23 ноября 2017 Г. Нанотехнологии и наноматериалы Российские нанотехнологии STRF.RU регистрация вход

   
Подписка
Главная / Образование
Редколлегия
Контакты
Размещение рекламы
Партнёры
форум
Образование

Умные материалы

Современная наука успешно продвигается в создании различных «наноматериалов». Ученые не только синтезируют новые вещества, но и задают им желаемые свойства (например, манипулируя размером наночастиц в композитах). Главной задачей, в реализации таких материй является то, что в процессе воздействия внешней среды должна наблюдаться не просто реакция, обусловленная свойством данного вещества, а желаемое изменение, которое несет вполне конкретный практический смысл. Бурное развитие нанотехнологий позволяет исследователям получить по-настоящему «умные материалы», которые находят применение в самых различных сферах человеческой деятельности.

 

Потеющий металл

Очень интересным примером «умного материала» является «потеющая сталь»: сталь, способная, благодаря капиллярной пористой структуре, пропускать жидкость, которая выделяется при этом на поверхности изделий в виде капель или паров. Причиной создания такой инновации послужило то, что встал вопрос защиты стальных конструкций от воздействия критических температур. Для предотвращения механической деформации была разработана пористая структура стали с содержащимися в ней наночастицами меди. Как известно, температура плавления этих металлов различна. Как только материал подвергается воздействию критической температуры, частицы меди переходят в жидкое состояние и выступают наружу, унося тем самым излишки тепла, что предотвращает деформацию конструкции. После остывания медь опять оказывается в порах стального каркаса.

 

Умная жидкость

На сегодняшний момент, благодаря созданию композиционных материалов на основе диэлектрических и магнитных наночастиц, при воздействии электрических и магнитных полей стало возможным манипулировать вязкостью жидкой материи.

Рис. 1 Ферромагнитная жидкость под действием изменяющегося магнитного поля

Под воздействием полей нарушается хаотичное расположение частиц внутри жидкости, что приводит к изменению физических свойств вещества. Изменение свойств субстанции напрямую связанно с явлением, которое носит название «поляризация». Способность заряда менять свою пространственную ориентацию под воздействием внешнего поля и есть принцип работы «умной жидкости».

Рис 2. Явление поляризации на примере атома

Явление поляризации можно пояснить при помощи иллюстрации. На рис. 2 представлена модель атома. Можно заметить, что форма атома до воздействия поля (слева) и после воздействия (справа) различна. Как известно, разноименные заряды притягиваются, одноименные отталкиваются. Поэтому, создавая поле, мы тем самым вынуждаем положительно заряженное ядро сместиться к области отрицательного потенциала, а отрицательный электрон к области положительного потенциала другого атома. Этим и достигается пространственная ориентация зарядов.

Одежда невидимка

Во многих фантастических фильмах супергерои носят соответствующие суперкостюмы, которые содержат широкий спектр различных возможностей. Одно из таких свойств на сегодняшний день уже реализовано. На фотографии вы видите первые образцы «костюма-невидимки».

Конечно, пока он далек от совершенства, но это дело времени. Как оказалось, принцип работы его очень прост. Этот костюм представляет собой наноматериал, наделенный миниатюрными видеодатчиками и светоизлучающими элементами. Каждый датчик, который расположен на поверхности костюма, принимает изображение, к примеру, со спины. После чего посылает видеосигнал на процессор, который выполняет функцию перенаправление этого сигнала на соответствующий участок «экрана» спереди. Материал такого костюма это совокупность микропередатчиков и микроприёмников изображения. То, что фиксируется со спины, проецируется на переднюю часть костюма, с помощью микропроцессора и наоборот. Тем самым и создаётся эффект невидимости.

