обладают всеми требуемыми свойствами ПЕНЕТРАТОРЫ С ВЫСОКОЙ ЭНЕРГИЕЙ — бронебойные снаряды и пули на основе урана являются непревзойденными средствами проникновения сквозь любую броню, но они радиоактивны; нанокристаллические сплавы вольфрама скоро заменят уран 7 Глава 2. ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ и устройства реагируют на изменение внешних условий; они имеют сенсорные датчики и систему обработки их сигналов; материалы с памятью формы, пьезоэлектрики, магнитострикционные и другие материалы ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ СТРУКТУРА по показаниям датчиков оценивает внешние условия и свое собственное состояние; она может обнаружить неисправность и принять меры для ее устранения, изменяя поведение с помощью системы управления с обратной связью; необходимыми условиями такого поведения являются способности получать информацию и реагировать, что аналогично способности живых организмов чувствовать и двигаться; эти возможности обеспечивают сенсоры и электромеханические преобразователи (силовые приводы), которые должны быть встроены в конструкцию СЕНСОРНЫЕ ДАТЧИКИ бывают традиционные (термопары, тензометры, пленки, краски, покрытия), пьезоэлектрические и оптоволоконные; датчики выдают электрический сигнал, пропорциональный измеряемому параметру (температура, деформация…) ТЕНЗОМЕТРЫ измеряют микроскопические деформации металлических конструкций ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ КРАСКИ изменяют цвет в аномальных местах конструкции (слишком нагретых, чрезмерно напряженных или необычно деформированных) В ПЬЕЗОЭЛЕКТРИКЕ напряжения приводят к появлению электрического заряда (датчик), а под воздействием электрического заряда они изменяют свой размер (электромеханический преобразователь); циркониевая и титановая керамика, полимеры МАГНИТОСТРИКЦИЯ — изменение объема ферромагнетика при намагничивании 2.1. Сплавы с памятью формы ПАМЯТЬ ФОРМЫ — способность сплава запоминать форму, которую он имел при определенных внешних условиях; если эти условия восстановить, восстанавливается и форма изделия; память формы связана с обратимым мартенситным превращением; различают одностороннюю и двустороннюю память формы, а также сверхупругость ОДНОСТОРОННЯЯ ПАМЯТЬ — способность материала запоминать лишь горячую форму ДВУСТОРОННЯЯ ПАМЯТЬ — способность запоминать холодную и горячую формы; деталь из такого материала может циклически изменять свою форму без внешней силы СВЕРХУПРУГОСТЬ — восстановление формы при неизменной температуре; мартенситное превращение в сплаве инициируется не температурой, а механическими напряжениями; сверхупругие сплавы восстанавливают форму после деформаций 6–7% СПЛАВЫ С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ — нитинолы (Ni–Ti) и сплавы меди (Cu–Al–Ni, Cu–Zn–Al); медные сплавы имеют более высокую температуру мартенситного превращения (до 200°C), но они менее прочные и коррозионностойкие; температура превращения у нитинолов ниже (до 100°C), но у них высокая прочность и коррозионная стойкость; эффект памяти формы в той или иной степени обнаружен примерно у 30 сплавов НИТИНОЛ — никелид титана, интерметаллид с ОЦК решеткой, содержащий 55% никеля; температура плавления 1300°C, плотность 6,45 т/м3; открыт в 1962 году в США; мо8 жет выполнять функции как датчика, так и исполнительного механизма; прочен, коррозионностоек, полностью восстанавливает деформации величиной до 8%; напряжение восстановления достигает 800 МПа; хорошая биосовместимость и высокая демпфирующая способность; дорог, лишь немного дешевле серебра В ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ сплавы с памятью формы используют главным образом для преобразования тепловой энергии в механическую работу; они находят применение при проведении медицинских операций, в космической технике и др. ПРИМЕНЕНИЕ СПЛАВОВ С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ — демпфирование колебаний, контроль формы интеллектуальной конструкции, соединение деталей в недоступных местах, развертывание солнечных батарей и антенн