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, повʼязані з різноманіт. фіз. явищами (пʼєзо­електрика, електро- і магнітострикція, термо­електрика, памʼять 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 взаємоповʼязаних 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. звʼязку 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. звʼязків і від­станей), мікро­скопіч. (від­буваються завдяки дифузії або обʼєм. 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 пʼєзо­електрич. матеріалу і склува­н­ня полімер. матеріалу; внаслідок цього виявляють механізми «інтелектуальності» матеріалу). Най­складнішим при створен­ні І. м. і систем на їхній основі є забезпече­н­ня зворот. звʼязку між зовн. впливом і реакцією обʼєкта на нього. Зокрема стан гомео­стазу біол. систем залежить від зворот. звʼязку, 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., — пʼєзо­електричні (їм властиві прямий і зворот. ефекти, під впливом електрич. заряду за­знають деякої мех. зміни та навпаки), електрострикційні (мають ті ж властивості, що й пʼєзо­електричні, 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 памʼя­т­тю 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 обʼ­єд­нуються 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.

Завантажити статтю