Рис 3. Костюм-невидимка

 

Биометрические материалы

Биометрические материалы – это вещества, которые по своим свойствам и конфигурации молекул и атомов напоминают нам субстанции, созданные живой природой. Основу таких веществ составляют искусственные белки. Так же, как и природные, они строятся из аминокислот, но синтезируются не рибосомой, которая является неотъемлемой частью живой клетки и отвечает за производство белка, а искуственно. Причем, если природные белки имеют последовательность из двадцати различных аминокислот, то белки искусственного происхождения могу ограничиться одной из повторяющихся молекул. Таким образом, получаются аналоги белков – полиаминокислоты, которые построены на основе одного единственного элемента. Искусственно созданные материалы можно соединять между собой, присоединять к ним другие молекулы – фотоактивные, люминесцирующие, тем самым получая вещества с новыми свойствами.

Созданные в искусственных условия биометрические материалы, как и их природные аналоги, способны проявлять «разумность» на воздействие слабого раздражения. Это может быть облучение, электроток, воздействие вредных веществ. При повышении температуры на полградуса биометрические сенсор меняет цвет, после чего возвращается в исходное состояние. Так же белок c люминесцирующими молекулами может испускать свет при наличии в помещении паров нашатырного спирта или другого химического ингредиента. Большим плюсом является то, что такие вещества имеют очень высокую чувствительность и реагируют на очень слабые изменения.

Так же особый интерес представляют биодеградиуемые материалы, среди которых очень интересен упаковочный биоматериал, способный быстро разлагаться на естественные природные компоненты по истечению определенного времени, тем самым не загрязняя окружающую среду.

 

Умная пыль

Век информационных технологий позволяет сегодня создавать устройства, которые по своим размерам несравнимы с теми, что воплощала наука недавнего прошлого. Стремление уменьшить масштабы и наделить инновационные изобретения все большими возможностями привели к созданию крошечных частиц, которые являютcя многофункциональными устройствами, наделенные микрочипом. На сегодняшний день наука смогла разработать и активно внедрить в различные cферы человеческой жизни проект, который несёт название «умной пыли». Каждая пылинка имеет размеры сравнимые с размерами обычного рисового зерна. Несмотря на свои масштабы, в частицы внедряются микропроцессоры, приёмные и передающие устройства. Устройства способны производить анализ, обработку и передачу информации. Так же, каждая такая пылинка имеет собственный объём памяти, порядка 200 байт. Для совместной работы частиц разработано специальное программное обеспечение. Одним из примеров использования этой технологии может быть получение трехмерной картины микроклимата в закрытой среде. Каждый сенсор анализирует температуру, влажность и другие параметры, после чего передает всю информацию на компьютер, которая фиксируется на дисплее, изображение получается трехмерным.

 

Универсальные лапки

Вам не раз наверное приходилось наблюдать с какой легкостью и быстротой передвигается ящерица. Причем ей совсем не доставляет труда зафиксировать своё положение тела, находясь на вертикальной стене или с легкостью перемещаться по потолку в любом направлении. Как можно объяснить такую уникальность природы? Для ящерки, словно не существует закона гравитации. Этот феномен не оставлял в покое ученых, которые стремились объяснить эту загадку.

В попытках объяснить удивительные свойства, ученые выдвигали немало различных версий. Одним из вариантов было то, что весь секрет кроется в маленьких присосках, которые равномерно располагаются на лапках рептилии. Не оправдала себя и версия того, что хорошее сцепление получается благодаря клейкой жидкости, которая выделяется на поверхности лапок. В тот момент, когда ящерица перемещался по стеклу, можно было наблюдать, что поверхность совершенно чистая. Значит никакой жидкости, а тем более желез на поверхности лапок не могло быть.

Давайте возьмем для примера достаточно ровную и гладкую поверхность, пусть это будет обычное стекло. Проводя рукой мы совершенно не почувствуем абсолютно никаких выступов и ямочек. А действительно ли поверхность идеально ровная? Конечно, но не для наномасштаба. Многократно увеличив поверхность лапки геккона (ящерицы, длинной от 8 до 30 см), исследователи пришли к выводу, что виртуозность его передвижений объясняется законами молекулярной физики. Лапка ящерки содержит огромное число мельчайших волосков, уступающих по своему диаметру обычному человеческому волосу в десятки раз. Кончик такого микро волоса содержит тысячи мельчайших подушечек, длинною всего двести миллионных долей сантиметра. Сотни миллионов волосообразных щетинок способны цепляться за самые микроскопические неровности поверхности стекла! Благодаря таким неровностям рептилия способна удерживать положение тела на любой поверхности.

