Inteligencja nie tylko wśród ludzi

Przenieśmy się na chwilę do starego laboratorium pełnego książek, kolb i retort. Powietrze przesycone jest zapachem chemikaliów, a przez brudne okna z trudem przedostają się promienie słońca i tańczą na unoszącym się ze starych inkunabułów kurzu. Jeden z obecnych naukowców bierze do ręki rewolwer i kieruje go w stronę niewielkiej, przezroczystej płytki. Strzela. Kula robi w płytce sporą dziurę. Głowy uczonych pochylają się nad zniszczonym materiałem i w tym momencie, jak za dotknięciem czarodziejskiej różdżki, dziura zaczyna się zasklepiać.

Nikt jej nie dotknął, uczeni nadal stoją bez ruchu. W panującej w laboratorium ciszy powierzchnia płytki się wygładza, a pęknięcia znikają. Po kilku minutach po dziurze nie zostaje najmniejszy nawet ślad - materiał samoistnie się naprawił. Jednak dziś ta scenka, niczym żywcem wyjęta z powieści science fiction okresu romantyzmu, nie wzbudza w nas już żadnych emocji. Domyślamy się, że za fakt samonaprawienia się płytki nie odpowiada żadna magia, a właściwości materiału z którego ją wykonano. Cóż to więc za materiał i skąd wie, że należy się naprawić? Czy możemy powiedzieć, że jest ''inteligentny''?

Ale czy określenie ''inteligentny materiał'' może dziwić jeszcze w czasach, w których powszechnie używamy pojęcia ''sztuczna inteligencja''? Pojęcia, które już na dobre zadomowiło się w naszym języku? Tym bardziej, że większość z nas miała już z takimi materiałami do czynienia; co więcej, wielu z nas używa ''inteligentnych materiałów'' na co dzień i nawet o tym nie wie. W ciągu ostatnich dziesięcioleci nastąpił gwałtowny rozwój materiałów wspomagających nasze codzienne życie. Początkowo skupiono się na metalach i materiałach ceramicznych. Wraz z rozwojem wiedzy o tworzywach sztucznych okazało się, że to właśnie ich właściwości pozwolą tym ostatnim zyskać miano naprawdę inteligentnych materiałów. Szczególne zainteresowanie budziły badania nad wydłużeniem czasu eksploatacji i żywotności materiałów polimerowych oraz kompozytowych, które zmieniły standardowe wyobrażenia na temat tworzyw. Zgodnie z nimi, tradycyjne tworzywa sztuczne zwykle kojarzyły się z tanimi, wizualnie efektownymi detalami, lecz o niskiej jakości.

Dostępne wyniki badań wskazują na różny stopień zaawansowania wiedzy o inteligentnych polimerach, od analiz rozpoznawczych do wiedzy bardziej zaawansowanej, połączonej z metodami wytwarzania materiałów dojrzałych do wykorzystania w praktyce. A praktyka czyni mistrza. Jeszcze kilkanaście lat wstecz ideę samoregenerujących się przedmiotów lub powierzchni można było spotkać wyłącznie zagłębiając się w powieściach i filmach science fiction. Wielu z nas widziało film Jamesa Camerona Terminator 2: Dzień sądu. W tym obrazie z 1991 r. Arnold Schwarzenegger stawił czoła wysłanemu również z przyszłości, okrutnemu i precyzyjnemu w działaniu T-1000, którego cechą była zdolność do widowiskowej samoregeneracji. Stąd zapewne nazwa jednego z polimerów, o którym mowa będzie później. 

Na dzisiaj materiały samonaprawiające się to już nie tylko śpiew przyszłości oraz filmy - to rzeczywistość. Materiały reagujące na pęknięcia, ubytki powierzchniowe czy wygięcia są już testowane w laboratoriach i produkowane na całym świecie. Naukowcy z różnych dziedzin inżynierii materiałowej ciągle dążą do tego, aby mechanizm ''samouzdrawiania'' materiałów był jak najbardziej podobny do analogicznych sytuacji w przyrodzie (np. gojenie się skóry, zrastanie się złamanych kości). Zresztą w większości przypadków inteligentne materiały naśladują organizmy żywe właśnie poprzez zdolność adaptacji. 

