-
2. ábra
|1|
-
3. ábra
|2|
-
4. ábra
|3|
-
5. ábra
|4|
-
6. ábra
|5|
-
7. ábra
|6|
-
8. ábra
|7|
-
9. ábra
|8|
-
10. ábra
|9|
-
11. ábra
|10|
-
Videó: Emlékező fém: Nitinol (mpg, 1,24 MB)
|1|
-
Videó: Elektroreológiai folyadék mikroszkópos felvétele (mpg, 527 kB)
|2|
-
Videó: Elektroreológiai folyadék 'megszilárdulása' elektromos térben (mpg, 1,80 MB)
|3|
-
Videó: A gélüveg (mpg, 700 kB)
|4|
-
Videó: Szabályozott hatóanyag-kioldódás (mpg, 1,93 MB)
|5|
-
Videó: Műizom (mpg, 772 kB)
|6|
-
Videó: Mászó mágneses gél (mpg, 584 kB)
|7|
-
Videó: Periodikusan változó elektromos térrel szabályozott alakváltozás (mpg, 719 kB)
|8|
Zrínyi Miklós
A 21. század anyagai: az intelligens anyagok
I. Az anyagtudomány fejlődése
Az intelligens anyagok megjelenése az anyagtudomány hihetetlenül nagy fejlődésének következménye. E fejlődés szorosan kötődik a különböző korokban fellelhető tipikus anyagokhoz. A kő-, bronz- és vaskort a XX. században a szintetikus anyagok kora követte. 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. Speciális fémek, kerámiák, műanyagok, valamint ezek kombinációi képezik modern szerkezeti anyagainkat. Ezek alapvető feladata a használó számára minél előnyösebb mechanikai (főként szilárdságtani) és termikus tulajdonságok biztosítása. Az egyedi (monolit) anyagok tulajdonságait még jelentősen javíthatjuk is társított (kompozit) anyagok alkalmazásával. A modern anyagtudományban a szerkezeti anyagokat első generációs szintetikus anyagoknak nevezhetjük. Ezek egyik jellemzője, hogy környezetükkel passzív módon érintkeznek, az általános felfogás szerint annál jobbak, minél hosszabb ideig őrzik meg változatlan formában alakjukat és tulajdonságaikat.
- |1|
A szerkezeti anyagok választékának bővítése és az új típusú felhasználói igények megjelenése elindította a funkcionális anyagok kutatását. E második generációs anyagok kifejlesztésénél már nem a legelőnyösebb mechanikai tulajdonságok elérése a fő cél, hanem a különböző anyagokat jellemző individuális, főként fizikai tulajdonságok összekapcsolása egyetlen anyagi rendszeren belül. Néhány elem önmagában is mutat funkcionális tulajdonságot. Például a szelénnek az egyébként kis elektromos vezetőképessége erős megvilágítás hatására ezerszeresére növekszik. A fényhatás megszűnése után a vezetőképesség visszaáll az eredeti értékére. A szilícium a fényerősség változását feszültséggé alakítja át. Ezek az elemek az optikai és az elektromos tulajdonságok között teremtenek kapcsolatot. A különböző fizikai tulajdonságok egy anyagon belüli összekapcsolásának elvileg nincs akadálya, ennek ellenére a funkcionális anyagok száma nem túl nagy.
Intelligens anyagoknak azokat a funkcionális anyagokat nevezzük, amelyek érzékelik közvetlen környezetük fizikai, illetve kémiai állapotának egy vagy több jellemzőjét, e jeleket feldolgozzák, majd pedig ezekre, állapotuk jelentős megváltoztatásával, gyors és egyértelmű választ adnak. Az érzékelő funkció leggyakrabban a szóban forgó anyag és környezete közötti dinamikus egyensúly következtében valósulhat meg. A környezet megváltozása szükségszerűen az egyensúlyi állapot megváltozását idézi elő. Az újonnan kialakuló állapotban pedig az anyag más tulajdonságokkal rendelkezik.
