Определим «умное вещество» так:

Умное вещество – вещество (а точнее, деталь или изделие из вещества), которое заменяет собой целую техническую систему (или значительную ее часть), например, способно принимать и преобразовывать входящую информацию и выполнять требуемое полезное действие. То есть, «умное вещество» - это полностью свернутая система, которая получает информацию и энергию, преобразовывает их и выполняет требуемое действие.

Кошки – уникальные животные. В отличие от своих грозных родственников – львов и тигров, кошки совершенно не поддаются дрессировке. Уникальный создатель "единственного в мире театра кошек"– Юрий Куклачев. Когда маэстро спросили, как ему удается дрессировать кошек, он ответил: «А я их не дрессирую. Просто я наблюдаю, что нравится делать каждой из них, а потом из этого делаю номер!»

Вот так и «умные» вещества. В сущности, умным веществом может быть почти любое, у которого есть интересные необычные свойства. А далее надо просто придумать, как это свойство использовать.

1. Вещество с памятью формы

Эффект памяти формы - физическое явление возврата изделия к первоначальной форме при нагреве. Такое свойство наблюдается у некоторых материалов после предварительной деформации. Зрелище очень красивое, когда проволока, попадая в горячую воду, начинает, как живая, изгибаться и вспоминать форму, которая была до изгиба.

Видеопример: https://youtu.be/HAjDDixrQZ8

Это неожиданное открытие сделал в 1932 году шведский ученый А. Оландер, исследуя сплав долота и кадмия. Позднее, в 1950-х годах, еще более сильный эффект запоминания формы у сплавов титана и никеля обнаружили американские ученые под руководством У. Бухлера. Выяснилось, что нитинол – не единственный сплав. Множество сплавов обладают таким свойством, но нитинол оказался самым доступным и удобным для практического применения.

В настоящее время нитинолы получили широкое распространение во многих областях, но наиболее широко их применяют:

• в медицине, для соединения обломков костей, или для зубных брекетов;
• в авиации и космонавтике для соединения элементов в труднодоступных местах и разворачивания антенн космических аппаратов.

ИКР: «Умное вещество» само принимает заданную форму в нужное время, по температурным показаниям.

2. Термобиметаллы

Что будет, если соединить две пластинки металла с различным коэффициентом теплового расширения и нагревать полученный элемент? Получится термобиметалл!

Термобиметалл – пластинка, состоящая из 2-х слоев разных металлов (или сплавов) с разным коэффициентом теплового расширения, соединенных между собой. При нагреве такая пластинка существенно изгибается при изменении температуры. Используя это свойство, можно создавать многие идеальные системы.

Илл. 1. Принцип работы биметаллической пластинки

Видеопример: https://youtu.be/TbzGPzKG4ew?t=28s

2.1. Поскольку термобиметалл изгибается от нагрева, естественным решением было применить его для термометров. Биметаллическая пластина, свернутая спиралью, является прекрасным индикатором температуры, который используется в термометрах.

Илл. 2. Наружный термометр на биметаллической спирали

2.2. Другим применением термобиметаллов стали автоматические предохранители, срабатывающие при достижении критической температуры.

Илл. 3. Автоматический выключатель

2.3. Но наибольшая идеальность достигается там, где биметалл выполняет сам регулирующее действие. Например, открывает и закрывает окна в теплице, при достижении критической температуры. При этом, чем больше температура, тем больше открывается окно.

Илл. 4. Автоматическая форточка для проветривания теплицы

Биметаллические системы проветривания основаны на нагреве металлических пластин. От тепла такая пластина изгибается, приоткрывая форточку, при охлаждении она возвращает форму и форточку в начальное положение.

ИКР: Пластинка сама регулирует температуру в устройстве для проветривания, заменяя собой термометр, преобразователь информации и силовое устройство для открывания окон.

3. Ферромагнитные металлы и эффект Кюри

Далеко не все металлы и сплавы обладают ферромагнитными свойствами. Но и у них эти свойства проявляются только до определенной температуры. Впервые это свойство отметил французский ученый Пьер Кюри, в честь которого и было названо значение температуры, при котором теряются магнитные свойства – точка Кюри. Разные металлы и сплавы имеют различные точки Кюри:

• железо – 1043°С
• кобальт – 1388°С
• никель – 631°С
• кадмий – 287°С
• оксид хром (CrO2) – 386°С
• MgOFe2O3 - 713°С
• MnSb – 587°С
• CrBr3 – 37°С
• GdCl3 – 2,2°С

В принципе, для работы, можно подобрать материал с необходимой точкой Кюри.

Илл. 5. Кадр из опыта о точке Кюри

Опыт на видео: https://www.youtube.com/watch?v=lE3QnX6giUU

На основании эффекта Кюри можно создавать приборы, которые стабилизируют или регулируют температуру. Например, простой паяльник может перегреть микросхему, и она выйдет из строя. Паяльник с ферромагнитным сердечником не допустит этого. При нагреве до температуры, превышающую критическую, сердечник перестанет быть магнитным, а значит, прекратится нагрев паяльника.

