Еще в юности я открыл для себя поэта и фантаста Вадима Шефнера. Вот и сегодня вновь листаю страницы полюбившейся мне повести "Девушка у обрыва", в которой один из героев, мечтая осчастливить человечество, изобретает абсолютный металл, синтезируемый из воды, и дает ему название "Аквалид". Фантазия писателя наделила этот материал всеми мыслимыми достоинствами, чтобы он смог заменить собой все, что использовалось до этого человечеством - металлы, пластмассы, дерево, бумагу и т.п.

Очень жаль, что в реальности создание абсолютного материала невозможно. В первую очередь, потому, что уже известных нам недостаточно для решения насущных технических задач. Впрочем, есть люди, которые убеждены в обратном и мечтают перевернуть "сопромат", воплотив в жизнь самые смелые мечты человечества. Среди них - материаловед, доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси Юрий Плескачевский и его коллеги. Они считают, что выход - в создании так называемых умных материалов. По мнению ученых, только они могут преодолеть порог естественных ограничений, сдерживающих сегодня развитие техники.

Умная система

В кабинете Плескачевского тихо шумел кондиционер. "Вот вам простейший пример адаптивной системы, которая реагирует на изменения внешних условий и подстраивается к ним, - сказал Юрий Михайлович. - В холод "кондишн" греет помещение, в жару - охлаждает. Таких интеллектуальных устройств, насыщенных датчиками, сервомоторами и процессорами, сегодня не счесть, они гораздо практичнее прежних, постоянно требовавших к себе внимания человека".

С материалами дело обстоит гораздо сложнее - даже к самой мысли о том, что кусок металла или полимера может стать умной системой, привыкаешь не сразу. Слишком уж фантастическим выглядит такое предположение. Но, по словам моего собеседника, сорок лет отработавшего в НАН Беларуси, создание интеллектуальных материалов вполне реально. Правда, для этого нужно хорошо представлять себе, как они устроены.

Эту информацию в изобилии предоставила нам мать-природа. В любых ее изделиях, будь-то раковина моллюска или стебель растения, принцип адаптивности заложен изначально.

Вот ученые и пытаются его подсмотреть и скопировать. Возможно, тогда построенные человеком башни будут не менее надежны, чем тонюсенькие стебли пшеницы, выдерживающие ураганные порывы ветра.

Выяснилось, что любой адаптивный природный материал можно разбить примерно на четыре основных структурных уровня - макро и микромолекулярный, надмолекулярный и уровень макроматериала. Кроме того, умный материал должен обладать минимум тремя функциями - рецептора (распознавать внешние воздействия), процессора (обрабатывать сигналы и принимать решения) и актуатора (выполнить сформированную процессором задачу).

Классический пример умного материала - известный всем сплав с памятью формы, созданный на основе титана и никеля. Но это простейший, так сказать, самый примитивный вариант. Сегодня уже есть полимеры с памятью формы, что, кстати, открывает перед производителями совершенно уникальные возможности, например, упаковка крупных изделий на время транспортировки в малых объемах. Но и это даже не вчерашний - позавчерашний день. Уже разрабатываются другие, значительно более сложные слоистые полимеры с переменным модулем прочности, и даже материалы, структура которых формируется в определенных условиях, например, в невесомости.

Полимерный "интеллект"

Кстати, именно полимеры - наиболее благодатная основа для создания интеллектуальных материалов. Ведь именно они ближе всего к природным, биологическим системам. Кроме того, процессы, происходящие в полимерах, уже достаточно изучены, и синтезировать материал с заданными свойствами - задача, скорее, техническая, чем научная. Существует огромная отрасль, включающая расчеты, синтез, модифицирование, переработку и рециклинг полимеров.

Создаются и компьютерные программы для разработки полимеров с заданными свойствами. Один такой программный комплекс разработан в Москве группой профессора А. А. Аскадского. Он "заточен" как под нахождение прямой задачи - свойств полимера, так и обратной - синтеза материалов с заданными свойствами. Для того, чтобы научить программу эффективно работать, все известные полимерные материалы московские специалисты разбили на шестьдесят три фрагмента, которые, в свою очередь, делятся на тринадцать групп.

Упомянутый комплекс способен рассчитать более пятидесяти фундаментальных свойств будущего полимера - плотность, теплоемкость и т.д. с погрешностью не более, чем в три-пять процентов. Именно благодаря тому, что свойства полимеров неплохо изучены, появилась возможность создавать на их основе умные материалы. И развивать их производство в Беларуси выгодно. У нас еще в советские времена был создан целый ряд химических предприятий, которые работают и сегодня. Для примера приведу такую цифру: мы находимся на одиннадцатом месте в мире по производству полимеров, как любили раньше говорить, "на душу населения". В Беларуси за год производится сто восемьдесят тысяч тонн ненасыщенных полиэфиров, перерабатывается двести тысяч тонн эластомеров. Только Россия ежегодно закупает в Беларуси около семидесяти тысяч тонн полиамида.

Группой белорусских ученых под руководством все того же Плескачевского в лабораторных условиях разработаны десятки уникальных полимерных материалов, самые сложные структурой напоминают даже не пресловутые "цепочки", а, скорее, закрученные в спираль белковые молекулы, есть и соединения, например, "щетки" с привитыми к поверхности микроскопическими "волосками" другого полимера, и т.д.