I. Az anyagtudomány fejlődése
Fontos szempont a változást előidéző hatás és az erre adott reakció kapcsolata. Intelligens anyagokra olyan hatás válasz kapcsolat a jellemző, amelynél a környezet kis változására igen nagyfokú tulajdonságbeli változás következik be, azaz a válasz mértéke nem arányos, hanem jóval nagyobb az inger nagyságánál. További ismérv a megfordíthatóság, azaz a változást kiváltó hatás megszűnte után az eredeti állapotnak kell visszaállni. A gyors reakcióidő szintén szükséges követelmény.
Az új típusú anyagok egyik előfutára az 1967-ben, az USA-ban kifejlesztett fototróp üveg. Ha látható fénnyel sugározzuk be, az ilyen üveg fényáteresztő képessége - visszafordítható módon - lényegesen csökken. Ez az üveg kiválóan alkalmas olyan szemüvegek gyártására, amelyeknek a fényáteresztő képessége a napsugárzás erősségétől függ. A fototróp üvegnél két lényegesen különböző jelenség - egy kémiai egyensúly és a fényáteresztő képesség - összekapcsolása eredményez minőségileg új tulajdonságokat. A tudomány már régóta ismeri az anyag több más "intelligens" megnyilvánulását, de ezek tudatos keresése és kiaknázása csak az utóbbi időben került előtérbe.
Az intelligens anyagokat két nagy csoportra oszthatjuk. Az egyik csoportba tartoznak azok az anyagok, amelyek a természetes környezet változásaira (hőmérséklet, kémiai környezet, mechanikai hatás, fény stb.) reagálnak. A másik csoportba pedig azok, amelyek a változásukhoz szükséges információt a számítógépből elektronikus jel formájában kapják. A számítógéppel befolyásolható anyagi tulajdonságoknak határt szab az a kapcsolat, amit a számítógép és az anyag között létesíthetünk. Szabályozástechnikai szempontból az elektromos és/vagy a mágneses tér alkalmazása tűnik a legkézenfekvőbbnek. Ezeket a tereket ugyanis számítógéppel vezérelt elektronikával pillanatszerűen kelthetjük, változtathatjuk és megszüntethetjük. Éppen ezért fontos kutatási irányzat az anyagi tulajdonságok említett terekkel történő befolyásolása.
Anyagaink lehetnek kemények vagy lágyak. A kemény anyagok, mint például a fémek, kerámiák és polimerek széles határok között ellenállnak a nyomásnak, nyírásnak és más mechanikai hatásoknak. A lágy anyagokat mechanikai hatásokkal szemben kis tehetetlenség jellemzi, aminek következtében ezek az anyagok folyékonyak vagy képlékenyek. Az anyag keménységének és mechanikai ellenálló képességének elektromos és/vagy mágneses terekkel történő megváltoztatása jelentősen csökkenthetné a felhasználandó anyagok mennyiségét és növelhetné az alkalmazási lehetőségek számát.
II. Intelligens kemény anyagok
Az intelligens anyagok jelentős hányadát alkotják azok a szilárd anyagok, amelyeknek tulajdonságai elektromos vagy mágneses tér hatására változik meg. Bizonyos ötvözetek, főként a ritka fémek (Tb, Dy, Sa) ötvözetei, mint például a Terfenol-D vagy a Samfenol, mágneses tér hatására változtatják méretüket. Ezt a jelenséget magnetostrikciónak nevezzük. A próbatest hossza a tér irányában mérve megnő, arra merőlegesen pedig csökken. Az elektromos tér hatására bekövetkező méretváltozás (elektrostrikció) különleges esete a piezoelektromosság.
A méretváltozás általában igen kicsi, ezért ezek a jelenségek nagyon sokáig csak tudományos érdekességek voltak. Néhány évtizeddel a felfedezésük után azonban megszülettek azok a speciális mikroszkópok, amelyekkel az anyag nemcsak vizsgálható atomi szinten, hanem mozgatható is. Ebben már nagyon fontos szerephez jutnak ezek az anyagok, mivel nagy pontosságú pozícionáló eszközök készíthetők belőlük.
Az alakmemóriával rendelkező anyagok az intelligens anyagok nagy, önálló csoportját alkotják. Ide tartoznak az emlékező fémek és műanyagok. A legismertebb alakmemóriával rendelkező fém egy nikkel-titán ötvözet, a Nitinol. Amennyiben 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, akkor ez a kritikusnál magasabb hőmérsékletre hevítve visszanyeri az eredetileg kialakított formáját.
