Представьте, какой была бы жизнь, если бы ваши вещи могли чувствовать, реагировать, двигаться, адаптироваться, трансформироваться и ремонтировать сами себя без посторонней помощи. В будущем все это станет реальностью: обычные предметы будут выполнять полезную работу для нас без нашего участия и без использования каких-либо элементов робототехники или электроники. Их функции будут определяться «умными» материалами, из которых они будут сделаны. Речь идет об объектах, свойства которых – такие как цвет, форма или магнетизм – меняются сами по себе в ответ на внешние стимулы, включая воздействие света, температуры, усилия и влаги. Тема эта поистине безгранична. В течение своей жизни нам предстоит стать свидетелями того, как умные материалы заполнят все вокруг: на крышах зданий, меняя их цвет для регулировки температуры внутри, в переносных дисплеях, в человекоподобных роботах или даже в самооткрывающихся банках с консервированной фасолью внутри.

Умные материалы не являются чем-то новым. В природе они появились задолго до нас: например, сосновые шишки закрываются во время дождя, а растения тянутся к источнику свету. Умные материалы сопровождают нас на всем протяжении истории: 4500 лет назад строители пирамид в Гизе использовали для внешней отделки самовосстанавливающийся известковый раствор. Но впервые само понятие «умного» материала было введено учеными в 1880 г. Поводом для этого послужило открытие, совершенное братьями Пьером и Жаком Кюри – мужем и деверем Марии Кюри. Они обнаружили, что при сжатии кристалла кварца, широко распространенного прозрачного минерала, входящего в состав гранита, между его гранями возникает электрическое напряжение. Годом позже они доказали, что данный эффект проявляется и при обратном воздействии: подача напряжения на грани кристалла приводит к его деформации. Они обозначили данный эффект термином «пьезоэлектричество» – от греческого слова «пьезо», означающего «давлю», и слова «электрон», что означает «янтарь» – материал, электрические свойства которого были известны еще в древности. Впервые пьезокристаллы были использованы во время Первой мировой войны в гидролокационном оборудовании. Сегодня они применяются во многих сферах – от зажигалок и микрофонов до часов и аппаратов УЗИ.

Революционное открытие братьев Кюри заставило ученых-материаловедов, инженеров и изобретателей пересмотреть подходы к разработке материалов, результатом чего стало появление целого класса новых «умных» материалов. Сегодня количество запатентованных изобретений, в которых они используются, исчисляется уже миллионами. Если отвлечься от частностей, все «умные» материалы можно распределить по шести категориям в соответствии с теми функциями, которые они выполняют: изменение цвета, распознавание состояния внешней среды, перемещение, нагрев и (или) охлаждение, самовосстановление и изменение фазового состояния (замерзание и плавление). Ну и конечно же, «умные» материалы можно встретить не только в научно-фантастических мирах или лабораториях: большинство людей уже знакомы с некоторыми из них – например, с фотохромными очками, которые затемняются под воздействием солнечного света, или с термохромными кружками, которые меняют свой цвет, стоит налить в них горячий кофе.

Благодаря умным материалам поездка на футуристическом умном велосипеде превратится в беззаботное путешествие – велосипедисту больше не нужно будет думать о выбоинах на дорогах, бояться проколов или беспокоиться за состояние краски. А с появлением одежды, которая быстро реагирует на изменение температуры тела или начавшийся дождь, вы сможете ездить на велосипеде в любую погоду. Если ночь застанет вас в дороге, путь вам будет освещать дорожное покрытие, получающее энергию от давления на него проезжающих транспортных средств. Случись вам упасть и порвать одежду, она – ведь это будет умная одежда – сама себя восстановит, пока вы отдыхаете на обочине.

Для путешествий на дальние расстояния вы сможете воспользоваться футуристическим самолетом, который будет больше походить на птицу, чем на современный лайнер. Самолеты будут менять свою форму в зависимости от внешних условий, обеспечивая максимальный комфорт пассажирам. Новые лайнеры не только побьют все рекорды скорости, но при этом еще и будут расходовать меньше топлива – и все благодаря умным материалам. Вот что ждет мир вещей в будущем – жить в нем точно будет интересно.

