Формального определения у броского термина "умные материалы", конечно, нет. Обычно так называют материалы, способные изменять свои свойства под воздействием среды. Например, есть так называемые материалы с памятью. Скажем, проволока из никелида титана (его еще называют нитинол), будучи изогнутой, после нагрева возвращает себе исходную форму.

Впервые эти свойства были применены в медицинской технике ещё в прошлом веке , при выполнении операций по перекрытию Баталова протока в перегородке между желудочками сердца ; был создан зонтик из микро пластин нитинола на которых был натянут эластичный чехол из силиконовой резины ; Зонтик в сложенном состоянии подавался по катетеру к месту в котором имелся открытый проток и при достижении температуры тела память формы возвращала нитиноловые пластины в исходное положение; Зонтик перекрывал проток и порок сердца ликвидировался без хирургической операции

Тут сразу следует заметить, что, несмотря на свежесть самого термина, эффекты, связанные с умными материалами, были открыты достаточно давно. Например, эффект памяти изучался еще в 30-х годах прошлого века, а свойства нитинола были изучены советскими металлургами Курдюмовым и Хандорсоном в 1948 году (правда, свое название сплав получил из-за переоткрывших это дело в 60-х годах американцев, но это совсем другая история).

Речь в нашем тексте пойдет об особенном классе умных материалов - самовосстанавливающихся материалах. Под этим словосочетанием скрываются системы, способные противостоять структурному разрушению из-за механического воздействия. Главное требование, предъявляемое к таким материалам, заключается в том, чтобы "залечивание" повреждений происходило без участия человека. Механизмов подобного залечивания имеется огромное множество.

Одним из способов защиты металлических (например, алюминиевых) деталей является хроматирование - их обработка специальными растворами, зачастую содержащими хромовую кислоту. При такой обработке формируется тонкий слой, защищающий металл от коррозии. Этот же слой служит прекрасной грунтовкой для последующей покраски или напыления. При хроматировании, однако, используется шестивалентный хром. Этот материал считается опасным для здоровья, поскольку, в отличие от, например, хрома трехвалентного, относительно легко проникает в живые клетки.

Вместе с тем в некоторых отраслях - например, военной и космической - при обработке алюминиевых сплавов до сих пор используется опасное хроматирование. Помимо прочего, это связано с тем, что при эксплуатации такое покрытие в течение нескольких недель способно само залечивать небольшие царапины и повреждения. Грубо говоря, хром сам мигрирует на место царапины, заполняя и закрывая ее. Царапина при такой миграции, конечно, не затянется (товарный вид изделия все равно будет испорчен), однако подложка из алюминиевого сплава будет защищена (конечно, хуже, но защищена).

Таким образом, одной из задач, стоящей перед химиками, является создания покрытия, которое могло бы заменить опасное хроматирование. В конце октября 2012 года ученые из Университета Невады представили свой прототип такого покрытия. Они придумали покрытие на основе молибдена. Ученые также предложили способ нанесения этого покрытия на поверхность из алюминиевого сплава AA2024-T6, который используется в космической промышленности.

Во время исследования ученые специально повредили образец. Затем, используя сразу несколько методов спектроскопии (чтобы уж наверняка), они убедились, что молибден на поврежденном участке присутствует, то есть покрытие способно самовосстанавливаться. Сами ученые говорят, что их работа еще не завершена - они работают над усовершенствованием формулы покрытия. Примечательно, что до получения приемлемых результатов исследователи перепробовали около 200 различных составов.

Одним из важнейших процессов в современной химии является процесс регенерации например травильных растворов в производстве электронных и микроэлектронных плат

При проектировании такого рода процессов всегда наиболее критичным является безреагентный процесс корректировки уровня кислотности или щёлочности в растворе , подвергающемся регенерации

В последнее десятилетие были изобретены методы и аппарат для такой цели

До сегодняшнего дня это изобретение не было никем усовершенствовано или никто не сумел создать что-то лучше

United States Patent 6,139,714
Livshits October 31, 2000
________________________________________

Method and apparatus for adjusting the pH of a liquid

Abstract

A process for adjusting the pH of an aqueous flowable fluid includes an electrochemical mechanism for adjusting the pH of an aqueous flowable fluid and a mechanism for then electrochemically stabilizing the adjusted pH of the fluid. A device for performing the process is also included. The device includes an inlet and a channel in fluid communication with the inlet. The channel has the appearance and properties of a U-shaped connected vessel. The U-shaped connected vessel includes an inlet accumulating passage in fluid communication with an active zone between two spaced electrodes wherein the active zone has a small volume relative to the passage for accelerating fluid flow from the passage through the active zone complying with the physics of connected vessels.

________________________________________
Inventors: Livshits; David (Ashdod, IL)
Assignee: Gemma Industrial Ecology Ltd. (Brooklyn, NY)
Appl. No.: 08/982,700
Filed: December 2, 1997

Одним из общих методов создания самовосстанавливающихся материалов является использование в их структуре микроскопических капсул, содержащих вещество-заплатку. Когда материал повреждают, капсулы раскрываются и материал из них заполняет трещины и царапины. Сами ученые сравнивают этот метод с кровотечением из раны живого человека - отсюда и название. Главным его недостатком является то, что материал не сможет восстановится, если его повредить одном и том же месте повторно. Кроме того, технически довольно сложно добиться, чтобы капсулы в материале были распределены равномерно, поэтому некоторые его участки могут оказаться уязвимее остальных.

