Задача сборника под редакцией физика-теоретика Джима Аль-Халили «На что похоже будущее? Даже ученые не могут предсказать… или могут?» (Альпина нон-фикшн), переведенного на русский Сергеем Черниным — дать читателю представление о грядущих революциях в быту и прорывах в представлении о мире. Однако вместо фантастов автор предлагает обратиться к специалистам из различных областей науки, мнение и прогнозы которых формируются на основании фактов и современного понимания законов природы. Некоторые очерки в этой книге посвящены тому, что скорее всего случится в ближайшие 5-10 лет, а другие совершают попытку заглянуть в отдаленное будущее и носят подчеркнуто гипотетический характер. N + 1 предлагает своим читателям ознакомиться с отрывком, посвященным самовосстанавливающимся материалам и тому, как они позволяют сделать вещи долговечнее, а жизнь человека — проще.
«Умные» материалы
Представьте, какой была бы жизнь, если бы ваши вещи могли чувствовать, реагировать, двигаться, адаптироваться, трансформироваться и ремонтировать сами себя без посторонней помощи. В будущем все это станет реальностью: обычные предметы будут выполнять полезную работу для нас без нашего участия и без использования каких-либо элементов робототехники или электроники. Их функции будут определяться «умными» материалами, из которых они будут сделаны. Речь идет об объектах, свойства которых — такие как цвет, форма или магнетизм — меняются сами по себе в ответ на внешние стимулы, включая воздействие света, температуры, усилия и влаги. Тема эта поистине безгранична. В течение своей жизни нам предстоит стать свидетелями того, как умные материалы заполнят все вокруг: на крышах зданий, меняя их цвет для регулировки температуры внутри, в переносных дисплеях, в человекоподобных роботах или даже в самооткрывающихся банках с консервированной фасолью внутри.
Умные материалы не являются чем-то новым. В природе они появились задолго до нас: например, сосновые шишки закрываются во время дождя, а растения тянутся к источнику света. Умные материалы сопровождают нас на всем протяжении истории: 4500 лет назад строители пирамид в Гизе использовали для внешней отделки самовосстанавливающийся известковый раствор. Но впервые само понятие «умного» материала было введено учеными в 1880 г. Поводом для этого послужило открытие, совершенное братьями Пьером и Жаком Кюри — мужем и деверем Марии Кюри. Они обнаружили, что при сжатии кристалла кварца, широко распространенного прозрачного минерала, входящего в состав гранита, между его гранями возникает электрическое напряжение. Годом позже они доказали, что данный эффект проявляется и при обратном воздействии: подача напряжения на грани кристалла приводит к его деформации. Они обозначили данный эффект термином «пьезоэлектричество» — от греческого слова «пьезо», означающего «давлю», и слова «электрон», что означает «янтарь» — материал, электрические свойства которого были известны еще в древности. Впервые пьезокристаллы были использованы во время Первой мировой войны в гидролокационном оборудовании. Сегодня они применяются во многих сферах — от зажигалок и микрофонов до часов и аппаратов УЗИ.
Революционное открытие братьев Кюри заставило ученых-материаловедов, инженеров и изобретателей пересмотреть подходы к разработке материалов, результатом чего стало появление целого класса новых «умных» материалов. Сегодня количество запатентованных изобретений, в которых они используются, исчисляется уже миллионами. Если отвлечься от частностей, все «умные» материалы можно распределить по шести категориям в соответствии с теми функциями, которые они выполняют: изменение цвета, распознавание состояния внешней среды, перемещение, нагрев и (или) охлаждение, самовосстановление и изменение фазового состояния (замерзание и плавление). Ну и конечно же, «умные» материалы можно встретить не только в научно-фантастических мирах или лабораториях: большинство людей уже знакомы с некоторыми из них — например, с фотохромными очками, которые затемняются под воздействием солнечного света, или с термохромными кружками, которые меняют свой цвет, стоит налить в них горячий кофе.
Благодаря умным материалам поездка на футуристическом умном велосипеде превратится в беззаботное путешествие — велосипедисту больше не нужно будет думать о выбоинах на дорогах, бояться проколов или беспокоиться за состояние краски. А с появлением одежды, которая быстро реагирует на изменение температуры тела или начавшийся дождь, вы сможете ездить на велосипеде в любую погоду. Если ночь застанет вас в дороге, путь вам будет освещать дорожное покрытие, получающее энергию от давления на него проезжающих транспортных средств. Случись вам упасть и порвать одежду, она — ведь это будет умная одежда — сама себя восстановит, пока вы отдыхаете на обочине.