«Планируемое старение» – этим термином обозначают усилия производителей по ограничению срока службы продукции с целью стимулирования новых продаж – наряду с непригодными для ремонта товарами способствует все большему распространению культуры потребительства и отношения к вещам как к чему-то одноразовому. Несмотря на универсальную конструкцию и изначально заложенную в нее возможность замены всех деталей, обеспечивающую практически 100 %-ную ремонтопригодность, даже любимый всеми велосипед рано или поздно приходит в негодность: с него сходит краска, детали начинают ржаветь, а шины теряют герметичность. Но в будущем умные материалы спасут наши велосипеды от свалки.

Самовосстанавливающаяся краска содержит полимерное вещество, заключенное в крошечные микросферы, которые лопаются при повреждении поверхности. Стоит поцарапать такую краску, как полимер высвобождается и заполняет царапину, автоматически устраняя дефект. Для производства самовосстанавливающихся покрышек можно использовать вулканизированную резину, измененную таким образом, чтобы вдоль длинных молекулярных цепочек выстраивались заряженные частицы (ионы). Противоположно заряженные части смежных молекул будут притягиваться друг к другу, образуя сильные связи и тем самым повышая прочность и долговечность самого материала. В случае увеличения расстояния между молекулами в результате пореза запустится процесс спонтанной перестройки связей, в основе которого лежит тот простой факт, что противоположные заряды притягиваются. В современных проколостойких покрышках применяются специальные герметизирующие материалы с адгезивными свойствами, которые закладываются под протектор и заполняют собой места порезов и проколов. Устройство самовосстанавливающейся умной резины иное – оно предполагает использование всего одного компонента, способного многократно восстанавливаться.

Если оставить современный велосипед под дождем на длительное время, на подверженных воздействию влаги частях обязательно появится ржавчина. При этом поверхность металла становится более щелочной. Умные галохромные материалы меняют свой цвет в случае изменения уровня pH во внешней среде подобно лакмусовой бумаге. Самый распространенный пример – фенолфталеин, который окрашивается в розовый цвет в щелочной среде. Галохромное покрытие на любой детали – от деталей велосипеда до пролета моста – позволит эффективно выявлять коррозию на ранних стадиях и принимать меры по борьбе с ней еще до того, как она причинит серьезный ущерб.

NASA продвинулось в разработке антикоррозионных покрытий дальше остальных, создав умную краску, которая не только указывает на коррозию, но еще и содержит микрокапсулы, из которых в ответ на контакт со щелочной средой высвобождаются масляные ингибиторы коррозии, останавливающие ее в самом зародыше. Возможность борьбы с коррозией без вмешательства со стороны может оказать большое влияние на экономику страны: в это трудно поверить, но, например, в Великобритании коррозия ежегодно причиняет ущерб приблизительно в 3 % ВВП, что составляет £60 млрд.

Вполне вероятно, что в скором времени мы сможем поблагодарить братьев Кюри и открытые ими умные пьезоэлектрические материалы за новое поколение уличных фонарей, дорожных знаков и светофоров, которые будут получать энергию от дорожного покрытия. Когда сегодня нужны пьезоэлектрические свойства, чаще всего используется искусственный керамический материал под названием «цирконат-титанат свинца». Атомы данного материала образуют асимметричную кристаллическую структуру, поэтому при сжатии возникает электрическое напряжение. Обычно, когда люди слышат слово «кристалл», в их сознании возникает образ сверкающих прозрачных драгоценных камней. Но для ученого-материаловеда кристаллы – это твердые вещества, атомы которых ряд за рядом упаковываются в трехмерную циклическую структуру. Большинство драгоценных камней действительно кристаллы, но не они одни – металлы, глина, лед, горные породы и некоторые виды пластика также состоят из кристаллов. Элементарная ячейка из атомов, которая до бесконечности повторяется в структуре кристаллов, у большинства из них и сама по себе симметрична: то есть совмещается сама с собой при поворотах или при отражении. В кристаллах с пьезоэлектрическими свойствами элементарные ячейки асимметричны. В обычных условиях заряды в узлах решетки пьезоэлектрического кристалла компенсируют друг друга: отрицательный заряд в одной уравновешивается положительным зарядом в соседней. Однако при сжатии или растяжении узлы асимметрично упорядоченной структуры смещаются таким образом, что заряды перестают компенсировать друг друга. В результате одна грань элементарной ячейки оказывается положительно заряженной, другая – отрицательно. При сжатии или растяжении миллионов элементарных ячеек всего кристалла электрическое напряжение на его гранях становится вполне заметным. Если включить такой пьезоэлектрический кристалл в электрическую цепь, то вырабатываемое им напряжение можно использовать для практических нужд. Например, при размещении таких материалов под полотном дороги можно получать электрический ток, возникающий при сжатии пьезоэлектрика под тяжестью проезжающих по асфальту автомобилей. Этим током можно заряжать батареи и использовать накопленную в них энергию, например, для освещения дороги. Ряд пилотных проектов по изучению возможности реализации таких систем уже демонстрируют многообещающие результаты. Причем с помощью данной технологии можно получать электричество даже с обувных подошв.

