Про функціональні і «розумних» матеріалах в «Російських нанотехнологіях»
Шановні читачі журналу «Російські нанотехнології» знають, що він публікує матеріали міждисциплінарного характеру з фундаментальних питань дослідження структури і властивостей нанорозмірних об'єктів і наноматеріалів, в тому числі - наноматеріалів функціонального призначення, а також робіт, в яких розглянуті технології їх отримання і обробки, практична реалізація виробів і пристроїв на їх основе.Отметім, що словосполучення «функціональні матеріали» відомо досить давно і, може бути, саме з цієї причини воно часто використовується для характеристики тих матеріалів, які, строго кажучи, до функціональних матеріалів не відносяться.
Так що ж таке функціональні наноматеріали?
Функціональні матеріали можуть бути визначені як матеріали, властивості яких організують або конструюють так, щоб вони могли задовольнити конкретного призначенням (виконуваної функції) контрольованим способом.
Функціональні матеріали володіють фізичними і хімічних властивостей, які або стабільні, або, навпаки, змінюються при зміні зовнішніх умов або параметрів навколишнього середовища, причому завдання або зміна цих властивостей повинні бути пророкує і керованими. Зміни умов або параметрів можуть включати зміни температури, тиску електричних і магнітних полів, довжин хвиль видимого світу, типу молекул абсорбованого газу, кислотності середовища і т.д. Функціональні матеріали можна як заново сконструйованими, так і являти собою деяку модифікацію або комбінацію вже існуючих матеріалів.
Так, наприклад, функціональні сенсорні матеріали можуть бути інтегровані з іншими матеріалами у такий спосіб, щоб, скажімо, будівельний або пакувальний матеріали отримали можливість реагувати на зміни вологості або температури навколишнього середовища.
Нові матеріали, що зберігають працездатність в екстремальних умовах експлуатації, наприклад в паливних елементах або двигунах різного типу, можуть бути також віднесені до функціональних матеріалів. Такими ж матеріалами є і функціональні металеві сплави зі спеціальною організацією різних структурних рівнів.
Ясно, що просте перерахування навряд чи дозволить вичерпати список функціональних матеріалів, в силу чого представляється достатнім зупиниться на описовому визначенні цього терміна, даного вище.
В класі функціональних матеріалів можна виділити один дуже цікавий і перспективний, як для дослідження, так і для різноманітних важливих областей застосування, підклас так званих «розумних» матеріалів (smart materials).
«Розумні» матеріали - це відносно нова і швидко розвивається область матеріалів, яка комбінує основи сучасного матеріалознавства з інформатикою. Подібний «розумний» матеріал, який насправді є деякою організовану систему, будується з підсистем зчитування зовнішнього сигналу (впливу), його обробки, виконання деякого дії (функціональний відгук), системи зворотного зв'язку, систем самодиагностирования і самовідновлення. У кожного вузла цієї системи повинна бути певна функціональність, яка забезпечується функціональними властивостями розробляються з цією метою перспективних матеріалів. Вся система ( «розумний» матеріал) влаштована таким чином, щоб виконати самоконтролірумое «розумне» дію, подібну до дії живого організму, здатного «думати», приймати рішення і здійснювати дію.
Відомими прикладами подібних матеріалів, на основі яких можна сконструювати «розумну» систему, є:
- сплави і полімери з пам'яттю форми, які деформуються і потім відновлюють свою форму при зміні температури або напруженості магнітного поля;
- pH-чутливі полімери, які набухають або коллапсируют при зміні кислотності навколишнього середовища;
- температурочувствітельной полімери, які змінюють свої властивості при зміні температури зовнішнього середовища;
- галохромние, електрохромние, термохромні, фотохромні матеріали, які змінюють своє забарвлення при зміні кислотності середовища, прикладеної напруги електричного поля, температури середовища, опроміненні світлом, відповідно;
- неньютонівські рідини, які змінюють свою в'язкість (аж до втрати плинності) при зміні величини прикладеної швидкості зсуву.
Досягнуті останнім часом успіхи в області створення функціональних наноматеріалів і «розумних» структур за допомогою управління їх структурної та композиційної організацією за принципом «знизу-вгору», засновані, в тому числі, на розроблених раніше прийомах епітаксіального вирощування структур на кремнієвих подожках, є першим кроком , що об'єднує функціональні наноматеріали з логічною системою.
Очікується, що наука і техніка 21-і сторіччя в значній мірі будуть пов'язані з розробкою нових функціональних і «розумних» матеріалів, які стануть здатними відповідати на зміни навколишніх умов і реалізовувати свої функції оптимальним чином. Розробка таких матеріалів вже зараз є основним завданням у багатьох областях науки і техніки, таких як інформатика, мікроелектроніка, медицина, наука про життя, енергетика, транспорт, машинобудування з високим рівнем безпеки механізмів і конструкцій, військова техніка. Як перспективи ставиться задача створення гіперфункціонального матеріалів, які в деяких аспектах будуть здатні перевершити функції окремих біологічних органів.
Аналіз існуючої науково-технологічної бази російських досліджень і розробок в галузі наноматеріалів функціонального призначення дозволяє запропонувати наступні рамкові напрямки досліджень і областей застосування таких матеріалів, які відповідають завданням і редакційну політику журналу «Російські нанотехнології».
Напрями досліджень в області функціональних наноматеріалів:
1. Дослідження структури матеріалів і їх властивостей
- фізика і хімія матеріалів
2. Управління властивостями матеріалів і спеціальна організація їх функціональності
- дослідження фізичних і хімічних властивостей
- дослідження стабільності властивостей, працездатності в умовах зношування, до корозії, зміни температури і т.д.
3. Технологічні аспекти
- можливість надання комплексу властивостей
- технології нанесення покриттів
4. Управління повним експлуатаційним циклом матеріалів
- матеріальний і енергетичний баланс
- оцінка повного експлуатаційного циклу
- проблема забезпечення вихідною сировиною і його повторна переробка
- повторна переробка матеріалів
Області застосування функціональних наноматеріалів:
- товари народного споживання
- виробництво пакувальних матеріалів