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. організації 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, температури, 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.

Розмір шрифту

Інтелектуальні матеріали

Рекомендована література

Інформація про статтю