На что похоже будущее? Даже ученые не могут предсказать… или могут?

Самовосстанавливающаяся краска содержит полимерное вещество, заключенное в крошечные микросферы, которые лопаются при повреждении поверхности. Стоит поцарапать такую краску, как полимер высвобождается и заполняет царапину, автоматически устраняя дефект. Для производства самовосстанавливающихся покрышек можно использовать вулканизированную резину, измененную таким образом, чтобы вдоль длинных молекулярных цепочек выстраивались заряженные частицы (ионы). Противоположно заряженные части смежных молекул будут притягиваться друг к другу, образуя сильные связи и тем самым повышая прочность и долговечность самого материала. В случае увеличения расстояния между молекулами в результате пореза запустится процесс спонтанной перестройки связей, в основе которого лежит тот простой факт, что противоположные заряды притягиваются. В современных проколостойких покрышках применяются специальные герметизирующие материалы с адгезивными свойствами, которые закладываются под протектор и заполняют собой места порезов и проколов. Устройство самовосстанавливающейся умной резины иное — оно предполагает использование всего одного компонента, способного многократно восстанавливаться.

Если оставить современный велосипед под дождем на длительное время, на подверженных воздействию влаги частях обязательно появится ржавчина. При этом поверхность металла становится более щелочной. Умные галохромные материалы меняют свой цвет в случае изменения уровня pH во внешней среде подобно лакмусовой бумаге. Самый распространенный пример — фенолфталеин, который окрашивается в розовый цвет в щелочной среде. Галохромное покрытие на любой детали — от деталей велосипеда до пролета моста — позволит эффективно выявлять коррозию на ранних стадиях и принимать меры по борьбе с ней еще до того, как она причинит серьезный ущерб.

NASA продвинулось в разработке антикоррозионных покрытий дальше остальных, создав умную краску, которая не только указывает на коррозию, но еще и содержит микрокапсулы, из которых в ответ на контакт со щелочной средой высвобождаются масляные ингибиторы коррозии, останавливающие ее в самом зародыше. Возможность борьбы с коррозией без вмешательства со стороны может оказать большое влияние на экономику страны: в это трудно поверить, но, например, в Великобритании коррозия ежегодно причиняет ущерб приблизительно в 3 % ВВП, что составляет £60 млрд.

Вполне вероятно, что в скором времени мы сможем поблагодарить братьев Кюри и открытые ими умные пьезоэлектрические материалы за новое поколение уличных фонарей, дорожных знаков и светофоров, которые будут получать энергию от дорожного покрытия. Когда сегодня нужны пьезоэлектрические свойства, чаще всего используется искусственный керамический материал под названием «цирконат-титанат свинца». Атомы данного материала образуют асимметричную кристаллическую структуру, поэтому при сжатии возникает электрическое напряжение. Обычно, когда люди слышат слово «кристалл», в их сознании возникает образ сверкающих прозрачных драгоценных камней. Но для ученого-материаловеда кристаллы — это твердые вещества, атомы которых ряд за рядом упаковываются в трехмерную циклическую структуру. Большинство драгоценных камней действительно кристаллы, но не они одни — металлы, глина, лед, горные породы и некоторые виды пластика также состоят из кристаллов. Элементарная ячейка из атомов, которая до бесконечности повторяется в структуре кристаллов, у большинства из них и сама по себе симметрична: то есть совмещается сама с собой при поворотах или при отражении. В кристаллах с пьезоэлектрическими свойствами элементарные ячейки асимметричны. В обычных условиях заряды в узлах решетки пьезоэлектрического кристалла компенсируют друг друга: отрицательный заряд в одной уравновешивается положительным зарядом в соседней. Однако при сжатии или растяжении узлы асимметрично упорядоченной структуры смещаются таким образом, что заряды перестают компенсировать друг друга. В результате одна грань элементарной ячейки оказывается положительно заряженной, другая — отрицательно. При сжатии или растяжении миллионов элементарных ячеек всего кристалла электрическое напряжение на его гранях становится вполне заметным. Если включить такой пьезоэлектрический кристалл в электрическую цепь, то вырабатываемое им напряжение можно использовать для практических нужд. Например, при размещении таких материалов под полотном дороги можно получать электрический ток, возникающий при сжатии пьезоэлектрика под тяжестью проезжающих по асфальту автомобилей. Этим током можно заряжать батареи и использовать накопленную в них энергию, например, для освещения дороги. Ряд пилотных проектов по изучению возможности реализации таких систем уже демонстрируют многообещающие результаты. Причем с помощью данной технологии можно получать электричество даже с обувных подошв.