Электронный текстиль

Если мы встретимся снова в 2020 году, наша одежда, скорее всего, будет сшита из электронных тканей. Зачем таскать с собой многочисленные гаджеты, которые к тому же так легко потерять, если мы можем просто носить на себе свои компьютеры? Мы создадим одежду, на поверхности которой будет постоянно проецироваться видео по нашему выбору (если только оно нам не надоест до такой степени, что его придется отключить). Только представьте себе, каково это, носить, скажем, длинный плащ, на котором размещен дисплей, постоянно демонстрирующий изображение ночного  неба в режиме реального времени. Можно будет поговорить по «телефону», просто сделав рукой жест, активирующий электронику на лацкане пиджака, а затем лишь подумав о том, что мы хотели бы сказать (остальное возьмет на себя специальный интерфейс). Возможности электронного текстиля поистине безграничны.

Аморфные металлы

Аморфные металлы, называемые также металлическим стеклом, состоят из молекул металла с неупорядоченной атомной структурой. Они могут быть вдвое прочнее стали. Благодаря своей беспорядочной структуре, они способны распределять воздействие внешней энергии эффективнее, чем кристаллическая решетка металла, у которой имеются уязвимые точки. Аморфные металлы изготавливаются путем сверхбыстрого охлаждения расплавленных металлов, прежде чем они успеют снова выстроиться в прежние кристаллические структуры.

Аморфные металлы, возможно, станут следующим поколением брони для военной техники, прежде чем в середине века их заменят  «диамондоиды», наноматериалы, в которых углеродные атомы связаны между собой так же, как и во фрагментах кристаллической решетки алмаза.  С экологической точки зрения, аморфные металлы обладают свойствами, которые повышают эффективность электрических сетей на целых 40 процентов, тем самым позволяя избежать выброса тысяч тонн загрязняющих веществ в атмосферу.

Искусственные алмазы

Мы начинаем покрывать получать все большее количество искусственно выращенных алмазов с помощью метода химического осаждения из газовой фазы, а это предвещает время, когда все детали машин будут изготавливаться из такого материала. Алмаз – идеальный конструктивный материал: он обладает колоссальной прочностью, но при этом легкий, изготавливается из широкодоступного элемента, углерода. Для него характерны такие свойства как почти максимально возможная теплопроводность и высочайшая тугоплавкость среди всех материалов. Введя минимальное количество примесей, можно получить алмаз практически любого вообразимого цвета. Представьте себе самолет, в котором сотни тысяч движущихся частей изготовлены из идеально обработанных алмазных деталей. Такая машина будет настолько же мощнее любого современного истребителя, насколько сегодняшний F-22 превосходит триплан «Fokker Dr. I» выпуска 1917 года.

Аэрогели

Аэрогель занимает 15 страниц Книги рекордов Гиннеса, больше, чем любой из существующих материалов. Некоторые называют его «замороженным дымом». Этот поистине  непостижимый материал изготавливается методом сверхкритической сушки жидких гелей, состоящих из диоксидов алюминия, кремния, хрома, олова или углерода. Он на 99,8 процентов состоит из «пустоты», что делает аэрогель полупрозрачным. Он представляет собой фантастический изолятор: если у вас есть экран из аэрогеля, вы можете легко защитить себя от струи пламени из огнемета. Он останавливает холод столь же эффективно, как и тепло. Из аэрогеля вполне можно построить теплый дом на Луне. Аэрогели обладают невероятной площадью поверхности благодаря своей внутренней пористой структуре: кубик аэрогеля со стороной в 2,5 сантиметра имеет суммарную площадь поверхности, эквивалентную футбольному полю. Несмотря на низкую прочность, аэрогели рассматриваются в качестве потенциального компонента для военной брони, благодаря своим изолирующим свойствам.

Углеродные нано-трубки

Углеродные нано-трубки – это длинные цепочки из молекул углерода, соединенных между собой самой прочной химической связью из всех возможных, пространственной связью sp2, которая превосходит даже ту, что соединяет молекулы углерода в алмазе. Углеродные нано-трубки обладают многочисленными потрясающими физическими свойствами, в том числе так называемой баллистической проводимостью, что делает их идеальными для использования в области электроники, и столь высокой прочностью на разрыв, что они являются единственной субстанцией, которую можно использовать для создания космического лифта. Удельная прочность углеродных нано-трубок составляет 48000 кН·м/кг, что является наивысшим показателем среди всех известных материалов. Для сравнения, высокоуглеродистая сталь обладает коэффициентом прочности 154 кН·м/кг, то есть углеродные нано-трубки в 300 раз прочнее. Из них можно строить башни высотой в несколько километров.

