Глава 1. НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ

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