Felmelegítés nélkül megállapíthatatlan, hogy a fém memóriája milyen eredeti formát őriz. E szokatlan tulajdonság az alak és a termikus kölcsönhatás szoros kapcsolatának köszönhető. Speciális polimerekkel is lehet alakot tárolni. Az emlékező anyagok megjelenése új lehetőségekkel gyarapíthatja a modern technikát. Gondoljunk például arra, hogy a világűrben használt nagy kiterjedésű eszközeink célba juttatása milyen nehéz és költséges feladat. Megfelelő memóriával rendelkező anyagok kifejlesztésével megvalósítható, hogy az egyik állapotban az anyag nagyon kompakt, a másikban pedig a feladat ellátásához szükséges nagy kiterjedésű szerkezetnek felel meg. Az állapotváltozással, amit előidézhetünk például a hőmérséklet megváltoztatásával, előhívhatjuk a "memóriában" tárolt alakzatot. A feladat elvégzése után a műtárgy eltávolítása ismét a "csomagolással" kezdődhet.
Videó: |1}| Emlékező fém: Nitinol (mpg, 1,24 MB)
Az emlékező anyagokat az orvosi gyakorlatban is eredményesen használhatják. Például elzáródott erek újbóli megnyitásakor alkalmaznak emlékező fémeket és polimereket. Az anyag kémiai szerkezetének megfelelő megválasztásával 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.
III. Intelligens lágy anyagok
Ha összehasonlítjuk a mindennapi életben használt szerkezeti anyagainkat a kétségkívül sokkal tökéletesebb biológiai anyagokkal, akkor megállapíthatjuk, hogy igen nagy különbség van közöttük. Ipari anyagaink többnyire kemények, merevek és szárazak, a biológiai anyagok nagy többsége pedig lágy, rugalmas és nedves. Magától adódik a kérdés, hogy mi az oka ennek a szakadéknak, és miért ne lehetne a lágy anyagokat a modern technikában szélesebb körben alkalmazni. 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 utóbbi időben igen nagyfokú érdeklődés mutatkozik az ún. komplex folyadékok iránt. Ezek olyan folyadék halmazállapotú anyagok, amelyek egyenletes eloszlású, nanométeres (a mm milliomod része) vagy mikrométeres (a mm ezred része) méretű szilárd részecskéket tartalmaznak. A kis méret következtében a szilárd alkotók nem ülepednek ki a folyadékban. Ha ezek a részecskék speciális elektromos vagy mágneses tulajdonságokkal rendelkeznek, akkor azt a látszatot keltik, mintha a folyadék mutatna elektromos vagy mágneses tulajdonságokat. Ezzel a módszerrel lehet lényegesen különböző anyagi tulajdonságokat egyetlen anyagon belül "ötvözni". Ez olyan vegyészi munka, amelynél az anyag előállítása érdekében a kémikusnak már nemcsak a megfelelő molekulaszerkezet kialakítása a feladata, hanem az is, hogy a parányi szilárd részecskék megfelelő számú molekuláját összetapassza. Az ilyen kisméretű anyagok előállításával napjaink kiemelten fontos technológiája, a nanotechnológia foglalkozik. Ennek kémiai alapjait egy több mint száz éves múltra visszatekintő tudomány, a kolloidika képezi.
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.)
- |2|
III. Intelligens lágy anyagok
- |3|
A mágneses- és az elektroreológiai folyadékok másfajta viselkedést mutatnak homogén mágneses vagy elektromos térben. Ebben az esetben a szilárd részecskékre nem hat a külső tér mozgató ereje, a folyadék nyugalomba marad. A látszólagos nyugalom ellenére a folyadék tulajdonságai nagymértékben megváltoznak. A részecskék elektromos vagy mágneses térben polarizálódnak az indukált dipólusaik kölcsönhatása következtében láncszerű aggregátumokat képeznek. A 4. ábrán a szilikon olajban szétoszlatott részecskék elektromos tér hatására bekövetkező rendeződése látható.
