Об «умных материалах»: по страницам якутского научно-популярного журнала
Сегодня в научно-популярной рубрике от Академии наук Якутии статья действительного члена академии – Валерия Лепова, которая раскроет нашим читателям, их детям и внукам интересные аспекты современной якутской науки. Посвящена она так называемым «умным материалам» (см. ссылку на архив журнала в конце материала).
Также смотрите очередной выпуск новостей от Академии наук, посвященный вручению дипломов с отличием выпускникам СВФУ имени М.К. Аммосова ректором университета, действительным членом Академии наук РС (Я) Анатолием Николаевым. Приятного чтения и просмотра!
***
Международные усилия в области создания умных материалов
д.т.н. Лепов В.В.
Человечество давно, ещё со времён мифологических воззрений и языческого одухотворения природы мечтает об «умных», или «интеллектуальных» материалах, реагирующих на внешние стимулы наподобие живых и разумных организмов. В настоящее время к ним относят соединения и сплавы, реагирующие на свет, температуру, механическую нагрузку, способные самостоятельно восстанавливать повреждения, самоочищаться или самосмазываться. Из наиболее известных интеллектуальных материалов — сплавы с памятью формы1. Широкое применение получили также пьезоэлектрики2, пироэлектрики3, электрохромные4 материалы, «умные» гели5, и другие.
Справка:
- «Сплавы с памятью формы» отличаются тем, что «помнят» свою форму, зафиксированную при кристаллизации, и восстанавливают небольшую деформацию подобно каучуку; изменение температуры способны полностью вернуться в первоначальную форму. В СССР подобный эффект был обнаружен 1948 году учёными Г. В. Курдюмовым и Л. Г. Хандросом и получил название «эффекта Курдюмова» (впервые он обнаружен для сплава кадмия и золота Олландером в 1932 г.). в 1960-х годах эффект памяти формы был открыт уже у сплава Ti-Ni (известный ещё как «Нитинол» — 45% титана и 55% никеля) и Cu-Al, которые благодаря доступности материалов и ярко выраженному эффекту мартенситного превращения (фазового перехода) позволили быстро найти практическое применение. Суть эффекта в сочетании обычно двух фаз сплава – одной родительской, и другой мартенситной, переводящей систему в промежуточное, метастабильное состояние.
- Пьезоэлектрики – вещества, обычно диэлектрические, под действием деформации индуцирующие электрический заряд на своей поверхности (прямой пьезоэффект), либо способные деформироваться во внешнем электрическом поле (обратный пьезоэффект).
- Пироэлектрики – кристаллические диэлектрики, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, то есть поляризацией в отсутствие внешних воздействий. Относятся к пьезоэлектрикам.
- Электрохромные материалы (в основном стёкла) – изменяющие свои оптические свойства под действием приложенного электричества, или интенсивности электромагнитного излучения (фотохромные- например с эффектом «хамелеон», термохромные, атермальные). Фотоэлектрики обладают обратным эффектом – производят из света электричество, и сейчас применяются повсеместно.
- «Умные» гели – системы, которые обратимо реагируют на незначительные изменения свойств среды, причем ответ системы зачастую не соизмерим с внешним воздействием. Так, гидрогели за счёт фазового перехода первого рода резко увеличивают удельный объем макромолекулы (в тысячи раз). Могут применяться для очистки от загрязнений. Магнитные гели меняют свои свойства под действием магнитных полей из-за внедренных в полимерную среду нано- или микроразмерных магнитных частиц. «Умные» гели применяются и в медицине и имеют широкие перспективы в будущем.
- Диаманы – двумерные углеродные материалы, в которых параллельные графеновые слои соединяются ковалентными связями. надежные химические методики позволяют получать их на большой площади и без высоких давлений [6,7]. Диаманы считаются самыми твердыми из известных 2D-материалов, а вновь полученные – также полупроводниками.
С другой стороны, российская наука и технология с 2022 года находится на новом этапе мобилизационного развития, в условиях санкционного давления, консолидации общества и хозяйствующих субъектов для решения важных задач технологического развития, обеспечения суверенного развития и безопасности страны (Стратегия научно-технологического развития РФ, утверждена Указом Президента РФ №145 от 28.02.2024 г.). Поэтому актуально развитие этого направления с привлечением международного партнерства в обход имеющихся санкций с целью создания собственных производств.