W literaturze istnieje mnóstwo przykładów inteligentnych materiałów-polimerów. Jednak znaleźć takie, które mają faktycznie praktyczne zastosowanie już nie jest tak łatwo. Przeglądając źródła wybierałam takie przykłady, aby można było w miarę łatwo zrozumieć sens stwarzania takiego inteligentnego polimeru czy kompozytu, gdyż możliwość praktycznego zastosowania to najważniejsze kryterium w każdej dziedzinie. 

Istnieje wiele różnych określeń na materiały inteligentne, tj. smart materials, intelligent materials, adaptive materials, multifunctional materials. W literaturze naukowej rozróżnia się już pojęcia smart materials i intelligent materials. Drugi rodzaj obiektów jest zdolny do reagowania na bodźce zewnętrzne przez istotną zmianę swych właściwości dla pożądanej i skutecznej odpowiedzi na te bodźce. Idąc schematem i myśleniem informatycznym: materiał inteligentny powinien spełniać funkcję czujnika (sensora), procesora i ''urządzenia'' uruchamiającego - aktuatora (przekazującego uzyskany efekt), a jednocześnie właściwości te powinny wykazywać cechy sprzężenia zwrotnego (feed back and feed forward). I to wszystko musi być spełnione. Natomiast pojęcie ''smart'' ogranicza się do uzyskania efektu zmiany właściwości pod wpływem działania bodźców zewnętrznych w sposób przewidywalny. Ważne jest uzyskiwanie efektu w czasie rzeczywistym lub zbliżonym do rzeczywistego.

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.

Niektóre polimery poza pamięcią kształtu tworzą struktury samonaprawiające się. Wizja mechanizmu samouzdrawiania się materiałów jest analogiczna do tego, jaki istnieje w przyrodzie (np. zrastanie się złamanej kości, gojenie ran itd.) i opiera się na natychmiastowej reakcji na uszkodzenie bez (lub przy minimalnej) ingerencji człowieka. Głównym założeniem przy projektowaniu materiałów samonaprawiających jest to, aby po regeneracji były one w stanie odzyskać swoje pierwotne właściwości mechaniczne, albo chociaż mogły ograniczyć ich pogorszenie wywołane mikropęknięciami. ''Wyleczenie'' może nastąpić autonomicznie lub być aktywowane zewnętrznym bodźcem, np. temperaturą bądź promieniowaniem. Autonomicznie działające materiały samonaprawiające nie potrzebują zewnętrznego impulsu, gdyż samo uszkodzenie staje się bodźcem do napraw. 

Naukowcy z Hiszpanii zaprezentowali pierwszy elastomer, który potrafi naprawić się samodzielnie bez działania zewnętrznego czynnika. Elastomer nazwany ''terminatorem'' złączył się z powrotem w jedną całość po przecięciu go na pół żyletką. Elastomer ten opiera się na reakcji aromatycznych siarczków, aktywnych w temperaturze pokojowej. Sieć elastomerowa przypomina rzepy i wykazuje wydajność regeneracji powyżej 90% w ciągu 2 godzin. Ponadto jest odporna na rozciąganie. Prowadzone są też badania nad samonaprawiającymi się materiałami na bazie żywicy epoksydowej, do której wprowadza się mikrokapsułki zawierające substancje ''lecznicze'' w postaci monomerów, katalizatorów i inicjatorów. Jeśli materiał pęka, to pękają również mikrokapsułki a wydobywająca się z nich ciecz wypełnia wolną przestrzeń powstałą na skutek uszkodzenia, zaś pod wpływem katalizatora następuje polimeryzacja monomeru i związanie z powierzchniami mikropęknięcia. Tak otrzymane samoleczące się kompozyty osiągają ponad 80% swoich pierwotnych właściwości i mogą być stosowane np. do otrzymywania inteligentnych powłok posiadających zdolność samorzutnego zasklepiania rys i uszkodzeń. Niezależnie od zastosowanego mechanizmu, idea i proces samonaprawiania otwiera nowe możliwości w projektowaniu niezawodnych materiałów, co może przyczynić się do ogromnej rewolucji technologicznej chociażby w projektowaniu elementów konstrukcyjnych. Niewątpliwą zaletą takiego mechanizmu samonaprawy jest fakt, iż proces uzdrawiania może być powtarzany wielokrotnie.