Благодаря самовосстанавливающемуся бетону – умному материалу, который способен выявлять дефекты и устранять их без постороннего вмешательства, – в будущем проблема выбоин и ям на дорогах перестанет быть головной болью для велосипедистов, автомобилистов и чиновников местных органов власти. Образование трещин в бетоне происходит из-за воздействия находящейся в атмосфере влаги и дождей. В самовосстанавливающемся бетоне содержатся ингредиенты, которые при контакте с водой заполняют собой трещины. Одним из примеров такого заполнителя является добавка на основе глины, в состав которой также входят бактерии в анабиозе и лактат кальция – вещество, знакомое каждому, кто надолго оставлял сыр в холодильнике, а через некоторое время наблюдал на его поверхности кристаллы белого цвета. Под воздействием воды бактерии выходят из анабиоза, поглощают лактат кальция и выделяют известняк, который заполняет трещину и предотвращает дальнейшее разрушение. Этот материал можно использовать на дорогах, в зданиях и иных сооружениях. Особенно полезен он может быть в тех частях мира, где отмечается повышенная сейсмическая активность.

В условиях холодного климата велосипедистам нужна одежда, способная адаптироваться к теплу, выделяемому телом: при больших физических нагрузках во время езды на велосипеде она должна обеспечивать хорошую вентиляцию, а в обычных условиях – сохранять тепло. Для решения этой проблемы могут быть использованы полимеры с памятью формы, быстро меняющие ее при нагреве. Полимеры – это материалы, молекулы которых состоят из большого количества атомов, соединенных в длинные цепочки. Примеры полимеров – это резина, пластмассы и такие вещества природного происхождения, как белки. Свою исходную форму, ту, которую он «запоминает», полимер получает в процессе производства. На последнем этапе такой материал нагревается, ему придается другая, временная, форма, после чего он охлаждается. Временную форму он сохраняет до того момента, когда он будет нагрет до температуры перехода в пластическое состояние. После этого он восстанавливает свою исходную форму. Каждый раз, когда материал нагревается или охлаждается до определенной температуры, он принимает одну из форм, находящихся в его «памяти». В будущем в качестве подстежки в куртках для велосипедистов можно было бы использовать мягкий полимер с памятью формы, который будет удерживать воздух подобно спальному мешку при низких температурах, а во время повышенной физической активности – сжиматься, чтобы обеспечивать отток выделяемого телом избыточного тепла.

Аналогичным образом ведут себя чувствительные к влаге полимеры – только они меняют свою форму при контакте с водой. Когда он сухой, такой полимер остается жестким, но стоит материалу вступить во взаимодействие с водой, которая выступает в данном случае в качестве пластификатора, как он размягчается. Из подобных полимеров можно получить ткань с миниатюрными влагочувствительными чешуйками, которые в сухом состоянии располагаются под прямым углом к волокнам, что обеспечивает оптимальную воздухопроницаемость. Стоит пойти дождю, чешуйки размягчаются, опускаются и накладываются друг на друга, образуя водонепроницаемый слой.

Все мы хорошо знакомы со свойствами нашей кожи, обеспечивающими ее восстановление при повреждении. Они бывают полезными, например, при падении с велосипеда. Благодаря самовосстанавливающимся текстильным изделиям в будущем то же самое может происходить с нашей порванной одеждой. В составляющих ее тканях будет содержаться необычный ингредиент – специальный белок, который в своей природной форме встречается в зубчиках на присосках щупалец кальмаров и который может быть синтезирован в лабораторных условиях. Когда ткань рвется, данный белок обеспечивает формирование новых химических связей по обеим сторонам разрыва. Таким образом, менее чем за минуту ткань сама себя «зашивает» – достаточно лишь добавить воду и сдавить место разрыва. Так что любителям велосипедных прогулок больше не придется заботиться о порванной одежде. Жаль, что душевные травмы так быстро не исцелить.