Для путешествий на дальние расстояния вы сможете воспользоваться футуристическим самолетом, который будет больше походить на птицу, чем на современный лайнер. Самолеты будут менять свою форму в зависимости от внешних условий, обеспечивая максимальный комфорт пассажирам. Новые лайнеры не только побьют все рекорды скорости, но при этом еще и будут расходовать меньше топлива — и все благодаря умным материалам. Вот что ждет мир вещей в будущем — жить в нем точно будет интересно.
Всего лишь велосипед
«Планируемое старение» — этим термином обозначают усилия производителей по ограничению срока службы продукции с целью стимулирования новых продаж — наряду с непригодными для ремонта товарами способствует все большему распространению культуры потребительства и отношения к вещам как к чему-то одноразовому. Несмотря на универсальную конструкцию и изначально заложенную в нее возможность замены всех деталей, обеспечивающую практически 100%-ную ремонтопригодность, даже любимый всеми велосипед рано или поздно приходит в негодность: с него сходит краска, детали начинают ржаветь, а шины теряют герметичность. Но в будущем умные материалы спасут наши велосипеды от свалки.
Самовосстанавливающаяся краска содержит полимерное вещество, заключенное в крошечные микросферы, которые лопаются при повреждении поверхности. Стоит поцарапать такую краску, как полимер высвобождается и заполняет царапину, автоматически устраняя дефект. Для производства самовосстанавливающихся покрышек можно использовать вулканизированную резину, измененную таким образом, чтобы вдоль длинных молекулярных цепочек выстраивались заряженные частицы (ионы). Противоположно заряженные части смежных молекул будут притягиваться друг к другу, образуя сильные связи и тем самым повышая прочность и долговечность самого материала. В случае увеличения расстояния между молекулами в результате пореза запустится процесс спонтанной перестройки связей, в основе которого лежит тот простой факт, что противоположные заряды притягиваются. В современных проколостойких покрышках применяются специальные герметизирующие материалы с адгезивными свойствами, которые закладываются под протектор и заполняют собой места порезов и проколов. Устройство самовосстанавливающейся умной резины иное — оно предполагает использование всего одного компонента, способного многократно восстанавливаться.
Если оставить современный велосипед под дождем на длительное время, на подверженных воздействию влаги частях обязательно появится ржавчина. При этом поверхность металла становится более щелочной. Умные галохромные материалы меняют свой цвет в случае изменения уровня pH во внешней среде подобно лакмусовой бумаге. Самый распространенный пример — фенолфталеин, который окрашивается в розовый цвет в щелочной среде. Галохромное покрытие на любой детали — от деталей велосипеда до пролета моста — позволит эффективно выявлять коррозию на ранних стадиях и принимать меры по борьбе с ней еще до того, как она причинит серьезный ущерб.
NASA продвинулось в разработке антикоррозионных покрытий дальше остальных, создав умную краску, которая не только указывает на коррозию, но еще и содержит микрокапсулы, из которых в ответ на контакт со щелочной средой высвобождаются масляные ингибиторы коррозии, останавливающие ее в самом зародыше. Возможность борьбы с коррозией без вмешательства со стороны может оказать большое влияние на экономику страны: в это трудно поверить, но, например, в Великобритании коррозия ежегодно причиняет ущерб приблизительно в 3% ВВП, что составляет £60 млрд.
Вполне вероятно, что в скором времени мы сможем поблагодарить братьев Кюри и открытые ими умные пьезоэлектрические материалы за новое поколение уличных фонарей, дорожных знаков и светофоров, которые будут получать энергию от дорожного покрытия. Когда сегодня нужны пьезоэлектрические свойства, чаще всего используется искусственный керамический материал под названием «цирконат-титанат свинца». Атомы данного материала образуют асимметричную кристаллическую структуру, поэтому при сжатии возникает электрическое напряжение. Обычно, когда люди слышат слово «кристалл», в их сознании возникает образ сверкающих прозрачных драгоценных камней. Но для ученого-материаловеда кристаллы — это твердые вещества, атомы которых ряд за рядом упаковываются в трехмерную циклическую структуру. Большинство драгоценных камней действительно кристаллы, но не они одни — металлы, глина, лед, горные породы и некоторые виды пластика также состоят из кристаллов. Элементарная ячейка из атомов, которая до бесконечности повторяется в структуре кристаллов, у большинства из них и сама по себе симметрична: то есть совмещается сама с собой при поворотах или при отражении. В кристаллах с пьезоэлектрическими свойствами элементарные ячейки асимметричны. В обычных условиях заряды в узлах решетки пьезоэлектрического кристалла компенсируют друг друга: отрицательный заряд в одной уравновешивается положительным зарядом в соседней. Однако при сжатии или растяжении узлы асимметрично упорядоченной структуры смещаются таким образом, что заряды перестают компенсировать друг друга. В результате одна грань элементарной ячейки оказывается положительно заряженной, другая — отрицательно. При сжатии или растяжении миллионов элементарных ячеек всего кристалла электрическое напряжение на его гранях становится вполне заметным. Если включить такой пьезоэлектрический кристалл в электрическую цепь, то вырабатываемое им напряжение можно использовать для практических нужд. Например, при размещении таких материалов под полотном дороги можно получать электрический ток, возникающий при сжатии пьезоэлектрика под тяжестью проезжающих по асфальту автомобилей. Этим током можно заряжать батареи и использовать накопленную в них энергию, например, для освещения дороги. Ряд пилотных проектов по изучению возможности реализации таких систем уже демонстрируют многообещающие результаты. Причем с помощью данной технологии можно получать электричество даже с обувных подошв.