Polimery mogą też współpracować z innymi materiałami, dając nowe rozwiązania. Dobry przykład to fibroina - białko jedwabiu, które umożliwia ochronę biomolekuł w taki sposób, że można je drukować w technologii druku atramentowego. Fibroina pełni w tym przypadku funkcję kokonu. To odkrycie pozwoli na rozwój inteligentnych biosensorów rozprowadzanych w roztworze jedwabiu. 

Inżynierowie z Tufts zaprezentowali rękawiczki, które wskazują, że zostały skażone. Po kontakcie z bakteriami E.Coli, napis który na nich wydrukowano zmienia kolor. Wykorzystano do tego PDA - polidiacetylen rozpuszczony w roztworze jedwabiu. Technologia ta może być w przyszłości użyta również do produkcji inteligentnych bandaży, które będą potrafiły leczyć skomplikowane zranienia.

Kolejny innowacyjny i inteligentny pomysł to pokrycie szklanych kapilar polimerowym hydrożelem, co drastycznie zmienia sposób, w jaki siły kapilarne wciągają wodę do małych struktur. Siły kapilarne to te, które wciągają wodę i płyny do rurek, słomek czy ręczników papierowych. W rurkach pokrytych hydrożelem ulega to zmianie - roztwory wodne są wciągane do rurki, blokują się i znowu są wciągane, a cały proces się powtarza. Dzięki temu woda propaguje z prawie stałą prędkością i napełnienie kapilary może być znacznie szybsze. Zastosowanie pokrycia inteligentnym polimerem mogłoby pozwolić na sterowanie przepływem cieczy: powyżej temperatury przejściowej polimer przestanie absorbować i nowe zachowanie zaniknie. W ten sposób, wykorzystując temperaturę, można sterować przepływem cieczy w kapilarze. Taki przyrząd nadawałby się do sterowania reakcjami chemicznymi i do precyzyjnego dozowania leków.

Naukowcy z Cambridge połączyli funkcje polimerów w jeden inteligentny materiał o zdolności poruszania, pamięci ruchu i sensoryczności, przypominający żywą tkankę. Jak udało się stworzyć taki hybrydowy, inteligentny polimer? Osiągnięto to poprzez złączenie różnych funkcji w nanoskali, bez syntezy samych materiałów składowych. Przerwy między pojedynczymi elementami są tak małe, że całość reaguje jednolicie i wypełnia zadania pojedynczych komponentów. Komponenty syntezuje się oddzielnie, a potem łączy sekwencyjnie. Po raz pierwszy zaprezentowano materiał inteligentny mający dwie różne funkcje. Jedna z nich wykonywana jest przez jonowo aktywny polimer (i-EAP), który zgina się i pęcznieje pod przyłożonym napięciem, a druga - przez polimer z pamięcią kształtu (SMP) przyrównywany w swojej funkcjonalności do pamięci mięśnia. Połączony materiał znany jest jako przemieszane sieci (interpenetrating polymer networks - IPN). Komponenty przenikają się w nanoskali, dzięki czemu istnieją nieprzerwane ścieżki z jednego materiału, które łączą oba końce próbki. Z drugiej strony łączenia - granice faz - też istnieją w nanoskali. W związku z tym taka przemieszana sieć wykazuje odporność na złamania i pęknięcia, czyli wysoką stabilność mechaniczną. Głównym celem inżynierów pozostało jednak skonstruowanie wielofunkcyjnego mięśnia.

Uogólnienie techniki może otworzyć nowe perspektywy dla jednofunkcyjnych inteligentnych materiałów, gdyż ich połączenie może dać przeróżne kombinacje. Teoria przewiduje możliwość łączenia w całość aż trzech komponentów. W tej metodzie można wybrać z menu opcje, tworząc wielofunkcyjne materiały dostosowane do konkretnych potrzeb. Odkrycie zostanie wykorzystane w robotyce, która coraz więcej inspiracji czerpie z przyrody.

