Умные материалы

Примеры «умных» материалов (по материалам лекций по нанотехнологиям, ФНМ МГУ, 2009

«Умные» материалы иначе «интеллектуальные» материалы (англ. smart materials) — класс различных по химическому составу и агрегатному состоянию материалов, которые объединяет проявление одной или нескольких физических (оптических, магнитных, электрических, механических) или физико-химических (реологических и др.) характеристик, значительно (обратимо или необратимо) изменяющихся под влиянием внешних воздействий: давления, температуры, влажности, pH среды, электрического или магнитного поля и др. Умные материалы часто используются при создании умной одежды.

Описание

«Умные» преобразователи энергии высокочастотного излучения в тепло без контроля извне останавливают свой нагрев на определенном уровне, продолжая находиться в высокочастотном магнитном поле. Как правило, это связано с переходом материала преобразователя при определенной температуре из состояния ферромагнетика в парамагнетик (температура Кюри), который уже не нагревается в магнитном поле. На рисунке — динамика температуры суспензий, содержащих частицы различных магнитных материаловреобразователей, от времени их нахождения в магнитном поле. Прямая линия — температура суспензии, содержащей «обычный» преобразователь

«Умными» разнородные материалы этой группы делает проявление взаимозависимых, но различных по своей природе свойств (механических, электрических, магнитных и пр.), что позволяет использовать их как сенсоры, чувствительные к какому-либо внешнему воздействию, либо в качестве «актуаторов», вызывающих искусственно совершаемое действие при подаче контролирующего сигнала. И в том, и в другом случаях функция отклика на воздействие, как правило, является нелинейной. Некоторые из «умных» материалов могут самостоятельно реагировать на внешние воздействия, как, например, биметаллические пластины в простейших регуляторах температуры.

Наиболее часто к «умным» материалам относят пьезоэлектрики (альфа-кварц, титанат-цирконат свинца), выступающие в роли «сенсоров» или «актуаторов». В последнее время к ним же причисляют термоэлектрики, мультиферроики, магнитокалорические материалы, материалы с эффектом гигантского магнетосопротивления, магнитореологические, электрореологические жидкости, материалы, обладающие эффектом памяти формы (нитинол и др.), термо- и фоточувствительные полимеры. К «умным» материалам можно отнести полимерные гели, способные в сотни раз изменять свой объём (коллапс геля) при небольшом изменении внешних условий (температуры, состава растворителя, водородного показателя среды — pH). Различные полимерные покрытия, значительно изменяющие свои электропроводящие, оптические и другие свойства при сорбции определенных веществ, применяются в сенсорах приборов для мониторинга окружающей среды, в частности, для определения концентрации токсичных веществ.

Далеко не все «умные» материалы непосредственно относятся к категории наноматериалов, однако они часто находят применение в области нанотехнологий. Так, сегнетоэлектрики (пьезоэлектрики) используются для создания высокоточных позиционирующих устройств (в частности, для сканирующей зондовой микроскопии), в магнитореологических жидкостях применяются высокодисперсные магнитные частицы (наночастицы). Ряд наноустройств создан на базе пьезоэлектриков (нановесы, одномерные наноструктуры из титаната бария или оксида цинка, использующиеся для генерации электроэнергии и т. д.).

См. также

• Умные композиты

Литература

• Нановолокна мультиферроика // Нанометр, 2008
• Умная одежда зарядит батарейки // Нанометр, 2008
• Наноазбука: атомно-силовая микроскопия // Нанометр, 2007
•  (англ.) Официальный сайт журнала «Smart Materials and Structures»
•  (англ.) Kuznetsov A.A., Shlyakhtin O.A., Brusentsov N.A., Kuznetsov O.A. «Smart» Mediators For Self-Controlled Inductive Heating // European Cells and Materials — № 3. Suppl. 2, 2002 — pp. 75-77