Niektórych katastrof budowlanych można by uniknąć, gdyby tylko śledzono naprężenia w strukturze budynków i odpowiednio wcześnie reagowano na ich zmiany. Inteligentny materiał opracowany przez naukowców z Indii, Japonii i Polski pozwoli monitorować naprężenia w czasie rzeczywistym.
Inteligentnymi nazywamy materiały, które reagują na środowisko w przewidywalny i ściśle określony sposób. Odpowiednie bodźce mogą wywołać ich reakcję, która doprowadzi np. do zmiany ich właściwości. Z takiego materiału może być wykonana choćby koszulka, która zmienia kolor pod wpływem ciepła – a więc w praktyce ma np. inny kolor w miejscach, które przylegają do ciała, a inny w miejscach, które są luźne. Ale potencjał takich materiałów jest znacznie większy niż czysto komercyjne zastosowania przykuwające uwagę i pozwalające wyróżnić się w tłumie.
Inteligentne materiały to także możliwość stworzenia sztucznej skóry czy egzoszkieletów. Można je zintegrować z elektroniką, tak by razem pozwalały na ciągłe mierzenie temperatury ciała czy ciśnienia tętniczego. Inny pomysł to soczewki kontaktowe wyświetlające informacje np. o poziomie glukozy bezpośrednio w polu widzenia użytkownika. Jedną z unikatowych grup materiałów inteligentnych są materiały mechanochromowe, czyli materiały zmieniające barwę pod wpływem oddziaływań mechanicznych. Zespół naukowców z Indii, Japonii i Polski opracował i przebadał materiał, który pod wpływem wzrostu naprężenia zmienia swoją barwę z zielonożółtej na czerwoną.
Wystarczy zgiąć
Barwa związku w fazie stałej, w postaci krystalicznej, wynika zarówno ze struktury cząsteczek, jak i ze sposobu, w jaki te cząsteczki oddziałują ze sobą w krysztale. Nowy związek charakteryzuje się tym, że zawarte w nim kryształy są bardzo miękkie, a ich struktura nie jest stabilna.
Niewielka siła, niewielki czynnik wywołujący jakąś deformację powoduje, że zmienia się ich ułożenie w przestrzeni – wyjaśnia prof. Konrad Szaciłowski z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, porównując te cząsteczki do klucza od zamka. – Każda cząsteczka zawiera jeden zamek i dwa klucze lub odwrotnie, czyli jest zbudowana z kilku modułów, które wzajemnie do siebie pasują i są rozseparowane. W krysztale mamy taką sytuację, że „zamek” z jednej cząsteczki pasuje do „klucza” z drugiej. Dzięki temu oddziaływaniu powstaje materiał o konkretnej barwie. Dodatkowo, charakteryzuje się on silną luminescencją, a więc wzbudzony ultrafioletem emituje światło barwy zielonożółtej. Kiedy dochodzi do mechanicznego uszkodzenia kryształów, cząsteczki przesuwają się względem siebie, a oddziaływania ulegają zniszczeniu. Powstają za to inne, a ich pojawienie się sprawia, że barwa zmienia się z żółtozielonej na czerwoną.
Co ciekawe, w przypadku tego związku proces niszczenia oddziaływań pomiędzy cząsteczkami jest w pełni odwracalny – wystarczy dodać do materiału organiczny rozpuszczalnik, a cząsteczki trafiają na swoje pierwotne miejsce i struktura od razu się odtwarza. Tym samym substancja ponownie zmienia także kolor, wracając do wyjściowej barwy.
Czerwony znaczy wzmocnij
Dzięki czułości materiału na działanie nawet niewielkiego stężenia par związków organicznych można sobie wyobrazić jego wykorzystanie do stworzenia farb, które służyłyby jako czujniki ostrzegawcze – można by pokryć nią ściany czy podłogi w laboratorium lub w hali produkcyjnej, gdzie mogą występować toksyczne opary. Gdyby pojawiły się w powietrzu, to farba wykonana z użyciem tego inteligentnego materiału natychmiast zmieniłaby barwę z czerwonej na żółtozieloną. W ten sposób informacja o zanieczyszczeniu znajdującym się w powietrzu byłaby natychmiast dostępna dla osób przebywających w pomieszczeniu, które mogłyby szybko podjąć odpowiednie kroki. Fakt, że zmiana barwy jest bardzo wyraźna, bo do zmiany dochodzi z koloru żółtozielonego na kolor czerwony, sprawia, że takie jej użycie byłoby wygodne w zastosowaniu.
Ten system może być znacznie czulszy i przede wszystkim znacznie tańszy w użyciu, niż zaawansowane czujniki elektroniczne, bo do zrobienia takiego czujnika potrzebujemy miligrama związku, który jest w miarę tani i chociaż będzie działał w sensorze jednorazowo, to jest łatwy do wymiany – tłumaczy prof. Szaciłowski.
Innym z potencjalnych zastosowań bazujących na właściwościach mechanochromowych otrzymanego materiału jest wytworzenie polimeru funkcjonalnego, który zmieniałby barwę podczas zmiany naprężenia, np. podczas wyginania. To właściwość, z której mogą skorzystać choćby konstruktorzy – czy to robotów, czy konstrukcji architektonicznych. Już na etapie prototypu warto byłoby wiedzieć, gdzie pojawiają się większe naprężenia, by móc zmodyfikować projekt przed jego ostatecznym wdrożeniem. Prototyp wykonany z takiego polimeru zmieniłby kolor w miejscach, w których naprężenia byłyby większe, a tym samym dostarczył konstruktorowi informacji, o tym, czy wykonane przez niego modelowanie numeryczne nie zawierało błędów i czy naprężenia poprawnie rozchodzą się po konstrukcji.
Pokrycie taką farbą przęseł mostu mogłoby sprawić, że podstawowa kontrola jego wytrzymałości ograniczałaby się do monitorowania barwy polimeru. Gdyby na nagraniu, zdjęciu, czy też na żywo dostrzeżono efekty niebezpiecznej zmiany naprężenia, to most mógłby zostać szybko wyłączony z użytku – i tym samym moglibyśmy łatwo zapobiec ewentualnym wypadkom, choćby takim jak ten w Genui w 2018 roku, podczas którego zginęły 43 osoby. Taki sposób monitoringu naprężenia nie wymagałby elektroniki ani skomplikowanych systemów nadzorowania – wystarczyłby inteligentny materiał, który, gdy naprężenie przekroczy wartość krytyczną, poinformuje nas o zagrożeniu zmianą barwy.
Nikt nie wie wszystkiego
Jak podkreśla prof. Szaciłowski, wykonanie wszystkich badań niezbędnych do stworzenia i opisania właściwości inteligentnego materiału wymagało współpracy trzech ośrodków badawczych z trzech różnych krajów – Polski, Indii oraz Japonii. Każdy z zespołów badawczych dysponuje innym zestawem umiejętności oraz dostępem do różnych technik laboratoryjnych, które przekładają się na to, co dany zespół jest w stanie osiągnąć. W AGH nie prowadzono badań nad syntezą związku – dokonali tego naukowcy z Japonii, którzy dzięki swojemu dotychczasowemu doświadczeniu przeprowadzili syntezę tego złożonego związku. Wówczas w Japonii przebywała pracująca na indyjskim uniwersytecie dr Bijitha Balan, która po powrocie do Indii rozpoczęła zaawansowane badania nad materiałem przy użyciu aparatury spektroskopowej. Jej zespół miał jednak trudność w wyjaśnieniu wszystkich aspektów reaktywności opisanego materiału, więc zwrócił się z prośbą o pomoc do prof. Szaciłowskiego, który posiadał większe doświadczenie w modelowaniu teoretycznym. Aby wykonać swoje zadanie naukowiec nie musiał mieć nawet dostępu do samego materiału – wystarczył dostęp do surowych danych pomiarowych.
Model pokazał nam, jakiego rodzaju oddziaływania występują w tych cząsteczkach i co jest istotne dla tego efektu. Dla jednego zespołu badawczego byłoby to bardzo trudne, bo musiałby mieć doświadczenie w syntezie, spektroskopii i modelowaniu molekularnym. Więc musiałby to być bardzo duży zespół, składający się ludzi o wielu różnych specjalnościach. Znacznie łatwiej jest to zrobić przez poszukanie partnera gdzieś na zewnątrz – komentuje naukowiec z AGH. – Bez takiej zaawansowanej współpracy bardzo trudno jest prowadzić zaawansowane badania naukowe. Cały czas pracujemy w środowisku międzynarodowym i to jedyny sposób, żeby rzeczywiście te badania szły intensywnie do przodu.
Realizacja dotychczasowych projektów z zespołami z zagranicy to jednak zdecydowanie nie koniec międzynarodowej współpracy. Badacze z AGH zamierzają kontynuować badania dotyczące inteligentnych materiałów, które są wrażliwe na ciśnienie, bo to materiały, które charakteryzują się dobrym przewodnictwem elektrycznym – a więc mogą znaleźć zastosowanie w projektach dotyczących sztucznych neuronów i sztucznych synaps, które są obecnie prowadzone w AGH.
źródło: AGH