В 2001 году ученые из университета Иллинойса представили пластик, способный лечить собственные повреждения описанным способом - он содержал множество капсул с подходящим материалом. В 2011 году ученые усовершенствовали собственную разработку - они создали материал, в котором есть целая система сообщающихся сосудов с материалом-заплаткой. В настоящее время этот материал тестируется и, по данным на конец октября 2012 года, довольно успешно.

По словам исследователей, им удалось добиться замечательных результатов - одна и та же трещина залечивалась более 50 раз подряд. Кроме этого, говорят ученые, их материал можно "перезаправлять". Насколько такая перезаправка будет эффективна, не сообщается - ведь ток, подходящий к поврежденному участку, может оказаться блокированным. Примечательно, что создание пластиков с системой пор может служить не только в производстве самовосстанавливающихся материалов. Такого рода каналы можно использовать, например, для циркуляции воды и понижения температуры прибора.

Корректировка pH нашла своё применение в следующей разработке :

В марте 2012 года в Proceedings of the National Academy of Sciences появилась статья, авторы которой предложили полимер, способный не только затягивать царапины, но даже склеивать отдельные куски. Полученная система представляет собой гидрогель - молекулы полимера, связанные с молекулами воды. По сути это вещество, напоминающее по внешнему виду желе, можно рассматривать как густую взвесь частиц в водной среде (водную дисперсную среду). Молекулы полимера были снабжены боковыми "отростками", состоящими из гидрофобных и гидрофильных фрагментов - в правильном подборе молекул и заключается "ноу-хау" исследователей.

Во время испытания ученые брали куски геля и разрезали их на несколько частей или повреждали их поверхность. После этого куски помещали в водный раствор. Как оказалось, благодаря боковым отросткам в кислой среде разрезанные куски склеивались, а повреждения затягивались. Процесс склеивания оказался обратимым - в щелочной среде куски отклеивались.

Ученые заявили, что в растворе с правильным pH механические свойства восстановленного куска не отличаются от свойств изначально целого фрагмента геля. Примечательно, что процесс сращивания происходит крайне быстро

В апреле 2011 года химики из Швейцарии создали пластик, который можно "лечить" ультрафиолетом. Новый пластик относился к так называемым супрамолекулярным веществам (pdf) - соединениям, в которых компоненты самостоятельно образуют разные фазы (пленки, слои, мембраны, пузырьки или прочее).

Ученые смешали металл (цинк или лантан) и полимер с достаточно малой молекулярной массой (то есть короткими молекулами) и получили пластик с металлическими прослойками. Оказалось, что небольшая - толщиной 400 микрометров - пластинка такого пластика после 30-секундного воздействия достаточно мощным источником ультрафиолетового излучения способна залечивать царапины глубиной до 200 микрометров (то есть в половину толщины).

Принцип работы довольно прост: при облучении ультрафиолетовым светом атомы металла в пластике поглощают фотоны и преобразуют их в тепло. В результате пластик разогревается изнутри и царапина заплавляется. Исследователи отмечают, что их пластик пока далек от внедрения в промышленность. Главной сложностью они называют тот факт, что облучаемый фрагмент должен быть прозрачным, чтобы технология работала. Кроме того, механические свойства пластика после переплавки могут отличаться от изначальных.

Процесс послойной полимеризации , изобретённый для создания последовательных иерархий независимых полимерных слоёв позволил реально начать изготовление многослойных оптических накопителей информации

В качестве примера привожу два таких изобретения уже реально использованных в производстве прототипов таких оптических дисков

Это первое изобретение :
United States Patent Application 20080182060
Kind Code A1
Livshits; David ; et al. July 31, 2008
________________________________________

Manufacturing of Multi-Plate For Improved Optical Storage

Abstract

In accordance with the invention a new optical data carrier and methods for its production are provided. The optical data carrier of the invention is characterized in that different plates have different concentrations.

Это второе изобретение :
United States Patent Application 20060250934
Kind Code A1
Livshits; David ; et al. November 9, 2006
________________________________________

Three dimensional optical information carrier and a method of manufacturing thereof

Abstract

A three dimensional optical information carrier is presented. The information carrier comprises formatting marks disposed on the nodes of a three dimensional lattice formed by the intersection of equiangular spaced radial planes, equidistantly spaced cylindrical spiral tracks and virtual recording planes.

Концепцию биобетона ученые из Дельфтского технического университета в Нидерландах придумали еще лет двадцать назад. Основная идея была следующей: предлагается, чтобы в бетоне жили микроорганизмы, которые в случае повреждения без вмешательства человека заделывали образующиеся трещины.