Умные материалы должны обладать рядом уникальных свойств, таких как чувствительность к воздействиям, изменениям во внешней среде, адаптивность, т.е. способность изменять свои свойства или структуру в зависимости от условий, а также многофункциональность для одновременной детекции проблемы, её исправления исполнением функции, и обеспечения целостности узла или всей конструкции.
По проявляемым свойствам умные материалы разделяют на пассивные и активные [1]. Первые могут только переносить тот или иной вид энергии (например, оптоволокно – электромагнитные волны). Активные материалы делят на те, которые не меняют своих свойств при внешнем воздействии, и те, которые могут преобразовать одну форму энергии (оптическую, механическую, тепловую, магнитную, химическую и электрическую) в другую. Преимуществом таких материалов является почти нулевое время отклика, способность принимать необходимый внешний вид и форму, избирательность: реакции на внешнее воздействие, самодиагностика и самовосстановление.
Но при использовании таких материалов необходимо учитывать и их недостатки, которые могут значительно ограничить широту их применения. Пъезоэлектрики, например, генерируют электрический заряд под действием внешней деформации. Они жаростойки, но в процессе работы сами выделяют тепло и быстро изнашиваются, а воспринимаемая деформация не превышает нескольких микрометров; использование их ограничено электроникой в автомобильных преобразователях энергии, датчиках давления в шинах, и пьезоэлектрических форсунках [2].
Магнитострикционные материалы обладают достаточно высокой энергоёмкостью и надёжностью, повышают эффективность системы, применяются в регулируемых амортизаторах, гасителях колебаний и вибраций в креплениях двигателя, и в датчиках вибрации [1]. Сплавы с памятью формы, несмотря на высокую прочность и коррозионную стойкость, дороги в производстве, требуют проектирования и точного соблюдения состава и формы, поэтому применяются в основном в космосе для развёртывания солнечных батарей при нагреве.
К умным материалам относят и электрореологические жидкости – суспензии диэлектрических частиц различной концентрации в вязкой среде, которые способны изменять свои реологические характеристики в сотни тысяч раз при наложении электрических полей. Они также используются как усилители мощности, демпферы, амортизаторы, муфты и гидравлические клапаны. Однако длительное использование устройств приводит к необходимости периодической замены жидкости.
Братья Кюри в 1880-1881 годах были первыми исследователями, которые смогли обнаружить интересное явление, известное как «пьезоэлектричество» [3]. Вначале была выявлена роль механического давления при возникновении электричества в некоторых кристаллах, но вскоре было обнаружено и обратное влияние электрического поля на размер тех же кристаллов. Сейчас научились выращивать пьезокерамику с заранее заданными свойствами, — например, для прецизионных профилометров и сканирующих микроскопов с нанометровым разрешением, а также для ультразвуковых излучателей.
В последние десятилетия во всём мире наблюдается повышенное внимание к умным материалам. Наряду с умными технологиями и искусственным интеллектом [4], они входят в ядро нового, шестого технологического уклада, и будут лежать в основе грядущего седьмого.
В ноябре 2024 года в городе Чиангмай (Таиланд) состоялась Международная конференция SmartMat@2024 по умным материалам и нанотехнологиям [5]. Праздновался 20-летний юбилей проведения этих конференций, и 60-летие Американского Керамического Общества, филиал которого расположен в Таиланде.
Следует упомянуть, что мне впервые пришлось лететь из якутской зимы в лето, за экватор, в данном случае Таиланд. Определённый шок пришлось испытать ещё в самолёте, когда начались изменения среди сидящих вокруг пассажиров при подлёте к Бангкоку. Люди волновались, будто оживали, переодеваясь в летнюю одежду, лица их озарялись мимолётным счастьем. Жаркая погода Таиланда вносила свои нюансы и в процесс научных бесед. Испытывать 30-градусную жару, или проливной дождь, будучи душой ещё в зимнем якутском климате, было очень необычно. И никто не мог поверить, что в Якутии в это время царили 35-градусные морозы.