Videó: |2}| Elektroreológiai folyadék mikroszkópos felvétele (mpg, 527 kB)
Az ábrán jól megfigyelhető, hogy a részecskék füzérszerű aggregátumokat képeznek. Amennyiben az elektromos teret megszüntetjük, a hőmozgás ezt a rendezett struktúrát megbontja, és rövid időn belül visszaáll az eredeti egyenletes eloszlás. A részecskék elektromos térrel előidézett füzérszerű összekapcsolódásának makroszkopikus megnyilvánulása a folyadék viszkozitásának jelentős növekedése, majd a folyadék megszilárdulása.
- |4|
Az elektroreológiai folyadékok konzisztenciája elektromos térrel igen széles határok között változtatható: a kis viszkozitású folyadéktól a szilárd anyagok tulajdonságait mutató gél állapotig. Hasonló rendeződés idézi elő mágneses folyadékok mágneses tér hatására bekövetkező "megszilárdulását" is. A folyadék szilárd "állapotváltozás" mindkét irányban gyorsan megy végbe. A folyadék homogén tér hatására történő megszilárdulása más perspektivikus alkalmazási lehetőséggel is kecsegtet. Olyan új típusú erőátviteli rendszerek kifejlesztését teszi lehetővé, amelyek nem tartalmaznak kopásnak kitett alkatrészeket, így jelentősen különböznek a hagyományos súrlódáson alapuló tárcsás erőátviteltől.
Videó: |3}| Elektroreológiai folyadék "megszilárdulása" elektromos térben (mpg, 1,80 MB)
Az elektroreológiai folyadékból olyan erőátviteli rendszer készíthető, amely a folyadék elektromos tér hatására bekövetkező megszilárdulását használja ki. Az 5. ábra bal oldala az elektromos kuplung működési elvét mutatja. A kis viszkozitású folyadékban a felső tárcsa könnyen forog, miközben az alsó mozdulatlanul áll. Elektromos tér hatására a folyadék megszilárdul, ennek következtében a felső forgó egység magával viszi és forgatja az alsó tengelyt. A jobb oldali ábrán látható szerkezet az elektromos hatásra megszilárduló folyadékot használja ki a felülről lefelé mozgó tengely fékezésére. A fékező hatás nagysága és időtartama megfelelő elektronikával szabályozható és így szabályozható fékezőerőt biztosító lengéscsillapító konstruálható. Mind a kuplung, mind pedig a lengéscsillapító mágneses folyadékkal is működtethető. Ebben az esetben a mágneses teret elektromágnes beépítésével kell biztosítani. A mágneses- és elektroreológiai folyadékok a jövőben kiszoríthatják a hagyományos kuplungokat, lengéscsillapítókat és más erőátviteli rendszereket.
IV. Intelligens polimergélek
A polimergélek olyan rendszerek, amelyek átmenetet képeznek a szilárd és a folyadék halmazállapot között. Alaktartók és könnyen deformálhatók, ugyanakkor nagy folyadéktartalmuk miatt tulajdonságaik az oldatokéhoz hasonlóak. Az alaktartás a gélben szerteágazó polimer váznak köszönhető. A jelentős mennyiségű folyadék megakadályozza a laza térhálós szerkezet összeomlását, ez utóbbi pedig útját állja a folyadék spontán "kifolyásának". A polimergélekre jellemző, hogy környezetükkel egyensúlyban lehetnek. A környezeti paraméterek (hőmérséklet, elegy összetétel, pH stb.) változására a gél főként térfogatának megváltoztatásával válaszol. E térfogatváltozás lehet folytonos vagy ugrásszerű. Ez utóbbit gél kollapszusnak nevezzük. Ma már több mint egy tucat kollapszusra képes gélt ismerünk.
A térfogatváltozás, amelynek nagysága több százszoros is lehet, alkalmas mechanikai munkavégzésre, valamint különleges alakváltozások és mozgások megvalósítására. A gélkollapszust többféle külső hatással is kiválthatjuk. Előidézhető a pH, az elegy összetétele megváltoztatásával, bizonyos ionokkal, valamint fény és elektromos tér alkalmazásával. 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 gélkollapszus 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 transzport tulajdonságok.
V. A gélüveg
- |5|
Polimergélek optikai tulajdonságainak hirtelen megváltozása kihasználható erős napsütés ellen védelmet nyújtó speciális táblaüveg vagy optikai kijelző előállítására.