Рис 4. Лапка геккона при многократном увеличении

На сегодняшний день разработан уникальный материал, имитируещий все те свойства, которыми обладают лапки геккона. Расположив 42 миллиона волокон на каждом квадратном сантиметре поверхности исследуемой ткани создатели нагружали эту материю различным весом. В результате опыта получили, что два квадратных сантиметра адгезивного материала способны выдержать по 400 грамм дополнительной нагрузки.

 

Инсулиновые частицы

Что такое инсулин? Под этим термином мы понимаем белковый гормон, который вырабатывает поджелудочная железа. Главная функция этого вещества – снижение уровня сахара в крови. Избыток глюкозы приводит к болезни, которая несёт название сахарного диабета.

На сегодняшний день ученым удалось успешно разработать и продемонстрировать работу глюкозочувствительной системы доставки инсулина. Эта система состоит из чувствительного к глюкозе белка – конканавалина. При повышении сахара в крови данный белок изменяет конфигурацию и высвобождает специальные тельца, называемые липосомами, которые в свою очередь разрушаются и выделяют инсулин. Безопасная доставка инсулина с использованием наночастиц способна улучшить качество жизни людей, больных диабетом первого типа. Но на пути к полной реализации возникает ряд непростых проблем. Первое с чем столкнулись исследователи это необходимость найти замену конкавалину, который может привести к побочных эффектам со стороны иммунной системы.

Заключение

На сегодняшний день «умные материалы» воплощают в реальность фантастические вещи, которые только рождались в умах людей и находили своё применение в книгах и фантастических фильмах. Безусловно, для получения подобных инноваций необходимы большие средства и технологии. Но бурное развитие науки позволит уже в скором будущем использовать их в повседневной жизни. Уменьшить размеры и наделить материю все большими возможностями, внедрить компьютерные технологии, создать вокруг себя «думающие» изобретения – пока еще фантастика. Но все в руках времени, которое совершенствует мир вокруг нас с необычайной скоростью.

Обуденов Александр

Ссылки по теме:

1. Мария Рыбалкина // Нанотехнологи для всех, Издательство: Nanotechnology News Network, 2005 г.

2. http://www.city-n.ru/view/87769.html

3. http://www.krugosvet.ru/articles/34/1003441/1003441a1.htm

03.03.2008


обсудить публикацию

версия для печати



ай вао
Новости

Вышел 3-4 номер журнала «Российские нанотехнологии» том 12 2017


Из печати вышел 3-4 номер журнала «Российские нанотехнологии» за 2017 год

читать полностью читать полностью

Вышел 1–2 номер журнала «Российские нанотехнологии», том 12 2017 год


Из печати вышел 1–2 номер журнала «Российские нанотехнологии» за 2017 год

читать полностью читать полностью

Вышел 11–12 номер журнала «Российские нанотехнологии», том 11 2016 год


Из печати вышел 11–12 номер журнала «Российские нанотехнологии» за 2016 год

читать полностью читать полностью

Нанотехнологии: от малого до великого


Сопредседатель 7-го Нано и Гига Форума Анатолий Коркин об особенностях конференции, которая пройдёт в 2017 году в Томске

читать полностью читать полностью

Наноконтейнеры для полиненасыщенных жирных кислот


Молекулы пищевых биополимеров можно использовать как микро- и наноконтейнеры для этих веществ и применять для обогащения продуктов питания

читать полностью читать полностью




Acta Naturae



© ООО «Парк-медиа», 2007-2008

Разработка - Metric

Все права защищены
Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100