Более 500 лет назад, за несколько столетий до того, как людям в голову пришла идея самого обычного велосипеда, в воображении Леонардо да Винчи родился образ летательного аппарата, вдохновленный полетами животных. Придуманная им конструкция предполагала использование скрепленных шарнирами гибких крыльев из дерева и шелка, которыми можно было бы махать так же, как это делают птицы или летучие мыши. Хотя современные самолеты отчасти сохраняют сходство с двукрылым изобретением Леонардо, они имеют жесткий каркас с небольшим количеством подвижных деталей, которые к тому же перемещаются в строго заданных рамках. Заглядывая в будущее, можно предсказать, что благодаря умным материалам мы сможем преодолеть ограничения, накладываемые жесткостью существующих вариантов конструкции, вернувшись к чертежной доске Леонардо, чтобы воплотить его идею о летательном аппарате, который был бы прочным и гибким, а также мог распознавать особенности окружающей среды и адаптироваться к ним.

Во время полета самолет подвергается действию множества различных сил, с которыми традиционное жесткое крыло зачастую справляется далеко не лучшим образом. В будущем у самолетов могут появиться крылья, поверхность которых будет становиться то плоской, то выпуклой с целью достижения оптимальной подъемной силы аэродинамического профиля. Они будут складываться, удлиняться, скручиваться или прижиматься к фюзеляжу в соответствии с особенностями разных стадий полета. Благодаря этой способности адаптироваться в реальном времени удастся уменьшить сопротивление воздуха и повысить маневренность, что позволит сократить длину разбега перед взлетом и добиться оптимальных аэродинамических показателей непосредственно в воздухе, в условиях полета. В результате самолеты станут еще комфортнее для пассажиров, время полета сократится, а потребление топлива – уменьшится.

Чтобы такой самолет стал реальностью, придется задействовать всю палитру умных материалов. Детали, которые приводят крылья в движение, будут сделаны из сплавов с памятью формы – например, из нитинола, сплава никеля и титана, способного принимать две разные заданные формы в зависимости от температуры. Также в их конструкции будут активно использоваться легкие материалы, способные изменять свою форму, такие, например, как электроактивные полимеры, которые расширяются и сжимаются при подаче и снятии электрического напряжения. Важное значение будут иметь и полимеры с памятью формы – из них будет состоять внешнее покрытие самолета, так как они могут сочетать прочность и жесткость, без которых не справиться с аэродинамическими силами, с чрезвычайной эластичностью и гибкостью, обеспечивающими изменение формы крыла.

Многие из перечисленных «умных» материалов будут также выполнять роль датчиков. Например, пьезоэлектрические материалы и электроактивные полимеры в ответ на физическое воздействие вырабатывают электрические сигналы, которые можно измерить.

Показатель преломления оптических волокон меняется в зависимости от температуры или под воздействием внешней силы, поэтому в конструкции самолета они могут быть использованы не только в качестве прочного и жесткого, но при этом легкого композитного материала, но еще и обеспечивать контроль повреждений и динамической нагрузки во время полета. Эти «умные» композитные материалы можно использовать повсюду – от зданий из «умного» бетона, предупреждающих инженеров о вероятных точках возникновения повреждения, до гибкой электроники.

Благодаря композитам, в которых используется эффект квантового туннелирования, летательные аппараты будут обладать такой же тактильной чувствительностью, как люди. Речь идет об «умных» материалах, которые при сжимании превращаются из изоляторов в проводники. Они заключают в себе мягкую резиновую матрицу, содержащую небольшие частицы никеля. Матрица выступает в качестве электроизолятора: в неактивном состоянии проводящие частицы никеля находятся слишком далеко друг от друга, чтобы композит мог проводить электричество. Но стоит сжать материал, переведя частицы никеля в активное состояние, как они тут же, сближаясь, оказываются на таком расстоянии, что электроны проводимости в никеле могут туннелировать через изолятор, превратив тем самым изолятор в проводник. В квантовой механике местоположение электрона описывается не точными его координатами, а амплитудой вероятности обнаружить электрон в той или иной точке. Когда электрон в частице никеля приближается к барьеру, образуемому изолятором между двумя близко расположенными частицами никеля, амплитуда вероятности обнаружить его с другой стороны барьера, хотя и незначительна, но все же не нулевая. Согласно квантовой механике при достаточно большом количестве электронов, пытающихся оказаться по ту сторону изолирующего барьера, и ненулевой вероятности успешно сделать это некоторым из них действительно везет и они попадают на другую сторону. Эти экзотичные «умные» материалы уже используются в роботах NASA, помогая им определять оптимальное усилие при захватывании объектов. Кроме того, они могут использоваться для разработки нового поколения сенсорных экранов и протезов с возможностью передачи тактильных ощущений для людей с ампутированными конечностями.

