Інтелектуальні матеріали - Енциклопедія Сучасної України
Beta-версія
Інтелектуальні матеріали

ІНТЕЛЕКТУА́ЛЬНІ МАТЕРІА́ЛИ Ін. назва – розумні матеріали (від англ. smart, intelligent materials). Концепція І. м., а також структур і систем на їхній основі, виникла та набула поширення наприкінці 20 ст. під час розвитку нових галузей фізики твердого тіла та матеріалознавства. В класифікації матеріалів виокремлюють: конструкційні, які забезпечують збереження розмірів і форми конструкцій в умовах зовн. (мех., тепл., хім. та ін.) впливів; функціон. матеріали, здатні виконувати певні функції, пов’язані з різноманіт. фіз. явищами (п’єзоелектрика, електро- і магнітострикція, термоелектрика, пам’ять форми, надпружність та ін.), що не обмежується лише структурно-мех. властивостями. Наступ. кроком перед І. м. були поліфункціон. матеріали з фіз. властивостями, які забезпечують наявність кількох взаємопов’язаних функцій. Існують певні розбіжності у запропонованих різними матеріалознавцями дефініціях поняття «І. м.», однак заг. є те, що ці матеріали мають здатність реагувати на зміну стану довкілля зміною своїх функціон. характеристик. Ще більшою мірою це стосується структур на основі І. м., які є повноцін. інтегров. системами з елементами для збирання та оброблення інформації і здатні виконувати певні «інтелектуальні» дії. «Інтелектуал.» реакція на зовн. втручання вимагає склад. внутр. орг-ції системи, тому інтелектуал. структури створюють шляхом комбінації матеріалів різноманіт. класів (металів, кераміки, полімерів, біоматеріалів). Інтеграції «інтелектуал.» функцій на більш локал. рівні можна досягнути за допомогою біоімітац. і наноструктур. технологій. Сучасне покоління І. м. і структур на їхній основі має переважно декілька характер. складових: вбудовані в структур. матеріал або прикріплені до його поверхні датчики (чутливі елементи) та приводи (виконавчі елементи, зазвичай збуджуються зовн. впливом, їхні функції можуть також виконувати безпосередньо гібридні матеріали, які одночасно мають конструкц. і функціон. властивості), один або декілька мікропроцесорів та канали передавання даних, які забезпечують керівні властивості внаслідок зворот. зв’язку між зовн. впливом і реакцією структури на нього. «Інтелектуальність» матеріалу реалізують за допомогою абсолютно різних складових через низку механізмів: кристаліч. (зміни виникають в орієнтації кристалів, атом. конфігурації та міжатом. відстанях; у випадку полімер. матеріалів молекуляр. ланцюжок може бути переконфігурований, напр., із згорнутого стану в розгорнутий), молекуляр. (спричинені розривом молекуляр. ланцюжків, переконфігурацією внутрішньомолекуляр. зв’язків і відстаней), мікроскопіч. (відбуваються завдяки дифузії або об’єм. перенесенню рідин і ультрадріб. порошків), поверхні розмежування (в результаті взаємодії з довкіллям; належать до явищ на границях зерен, а також реакцій на поверхні матеріалу), складу (завдяки супровід. хім. реакціям між матеріалом і навколишнім середовищем на поверхні розмежування), енергії (напр., випромінювання фотонів або електронів; також ініціюються взаємодією між матеріалом і довкіллям на поверхні розмежування), перенесення іонів (іони або атоми можуть трансформуватися в матеріалах, а групи радикалів переноситися вздовж полімер. ланцюжків) і заряду (переноситься вздовж полімер. ланцюжків у орган. матеріалах; у металах, напр., перебіг цього процесу з наступ. накопиченням відбувається за допомогою електропровідності), електрон. структури (переорієнтація електрон. спінів може призводити до зміни магніт. властивостей матеріалу), матеріал. сталих (напр., коефіцієнта тепл. розширення, точки плавлення моноліт. матеріалу, т-р Кюрі п’єзоелектрич. матеріалу і склування полімер. матеріалу; внаслідок цього виявляють механізми «інтелектуальності» матеріалу). Найскладнішим при створенні І. м. і систем на їхній основі є забезпечення зворот. зв’язку між зовн. впливом і реакцією об’єкта на нього. Зокрема стан гомеостазу біол. систем залежить від зворот. зв’язку, коли сенсорну інформацію у вхід. і вихід. станах системи порівнюють і використовують у керівній схемі. Біол. системи розвиваються, зберігаючи інтегров. досвід на генному рівні. І. м. повинні імітувати цю стратегію, пропонуючи нові «інтелектуал.» функції в матеріалах, які зазнають зміни структури. Можливе використання цих властивостей для створення матеріалів, які запрограмовані на завершення своєї функціон. поведінки у відповідь на зміни у зовн. середовищі. Серед функціон. матеріалів, які застосовують для створення нових І. м., – п’єзоелектричні (їм властиві прямий і зворот. ефекти, під впливом електрич. заряду зазнають деякої мех. зміни та навпаки), електрострикційні (мають ті ж властивості, що й п’єзоелектричні, але їхні мех. зміни пропорц. квадрату електрич. поля (переміщення завжди відбувається в одному напрямку), магнітострикційні (під впливом магніт. поля зазнають індук. мех. деформації та навпаки; використовують як датчики або приводи), сплави з пам’яттю форми (під впливом тепл. поля зазнають фазових перетворень, що спричиняють зміну форми; вони деформуються до «мартенситного» стану при низькій т-рі та відновлюють вихідну форму в «аустенітному» стані при нагріванні до високої т-ри), оптичні волокна (використовують інтенсивність, частоту, фазу або поляризацію модуляції для зміни деформації, т-ри, електрич. або магніт. полів, тиску та ін. величин, які вимірюються; найточніші датчики). Матеріали набувають «інтелектуальності», коли побудовані на їхній основі чутливі та виконавчі елементи об’єднуються в інтелектуал. структуру для досягнення необхід. розширеної функціональності. Така система, з додаванням відповід. логіки керування, діє передбачено та відповідно до моделі, яка імітує певну біол. функцію.

Літ.: M. V. Gandhi, B. S. Thompson. Smart Materials and Structures. London, 1992; Z. G. Wei, R. Sandstrom, S. Miyazaki. Share memory materials and hybrid composites for smart systems. Part 1. Shape memory materials. Part 2. Shape memory composites // J. Materials Science. 1998. Vol. 33; Уорден К. Новые интеллектуальные материалы и конструкции. Свойства и применение / Пер. с англ. Москва, 2006; Коваль Ю. М. Материалы с памятью формы // Неорган. материаловедение. Материалы и технологии. К., 2008. Т. 2, кн. 1.

Ю. М. Коваль

Стаття оновлена: 2011