Інтелектуальні матеріали
ІНТЕЛЕКТУА́ЛЬНІ МАТЕРІА́ЛИ Інша назва — розумні матеріали (від англійського smart, intelligent materials). Концепція інтелектуальних матеріалів, 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 зовнішніх (механічних, теплових, хімічних та ін.) впливів; функціональні матеріали, здатні виконувати певні функції, повʼязані з різноманітними фізичними явищами (пʼєзоелектрика, електро- і магнітострикція, термоелектрика, памʼять форми, надпружність та ін.), що не обмежується лише структурно-механічними властивостями. Наступним кроком перед інтелектуальними матеріалами були поліфункціональні матеріали з фізичними властивостями, які забезпечують наявність кількох взаємоповʼязаних функцій. Існують певні розбіжності у запропонованих різними матеріалознавцями дефініціях поняття «інтелектуального матеріалу», однак загальним є те, що ці матеріали мають здатність реагувати на зміну стану довкілля зміною своїх функціональних характеристик. Ще більшою мірою це стосується структур на основі інтелектуальних матеріалів, які є повноцінними інтегрованими системами з елементами для збирання та оброблення інформації і здатні виконувати певні «інтелектуальні» дії. «Інтелектуальна» реакція на зовнішнє втручання вимагає складної внутрішньої організації системи, тому інтелектуальні структури створюють шляхом комбінації матеріалів різноманітних класів (металів, кераміки, полімерів, біоматеріалів). Інтеграції «інтелектуальних» функцій на більш локальному рівні можна досягнути за допомогою біоімітаційних і наноструктурних технологій. Сучасне покоління інтелектуальних матеріалів і структур на їхній основі має переважно декілька характерних складових: вбудовані в структурний матеріал або прикріплені до його поверхні датчики (чутливі елементи) та приводи (виконавчі елементи, зазвичай збуджуються зовнішнім впливом, їхні функції можуть також виконувати безпосередньо гібридні матеріали, які одночасно мають конструкційні і функціональні властивості), один або декілька мікропроцесорів та канали передавання даних, які забезпечують керівні властивості внаслідок зворотного звʼязку між зовнішнім впливом і реакцією структури на нього. «Інтелектуальність» матеріалу реалізують за допомогою абсолютно різних складових через низку механізмів: кристалічні (зміни виникають в орієнтації кристалів, атомній конфігурації та міжатомних відстанях; у випадку полімерних матеріалів молекулярний ланцюжок може бути переконфігурований, напр., із згорнутого стану в розгорнутий), молекулярні (спричинені розривом молекулярних ланцюжків, переконфігурацією внутрішньомолекулярних звʼязків і відстаней), мікроскопічні (відбуваються завдяки дифузії або обʼємному перенесенню рідин і ультрадрібних порошків), поверхні розмежування (в результаті взаємодії з довкіллям; належать до явищ на границях зерен, а також реакцій на поверхні матеріалу), складу (завдяки супровідним хімічним 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 полімерних ланцюжків) і заряду (переноситься вздовж полімерних ланцюжків у органічних матеріалах; у металах, напр., перебіг цього процесу з наступним накопиченням відбувається за допомогою електропровідності), електронної структури (переорієнтація електронних спінів може призводити до зміни магнітних властивостей матеріалу), матеріальних сталих (напр., коефіцієнта теплового розширення, точки плавлення монолітного матеріалу, температур Кюрі пʼєзоелектричного матеріалу і склування полімерного матеріалу; внаслідок цього виявляють механізми «інтелектуальності» матеріалу). Найскладнішим при створенні інтелектуальних матеріалів і систем на їхній основі є забезпечення зворотного звʼязку між зовнішнім впливом і реакцією обʼєкта на нього. Зокрема стан гомеостазу біологічних систем залежить від зворотного звʼязку, коли сенсорну інформацію у вхідному і вихідному станах системи порівнюють і використовують у керівній схемі. Біологічні системи розвиваються, зберігаючи інтегрований досвід на генному рівні. Інтелектуальні матеріали повинні імітувати цю стратегію, пропонуючи нові «інтелектуальні» функції в матеріалах, які зазнають зміни структури. Можливе використання цих властивостей для створення матеріалів, які запрограмовані на завершення своєї функціональної поведінки у відповідь на зміни у зовнішньому середовищі. Серед функціональних матеріалів, які застосовують для створення нових інтелектуальних матеріалів, — пʼєзоелектричні (їм властиві прямий і зворотний ефекти, під впливом електричного заряду зазнають деякої механічної зміни та навпаки), електрострикційні (мають ті ж властивості, що й пʼєзоелектричні, але їхні механічні зміни пропорційні квадрату електричного поля (переміщення завжди відбувається в одному напрямку), магнітострикційні (під впливом магнітного поля зазнають індуктивних механічних деформацій та навпаки; використовують як датчики або приводи), сплави з памʼяттю форми (під впливом теплового поля зазнають фазових перетворень, що спричиняють зміну форми; вони деформуються до «мартенситного» стану при низькій температурі та відновлюють вихідну форму в «аустенітному» стані при нагріванні до високої температури), оптичні волокна (використовують інтенсивність, частоту, фазу або поляризацію модуляції для зміни деформації, температури, електричних або магнітних полів, тиску та інших величин, які вимірюються; найточніші датчики). Матеріали набувають «інтелектуальності», коли побудовані на їхній основі чутливі та виконавчі елементи обʼєднуються в інтелектуальну структуру для досягнення необхідної розширеної функціональності. Така система, з додаванням відповідної логіки керування, діє передбачено та відповідно до моделі, яка імітує певну біологічну функцію.