Az „intelligens anyagok” ígérete

A kémia és a társtudományok szédítő fejlődése, a kémiai szerkezet és a tulajdonságok közötti kapcsolat felismerése ma már lehetővé teszi adott célra tudatosan tervezett anyagok előállítását.

A modern szerkezeti anyagok, más néven első generációs szintetikus anyagok egyik jellemzője, hogy környezetükkel passzív módon érintkeznek, s annál jobbak, minél hoszszabb ideig őrzik meg változatlan formában alakjukat és tulajdonságaikat, mint például a speciális fémek, kerámiák, műanyagok és ezek kombinációi. A funkcionális, vagy második generációs anyagoknál már nem a legelőnyösebb mechanikai tulajdonságok elérése a fő cél, hanem a különböző anyagokat jellemző egyedi, főként fizikai tulajdonságok összekapcsolása egyetlen anyagban. A szilícium például a fényerősség változását feszültséggé alakítja át, s ezzel az optikai és az elektromos tulajdonságok között teremt kapcsolatot. Intelligens anyagoknak viszont azokat a funkcionális anyagokat nevezzük, amelyek érzékelik közvetlen környezetük fizikai vagy kémiai állapotának jellemzőit, e jeleket feldolgozzák, majd ezekre, állapotuk jelentős megváltoztatásával, gyors és egyértelmű választ adnak. Intelligens anyagok esetében a környezet kis változására igen nagyfokú tulajdonságváltozás következik be, vagyis a válasz mértéke jóval nagyobb az inger nagyságánál. További ismérvük a gyors reakcióidő és a megfordíthatóság: a változást kiváltó hatás megszűntével az ilyen anyagok eredeti állapota helyreáll.

Vannak olyan „intelligens” anyagok, amelyek a természetes környezet változásaira (hőmérséklet, kémiai környezet, mechanikai hatás, fény) reagálnak, s vannak olyanok is, amelyek a változásukhoz szükséges információt a számítógépből elektronikus jel formájában kapják. Szabályozástechnikai szempontból az elektromos és/vagy a mágneses tér alkalmazása a legkézenfekvőbb, ezek a terek ugyanis számítógéppel vezérelt elektronikával pillanatszerűen kelthetők, változtathatók és megszüntethetők.

Intelligens kemény és lágy anyagok

Anyagaink vagy kemények, vagy lágyak: a kemények, mint például a fémek, kerámiák és polimerek széles határok között ellenállnak a nyomásnak és más mechanikai hatásoknak. A lágyakat pedig a mechanikai hatásokkal szemben kis tehetetlenség jellemzi, így ezek folyékonyak vagy képlékenyek.

Az alakmemóriával rendelkező kemény anyagok alkotják az intelligens anyagok egyik nagy, önálló csoportját, amelybe az emlékező fémek és műanyagok tartoznak. Ha az emlékező fém formáját egy kritikus hőmérséklet felett hozzuk létre, akkor a fém erre az alakra a kritikus hőmérséklet alatt bekövetkező maradandó alakváltozás után is emlékszik. Ha alacsony hőmérsékleten valamilyen mechanikai hatás miatt a fémtárgy alakja megváltozik is, a kritikusnál magasabb hőmérsékletre hevítve visszanyeri eredetileg kialakított formáját. Az emlékező anyagok megjelenése új lehetőségekkel gyarapíthatja a modern technikát. Az orvosi gyakorlatban például eredményesen alkalmazzák őket elzáródott erek újbóli megnyitásakor. A kritikus hőmérsékletet éppen az emberi test hőmérsékletére állítják be, majd a fémet vagy műanyagot melegen spirál alakúra hajtják össze. Ezt követően az így nyert rugót lehűtik, aztán egyenesre nyújtják. Betolják az érbe, majd a testmeleg hatására az egyenes szál ismét spirállá ugrik össze, így tágítja az eret és megakadályozza azt, hogy az esetleges vérrögöket a véráram magával ragadja.