Проблема поиска и устранения повреждений железобетонных конструкций - самого популярного материала в строительстве - крайне актуальна. Микротрещины, в которые попадают вода и разные "агрессивные ионы" (так говорят сами изобретатели), со временем приводят к образованию полноценных трещин. Это, в свою очередь, открывает доступ к металлическим конструкциям, скрытым в толще типичного железобетона. Их разрушение, в свою очередь, существенно влияет на прочность конструкций. Ученые подсчитали, что обслуживание конструкций обходится весьма дорого - как в денежном выражении, так и с точки зрения затраченных человеко-часов. Нет ничего удивительного, что они захотели перепоручить эту работу бактериям.

На доведение идеи до практической реализации у исследователей ушло много времени. В этом нет ничего удивительного - им надо было подобрать правильные организмы, обеспечить их питанием. Кроме этого продукты жизнедеятельности бактерий должны были быть подходящими для заделывания дыр. Оказалось, что для такой работы подходят микроорганизмы рода Bacillus. Бетон содержит споры этих организмов, а также гранулы лактата кальция. Помимо того, что это вещество служит источником энергии для бактерий, при его переработке образуется кальцит (одна из форм карбоната кальция), отложения которого и заполняют образующиеся в бетоне щели.

Соответственно, споры оживают в случае, когда в трещины попадает влага. В спящем же состоянии они способны жить в бетоне долгие годы.

Первые лабораторные опыты показали, что бактерии действительно способны заделывать трещины кальцитом. При этом исчезают как относительно крупные дефекты, так и микротрещины размером около 0,2 миллиметров. Такие трещины не учитываются нормами строительства, но, как говорилось выше, со временем способны разрастаться до серьезных размеров.

Теперь же ученым из Нидерландов предстоит доказать работоспособность их материала на практике. Это, по их словам, займет около трех лет.

Умное шоссе" отличается от обычного применением целого ряда энергоэффективных технологий. К примеру, дорога не требует внешних источников энергии для освещения за счет использования сияющей в темноте дорожной разметки. Люминесцентная краска "заряжается" в светлое время суток и в темноте может светиться до 10 часов подряд. Привычные фонари на дороге также предусмотрены, но они включаются лишь при приближении автомобиля, а затем снова выключаются. Для дополнительного освещения по периметру дороги предложили использовать светодиоды, питаемые миниатюрными ветряными мельницами.

Одним из самых любопытных атрибутов "умных дорог" станут погодные индикаторы, нарисованные восприимчивой к температуре краской. При похолодании и риске гололеда на дороге проявятся светящиеся снежинки. Будет ли шоссе "информировать" водителя о других природных явлениях, не уточняется.

Для подзарядки аккумуляторов электромобилей на "умных шоссе" появятся специальные индукционные полосы. Схожие проекты ранее представляли и другие компании (например, Siemens). Принцип их работы в целом схож с беспроводной зарядкой мобильных телефонов или электрических зубных щеток. Под дорожным полотном разместят индукционные катушки, которые будут взаимодействовать с подобными же катушками на днище электромобилей (или гибридов) и подзаряжать батарею.

Как рассказала журналу Wired представительница Studio Roosegaarde, принципиально новых разработок в проекте Smart Highway нет. "Исследования 'умных' транспортных систем ведутся последние 30 лет - спросите у любого специалиста в области транспорта и инфраструктуры, сами все узнаете. Чего не хватает, так это применения подобных инноваций на практике, а также их доступного и удобного исполнения для конечных пользователей - водителей", - пояснила собеседница издания.

По словам самого Даана Роозегаарде, чувствительная к температуре краска, к примеру, давно используется в изготовлении нам привычных вещей, включая упаковки для детского питания.

Презентация проекта Smart Highway состоялась в рамках выставки Dutch Design Week, которая прошла с 20 по 28 октября в Эйндховене. Как говорится в пресс-релизе студии Даана Роозегаарде, с участками футуристической дороги смогли ознакомиться все посетители мероприятия.

Как удалось выяснить журналу Wired, первые участки экспериментальной дороги откроются в провинции Брабант (очевидно, речь идет о голландской провинции Северный Брабант). Полностью внедрить все атрибуты "умного шоссе" на опытном участке планируется в течение пяти лет. В дальнейшем Роозегаарде планирует представить аналогичные трассы на западном побережье США, где компания Google обкатывает свои беспилотные гибриды.

Как пояснили журналу, дороги с люминесцентной подсветкой востребованы во многих странах мира. В частности, такие проекты могут использоваться в Индии, где регулярно случаются перебои с электричеством. Пригодятся "умные шоссе" и в европейских странах. По данным The Sunday Telegraph, власти Великобритании решили для экономии электроэнергии отключать (или приглушать) дорожное освещение после девяти часов вечера. При этом около 5000 километров британских дорог освещения лишены полностью.

За счет сокращения дорожного освещения в 2011 году британскому дорожному агентству удалось сэкономить около 400 тысяч фунтов (646 тысяч долларов). По оценкам Wired, затраты на установку диммеров на дорожные фонари в Великобритании окупятся лишь в течение четырех-пяти лет. Это время, как пишет издание, чиновники вполне могли бы потратить на освоение новых способов сэкономить на электричестве.