A gélüveg olyan szendvics szerkezetű konstrukció, amely két üveglap vagy átlátszó műanyag réteg között egy vékony intelligens polimergélt tartalmaz. Külső megjelenési formájában megtévesztésig hasonlít a kereskedelmi forgalomban lévő síküveghez, azaz a gél jelenléte nem rontja le az optikai tulajdonságokat. A gélüveg alkalmazkodóképességét az intelligens polimer réteg biztosítja. Ennek optikai tulajdonságait (például átlátszóságát) nagymértékben befolyásolják olyan környezeti hatások, mint például a hőmérsékletváltozás vagy elektromos tér jelenléte.
A környezeti változás előidézhet olyan szerkezeti átalakulást a gélben, amelynek hatására az eredetileg átlátszó üveg opálos, a fényt csak sokkal kisebb mértékben áteresztő tejüveggé válik. Ezt mutatja a 6. ábra, ahol jól látszik az átlátszó üveg - tejüveg átmenet. A kutatócsoportunk által kifejlesztett gélüveg egyik típusánál a környezet hőmérsékletének változása idézi elő az üveg - tejüveg átmenetet. Megfelelő összetétellel elérhető, hogy a napsugárzás is kiváltsa ezt a változást. A gélüvegből készített ablak egyrészt kényelmes megoldást nyújt az erős, direkt napsugárzás elleni védelemben, másrészt alkalmas új típusú kijelző készítésére is. Lehetőség van ugyanis arra, hogy az átlátszó polimer rendszerbe kívánt méretű betűket írjunk, vagy ábrát rajzoljunk. Ezek termikus hatással előhívhatók és eltüntethetők. Az optikai tulajdonságok megváltoztatását nemcsak a hőmérséklet változásával, hanem elektromos hatással is kiválthatjuk.
VI. Szabályozott hatóanyag-leadás intelligens géllel
A hatékony gyógyszeres terápiának legalább három fontos kívánalmat kell kielégítenie. Olyan molekulát kell találni, amely gyógyító hatású. Ha a hatóanyaggal már rendelkezünk, akkor azt a megfelelő helyre kell eljuttatni, továbbá folyamatosan biztosítani kell a hatóanyag optimális koncentrációját a gyógyulási folyamat során. Ismert, hogy a méregdrága gyógyszerhatóanyagoknak csak egy igen kis hányada jut el oda, ahol hatnia kell, nagyobb mennyisége kárba vész vagy nemkívánatos változásokat okoz. A hagyományos módszer ezért pazarló. Fontos követelmény még, hogy a "célba juttatott" hatóanyag koncentrációja csak megfelelő értékek között változhat. A kívánatosnál nagyobb mennyiségű hatóanyag ugyanis toxikus hatást is kifejthet. A minimális koncentrációnál kisebb mennyiség pedig nem hatékony. Ezek a követelmények sokszor nem teljesíthetők a hagyományos eljárásokkal. E problémák megoldásához új eljárások kidolgozására és új gyógyszer-hordozók előállítására van szükség.
- |6|
Ha a gélgömbök térfogatát a hőmérséklet kismérvű megváltoztatásával jelentős mértékben 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, így a kioldódási sebesség jelentősen megnő.
Ha a hatóanyagot tartalmazó gélgömbökbe nanométeres méretű mágneses anyagot építünk be, akkor ezzel lehetővé tesszük a gélgömbök külső mágneses térrel irányított mozgatását, illetve a célterületen tartását. A gél térfogatával szabályozott hatóanyag-kioldódás alkalmazását megnehezíti a hőmérséklet változtatásának technikai problémája. Ennek egy lehetséges megoldását a mágnesesség kínálja. Ha a gélgömbökbe olyan mágneses anyagot építünk be, amelynek mágneses hiszterézise van, akkor dinamikusan változó mágneses térben a hiszterézisveszteség hő formában jelenik meg, és ez úgy növeli a gélgömb hőmérsékletét, és ezen keresztül a kioldódás sebességét, hogy közben a környezet hőmérséklete nem változik.