A lágy anyagok közé sorolhatjuk a folyadékokat, a rugalmas műanyagokat, biológiai anyagaink nagy többségét, valamint a szilárd és a folyadék halmazállapot között elhelyezkedő nagy folyadéktartalmú géleket. Az intelligens folyadékok két nagy csoportját a mágneses és az elektroreológiai folyadékok alkotják. (A reológia a folyási tulajdonságok tudománya. Az elektroreológiai folyadék olyan anyag, amelynek folyási tulajdonságai elektromos térrel változtathatók.)

Ezek a folyadékok egyenletesen eloszlatott mikro- vagy nanoméretű szilárd részecskéket tartalmaznak. Mivel ezek a parányi részecskék nagymértékben kötődnek a folyadékmolekulákhoz, a részecskék elmozdulása a teljes folyadék elmozdulását jelenti. A folyadék mozgását és adott helyen tartását irányítani lehet a külső mágneses, illetve elektromos térrel. Ezt ki lehet használni a kenéstechnikában: az olajos közegű mágneses folyadék kiváló kenőanyag, mivel nem folyik ki a felmágnesezett mozgó fém alkatrészek között lévő szélesebb résekből sem. Az elektroreológiai folyadékból olyan erőátviteli rendszer készíthető, amely kihasználja azt, hogy a folyadék elektromos tér hatására megszilárdul. A fékező hatás nagysága és időtartama megfelelő elektronikával szabályozható, s így például szabályozható fékezőerőt biztosító lengéscsillapító hozható létre. A mágneses és elektroreológiai folyadékok a jövőben kiszoríthatják a hagyományos kuplungokat, lengéscsillapítókat és más erőátviteli rendszereket.

Intelligens polimergélek a gyógyászatban

A polimergélek átmenetet képeznek a szilárd és a folyadék halmazállapot között. Alaktartók és könynyen deformálhatók, a környezeti paraméterek (hőmérséklet, elegy összetétel, pH) változására főként térfogatuk megváltoztatásával válaszolnak. Ez a térfogatváltozás, amelynek nagysága több százszoros is lehet, alkalmas mechanikai munkavégzésre, valamint különleges alakváltozások és mozgások megvalósítására. E tulajdonságok miatt a polimergélek különleges helyet foglalnak el az intelligens anyagok között. Nincs ugyanis még egy olyan anyagi rendszer, amely olyan sokféle környezeti hatásra reagálna, mint a polimergél. A gél „összeomlása” vagy ennek ellentéte, a nagymérvű duzzadás, az említett környezeti paraméterek kismérvű változtatásával is előidézhető. A válasz során nemcsak a gél térfogata, hanem az ettől függő összes tulajdonsága is hirtelen megváltozik: jelentős mértékben módosulnak az optikai, mechanikai és átviteli tulajdonságok, ez pedig kitűnően felhasználható a korszerű gyógyszeres terápiában.

Nem elég ugyanis olyan molekulát találni, amely gyógyító hatású. Azt még el is kell juttatni a megfelelő helyre, továbbá folyamatosan biztosítani kell a hatóanyag optimális koncentrációját a gyógyulási folyamat során. Közismert, hogy a méregdrága gyógyszerhatóanyagoknak csak egy igen kis hányada jut el oda, ahol hatnia kell, nagyobb mennyisége kárba vész vagy nemkívánatos változásokat okoz, ezért a hagyományos módszer rendkívül pazarló. E probléma megoldásához új gyógyszer-hordozók előállítására van szükség. Képzeljük el, hogy a hatóanyagot kisméretű gél gömbökbe „csomagoljuk”, azaz a polimeroldatot a hatóanyag jelenlétében gélesítjük. A gélesítés a polimer láncok összekapcsolását jelenti kémiai kötésekkel. A térhálósítás megfelelő megválasztásával olyan gélszerkezet hozható létre, amelynél a hatóanyag molekuláinak mérete jóval nagyobb, mint a hálóláncok közötti átlagos távolság. Ebben az esetben a hatóanyag nem képes a gélből kioldódni. Ha azután a gélgömbök térfogatát a hőmérséklet kismérvű megváltoztatásával jelentősen megnöveljük, azaz külső hatással duzzadást idézünk elő, akkor a térfogatváltozással arányos módon növekszik a hálóláncok közötti távolság, aminek következtében a gélbe zárt hatóanyag kioldódásának már nincsenek geometriai akadályai.