Magnetoreologiczne elastomery należą do jednej z klas materiałów inteligentnych, które mogą w wyniku działania pola magnetycznego zmieniać właściwości reologiczne w sposób ciągły, gwałtowny i odwracalny. Ogólnie materiały magnetoreologiczne (MR) bazują na zawiesinie magnetycznie polaryzowalnych cząstek (np. związków żelaza) w niemagnetycznym medium. Do materiałów magnetoreologicznych zaliczamy m.in. ciecze magnetoreologiczne (Magneto Rheological Fluids - MRF), które zawierają cząstki o wysokiej gęstości (np. żelazo, ferryt) rozproszone w cieczy - oleju mineralnym lub syntetycznym o niskiej gęstości. A w przypadku elastomerów magnetoreologicznych mamy do czynienia z żelem - czyli ośrodkiem polimerowym, który zastąpił olej. Odpowiedzią cieczy magnetoreologicznej na pole magnetyczne jest przesunięcie granicy płynięcia, zaś w przypadku elastomeru magnetoreologicznego - wzrost modułu elastyczności. Właściwości mechaniczne, w tym moduł i zdolność tłumienia, mogą być modulowane przez pole magnetyczne. Zmiana sztywności materiału w różnych warunkach pracy jest podstawą zastosowań MR jako samoadaptujących się opraw silników czy amortyzatorów. Dzięki wyjątkowym właściwościom materiały te mogą znaleźć szerokie zastosowanie w przemyśle kosmicznym, elektrotechnice, jako urządzenia do tłumienia drgań, w przemyśle motoryzacyjnym do produkcji zawieszeń o zmiennej sztywności lub jako sensory i czujniki ugięcia.

Grupa chemików i inżynierów z University of California Los Angeles (UCLA) wynalazła tworzywo sztuczne, które potrafi ''naprawić'' pęknięcie na elemencie wykonanym z tego tworzywa. Automend - bo taka jest nazwa nowego materiału - jest twardy, przezroczysty i ma postać ciała stałego (w temperaturze pokojowej), a jego właściwości mechaniczne są podobne do posiadanych przez epoksyrezynę. Pęknięcie na jego powierzchni może być wielokrotnie naprawione, po uprzednim podgrzaniu do temperatury ok. 120°C. Po ogrzaniu naprawione pęknięcie jest niewidoczne, a jego wytrzymałość stanowi 60% oryginalnej wytrzymałości (przed uszkodzeniem). Automend może mieć potencjalne zastosowanie w aplikacjach wojskowych i naukowych, a także w przemyśle. Przepuszcza on fale elektromagnetyczne, co poszerza spektrum jego ewentualnego wykorzystania.

Firma IBM używa technologii wynalezionej na Uniwersytecie Massachusetts, która pozwala budować polimery zdolne do samogrupowania się, przyjmując strukturę o kształcie plastra miodu i wymiarze 20 nanometrów. Takie cząsteczki są później wykorzystywane przy budowie procesorów, jako struktury kompatybilne z dwutlenkiem krzemu. I to nie wszystko - interesujące są także cząsteczki zbudowane na bazie węgla, grupujące się w nanorurki, które mogą być użyte przy produkcji tranzystorów. Kolejnym potencjalnym zastosowaniem materiałów samoorganizujących się są wyświetlacze ciekłokrystaliczne, zbudowane na bazie specjalnej odmiany ciekłych kryształów reagujących m.in. na jakiekolwiek zmiany substancji, w której są zanurzone. 

Badania naukowe w obszarze polimerów od blisko 100 lat są siłą napędową postępu cywilizacji, a rozwój przemysłu tworzyw stał się jednym z fenomenów naszych czasów. Badania nad syntezą nowych materiałów polimerowych określane są obecnie mianem ''bramy do przyszłości'', gdyż dostarczają coraz bardziej wyrafinowanych materiałów na potrzeby właściwie wszystkich dziedzin technologii i gospodarki.

Do wyzwań współczesnej inżynierii materiałowej należy projektowanie oraz produkcja multifunkcyjnych tworzyw, które posiadają ''inteligencję'' na poziomie materiałowym. Jak wspomniałam wyżej i warto powtórzyć na koniec - odniesienie do inteligencji materiałowej obrazuje 3 podstawowe funkcje: odczuwanie zmian, przetwarzanie pozyskanych informacji oraz odpowiedź na te zmiany. Prace naukowo-badawcze koncentrują się wokół szeroko pojętych zagadnień związanych z podstawami chemii i technologii polimerów, przetwórstwa i recyklingu polimerów, a także badaniami ich właściwości użytkowych decydujących o zastosowaniach w wielu dziedzinach przemysłu.