Слово "умное" в последнее время любят добавлять к любому названию того или иного устройства или объекта. Умные часы, умный дом, умная машина и прочее. Иногда ум заключается только в том, что свет включается, когда кто-то заходит в комнату, а бывает и нечто более интересное или сложное.
Вот ещё и одежду научились делать умной. И, сразу отмечу, что тут "ума" точно побольше, чем у самовключающейся лампочки.
Умная одежда - это одежда, которая может интерактивно взаимодействовать с окружающей средой, воспринимать сигналы, обрабатывать информацию и запускать ответные реакции.
Она может быть оснащена различными электронными устройствами, такими как текстиль с эффектом квантового туннелирования, нагревательные элементы, солнечные батареи и другие. Умная одежда может выполнять различные функции, например, отслеживать состояние здоровья, предоставлять информацию о физической активности или просто служить платформой для крепления электроники.
Нас, как обычно, интересует физика работы той или иной "супер-способности". И с точки зрения физики, пожалуй, самое интересное явление связано именно с квантовым туннелированием. Оно используется в ткани, которая используется для умной одежде. Но как это можно применить?
Квантовое туннелирование в ткани
Наверное большинству читателей сложно представить себе, как вообще можно связать квантовое туннелирование и... одежду. В голове сразу возникает что-то из серии хождений сквозь стену. Ведь частицы могут появляться там, где они появляться были бы не должны.
Давайте вспомним, чем является эффект квантового туннелирования. Тут также хочется отметить, что использование подобных технологий демонстрирует реальную работу квантовой физики на практике. Ведь очень многие до сих пор считают эту область знаний чем-то вроде сказки и откровенно не верят в квантовые компьютеры или прочие устройства, связанные с этим.
Итак, эффект квантового туннелирования, заключается в интереснейшем явлении - частичка, которая по идее не может преодолеть потенциальный барьер вдруг оказывается по другую его сторону.
Происходит это по весьма занятной причине. Частица способна находиться и за барьером тоже, но с небольшой долей вероятности. В некоторых случаях при "измерении" объекта "фиксируется" её положение "ЗА" барьером.
Тут сложно описать процесс кратко, но грубо такое явление можно сравнивать с расположением велосипедиста у горы. Чтобы заехать в горку ему нужна энергия. Но если энергии велосипедиста не хватает, то спортсмен должен остаться у подножия горы. Однако, согласно законам квантового мира, он может оказаться за горой с некоторой долей вероятности. И вот эта доля вероятностей в одном из сотен вариантов определяет его реальное расположение и переносит за гору, которую он не способен переехать.
Ещё раз скажу. Не нужно думать, что это фантастика. Прямо сейчас вы смотрите на устройство, в котором есть транзисторы. Многие транзисторы используют в работе логику квантового туннелирования.
Теперь вернемся к одежде или ткани. Этот эффект обычно используется для того, чтобы сделать сенсорные клавиши на ткани... и из ткани. Иными словами это кнопки, которые реально можно нажать. Скажем, включать музыку кнопкой, буквально нарисованной на футболке или менять какой-то параметр одежды.
Стандартный подход к созданию механических кнопок в одежде не очень практичен (хотя часто используется на практике его сильно упрощенный эквивалент). Использование сенсоров, как в экранах смартфонов - тоже тут не самая хорошая идея по объективным причинам. Поэтому, для создания кнопок используют специальные ткани.
Так компания SOFTswitch вполне успешно разрабатывает ткань, которая при нажатии генерирует электрический ток. Их технология основывается на эффекте квантового туннелирования в композитном материале.
Физика умной ткани
Внутри композита расположены токопроводящие частички в форме колючек или каштанового ореха. Но зачем? Что же, для начала вспомним, чем композит является с физической точки зрения.
Любой композитный материал состоит из матрицы и набивки. Про это уже много раз рассказывалось на канале.
Основная мысль в том, что внутри одного материала встречаются несколько разных. Эти принципиально разные материалы с разными свойствами дополняют друг друга.
Один обеспечивает, например, прочность, а другой - специальное физическое свойство.
Скажем, по такой логике делаются токопроводящие полимерные покрытия. Этого добиваются с помощью добавления в полимерный непроводящий компаунд металлической пыли или стружки. В итоге и покрытие получаем, и свойство "добавляем". Так, например, делают полы на производственных предприятиях, где недопустимо скопление статического заряда и требуется постоянная разрядка на "землю".
В умной ткани используется примерно такая же логика. Берется пластичный полимерный материал. Скажем, акриловая ткань или любой другой вариант, который подойдет, чтобы сделать футболку или штаны. Потом в материал добавляются проводящие частицы.
Какие именно частицы и из чего - найти не получится, ведь это основа технологии, которую компании не спешат раскрывать. Известно лишь только, что токопроводящие частицы имеют шипы и странную форму. Зачем шипы?
Электронный заряд частиц концентрируется на кончиках этих шипов частиц. Это создает высокую плотность заряда. Когда композит деформируется, частицы сближаются достаточно близко друг к другу, чтобы электроны из этих областей с высокой плотностью заряда могли "перепрыгивать" с одной частицы на другую. Этот процесс и описывается через квантовое туннелирование.
Квантовое туннелирование проявляется в этом перескоке заряда. В обычном случае такое явление было бы исключено. Потенциальная яма между частичками слишком велика и энергии недостаточно, чтобы заряд "перелетел". Материал был бы непроводящим. Причём, даже в случае сведения частичек при нажатии на ткань. Но вероятностная природа явления позволяет ожидать, что некоторая часть зарядов перепрыгнет эту потенциальную яму и электрический ток.
В результате нажатие создаёт электрический ток. Использовать его как управляющий сигнал уже не составит никакого труда.
Логично предположить, что можно было бы добавить побольше металлических частичек. Но тогда появляется другая проблема - получаем не ткань, способную проводить ток при нажатии, а постоянный полноценный проводник. Поэтому, избыток частиц вопрос решить не поможет. Зато квантовая физика тут вполне справляется.
Эта технология сегодня активно прорабатывается, как способ создания в умной одежде самых разных сенсорных фрагментов и участков. Поскольку любая "механическая" кнопка окажется излишне громоздкой и будет, например, замыкаться под дождем при промокании, то стандартные решения тут не помогут.
⚡ Обязательно подпишитесь на Telegram проекта! Там самое интересное по теме.
✅ Поддержать проект монеткой или задать вопрос можно тут! Здесь же я публикую фрагменты будущей книги, которую могут читать подписчики
👉💖 Ставьте лайки материалу, подписывайтесь на проект!