Mindentudás Egyeteme – 16. előadás – 2003. január 20.
Zrínyi Miklós
A 21. század anyagai: az intelligens anyagok
Az előadás
címe első hallásra talán meglepőnek tűnik. Az intelligencia szó egyik
jelentése, amely felbátorított e terminológia használatára: alkalmazkodóképesség
új helyzetekhez. Ilyen értelemben beszélhetünk tehát anyagok és anyagi
rendszerek intelligenciájáról. Az elnevezés az anyagtudomány egy olyan új
területére utal, amely az anyag és közvetlen környezete — az élő rendszerekhez
hasonló — aktív kapcsolatát igyekszik feltárni és kiaknázni. E tudományág
elsődleges célja olyan szintetikus anyagok tervezése, előállítása és
tulajdonságainak vizsgálata, amelyek felhasználói szempontból előnyösen
reagálnak a környezetből származó hatásokra.
Az intelligens
anyag fogalma a tudományos szakirodalomban először az 1980-as évek végén jelent
meg. A témának ma már több saját szakfolyóirata van (pl. Journal of Intelligent
Material Systems and Structures és Smart Materials and Structures), és évente
rendeznek rangos nemzetközi konferenciákat a tudomány és az élenjáró
technológia képviselőinek részvételével. Az intelligens anyagok kutatása az
Európai Unió soron következő tudományos programjában a kiemelt kutatási
irányzatok közé tartozik.
I.
Az anyagtudomány fejlődése
Milyen tulajdonságok teszik az anyagot intelligenssé?
II.
Intelligens kemény anyagok
Mi a lényeges különbség a szerkezeti anyag és az
intelligens anyag között?
III.
Intelligens lágy anyagok
Mi okozza az elektroreológiai folyadék elektromos tér
hatására bekövetkező megszilárdulását?
IV.
Intelligens polimergélek
Miért különleges anyagok az intelligens gélek?
V.
A gélüveg
Milyen tulajdonságokat összekapcsolásával született
meg a gélüveg?
VI.
Szabályozott hatóanyag-leadás
intelligens géllel
Melyik jelenség alkalmazása teremtette meg a
hatóanyag-kioldódás szabályozásának új módszerét?
VII.
A polimergél mint mesterséges
izom
Milyen hátránnyal rendelkeznek a gélkollapszus elvén
működő izommodellek, és milyen előnyöket jelent az elektromos és/vagy mágneses
tér alkalmazása?
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.
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.
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 (Te, 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.
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.)
Ezek a
folyadékok egyenletesen eloszlatott mikro- vagy nanoméretű szilárd részecskéket
tartalmaznak. E folyadékok tulajdonságait vizsgálva célszerű megkülönböztetni
kétféle esetet. Ha a külső elektromos vagy mágneses tér változatlan
térerősséggel tölti ki a geometriai teret, akkor homogén térerőről beszélünk.
Ha a térerősség változik a hely függvényében, akkor inhomogén erőtérről
beszélünk. Először vizsgáljuk meg ez utóbbi esetet. A részecskék az elektromos
vagy a mágneses tér bekapcsolásakor a nagyobb térerősségű hely irányába
mozdulnak el. Mivel a parányi részecskék nagymértékben kötődnek a
folyadékmolekulákhoz, a részecskék elmozdulása a teljes folyadék elmozdulását
jelenti. A folyadék a legnagyobb térerősségű helyen marad. A folyadék mozgását
és adott helyen tartását irányítani lehet a külső 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.
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.
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.
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.
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
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.
A
polimergélek térfogatának befolyásolása környezeti paraméterekkel a
szabályozott gyógyszerhatóanyag-leadás teljesen új lehetőségét teremtette meg.
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 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.
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.
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. Ez a kontrakció akkor is bekövetkezik, ha a
szállal – a kontrakció ellenében – munkát végeztetünk. Az összehúzódás
következtében fellépő erő jóval nagyobb, mint hasonló keresztmetszetű izom
esetén. Az eredmények birtokában lehetővé vált az energiaátalakítás folytonos
üzemmódban is. A 8. ábra az első folyamatosan működő gélgép működési elvét
mutatja. A sóoldatba merülő kollagén szál kémiai olvadása miatt a sóoldatból a
kútkerékhez vezető mindkét szálban azonos nagyságú húzóerő ébred. Mivel e két
gélszál a kútkerék eltérő sugarú hengerére tekeredik, a forgatónyomatékok
különbözősége miatt a kútkerék elfordul. Hasonló, csak ellentétes irányú
erőhatások ébrednek a vízzel érintkező szálrészben is. A gép addig forog, amíg
a két, eredetileg eltérő összetételű folyadéktartályban a koncentrációk ki nem
egyenlítődnek, ugyanis a gép működése során az alkáli ionok a hígabb oldatba
kerülnek át. A valóságban is működő gépek az ábránál jóval bonyolultabb
szerkezetűek.
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.
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.
|
Kislexikon |
|
adhézió funkcionális
anyag intelligencia terfenol
|
||
|