Илл. 6. Схема индукционного паяльника

Илл. 7. Пайка микросхем с индукционным паяльником.

ИКР: умное вещество само (без сложной системы анализа и контроля) включает и выключает прибор по достижению предельной температуры.

4. Набухающий гель

Что бы трава на газонах хорошо росла, ее надо поливать. Можно конечно поливать траву из шланга или включать системы орошения, но ведь это требует времени. Хитрые инженеры придумали специальные приборы: электрические временные реле, которые ночью на определенное время включают системы орошения. И тут случился конфуз. Ночью идет дождь, а системы орошения расходуют дорогостоящую воду. А как научить систему не тратить воду зря? Но ведь для этого надо знать идет дождь или нет? Достаточно ли влажная почва или воды растениям не хватает? Можно, конечно, использовать сложные системы определения влажности почвы, потом эти измерения посылать в микросхемы и управлять поливом через специальные компьютеры. Но это сложная и дорогая система!

На помощь пришло «умное» вещество - специальные гели, которые набухают от влаги. На их основе и построили датчики для полива травы.

Задача: Чтобы не поливать газон в дождь, необходимо отключить систему автоматического полива, работающую от системы таймера.

Решение: Устанавливаются специальные датчики влажности, работающие по простому принципу – на пластиковый стержень, под регулировочным колпачком, нанизаны впитывающие влагу синтетические элементы, в виде колечек. При разбухании этих колечек, в пределах регулировки колпачка, колечки нажимают чувствительный микровыключатель, который временно замыкает электрическую цепь и отключает функцию полива в автоматическом режиме на центральном пульте управления. При этом в ручном режиме пульт управления работает нормально. По мере высыхания синтетических элементов выключатель возвращается в исходное положение, и режим автоматического полива активируется по заданным ранее программам, которые заложены в реле.

ИКР: «умный гель» заменяет целую систему анализа, контроля и включения. Он сам включает и выключает систему орошения.

5. Очки-хамелеоны

Долгое время в солнечные дни люди пользовались затемненными стеклами. Но это неудобно при непостоянных погодных условиях, когда при облачности постоянно меняется степень освещения. На помощь пришли очки-хамелеоны. Это очки с особыми фотохромными стеклами, изменяющими цвет в зависимости от освещения.

Свойство этих стекол связано с тем, что в них добавлены молекулы фотохромного вещества, которые под воздействием ультрафиолета приходят в активное состояние и темнеют. Причем чем сильнее освещение, тем сильнее темнеет стекло. Без яркого света очки светлеют и становятся прозрачными.

Илл. 8. Видимость в очках-хамелеонах

Крайне полезным оказались фотохромные очки для сварщиков, у которых была большая проблема – нужно постоянно видеть место сварки и при сварке и без нее. Фотохромные очки решили ранее возникавшую проблему – без черных очков портились глаза от яркого света сварки, а при очках невозможно было точно определить место сварки, к которому подводится электрод.

ИКР: «умное вещество» очков само устанавливает необходимую затемненность в зависимости от силы света.

Выводы:

«Умное вещество» - это вещество с уникальным свойством, использование которого позволяет изготовить элемент, заменяющий по функциям целую систему, которая до этого получала информацию, обрабатывала ее, и выполняло требуемое действие.
К таким веществам, например, относятся:

• термобиметаллы;
• фотохромные вещества;
• материалы с эффектом памяти формы;
• набухающие гели;
• ферромагнетики.

Главным в применении «умных» веществ является нахождение применения свойства вещества, изменяющегося под действием какого-либо внешнего параметра и применить его так, чтобы можно было элементом из вещества заменить целую систему.

Упражнение для тренировки: найдите «умное вещество» и его применение.

Подготовил к публикации: Лев Певзнер 

Редактор: Елена Гин

Источники иллюстраций:
1) http://zakatayrukava.ru/stroitelstvoiremont/elektrosnabzhenie/51-ustroystvo-teplovogo-rele.html
2) http://globalphysics.ru/physics/temperatura/231-bimetallicheskiy-termometr-platinovyy-termometr-soprotivleniya.html http://moonshine.com.ua/shop/aksesuary/termometr-bimetallicheskiy-radialnyy/
3) http://vorota-servis-mariupol.narod.ru/publ/remont_vorot_doorhan/predokhraniteli_dlja_ehlektricheskikh_vorot/14-1-0-1456 http://elektrikaetoprosto.ru/ddd.html
4) http://ysob.ru/articles/s/vse_stati/gardening/avtomaticheskaya-fortochka-v-teplicu.html
5) https://www.youtube.com/watch?v=lE3QnX6giUU