Videó: |5}| Szabályozott hatóanyag-kioldódás (mpg, 1,93 MB)
A környezeti hatásokra érzékeny gélek a biológia és az orvos-biológia más területén is új lehetőségeket nyithatnak meg. A gél térfogatának nagymérvű megváltozása a hidrofil és hidrofób csoportok egymással versengő kölcsönhatásainak következménye. A külső hatással kiváltott átmenet jelentősen befolyásolja a gél felszínének adhéziós tulajdonságait. Ez utóbbi pedig fontos tényezője sejtkultúrák és szövettenyészetek előállításának.
VII. A polimergél mint mesterséges izom
Az élő szervezetben igen sok eltérő típusú, 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 a kontrakcióra való képesség.
A mindennapi életben is sokféle mesterséges energia-átalakító rendszerrel találkozunk, mivel számos útját ismerjük annak, hogyan lehet az energiát egyik formából a másikba alakítani. Meglepő azonban, hogy ezek között nincs olyan, amely a kémiai vagy fizikai- kémiai kölcsönhatások energiáját - az izomhoz hasonlóan - közvetlenül alakítaná át mechanikai energiává.
Készíthető-e szintetikus izom? Lehet-e lágy anyagból hasznos technikai-technológiai eszközöket készíteni? Ezek a kérdések egyre több kutatót foglalkoztatnak. A japán, angol, olasz és amerikai szakemberek (ezekben az országokban folyik intenzív gélkutatás) 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 tudományos szakfolyóiratokban vagy az ismeretterjesztő újságokban csak részeredményekről olvashatunk.
A továbbiakban néhány olyan eredményt mutatok be, amely alátámasztja az ezen a területen dolgozó kutatók optimizmusát. Ezek mindegyike a mímelt biológiai mozgásokkal vagy az izomhoz hasonló működéssel kapcsolatos.
A polimergélek környezeti hatásokra bekövetkező jelentős mértékű térfogatváltozása akkor is bekövetkezik, ha a gélt terhelésnek vetjük alá, azaz a duzzadó gél felszínére súlyt helyezünk vagy az összehúzódó géllel tömeget mozdítunk el. A gél mindkét esetben munkát végez, mégpedig úgy, hogy a környezete energiáját alakítja át mechanikai munkává. Ha a környezeti hatás kémiai természetű, akkor az energia hasznosításának az izomra jellemző módja valósul meg. Ez a különleges tulajdonság már az ezerkilencszázötvenes évektől mesterséges izmok és új típusú gépek kifejlesztésére inspirálta a kutatókat. A vizsgálatok alapján egyértelművé vált, hogy reális cél a polimergélek műizomként való alkalmazása.
A polimergélek energia-átalakító képessége annak köszönhető, hogy a gél térfogata felnagyítva mutatja a gélt felépítő makromolekulák méretének változását. Ha a molekulák térszerkezetét valamilyen külső hatással befolyásoljuk, a molekuláris méretváltozás akkumulálódik, a gél alakja vagy térfogata megváltozik. E makroszkopikus változást munkavégzésre is fel lehet használni. A korai kutatásokban két rendszertípust vizsgáltak különös előszeretettel: az egyik az ún. pH-izom, a másik pedig a kollagén gélgép volt.
VII. A polimergél mint mesterséges izom
A pH-izom olyan savas tulajdonságokat mutató makromolekulákból áll, amelyek disszociációjának mértéke a környezet pH-jától függ. Savas közegben a gél gyakorlatilag nem tartalmaz ionokat. Ha a közeg pH-ját növeljük, azaz lúgosítjuk, akkor a disszociáció következtében a polimer molekulákon töltések jelennek meg. Ezeknek taszító hatására, valamint az ellenionok ozmózisnyomásának következtében a gél térfogata jelentős mértékben megnő. Ha a töltéseket a pH csökkentésével megszüntetjük, akkor az eredeti méret áll vissza. A környezet sav-, illetve lúgkoncentrációjának szakaszos változtatásával a gél mérete periodikusan változik, így munkavégzésre alkalmas. A géleknek, mint izommodelleknek a további vizsgálata mellett szólt az a kísérleti tapasztalat is, hogy a pH-izom munkavégző képessége összemérhető az emberi izom munkavégző képességével.