Прогуливаясь в перерывах возле места проведения конференции, можно было послушать живую музыку, посетить различные заведения, включая кафе кошек, торговый центр, магазины сушёных фруктов и специй, изделий ручной работы, аптеки с оригинальными таиландскими лекарственными препаратами. Чианг-май – город вечной весны и муай-тай, вида спортивного единоборства, которым на многочисленных спортивных площадках постоянно занимается молодёжь. С гостиницы на заседания и обратно я ездил на байке, тоже впервые в жизни (не считая подросткового периода летних деревенских мотоциклов).
Конференция SmartMat@2024 открылась Школой перспективной керамики, на которой было представлено 8 лекций, которые прочитали пленарные и основные докладчики конференции из Кореи, Японии, Таиланда, Индии и Сингапура по таким темам, как «Выращивание сцинтилляционных кристаллов», «Редкоземельные стекла для передовой фотоники», «Производство электрокерамики», «Пьезоэлектрические и трибоэлектрические наногенераторы», и др. Все доклады были посвящены трудному пути создания умной функциональной керамики, начиная с многочисленных экспериментов по отработке состава, технологии, стабильности свойств. Вопросы масштабирования производства и внедрения этих материалов были оставлены на последний день конференции. Тем не менее, вопрос, который пришлось задать, касался построения теории и численных моделей этих процессов. Оказалось, что никто из лекторов, в отличие от традиций российской физической научной школы, этими вопросами не занимается.
Конференция SmartMat торжественно открылась пленарным заседанием в Конференц-центре Гостиницы Чиангмай «Грандвью», а сессионные заседания с основными и приглашенными докладами проходили параллельно в кампусе Университета Чиангмай. Пленарных докладчиков было трое, они представляли Корею и Сингапур. Всего на конференции зарегистрировано 836 участников из 37 стран с 544 докладами, 35 основных и 66 приглашённых спикеров, 334 устных выступления на 17 академических сессиях, и 210 стендовых докладов.
Рис.3. Первый вопрос на мероприятии – проф. д-ру Хонг Джу Ким из Корейского национального Института, Сеул.
Нужно отметить ещё одну особенность конференции SmartMat, редко встречаемую в европейских странах – церемониальность: каждое заседание сопровождалось обилием цветов, традиционной музыкой, и поклонами с вручением подарков. Королевство Таиланд придерживается демократических ценностей, однако все праздники, особенно религиозные, отличаются особыми танцами и музыкой.
На следующий день началась церемония официального открытия конференции, где были представлены Оргкомитет, руководство городом и университетом Чиангмай. На эту конференцию я поехал как приглашённый докладчик, за что выражаю свою благодарность организаторам конференции.
Первый пленарный доклад «Диаман6 и алмаз» прочёл профессор д-р Род Роф (Rodney S. Ruof), директор Центра многомерных углеродных материалов Института фундаментальных исследований Южной Кореи. Диаман (C2F) получен путём фторирования двухслойного графена в условиях, рассчитанных по модельной оценке наибольшей вероятности синтеза двуслойных C4F и C4H, и монокристаллов до 10 слоёв графена на CVD-подложке из меди, никеля и кобальта. Далее определена энтальпия активации процесса растворения эпитаксиальных граней алмаза в монокристаллических металлических пленках, и неожиданно обнаружен рост алмаза из жидкого металла при давлении 1 атм. При этом в докладе не было представлено фазовых диаграмм, что вызвало соответствующий вопрос и дальнейшую дискуссию.
Следующий пленарный доклад проф. д-ра Пирамонаягама из Наньянского технологического университета (Сингапур) был посвящен тому, как функционирование сознания спровоцировало вычисления с использованием устройств с магнитными доменными стенками на базе низкоэнергетического магнитного туннельного перехода. По сути, нейроморфные вычисления на основе спиновой электроники, имитирующей нейроны и синапсы мозга, могут заменить энергетически неэффективную архитектуру фон-Неймана современных компьютеров для алгоритмов ИИ. В докладе были освещены детали возможного устройства некоторых компонентов новой спин-электроники.
В перерывах и в вечернее время можно было ознакомиться и заслушать исследователей со стендовыми докладами.
На следующий день параллельно прошли несколько различных сессий конференции. После обеда на сессии №5 «Металлы, сплавы, обработка и коррозия материалов» автором представлен доклад «Кинетика хрупкого разрушения, индуцированного действием окружающей среды», в котором, кроме результатов проекта РНФ 24-21-20122 и Миннауки РФ FRWS-2024-0035, была презентована и «Энциклопедия Якутии» Академии наук Республики Саха (Якутия). Были заданы вопросы, касающиеся контроля процессов разрушения сварных конструкций, мониторинга технического состояния сложных систем, эксплуатируемых в экстремальных условиях криолитозоны.
В последний день конференции были организованы заседания, посвящённые истории и успехам керамического общества Таиланда, проблемам коммерциализации научных разработок и преодолению «долины смерти», когда небольшим технологическим компаниям не удаётся выдержать конкуренцию с крупными промышленными предприятиями, и они в 90% случаев терпят банкротство. Специальным образом нужно готовить научные лаборатории и коллективы, они должны удовлетворять определенным требованиям, чтобы преодолеть конкуренцию и выйти на мировой рынок с миллиардной прибылью. Такие схемы реализуемы и для республики, с выходом на российский, а после снятия санкций, и на мировой рынок, поскольку российские научные разработки всегда привлекали внимание.
В Российской Федерации в настоящее время актуально создание новых «умных» материалов и технологий для сложных систем, включая использование алгоритмов искусственного интеллекта. Для опережающего развития этого направления, имеющего перспективы широкого применения в ряде отраслей промышленности, в первую очередь в энергетике, машиностроении, транспортной и авиационно-космической, перехода их на шестой технологический уклад, с целью реализации безлюдного производства, требуется создание цифровых двойников и систем искусственного интеллекта на базе электроники новой архитектуры, построенной на принципах «умной» керамики, в основе своей использующей соединения редкоземельных металлов.
«Умные» материалы и нанотехнологии, новая построенная на них инфраструктура, в том числе жилищно-коммунальных организаций, автоматические безлюдные производства по добыче и переработке минерального сырья, благородных и редкоземельных металлов, создание наиболее удобной для высокоэффективной работы и отдыха среды обитания, — пока разработки в данном направлении находятся на начальной стадии, поэтому российская наука имеет все шансы добиться технологического превосходства и способствовать становлению Российской Федерации как ведущей научной и промышленной державы мира, а также добиться прорыва в освоении территорий с экстремальным климатом, — сначала Севера и Арктики, а затем Луны и астероидов, других планет Солнечной системы.
Список литературы
1. Qader İ.N., et al.. A review of smart materials: researches and applications // El-Cezeri Journal of Science and Engineering, 2019;3(6):755–788. DOI: 10.31202/ecjse.562177.
2. Bahl S., et al. Smart materials types, properties and applications: A review // Materials Today: Proceedings, 2020;3(28), 1302-1306.
DOI: 10.1016/j.matpr.2020.04.505.
3. Heywang, W., K. Lubitz, and W. Wersing, Piezoelectricity: evolution and future of a technology. Vol. 114. 2008: Springer Science & Business Media.
4. Лепов В.В. Нейросети, сознание и искусственный интеллект: системно-структурный аспект // Concorde. 2025. № 2. С.82-99
5. Программа и тезисы докладов 6-ой Международной по умным материалам и нанотехнологиям конференции SmartMat@2024, 5-8 ноября 2024, Чиангмай, Таиланд. URL:
https://matscitech-thailand.com/smartmat2024
6. В НИЯУ МИФИ предсказали строение новых двумерных углеродных материалов. Naked Science, 15.03.2024. URL:
https://naked-science.ru/article/column/v-niuglerodnyh-materialov
7. Konstantin P. Katin, Alexey I. Podlivaev, Alexei I. Kochaev, et al. Diamanes from novel graphene allotropes: Computational study on structures, stabilities and properties // FlatChem, 2024, V.44, 100622,
https://doi.org/10.1016/j.flatc.2024.100622
Видеорепортаж с Церемонии вручения дипломов с отличием в
СВФУ имени М.К. Аммосова 24.06.2025
Подписывайтесь на социальные сети и каналы Академии наук Якутии: