Inteligencja nie tylko wśród ludzi

Jakie powinny być materiały inteligentne? Jak już wspomniałam, powinny one wykazywać zdolność do reagowania na bodźce zewnętrzne przez istotną zmianę właściwości dla uzyskania żądanej i skutecznej odpowiedzi na te bodźce. Praktycznie wygląda to tak, że materiały mogą występować samodzielnie lub stanowić pewien składnik struktury konstrukcyjnej lub funkcjonalnej. Materiał inteligentny powinien spełniać jednocześnie rolę sensora, analizatora i przetwarzacza informacji, działając na zasadzie pętli sprzężenia zwrotnego, a ponadto wykonywać polecenia wysyłane z analizatora. I to jest dopiero umiejętność. Materiały tego typu znajdują obecnie zastosowanie niemal w każdej dziedzinie nauki czy techniki, a liczba ich potencjalnych wykorzystań w każdym aspekcie gospodarczym i społecznym nadal rośnie. Innowacyjne funkcje inteligentnych materiałów są w wielu przypadkach odpowiednikiem naturalnych zachowań organizmów żywych. Przechodząc do konkretów - w czym i jak taka inteligencja może się przejawiać? Poniżej mały przegląd tego, co w trawie piszczy.

Okulary fotochromowe, których wielu z nas używa, są tu chyba najlepszym przykładem. Fotochromizm polega na zmianie koloru materiału pod wpływem światła, a jego podstawę fizyczną stanowi przemiana fazowa materiału pod wpływem zaabsorbowanego promieniowania. Czyli w danym materiale zmienia się także współczynnik załamania, jego stała dielektryczna i stała absorbcji. W okularach tych zmiana natężenia światła (bodziec) zmienia transparentność szkieł (odpowiedź materiału). Można powiedzieć, że szkło równocześnie ''wykonuje pomiar'' natężenia światła i zmienia swoje właściwości w wyniku tego pomiaru. Na podobnej zasadzie działają przyciemniane lusterka w samochodach: pod wpływem pola elektrycznego można zmienić ich transparentność (elektrochromizm). Aby to uzyskać, zazwyczaj powleka się je inteligentnym, elektrochromowym polimerem.

Innym przykładem inteligentnych polimerów są polimery elektrostrykcyjne, czyli takie które odkształcają się przy przyłożonym polu elektrycznym. W przypadku polimerów jonowych nie jest wymagane wysokie napięcie, aby uzyskać stosunkowo duże odkształcenie. Jednak do prawidłowego działania wymagają one wilgotności, ponieważ działają na zasadzie dyfuzji jonów i dlatego też zwykle zamykane są w szczelnych opakowaniach. W przeciwieństwie do nich polimery elektronowe nie wymagają powłok ochronnych, bo przewodzą prąd elektronowy, jednak potrzebują przyłożenia pola elektrycznego - czyli w praktyce wysokich napięć.

Spore zainteresowanie budzą polimery z pamięcią kształtu (SMP), czyli materiały mające zdolność powracania do zaprogramowanej formy po odkształceniu. Powrót do pierwotnej postaci zazwyczaj jest wywołany przyłożeniem odpowiedniej temperatury, ale może być to też pole elektryczne, magnetyczne lub światło. Czasami polimery tego typu są zdolne do utrzymania nawet 2 czy 3 kształtów. Przykładem SMP są termoplastyczne poliuretany dla których temperatura zeszklenia może wynosić od -70 do 70°C, wytwarzane przez Mitsubishi Heavy Industries czy Nagoya R&D Center w Japonii. Zjawisko pamięci kształtu może też być wykorzystywane w elastycznych piankach poliuretanowych o porowatości otwartej, prasowanych i przechowywanych w temperaturze znacznie niższej niż Tg poliuretanu. Po ogrzaniu do temperatury wyższej od Tg pianka powraca do pierwotnych wymiarów. 

Polimery SMP znalazły zastosowanie m.in. jako czujniki temperatury, w medycynie natomiast jako inteligentne szwy chirurgiczne, które po nałożeniu samoczynnie zacieśniają się na zesztywniałej ranie. W robotyce często stosuje się je jako materiał do warstwy miękkiej w uchwytach. W budownictwie wykorzystywane są rozszerzające się pianki do izolacji okien. Polimery z pamięcią kształtu znajdują także swoje zastosowanie w przemyśle tekstylnym, a potencjalna możliwość użycia w zderzakach samochodów budzi spore zainteresowanie. Chyba każdy chciałby mieć zderzaki, które odkształcone wrócą do pierwotnego kształtu po ogrzaniu. Amerykańska DARPA (Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych w Obszarze Obronności) pracuje nad samolotem, który zmieniałby swój kształt w powietrzu dzięki tego typu materiałom. 

Inżynierowie z Technicznego Uniwersytetu w Karlsruhe we współpracy z firmą Evonik Industries wytworzyli polimer, który szybko potrafi się naprawić pod wpływem inicjującego bodźca: światła, ciepła lub kontaktu z określoną substancją chemiczną. Do naprawy nie potrzeba katalizatorów czy dodatkowych materiałów. W ciągu 5 minut w temperaturze 50-120°C taka polimerowa sieć naprawia się, wracając do poprzedniego kształtu. Co więcej, jej właściwości mechaniczne pozostają niezmienione, a nawet - jak pokazały testy - polepszają się w wyniku pierwszej naprawy.