Умные материалы - для чего они нужны? Одним из главных практических применений нанохимии является производство всевозможных наноматериалов. Благодаря специфическим свойствам наночастиц, лежащих в их основе, такие материалы часто превосходят “обычные” по многим параметрам. Например, прочность металла, полученного средствами нанотехнологии, превышает прочность обычного в полтора - два раза, а в некоторых случаях – и в три раза. Твердость его больше в 50-70 раз, а коррозийная стойкость – в 10-12 раз!
Разнообразие наноматериалов с уникальными свойствами буквально поражает воображение: это и сверхлегкие, сверхпрочные нанопокрытия для чего угодно – от самолетов до режущих инструментов, и самоочищающиеся ткани, и материал, защищающий человека от вредного воздействия радиоизлучения.
Помимо улучшения свойств привычных промышленных материалов развитие нанохимии ведет ко все большему распространению так называемых “умных материалов”.
Самым простым примером “умного материала”, созданного природой, является наша кожа.
Ведь подумать только: наше тело покрыто миллиардами чувствительных “нанодатчиков”, связанных с головным мозгом! Даже с закрытыми глазами мы
легко отличаем круглое от квадратного, мокрое от сухого, горячее от холодного... Наша кожа способна реагировать на “опасность”, заставляя нас рефлекторно одергивать руку, чтобы не обжечься, или одеваться потеплее, чтобы защитить свой организм от переохлаждения; она способна к самозаживлению при травмах, самодостраивается по мере роста человека.
Кроме того, наша кожа обладает уникальной системой потоотделения, необходимой для защиты организма в условиях высоких температур. Каждый школьник знает, что оптимальная температура здорового человека – около 36,6°С. При повышении или понижении температуры тела всего лишь на 23 градуса мы чувствуем слабость, наша работоспособность падает, внимание и память ухудшаются, портится настроение.
Падение температуры тела ниже 30°С очень опасно для здоровья. При 27°С наступает кома, происходит нарушение сердечной деятельности и дыхания. Температура ниже 25°С является критической – человек умирает.
Не менее опасно и повышение температуры тела. Критической считается температура 42°С – при ней происходит нарушение обмена веществ в тканях мозга, человек теряет сознание. Если такая температура долго не спадает, это грозит повреждением головного мозга и даже смертью.
Тем не менее, благодаря потовым железам, “встроенным” в нашу кожу, мы способны без особого вреда переносить температуры, намного превышающие эти критические 42 градуса.
Как доказали английские физики Благден и Чентри (проводившие ради опыта несколько часов в натопленной печи хлебопекарни), в сухом воздухе при постепенном нагревании наш организм способен выдержать до 160°С! (это больше чем в полтора раза выше температуры кипения воды, но это не значит, что можно запросто сварить яйцо или поджарить бифштекс в воздухе без интенсивной конвекции. - Важна не только температура, но и теплопередача. Коэффициент теплопередачи воды 🤽 несопоставимо выше, чем воздуха при нормальном атмосферном давлении).
Чем же объясняется такая выносливость?
Тем, что наша кожа автоматически реагирует на повышение температуры окружающей среды посредством обильного выделения пота. Испарение капелек пота с поверхности нашего тела поглощает тепло из того слоя воздуха, который непосредственно прилегает к коже, тем самым охлаждая его до нормальной температуры.
Беря уроки у природы довольно давно металлурги изобрели “потеющий” металл для защиты промышленных объектов от высоких температур. Он используется например в соплах ракет. Этот, тоже своего рода “умный”, материал представляет собой пористую сталь с вкраплениями множества микрочастиц меди. Так как температура плавления меди меньше, чем стали, то, как только внешняя температура достигает некоторого критического предела, металл начинает
активно “потеть”: медь расширяется и сквозь поры выходит на поверхность, унося излишек тепла из системы. При остывании капельки меди снова “всасываются” стальными капиллярами и материал возвращается в исходное состояние.