Ha a hatóanyagot tartalmazó gélgömbökbe nanométeres méretű mágneses anyagot építünk be, akkor lehetővé tesszük a gélgömbök külső mágneses térrel irányított mozgatását, illetve a célterületen tartását.

Mesterséges izom, műszív szintetikus lágy anyagokból?

Az élő szervezetben sokféle energiafelhasználással járó folyamat játszódik le. Ezek közül talán a legjelentősebbek az izomban végbemenő, mechanikai energiát eredményező folyamatok. Az izom feladatát olyan makromolekulák végzik, amelyeknek alapvető tulajdonsága az összehúzódásra való képesség.

Készíthető-e szintetikus izom? Lehet-e lágy anyagból hasznos technikai-technológiai eszközöket készíteni? E kérdések tekintetében a japán, angol, olasz és amerikai szakemberek optimisták: elképzelhetőnek tartják, hogy már a közeljövőben pótolható az emberi izom. Lágy, hangtalan motorok és pumpák (mint például a műszív) kifejlesztése már több laboratóriumban folyik nagy intenzitással. Ezeknek a titokban tartott kutatásoknak az eredményeiről meglehetősen keveset tudunk.

A polimergélek környezeti hatásokra akkor is jelentős mértékben megváltoztatják a térfogatukat, ha a gélt terhelésnek vetjük alá, azaz a duzzadó gél felszínére súlyt helyezünk vagy az összehúzódó géllel tömeget mozdítunk el. Ha pedig a környezeti hatás kémiai természetű, akkor az energia hasznosításának az izomra jellemző módja valósul meg.

A 60-as évek elején a kutatók egyre inkább érdeklődni kezdtek a gélekkel megvalósított energiatermelés és -hasznosítás technikai alkalmazásai iránti. Lágy mozgatószerkezetek, különböző típusú emelők és vezérlések kifejlesztése kezdődött el. A kutató-fejlesztő munkát már ebben az időben nagymértékben befolyásolta a gélszerkezetek „üzemanyagának”, a savaknak, lúgoknak és sóknak környezetkárosító hatása, valamint a humán alkalmazások számára reménytelennek tűnő felhasználása.

Szabályozástechnikai szempontból a számítógéppel vezérelhető hatások rendkívül előnyösek a mesterséges izmok alkalmazásánál. Az elektromos térrel előidézett deformációk gyorsak, jól szabályozhatók, és igen sokféle komplex mozgás megvalósítására alkalmasak. Ezért az utóbbi évek kutatásainak súlypontja átkerült az elektromos hatásokkal aktiválható anyagok kifejlesztésére.

Az elektromos hatásokkal mozgatható rugalmas anyagok különleges csoportját jelentik a mágneses gélek és elasztomerek. Ezek mechanikai állapota elektromágnesek által keltett mágneses térrel befolyásolható. Jól megválasztott mágneses tér segítségével nyújthatók, hajlíthatók, forgathatók és összehúzhatók. Az alakváltozás jelentős mértékű és igen gyors, így az elemi mozgások mindegyike könnyedén megvalósítható. Elektromágnesek megfelelő elrendezésével megvalósítható olyan eset is, amikor a gél egyik részét nyújtjuk, a mellette lévőt pedig összenyomjuk. Ez lehetővé teszi bonyolult biológiai mozgások utánzását, s ezáltal olyan új típusú gélgépek konstruálását, amelyek nem tartalmaznak súrlódásnak kitett alkatrészeket. Ez pedig tág lehetőséget nyújt a lágy robottechnika vagy lágy műszaki szerkezetek (például lágy és nedves dugattyúk, hengerek és szelepek) kifejlesztésére.

S hogy mindezek az „intelligens anyagok” valóban a jövő anyagai lesznek-e, az már főként az emberi intelligencián múlik.

Készítette az M&H Communications szabad felhasználásra, a szerzői jogok korlátozása nélkül.