Метаматериалы

Метаматериалом называется любой материал, свойства которого обусловлены не столько свойствами составляющих его элементов, сколько искусственно созданной периодической структурой. Они могут быть использованы для создания микроволнового плаща-невидимки, двухмерного экрана невидимости, а также материалов с другими необычными оптическими свойствами. Перламутр получил свою радужную окраску благодаря метаматериалам органического происхождения. Некоторые из них обладают отрицательным индексом рефракции, оптическим свойством, которое может быть использовано для создания «суперлинз» с оптическим разрешением меньше длинны волны излучения, создающего изображение! Эта технология получила название субволновой интраскопии. Метаматериалы будут использоваться в оптических устройствах с фазированной  решеткой, способных создавать идеальные голограммы на двумерном дисплее. Эти голограммы могут быть настолько совершенными, что человек, стоя в 15 сантиметрах от экрана и вглядываясь «вдаль» с помощью бинокля, даже не заметит, что это голограмма.

Металлическая пена

Металлическая пена – это то, что получится, если добавить пенообразующий материал, пудру из гидрида титана, в расплавленный алюминий, а затем охладить. В результате образуется исключительно прочная структура, при этом относительно легкая за счет того, что она на 75-95 процентов состоит из воздуха. Благодаря своей необычайно низкой плотности, металлические пены предполагается использовать в качестве строительного материала на космических колониях. Некоторые металлические пены настолько легкие, что способны плавать на поверхности воды, и это делает их идеальным материалом для строительства плавучих городов, подобных тем, что описывает Маршалл Сэвидж в своей знаменитой книге «Проект тысячелетия».

Суперсплавы

Суперсплав – это термин, который применяется для металла, способного функционировать при крайне высоких температурах, до 1100 C°. Они пользуются популярностью как материал для сверхгорячих зон турбин ракетных двигателей. Их также применяют для изготовления самых современных дышащих конструкций, таких как гиперзвуковые самолёты с прямоточным воздушно-реактивным двигателем. Пролетая по небу  на сверхзвуковом лайнере, мы должны помнить, что обязаны этой возможностью суперсплавам.

Прозрачный оксид алюминия

Прозрачный корунд (оксид алюминия) втрое прочнее стали и при этом пропускает свет. Количество возможных сфер применения этого материала потрясает воображение. Представьте себе небоскреб или целый город, созданный в основном из прозрачной стали. Горизонт будущего, возможно, будет выглядеть совсем иначе: это будет не монолит, а скопление плавающих в воздухе точек (непрозрачных жилых и иных помещений). Гигантская космическая станция, построенная из прозрачного оксида алюминия, может курсировать по низкой земной орбите, не создавая неприятного черного пятна, когда будет пролетать над головами людей. Да, кстати, из него можно сделать, наконец, настоящие прозрачные мечи!

Искусственно выращенные фуллерены

Алмазы, разумеется, очень прочны, но агрегированные алмазные нано-трубки (которые называют аморфным фуллереном) все же прочнее. Аморфный фуллерен обладает изотермическим модулем объемной упругости в 491 Гигапаскаль (ГПа), что превышает аналогичный показатель алмаза – 442 Гпа. На рисунке можно увидеть, что наноразмерная структура фуллерена придает ему прекрасный радужный вид. Фуллерены могут быть значительно прочнее, чем алмазы, однако это требует очень больших затрат энергии. После «Алмазного века» мы наверняка вступим в «фуллереновый век», а наши технологии станут еще более совершенными.

Источник перевод для gearmix (Игорь Абрамов)

Рейтинг публикации:

5




Комментарий от редакции:

Как умные материалы изменят наш мир

Источник перевод для mixstuff – Onriom

За последние несколько лет Интернет Вещей стал центром внимания всего и вся. Стартапы, связанные с развитием и применением встроенных датчиков мониторинга состояния физических объектов, получили значительную поддержку со стороны бизнеса за последние 4 года – более 30 миллионов  долларов было влито в этот рынок.

Интернет вещей – это важно, а главное – перспективно. Но насколько перспективна концепция встроенных датчиков? Не переоценены ли они? Можем ли мы обойтись без них?

Ответ – да, можем. Существуют специальные материалы,  которые сами, по своей сути, являются своего рода датчиками, и могут собирать информацию о температуре, давлении и другом внешнем воздействии – такие материалы называются «умными», и с такими материалами отпадает всякая необходимость использовать какие-либо другие датчики.

«Умные материалы» способны собирать информацию и сразу же сохранять ее в облако. «Умные материалы» будут перенастраивать себя, сталкиваясь с изменениями в состоянии окружающей их среды. Можно сказать, что такие материалы не просто умные, но «живые» — и сама концепция взаимодействия человека и технологий значительно изменится, когда эти материалы получат широкое распространение в нашей повседневной жизни.