на орбите; медицинские операции и др. ДЕМПФИРОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ — в Швейцарии выпускают горные лыжи, в которых сплав Cu–Zn–Al подавляет вибрацию; аналогичная идея используется для демпфирования сейсмических колебаний сплавами Ni–Ti, вводимыми в конструкции зданий; композиты, армированные проволокой с памятью формы, могут изменять акустическую прозрачность, затухание и направленность излучаемого и проходящего звука КОНТРОЛЬ ФОРМЫ — интеллектуально изменяемая геометрия крыла самолета; контроль прогиба консолей; контроль и минимизация повреждений (трещин, деформаций) СОЕДИНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ в недоступных местах конструкции — самосрабатывающие муфты для трубных соединений, самосрабатывающие заклепочные соединения СОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ ВТУЛКИ ИЗ НИТИНОЛА применяют для соединения труб гидравлической системы военных самолетов; в американском истребителе более 300 тысяч таких соединений, но ни разу не поступило сообщений об их поломках; втулка, при комнатной температуре имеющая внутренние выступы, помещается в криостат, где при температуре −196°C выступы развальцовываются и она становится гладкой; ее надевают на концы соединяемых труб; при комнатной температуре внутренние выступы «вспоминают» свою исходную форму, выпрямляются и врезаются во внешнюю поверхность соединяемых труб; получается прочное вакуумное соединение, выдерживающее давление до 800 атмосфер; этот тип соединения заменяет сварку; эти втулки используются в авиационной, космической и автомобильной технике В МЕДИЦИНЕ из нитинола делают фильтры для кровеносной системы (вводятся в виде прямой проволоки, а под действием температуры крови приобретают нужную форму); из нитинола делают искусственные мышцы, приводимые в действие электрическим током; ортопедические импланты, проволоку для выравнивания зубов, инструменты ИЛЛЮЗИОНИСТЫ очень любят сплавы с памятью формы, они их «гнут» взглядом 2.2. Пьезоэлектрики ПЬЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ — прямой (поляризация напряженного кристалла) и обратный (деформация кристалла в электрическом поле); кварц, турмалин, топаз; у пьезоэлектриков сильная связь между механическими и электрическими характеристиками; в качестве интеллектуальных материалов интересны сегнетоэлектрики СЕГНЕТОЭЛЕКТРИК — активный диэлектрик со спонтанной поляризацией; нагрев сегнетоэлектрика до точки Кюри вызывает изменение его кристаллической структуры, разрушение доменов и переход в параэлектрическое состояние; керамика, полимеры 9 ПЬЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ СИЛЫ хороши для измерения быстро меняющихся сил, но плохо работают на низких частотах; основное применение — акселерометры, в которых измерение силы позволяет определить ускорение тела известной массы ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АКСЕЛЕРОМЕТРЫ имеют вид миниатюрной интегральной схемы, содержащей датчик и электронное устройство обработки сигнала ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ используются в подсветке ноутбуков ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ используют в атомно-силовых микроскопах, в кварцевых часах и эхолотах, в устройствах точного микропозиционирования ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АКУСТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ используют в высокочастотной акустике и в медицине (эхография, ультразвуковая диагностика и хирургия) 2.3. Магнитострикционные и механострикционные материалы МАГНИТОСТРИКЦИЮ открыл Джоуль в 1842 году; он обнаружил, что железо удлиняется в направлении магнитного поля и сжимается в поперечном направлении; эффект присущ всем ферромагнетикам; ярко выраженной магнитострикцией обладает никель МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ЭФФЕКТ называют положительным, если материал намагничивается в поперечном сжатию направлении; растяжение намагнитит его в продольном направлении; отрицательный эффект вызывает обратное намагничивание МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ преобразуют магнитные сигналы в механические, (как пьезоэлектрики преобразуют электрические сигналы); сильным магнитострикционным эффектом обладают некоторые редкоземельные металлы, например тербий, магнитострикционная деформация которого при сильном охлаждении может достигать 1%; легирование тербия железом увеличивает рабочую температуру сплава МЕХАНОСТРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ под воздействием магнитного поля изменяют не только свой объем, но и некоторые механические характеристики (например, модуль упругости); таким образом механострикция включает в себя магнитострикцию МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА хорошо работают лишь на низких частотах; с ростом частоты потери энергии возрастают и к.п.д. устройства уменьшается МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЕ ДЕМПФЕРЫ КОЛЕБАНИЙ все шире применяют в различных интеллектуальных конструкциях; так уменьшают колебания мостовых тросов, вибрацию вертолетных винтов; благодаря прекрасным характеристикам активатора и индивидуальному контролю лопастей удалось снизить амплитуду колебаний винта на 90% 2.4. Интеллектуальные медицинские материалы ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ЖИЗНИ за последние 150 лет увеличилась вдвое, удвоилась и доля людей с ограниченными физическими возможностями; наиболее эффективным способом лечения тяжелых заболеваний считается пересадка живых органов, которых сильно не хватает; разрабатывают трансплантаты из искусственных биоматериалов БИОМАТЕРИАЛЫ становятся интеллектуальными, они все чаще учитывают индивидуальные особенности пациента; конечно, это отражается на их цене; в стоматологии давно используют цветной цемент, не отличающийся по цвету от соседних зубов, а в хирургии — растворимые нити, искусственные хрусталики и силиконовые протезы 10 МАГНИТНЫЕ ЖИДКОСТИ содержат ферромагнитные частицы и реагируют на магнитное поле, что делает перспективным их использование в интеллектуальных системах; их применяют в подшипниках жестких дисков, в динамиках и управляемых оптических системах; онкологи собираются использовать магнитные жидкости с наночастицами оксида железа для лечения рака: с помощью магнита их вводят в опухоль, переменным магнитным полем нагревают и термически разрушают раковые клетки ЗОЛОТЫЕ НАНОЧАСТИЦЫ образуют разноцветные кластеры; это свойство используют при диагностике ВИЧ и онкологии: опухоль приобретает цвет и становится видна даже невооруженным глазом; сейчас работают над диагностикой малярии и туберкулеза 2.5. Интеллектуальные материалы в военной технике ПОЛИЭТИЛЕНОВАЯ БРОНЯ — прочная и лёгкая ткань из скрученных полиэтиленовых волокон не протыкается даже шилом; композитный материал на основе такой ткани стоек к воздействию агрессивных сред и низких температур; панель для бронежилета из высокомодульного полиэтиленового волокна удерживает пулю со стальным сердечником, выпущенную из АКМ-74; этот материал легче кевлара и даже плавает в воде ПОЛИУРЕТАНОВАЯ БРОНЯ — износостойкий полиуретан хорошо известен по обувным подошвам, однако он способен на большее; блок-сополимер полиуретана толщиной около 3 см останавливает пулю, летящую со скоростью 350 м/с; пуля завязнет в такой защите, не оставив даже следа на ее поверхности: этот материал плавится при ударе пули и вновь застывает, заращивая повреждения и восстанавливая внешний вид; прозрачность материала позволяет делать пуленепробиваемые стекла; такая защита эффективнее стальной такой же толщины, при этом в 7 раз легче; сейчас идут работы по созданию полиуретановых бронежилетов и брони для космических аппаратов МЕТАМАТЕРИАЛЫ приобретают удивительные свойства не наследованием от компонентов, а за счет особой структуры, в природе не встречающейся; некоторые наноструктуры обладают отрицательным коэффициентом преломления световых лучей и направляют свет по контуру материала, делая предмет невидимым; достигнута полная маскировка в микроволновом диапазоне и частичная — в видимой области спектра 11