Благодаря самовосстанавливающемуся бетону — умному материалу, который способен выявлять дефекты и устранять их без постороннего вмешательства, — в будущем проб лема выбоин и ям на дорогах перестанет быть головной болью для велосипедистов, автомобилистов и чиновников местных органов власти. Образование трещин в бетоне происходит из-за воздействия находящейся в атмосфере влаги и дождей. В самовосстанавливающемся бетоне содержатся ингредиенты, которые при контакте с водой заполняют собой трещины. Одним из примеров такого заполнителя является добавка на основе глины, в состав которой также входят бактерии в анабиозе и лактат кальция — вещество, знакомое каждому, кто надолго оставлял сыр в холодильнике, а через некоторое время наблюдал на его поверхности кристаллы белого цвета. Под воздействием воды бактерии выходят из анабиоза, поглощают лактат кальция и выделяют известняк, который заполняет трещину и предотвращает дальнейшее разрушение. Этот материал можно использовать на дорогах, в зданиях и иных сооружениях. Особенно полезен он может быть в тех частях мира, где отмечается повышенная сейсмическая активность.
В условиях холодного климата велосипедистам нужна одежда, способная адаптироваться к теплу, выделяемому телом: при больших физических нагрузках во время езды на велосипеде она должна обеспечивать хорошую вентиляцию, а в обычных условиях — сохранять тепло. Для решения этой проблемы могут быть использованы полимеры с памятью формы, быстро меняющие ее при нагреве. Полимеры — это материалы, молекулы которых состоят из большого количества атомов, соединенных в длинные цепочки. Примеры полимеров — это резина, пластмассы и такие вещества природного происхождения, как белки. Свою исходную форму, ту, которую он «запоминает», полимер получает в процессе производства. На последнем этапе такой материал нагревается, ему придается другая, временная, форма, после чего он охлаждается. Временную форму он сохраняет до того момента, когда он будет нагрет до температуры перехода в пластическое состояние. После этого он восстанавливает свою исходную форму. Каждый раз, когда материал нагревается или охлаждается до определенной температуры, он принимает одну из форм, находящихся в его «памяти». В будущем в качестве подстежки в куртках для велосипедистов можно было бы использовать мягкий полимер с памятью формы, который будет удерживать воздух подобно спальному мешку при низких температурах, а во время повышенной физической активности — сжиматься, чтобы обеспечивать отток выделяемого телом избыточного тепла.
Аналогичным образом ведут себя чувствительные к влаге полимеры — только они меняют свою форму при контакте с водой. Когда он сухой, такой полимер остается жестким, но стоит материалу вступить во взаимодействие с водой, которая выступает в данном случае в качестве пластификатора, как он размягчается. Из подобных полимеров можно получить ткань с миниатюрными влагочувствительными чешуйками, которые в сухом состоянии располагаются под прямым углом к волокнам, что обеспечивает оптимальную воздухопроницаемость. Стоит пойти дождю, чешуйки размягчаются, опускаются и накладываются друг на друга, образуя водонепроницаемый слой.
Все мы хорошо знакомы со свойствами нашей кожи, обеспечивающими ее восстановление при повреждении. Они бывают полезными, например, при падении с велосипеда. Благодаря самовосстанавливающимся текстильным изделиям в будущем то же самое может происходить с нашей порванной одеждой. В составляющих ее тканях будет содержаться не обычный ингредиент — специальный белок, который в своей природной форме встречается в зубчиках на присосках щупалец кальмаров и который может быть синтезирован в лабораторных условиях. Когда ткань рвется, данный белок обеспечивает формирование новых химических связей по обеим сторонам разрыва. Таким образом, мене е чем за минуту ткань сама себя «зашивает» — достаточно лишь добавить воду и сдавить место разрыва. Так что любителям велосипедных прогулок больше не придется заботиться о порванной одежде. Жаль, что душевные травмы так быстро не исцелить.
Подробнее читайте:
Аль-Халили Д. На что похоже будущее? Даже ученые не могут предсказать… или могут? / Под ред. Джима Аль-Халили ; Пер. с англ. [Сергея Чернина] — М.: Альпина нон-фикшн, 2020. — 326 с.