Новые интеллектуальные нанофлюидные материалы, создаваемые специалистами Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ", позволят преобразить производство разного рода сенсоров, детекторов, демпферов, клапанов и тактильных устройств, широко востребованных в автомобильной, космической промышленности, робототехнике, а также в медицине и при изготовлении систем индивидуальной защиты человека.
Нанофлюидные интеллектуальные материалы – это гибридные материалы, состоящие из неупорядоченной нанопористой среды и несмачивающей жидкости (или геля). В настоящее время "интеллектуальные возможности" этих веществ активно исследуют в лабораториях мира для последующей разработки на их основе сенсоров, актуаторов (исполнительных устройств), элементов преобразования механической энергии в электрическую и др.
Процессы в пористой среде, взаимодействующей с жидкостью или газом, широко используются во многих ключевых технологиях нашего времени, таких, как каталитическая технология получения топлива, разделения газов, очистки жидкостей.
Все эти перспективы практического применения интеллектуальных материалов основаны на установленных недавно свойствах систем "нанопористая среда – несмачивающая жидкость".
Сотрудники кафедры "Молекулярная физика" Института нанотехнологий в электронике, спинтронике и фотонике НИЯУ МИФИ обнаружили, что при быстром увеличении внешнего давления, вызывающем заполнение пор жидкостью, давление в системе перестает расти, становясь постоянным. При этом малое изменение давления вызывает большое изменение объема.
В соответствии с принятым определением данная система может быть отнесена к интеллектуальным материалам, которые способны сильно изменять свои характеристики и самостоятельно регулировать степень своей реакции на новые условия.
Ученые установили и другие необычные свойства систем "несмачивающая жидкость – нанопористая среда", позволяющие использовать их в различных устройствах для поглощения взрыва, удара, вибраций. Специалисты показали, что данная система обеспечивает высокую энергоемкость устройств.
По словам заведующего кафедрой Владимира Бормана, устройство с такой системой позволяет поглощать ударное воздействие и на порядок снижать величину силы, действующей на защищаемый объект. При увеличении энергии удара отклик системы сводится к увеличению длительности заполнения пор при постоянном давлении, и, следовательно, длительности поглощения удара. При этом заполнение пор вязкой жидкостью происходит за тысячные доли секунды.
Такая скорость заполнения на несколько порядков превышает оценки в соответствии с традиционными представлениями гидродинамики. Как оказалось, скорость заполнения не зависит от вязкости жидкости.
"Еще одной необычной и важной особенностью реагирования системы является практически полное отсутствие тепловыделения при поглощении ею удара. Это отличает наблюдаемую нами систему от других и упрощает задачу разработки устройств многократного действия",
– заявил ученый РИА Новости.
Другое уникальное явление для таких систем, обнаруженное в НИЯУ МИФИ, представляет собой переход несмачивающей жидкости диспергированной в нанопористой среде в "состояние смачивания" и аномально медленную релаксацию такого состояния, а также высокую чувствительность такого перехода к температуре.
Ученые уверены, что установленные динамические свойства системы "несмачивающая жидкость – неупорядоченная нанопористая среда" позволят использовать эти системы при проектировании пассивных сенсоров для робототехники; устройств саморегулируемого выделения лекарственного раствора; устройств демпфирования удара вроде перчаток из интеллектуального нанофлюидного материала, обеспечивающих прилипание мяча без отскока; систем индивидуальной защиты при взрыве.