Эффективность каждого из рассмотренных в данной главе «умных» материалов была подтверждена на тестовых стендах в лабораторных условиях. Однако существует ряд проблем, которые необходимо решить, прежде чем мы сможем использовать их в повседневной жизни. Во многих случаях время отклика материала на воздействие все еще слишком велико. Некоторые материалы слишком хрупкие или нестабильные. Кроме того, их эффективность может со временем снижаться. Да и сама по себе задача включения таких материалов в конструкцию существующих устройств – далеко не самая простая. Часто возникают проблемы с контролем воздействия стимула, заставляющего материал перейти в другое состояние. Некоторые из материалов токсичны и, как это часто случается с новыми технологиями, имеют чрезмерно высокую стоимость. Также в числе факторов, сдерживающих их широкое применение в настоящее время, – сложность производства и недостаток сырья.

Но я настроена оптимистично, так как верю, что многие из этих проблем будут преодолены в ходе дальнейших исследований, и, подобно тому, как интернет полностью изменил то, как мы взаимодействуем с информацией, «умные» материалы вполне могут перевести на совершенно новый уровень наше взаимодействие с материальным миром. Согласно определению, объект – лишенная способности думать вещь, над которой совершают какие-либо действия. Даже «умные» материалы сами по себе – своего рода актеры одной роли, перескакивающие из одного состояния в другое в зависимости от наличия соответствующего стимула. Но если собрать их вместе и построить из них самолет, способный вырабатывать и накапливать энергию, распознавать и ощущать самого себя и окружающую среду, самоорганизовываться и самовосстанавливаться, адаптироваться к текущей среде и взаимодействовать с подобными себе, то объекты сразу превращаются в нечто куда более живое.

Поэтому с появлением и внедрением «умных» материалов перед нами встают новые серьезные вопросы. А действительно ли они изменят нашу жизнь в лучшую сторону? Стоит ли нам усложнять простые объекты ради собственного комфорта и удобства, если для их производства, эксплуатации и утилизации нам придется расходовать больше ценной энергии и дефицитных ресурсов? А что, если благодаря им мы сократим потребление энергии и ресурсов? и в этом случае мы снова сталкиваемся с новыми проблемами: самовосстанавливающиеся «умные» материалы значительно усложнят жизнь производителям и продавцам, так как сроки службы товаров увеличатся. Сможет ли наша экономика адаптироваться к этим изменениям? Будут ли «умные» технологии доступны только элите? Если мы станем использовать «умные» материалы для автоматизации собственной жизни, рискуем ли мы оказаться в зависимости от них и утратить способность мыслить критически и независимо? Через артефакты материалы рассказывают историю человечества. Придет время, когда от нас не остается ничего, кроме музейных экспонатов, состоящих из «умных» материалов, являющихся сегодня последним словом науки и техники. Что они расскажут о нас?

По моему мнению, положительный эффект от внедрения «умных» материалов в жизнь людей по всему миру намного превышает все возможные трудности и негативные последствия. Например, материалы, из которых будут строить самолеты, можно будет использовать для создания управляемых мозгом подвижных самовосстанавливающихся протезов с возможностью передачи тактильных ощущений для людей с ампутированными конечностями. Если адаптивные текстильные изделия и самовосстанавливающиеся объекты инфраструктуры способны снизить негативное влияние последствий изменения климата, которые все труднее прогнозировать, в тех регионах мира, где это влияние ощущается наиболее сильно, то такие технологии точно достойны внимания. Наши отношения с материалами носят интимный, сложный характер. Они способны многое рассказать о том, какие мысли и идеи доминировали в умах людей в определенную эпоху. Я надеюсь, что, когда нас не станет, по этим «умным» материалам можно будет сделать вывод о способности человечества адаптироваться к новым, зачастую враждебным, условиям окружающей среды, не пасовать перед ними и оперативно реагировать на изменения. Таким образом, в этом смысле само человечество можно уподобить таким материалам.