Разброс свойств наноматериалов огромен. Группа российских ученых под руководством Г.В. Поповой работает над созданием биомиметических материалов материалов, подражающих биологическим тканям, распространенным примером которых могут быть производимые насекомыми паутины, отличающиеся эластичностью и прочностью, превышающими эластичность и прочность всего, что
до сих пор смогли создать наши технологии.
Основу всех биомиметиков составляют искусственные белки.
Подобно своим природным собратьям, они также состоят из аминокислот, но синтезируются не рибосомой, а человеком.
Причем если обычные белки имеют уникальную последовательность из двадцати различных аминокислот, то белки для биомиметиков вполне могут ограничиться какойлибо одной, но повторяющейся молекулой. Так получаются аналоги белков
полиаминокислоты, построенные на основе одногоединственного элемента.
Затем эти белковые блоки можно как угодно соединять между собой, "цеплять" к ним другие молекулы красители, фотоактивные, электроактивные, люминесцирующие и т.д., всякий раз получая материалы с новыми интересными свойствами.
Вспомните, какое огромное количество белков с самыми разными функциями создала природа. Большинство из них
умеют активно реагировать на изменения внешней среды, активно приспосабливаться к ним. Искусственные биомиметики, сходные по своим качествам с природными белками, также проявляют "разумность" в ответ на слабые внешние раздражители: облучение, тепло, электроток, вредные вещества. На их основе уже сконструированы оптические сенсорные материалы
для нанобиотехнологии и наноустройств, производящих экологический мониторинг.
Повышаешь, например, температуру на полградуса биомиметический сенсор сразу меняет цвет, а потом приходит в исходное состояние. Или пускаешь совсем слабенький электрический ток и система тут же обесцвечивается. - Чем не разумный материал? Самое
интересное, что с самим материалам при этом вроде бы ничего не происходит все эти отклики и изменения вызываются внутренней перестройкой, неразличимой для человеческого глаза.
Особый интерес представляют также и биодеградируемые материалы, среди которых очень интересен упаковочный биоматериал, способный быстро разлагаться на естественные природные компоненты по истечении определенного времени (скажем, срока хранения продукта), не загрязняя окружающую среду, как это делают металлические и пластиковые упаковки.
Умная одежда
К числу вещей, созданных из "умных материалов" можно отнести так называемую "умную одежду". Среди огромного количества подобных проектов можно выделить, например,
одежду, реагирующую на изменение температуры: когда жарко, одежда пропускает воздух, чтобы охладить своего владельца, а когда холодно наоборот, уплотняется. Совсем скоро на прилавках магазинов появится одежда, не впитывающая запах табачного дыма, самоочищающаяся одежда, спортивная одежда с эффектом охлаждения, костюмы и куртки, самостоятельно "подгоняющие" свой размер под размер хозяина, одежда, отгоняющая насекомых, носки, благоухающие цветочными ароматами, рубашки которые не мнутся, даже если их скомкать и надолго запихнуть в чемодан.
Современные фантастические фильмы буквально изобилуют примерами подобных “умных” материалов. Сегодня уже существует уникальная ферромагнитная жидкость, способная принимать определенную форму под действием электромагнитного поля.
Ферромагнитная жидкость
представляет собой трехкомпонентную систему, состоящую из дисперсионной среды, магнитной фазы и стабилизатора. В качестве дисперсионной среды может выступать любая жидкая среда: вода, масло, различные растворы. В качестве магнитной составляющей обычно используются наночастицы, обладающие сильными ферромагнитными свойствами.
Введение же в жидкость стабилизатора, прочно связывающегося с поверхностью магнитных частиц и препятствующего их агрегации, обеспечивает устойчивость такой жидкости. Ферромагнитные жидкости – это совершенно новый обширный класс магнитных материалов, и их, несомненно, ждет широкий спектр применений в технике и промышленности. Такая система не только активно реагирует на изменения
окружающей среды, но и поддается управлению. Поведение таких материалов можно запрограммировать заранее.
По материалам книги 📚
Мария Рыбалкина "Нанотехнологии для всех большое в малом".
Материалы специализированных сайтов.