A kísérleti vizsgálatoknak újabb lendületet adott a térhálósított kollagénből készített rendszerek nagyfokú mechanikai szilárdsága és méretváltozása. A kollagén szál alkáli ionok által kiváltott, ún. kémiai olvadása, ami a rendezett hélix szerkezetből a molekulák szabálytalan összegombolyodását eredményezi, igen jelentős kontrakcióval jár együtt.
- |7|
VII. A polimergél mint mesterséges izom
A 60-as évek elején fokozatosan előtérbe került a gélekkel megvalósított energiatermelés (amely során például az édesvíz és a tengervíz eltérő sótartalmát használták volna ki) és -hasznosítás technikai alkalmazásai iránti érdeklődés. 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. Napjainkban előtérbe kerültek a termikusan aktiválható intelligens gélek, amelyek a gélkollapszussal járó térfogatváltozást használja ki munkavégzésre. Ezek munkavégző képessége kellően nagy, teljesítményük azonban a térfogatváltozás lassúsága miatt meglehetősen kicsi. A teljesítmény növelése érdekében olyan mechanizmusokat kellett keresni, amelyeknél a térfogatváltozással kapcsolatos meglehetősen lassú anyagtranszport nem játszik szerepet.
A munkavégzés szempontjából az elmozdulás a fontos, amit nemcsak térfogatváltozással, hanem alakváltozással is elő lehet idézni. A kemény anyagok közül az elektro- vagy magnetostrikciót mutató ötvözetek és az emlékező fémek alkalmasak erre a célra. Előnyük, hogy a méretváltozás megfelelő elektronikával vezérelhető és igen nagy erőket lehet kifejteni velük. Hátrányuk, hogy csak egyirányú és igen kismérvű mozgatásra alkalmasak. Az összetett mozgások megvalósítása bonyolult technikai feladat. A munkavégzéshez elengedhetetlenül szükséges alakváltozás nagysága különleges polimerekkel (polimer dielektrikumokkal) jelentősen növelhető. Ezekre jellemző, hogy felületükre kapcsolt nagyfeszültség hatására változtatják alakjukat. Az alakváltozás munkavégzésre is használható.
Szabályozástechnikai szempontból a számítógéppel vezérelhető hatások rendkívül sok előnyt jelentenek a mesterséges izmok alkalmazásánál. Ezért az utóbbi évek kutatásainak súlypontja átkerült az elektromos hatásokkal aktiválható anyagok kifejlesztésére. E kutatások intenzitását mi sem bizonyítja jobban, mint az, hogy ma már évente rendeznek nagy nemzetközi konferenciákat e témakörében. Az elektromos térrel előidézett deformációk gyorsak és jól szabályozhatók. Sokféle igen komplex mozgás valósítható meg velük. A 10. ábra titán-dioxid részecskéket tartalmazó szilikon gél elektromos tér hatására bekövetkező változását mutatja. A bal oldali ábrán az eredetileg egyenes gél henger elektromossággal előidézett hajlítása, a jobb oldali ábrán pedig a hullámzó mozgás egy pillanatnyi állapota látható.
Az elektromos hatásokkal mozgatható rugalmas anyagok egy különleges csoportját képezik a mágneses gélek és elasztomerek. Ezek mechanikai állapota elektromágnesek által keltett mágneses térrel befolyásolható. Alkalmasan megválasztott mágneses tér segítségével nyújthatók, hajlíthatók, forgathatók és összehúzhatók. Az alakváltozás jelentős mértékű és igen gyors. 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 számunkra a rendkívül bonyolult biológiai mozgások mímelését.
Videó: |6}|
Műizom (mpg, 772 kB)
Videó: |7}|
Mászó mágneses gél (mpg, 584 kB)
Videó: |8}| Periodikusan változó elektromos térrel szabályozott alakváltozás (mpg, 719 kB)
Dinamikusan változó mágneses térben a gél alakja periodikusan változik. Ez lehetővé teszi 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.
Az intelligens anyagok megjelenése a technikai fejlődés új útját nyitotta meg. E rövid és korántsem teljes ismertetővel néhány olyan törekvést és eredmény mutattam be, amelyek még a 20. században születtek. Hogy ezek az anyagok valóban a jövő anyagai lesznek-e, az mindenekelőtt az emberi intelligenciától függ.