Придумано ими даже нечто вроде оптических накопителей на полимерной основе. Плескачевский показал мне простейший опыт - налил в стакан воды и капнул сверху немного масла, которое немедленно расплылось по поверхности. "Похожим способом делаются и пленки полимеров толщиной всего в одну молекулу, - объяснил Юрий Михайлович. - Затем они осаждаются и закрепляются на прочной основе. Под воздействием света полимер меняет форму. Таким образом, на его поверхности можно записывать информацию".

Два плюс два - пять!

Обычно, совмещая два металла в сплаве или делая составной полимер, технологи получают сумму свойств исходных компонентов. Но, как оказалось, это не всегда так. Используя современные технологии, ученым удается создавать материалы, многократно превосходящие исходные по своим качествам. Это происходит потому, что один компонент, воздействуя на другой, вызывает новый эффект. Таким образом рождаются сплавы и комбинированные полимеры с невиданными качествами. Например, с адаптивными свойствами к любым воздействиям - коррозии, повреждениям, химической обработке. Возможно, когда-нибудь именно таким образом и будет создан материал, по качествам близкий к описанному Шефнером в его бессмертной "Девушке у обрыва".

Правда, над воплощением мечты великого фантаста придется немало поработать. Только по наработкам Плескачевского и его коллег можно проводить теоретические изыскания и опыты не меньше полусотни лет! А ведь создать виртуальные модели мало, химикам еще придется синтезировать их, а технологам - внедрить в производство. "Порой это становится практически невозможно, - поделился со мной мой собеседник. - Дело в том, что совместить материалы с разными точками плавления - в сто и тысячу градусов цельсия, например, задачка не для слабонервных". Для формирования умного материала порой необходимо управлять расположением каждой его молекулы.

Что же касается теоретической базы, то она есть, и разработана именно белорусскими учеными. Это периодическая таблица, отдаленно напоминающая разработанную Менделеевым. Только в ячейках ее отмечены не химические элементы, а эволюция структуры и свойств умных материалов. Они делятся по функциональному развитию, степени активности, степени интеллекта, качеству функционирования и даже (да, да!) по линии поведения. Не буду утомлять читателя терминологией, скажу только, что таблица эта опубликована и признана международным ученым сообществом.

"Уникумы" из Беларуси

Можно ли замерить уровень поглощенной радиации... линейкой? "Да!" - утверждает Юрий Плескачевский. Именно в его лаборатории разработана пленка из облученного полиэтилена, которая меняет размеры в зависимости от дозы облучения. Она успешно применяется в производстве электроприборов для российской и белорусской военной техники. Да что там эта пленка. Всего его научная группа, кстати, единственная на постсоветском пространстве разрабатывающая умные материалы, получила за тридцать лет сто семьдесят патентов на различные изобретения!

Среди них, например, способ построения трансформирующейся металлополимерной конструкции в условиях невесомости. Это ничего вам не напоминает? Да, вы не ошиблись, речь идет об антенне для спутника. Работает она очень просто. На земле антенну облучают, и она обретает память формы. Затем ее нагревают, сворачивают в комочек и укладывают в контейнер на спутнике. Уже на орбите, когда аппарат поворачивается к солнцу, в его корпусе открывается маленькое окошко. И оттуда, нагретая солнечным светом, выпархивает наша антенна. Все изящно и надежно - никаких сервомоторов и, вообще, минимум механических частей. Только красота эта потребовала десятилетий труда целого коллектива.

Разработаны Плескачевским и его помощниками и множество других устройств - солнечные батареи, антенны и даже основа для огромного солнечного паруса, который, возможно, когда-нибудь унесет космический корабль от земли со скоростью, близкой к световой. Есть в их активе и изделия попроще. Например, адаптивные тормозные колодки для автотехники, которые имеют способность к самозалечиванию.

Но работа коллектива под руководством моего собеседника далеко не ограничивается космическими технологиями. К примеру, белорусским ученым под силу создать "интеллектуальный" фильтр, который в состоянии отделить ложку воды от бочки машинного масла. Причем, фильтр не просто будет пропускать через себя молекулы определенного размера, но и сможет "отлавливать" чужеродные вкрапления, ориентируясь на их физические свойства. Аналогичные фильтры уже работают на ряде белорусских и российских предприятий, например, на Интеграле.

Когда-нибудь...

Спектр применения умных материалов практически неограничен. На Западе ученые занимаются их созданием уже давно. Покрытие "Стелс" - один из примеров удачных разработок. Многие проекты еще на подходе, например, металлы, предотвращающие коррозию на собственной поверхности и залечивающие образовавшиеся от нее повреждения. Или экофильные материалы, которые в состоянии разлагаться после завершения срока службы. Их созданием ученые занялись в соответствии с концепцией "жизненного цикла", которая предусматривает включение в конечную цену изделия стоимости его вторичной переработки и утилизации.

Интересный проект - "самозаживляющееся" ветровое стекло автомобиля. Освой белорусская промышленность производство такого изделия, и рост целой подотрасли экономики обеспечен на много лет вперед! Работают ученые под руководством Плескачевского и над биологически активными, "интеллектуальными" материалами, которые смогут очищать сточные воды химически активными материалами, предназначенными для предприятий и атомных электростанций. Придуманы даже специальные удобрения, которые в разные циклы роста растений будут выделять различные добавки.

Очевидно, что большинство умных материалов, которые смогут всерьез повлиять на жизнь человечества, будут придуманы в течение следующих десятилетий. И, наверное, не один их десяток выйдет из лаборатории профессора Плескачевского, нашего с вами земляка, который мечтает сделать фантастику явью.

Эдуард ТРОШИН

Фото Виктора ХОРЕВА