Коллектив авторов - На что похоже будущее? Даже ученые не могут предсказать… или могут?

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.