Конец изотропной эры

Изотропные материалы, с которой работает вся инженерная отрасль, предсказуемы в своей реакции на внешние раздражители.  В изотропной эре, вы сначала создаете проект, и лишь затем подбираете подходящий материал, который будет выполнять специально отведенную для него функцию в этом проекте.

Но что если все можно сделать наоборот? Что если бы мы могли сделать так, чтобы используемые нами материалы определяли цель проекта? В природе так все и работает: семена, к примеру, попадая в почву, формируют деревья.

Так же работают и анизотропные материалы. Они куда более гибкие, чем изотропные, и способны подстраиваться под условия окружающей их среды.

Добро пожаловать в анизотропную эру.

Умный транспорт

Представьте себе обшивку самолета, которая сама по себе избавляется от вмятин и царапин, сохраняя тем самым оптимальную термодинамику. Это совершенно немыслим для изотропной эры, но вполне себе реально в эру анизотропную.

Вот как это работает: часть самолета — например, крыло — выполнена из композитного материала, покрытого тонким слоем наносенсоров. Это покрытие выполняет роль «нервной системы», позволяя крылу чувствовать все, что происходит вокруг него – температуру, давление, и т.д.

Если нервная система крыла испытывает повреждения, она посылает сигнал к микросферам из невулканизированного материала внутри нанокристаллического покрытия. По этому сигналу, микросферы отправляются на место повреждения, выпуская там свое содержимое, залечивая им «рану» .

В настоящее время, Airbus занимается исследованиями в этой области в национальном композитном центре Бристольского университета, приближая нас к будущему, где вся авиационная отрасль будет буквально захвачена умными материалами.

Автомобильная промышленность также может использовать умные материалы для производства машин, способных не только чувствовать повреждения и самовосстанавливаться, но и собирать данные о качестве работы, передавая их инженерам и механикам для анализа.

Проект Hack Rod, собравший вместе множество энтузиастов в сфере умных технологий в Южной Калифорнии, направлен на создание первого в мире полностью автоматизированного автомобиля с использованием умных материалов и революционного искусственного интеллекта.

Еще один пример: Пауло Гамейро, координатор европейского проекта HARKEN и менеджер по исследованию и разработке португальской текстильной компании Borgstena, разрабатывает прототип ремней безопасности из умных материалов, чтобы те, получая данные о сердцебиении и частоте дыхания, предупреждали водителя о чрезмерной усталости, рекомендуя прекратить движение во избежание несчастного случая.

Революция в строительстве

Помимо транспорта, умные материалы предлагают множество возможностей для сферы строительства – как пример, эти материалы помогут инженерам отслеживать состояние зданий и других сооружений в реальном времени, позволив контролировать как сам процесс строительства, так и последующую эксплуатацию построек.

Дороги, мосты, здания и другие части нашей современной инфраструктуры постоянно нуждаются в надлежащем обслуживании. Иногда мы даже не знаем, чему следует уделить внимание в первую очередь – настолько наша инфраструктура страдает от различного воздействия извне – будь то природного или техногенного.

Но что если мы можем создать «умный бетон»? «Нервная система» такого бетона способна в реальном времени следить за состоянием конструкции, самостоятельно инициируя восстановительные работы в случае даже самых малейших повреждений.

В MIT сейчас работают над проектом ZERO+ — этот проект обещает революционировать сферу строительства, сделав использование подобных композитных материалов делом вполне обыденным.

Функциональные ткани

Исследователи из MIT также взялись за работу над будущим текстильной промышленности, создав новый институт AFFOA. Их исследования нацелены на создание нового поколения одежды, которая сможет видеть, слышать и чувствовать, общаться со своим обладателем, хранить и преобразовывать энергию, следить за здоровьем человека, контролировать температуру и изменять цвет.

Такие «функциональные ткани» изменят наш взгляд на одежду как таковую. По сути, одежда может перестать быть «просто» одеждой – она станет и батарейкой для ваших гаджетов, и универсальным устройством для контроля состояния здоровья. Даже солдаты могут использовать подобные материалы в своей униформе, чтобы лучше приспосабливаться к постоянно изменяющимся условиям прямо на поле боя.

Но что если вы случайно порвете такую без сомнения дорогостоящую штуку? Не проблема – ткань восстановит сама себя, прямо как то крыло самолета.

Жизнь в новом мире

Это не фантастика – это вполне себе реальность. Умные материалы придут в нашу жизнь уже очень скоро.

Они преобразят наш мир и сделают его проще, безопаснее и удобнее. Создавая вещи, которые могут не только собирать информацию о себе и собственном окружении, но и подстраиваться в соответствии с этой информацией, умные материалы станут  новым стандартом для каждой из сфер – как для авио и автомобильной промышленности, так и для строительства. Даже наша одежда будет сделана из них!

Таков потенциал умных материалов – с ними мы станем еще на один шаг ближе к будущему.

Комментарии (0) | Распечатать

Добавить новость в: