Примеры уникальных свойств некоторых наночастиц

Тем не менее, благодаря потовым  железам, “встроенным” в нашу кожу, мы способны без особого вреда  переносить температуры, намного превышающие эти критические 42 градуса. Как доказали английские физики Благден и Чентри (проводившие ради опыта несколько часов в натопленной печи хлебопекарни), в сухом воздухе при постепенном нагревании наш организм способен выдержать до 160°С! (напомним, что это больше чем в полтора раза выше температуры кипения воды!). То есть можно запросто сварить яйцо или поджарить бифштекс в воздухе, в котором люди могут достаточно долго оставаться без вреда для себя.

Чем же объясняется такая выносливость? Тем, что наша кожа автоматически реагирует на повышение температуры окружающей среды посредством обильного выделения пота. Испарение капелек пота с поверхности нашего тела поглощает тепло из того слоя воздуха, который непосредственно прилегает к коже, тем самым охлаждая его до нормальной температуры.

Природа позаботилась о своих созданиях, наградив нас этим поистине волшебным  средством защиты. Но и человеческая мысль тоже не стоит на месте! Уже  довольно давно металлурги изобрели “потеющий” металл для защиты промышленных объектов от высоких температур. Этот, тоже своего рода “умный”, материал представляет собой пористую сталь с вкраплениями множества микрочастиц меди. Так как температура плавления меди меньше, чем стали, то, как только внешняя температура достигает некоторого критического предела, металл начинает активно “потеть”: медь расширяется и сквозь поры выходит на поверхность, унося излишек тепла из системы. При остывании капельки меди снова “всасываются” стальными капиллярами и материал возвращается в исходное состояние.

Разброс свойств наноматериалов огромен. В настоящий момент группа российских ученых под руководством Г.В. Поповой работает над созданием биомиметических материалов — материалов, подражающих биологическим тканям, распространенным примером которых могут быть производимые насекомыми паутины, отличающиеся эластичностью и прочностью, превышающими эластичность и прочность всего, что до сих пор смогли создать наши технологии.

Основу всех биомиметиков составляют искусственные белки. Подобно своим природным собратьям, они также состоят из аминокислот, но синтезируются не рибосомой, а человеком. Причем если обычные белки имеют уникальную последовательность из двадцати различных аминокислот, то белки для биомиметиков вполне могут ограничиться какой-либо одной, но повторяющейся молекулой. Так получаются аналоги белков

• полиаминокислоты, построенные на основе одного-един- ственного элемента. Затем эти белковые блоки можно как угодно соединять между собой, "цеплять" к ним другие молекулы - красители, фотоактивные, электроактивные, люминесци- рующие и т.д., - всякий раз получая материалы с новыми интересными свойствами.

Вспомните, какое огромное количество белков с самыми разными функциями  создала природа. Большинство из них умеют активно реагировать  на изменения внешней среды, активно приспосабливаться к ним. Искусственные биомимети- ки, сходные по своим качествам с природными белками, также проявляют "разумность" в ответ на слабые внешние раздражители: облучение, тепло, электроток, вредные вещества. На их основе уже сконструированы оптические сенсорные материалы для нанобиотехнологии и наноустройств, производящих экологический мониторинг.

Повышаешь, например, температуру  на полградуса - био- миметический сенсор сразу меняет цвет, а потом приходит в исходное состояние. Или пускаешь совсем слабенький электрический ток - и система тут же обесцвечивается. Откроешь рядом банку с нашатырным спиртом или даже Комет-гелем - система начинает светиться (люминесцировать), а закроешь банку - и никаких "кошачьих глаз". Чем не разумный материал? Самое интересное, что с самим материалам при этом вроде бы ничего не происходит - все эти отклики и изменения вызываются внутренней перестройкой, неразличимой для человеческого глаза.

Особый интерес представляют также  и биодеградируемые материалы, среди которых очень интересен упаковочный биоматериал, способный быстро разлагаться на естественные природные компоненты по истечении определенного времени (скажем, срока хранения продукта), не загрязняя окружающую среду, как это делают металлические и пластиковые упаковки.

В этом направлении британскими  учеными реализован весьма оригинальный проект по утилизации сотовых телефонов. В настоящее время мобильные телефоны являются одними из самых выбрасываемых устройств среди потребительской электроники. В Европе пользователи ежегодно избавляются от более чем ста миллионов старых телефонов. Суть инновации заключается в материале, из которого изготавливается корпус телефона. Ученые предлагают заменить его на новый полимер, который способен разлагаться в земле в течение нескольких недель. Кроме того, внутри корпуса, под прозрачным окошком, можно разместить семена растений — например, подсолнуха. После того, как телефон попадет в землю, семя начнет прорастать, и из телефона вырастет цветок. Новый полимер совершенно нетоксичен и полностью разлагается при попадании на мусорную свалку. Таким образом, по мнению специалистов, удастся решить проблему экологичной утилизации старых сотовых телефонов.

К числу вещей, созданных из умных материалов можно отнести так называемую "умную одежду". Среди огромного количества подобных проектов можно выделить, например, одежду, реагирующую на изменение температуры: когда жарко, одежда пропускает воздух, чтобы охладить своего владельца, а когда холодно - наоборот, уплотняется. Совсем скоро на прилавках магазинов появится одежда, не впитывающая запах табачного дыма, самоочищающаяся одежда, спортивная одежда с эффектом охлаждения, костюмы и куртки, самостоятельно "подгоняющие" свой размер под размер хозяина, одежда, отгоняющая насекомых, носки, благоухающие цветочными ароматами, рубашки которые не мнутся, даже если их скомкать и надолго запихнуть в чемодан.

Современные фантастические фильмы буквально  изобилуют примерами подобных “умных” материалов. Самый яркий пример — жидкий “Терминатор” из одноименного фильма, принимающий любую форму. С развитием нанотехнологий материалы с подобными чудодейственными способностями становятся реальностью. А сегодня уже существует уникальная ферромагнитная жидкость, способная принимать определенную форму под действием электромагнитного поля. На рисунке изображены несколько кадров видеоролика, демонстрирующего поведение ферромагнитной жидкости под действием электромагнитного поля.

Рис 80. Кадры видеозаписи ферромагнитной жидкости под действием изменяющегося

магнитного поля

 

Ферромагнитная жидкость представляет собой трехкомпонентную систему, состоящую из дисперсионной среды, магнитной фазы и стабилизатора. В качестве дисперсионной среды может выступать любая жидкая среда: вода, масло, различные растворы. В качестве магнитной составляющей обычно используются наночастицы, обладающие сильными ферромагнитными свойствами. Введение же в жидкость стабилизатора, прочно связывающегося с поверхностью магнитных частиц и препятствующего их агрегации, обеспечивает устойчивость такой жидкости. Ферромагнитные жидкости — это совершенно новый обширный класс магнитных материалов, и их, несомненно, ждет широкий спектр применений в технике и промышленности.

Такая система не только активно  реагирует на изменения окружающей среды, но и поддается управлению. Поведение таких материалов можно запрограммировать заранее.

"Умные материалы" следующего  поколения представляют собой  программно-аппаратный комплекс  из всевозможных сенсоров, миниатюрных  компьютеров и исполнительных  наноустройств.

Разработчиками компании Philips был предложен проект по созданию нижнего белья, со встроенными нанодатчиками, отслеживающими нарушения в сердечном ритме своего обладателя. В экстренном случае (например, инфаркт) одежда свя-

и /*—' и и и и

зывается по беспроводной связи с ближайшей станцией скорой помощи и спасает человеку жизнь...

Наверняка многие читатели видели фантастический фильм “Хищник”, где хитрый инопланетный монстр, нападавший на Шварценеггера, обладал чудесным костюмом-невидимкой.

Рис 81. Кадр из кинофильма “Хищник”

 

И что бы вы думали? Сегодня уже  продемонстрированы первые образцы  такого костюма, созданного с помощью  нанотехнологий! Они пока еще далеки от совершенства, но, кажется, уже в ближайшие годы мы получим первого настоящего “человека-невидимку”.

Рис 82. Демонстрация одного из опытных образцов костюма-невидимки *

Правительство США планирует к 2018 году оснастить таким камуфляжем своих солдат.

Принцип работы костюма-невидимки будущего прост: он представляет собой наноматериал, в который встроены миниатюрные видеодатчики и светоизлучающие элементы. Каждый датчик, принимающий

изображение из какой-либо точки, например, со спины, посылает видеосигнал на процессор, который перенаправляет его на соответствующий участок “экрана” спереди.

При этом процессор моделирует траекторию луча таким образом, как если бы между принимающим датчиком и светоизлучающим элементом ничего не было. Это позволяет наблюдателю видеть предметы, которые фактически находятся за обладателем костюма.

Технология “невидимости” наверняка будет задействована во многих сферах человеческой деятельности. Возможно, ею воспользуются хирурги, которым собственные руки и инструменты часто мешают видеть оперируемые органы.

Летчики также будут не против “прозрачного”  пола в кабине самолета, показывающего  все детали посадки и т.д.

Теперь давайте немного пофантазируем...

Как уже было отмечено, одной из особенностей “умных материалов” является возможность программного управления их поведением. Так что мешает нам как программистам такого материала-невидимки запрограммировать его “показывать” внешним наблюдателям не только “пустое место”, и даже не самого пользователя костюма, а кого-нибудь другого, например, известную кинозвезду или пришельца-гуманоида? Вот где было бы раздолье для любителей розыгрышей!

Впрочем, сколь бы ни был изобретателен ум шутника-невидимки, “оружие” против него может быть самым простым: баллон с яркой краской да распылитель — и никакой вам невидимости!

Кстати, вот вопрос: а будет ли “человек-невидимка” отбрасывать тень в яркий солнечный денек? Предлагаем поразмыслить над этим вопросом самостоятельно.

Сегодня создать столь совершенную  конструкцию невидимости пока нереально — нет ни соответствующих компьютерных мощностей, ни малых размеров. Однако технологии применения той же идеи, ну, например, в архитектуре уже вполне реальны. Для маскировки всего или части высотного здания достаточно даже сантиметрового “разрешения”. Поэтому, наверное, не за горами то время, когда однотипные многоэтажные “коробки” канут в лету, а нашему взору предстанут архитектурные ансамбли, буквально “парящие в воздухе”.

Архитектура будущего будет потрясать  воображение красотой, надежностью и индивидуальностью.

 Возможно, именно так в будущем смогут выглядеть современные города.

 

Следует отметить, что идея подобной конструкции не нова. Сотни миллионов  лет назад природа уже изобрела похожее покрытие из микроскопических видеодатчиков и наградила ими глаза некоторых насекомых. На рисунке изображены глаза стрекозы с 200-кратным увеличением.

Некоторые наноматериалы “ведут себя” совсем не так, как им “положено” себя вести с точки зрения классической науки. В школе нас учат, что при нагревании все тела расширяются, а при охлаждении сжимаются. Однако наноматериал, над которым в настоящее время работает Елена Сердунь — молодой кандидат наук из ФЭИ, — ведет себя с точностью до наоборот! Материал состоит из пористой матрицы и лиофобной, то есть несмачивающей ее, жидкости. Если его нагреть, то он сжимается, накапливая тепло. И наоборот — отдавая тепло, расширяется. Можно поступить наоборот: сжать систему, и тогда она самопроизвольно нагреется!

Такой “умный” материал, превращающий тепловую энергию в механическую и наоборот, фактически представляет собой обратимый тепловой аккумулятор. Благодаря своим удивительным способностям он может использоваться как преобразователь тепловой энергии в двигателях, холодильниках или стать основой для невиданных прежде энергетических установок. К примеру, защитные клапаны и мембраны, автоматически срабатывающие при изменении температуры или давления (в случае перегрева или разгерметизации) без вмешательства человека. Такие клапаны способны самостоятельно контролировать весь производственный процесс, предотвращать последствия ошибок персонала и останавливать работу оборудования в случаях угрозы аварии.

Их можно применять для повышения  надежности производства, для защиты емкостей, находящихся под давлением, при перевозке и хранении опасных или ядовитых грузов и т.п.

Но инженеры на этом не остановились и создали наност- руктурированный сплав четырех металлов — свинца, сурьмы, серебра и теллура, преобразующий тепловую энергию. прямо в электричество. Это позволит не только использовать тепло, бесполезно рассеиваемое при работе разных устройств, но и получать огромное количество дармовой энергии из лавы и расплавленных пород, из которых почти целиком состоит наша Земля, начиная с глубины в несколько десятков километров.

Американские ученые уже сумели пропустить мощные электрические заряды по молекулярным полимерным цепочкам, что является одним из ключевых моментов в создании так называемых “солнечныхпластмасс”, которые могут сделать солнечные батареи настолько эффективным источником электричества, что они составят серьезную конкуренцию сегодняшним тепловым электростанциям. Тончайшие пленки, вырабатывающие электроэнергию, можно будет просто наклеить на крышу дома - и полностью обеспечить его электричеством. Долговечные и эффективные солнечные батареи могут быть созданы, например, на основе фуллеренов или биополимеров.