Самовосстанавливающиеся материалы будущего

От научно-фантастической мечты к реальности — высокотехнологичные материалы в будущем смогут «ремонтировать» себя сами. В этой статье мы расскажем про самые интересные технологии и разработки.

Гвоздем культового фантастического боевика «Терминатор: Судный день» является не столько робот-герой Арнольда Шварценеггера, сколько практически неразрушимый киборг Т-1000, умеющий самовосстанавливаться в случае повреждения. Строить настолько сложные машины мы пока не способны, однако уже приближаемся к будущему, в котором компьютеры смогут ремонтировать себя сами. Общая концепция пока отсутствует, но как это может выглядеть, сегодня демонстрируют нам научные исследования. В современных устройствах уже устанавливаются такие компоненты. Например, мы привыкли к стеклу Coming Glass на смартфонах и планшетах, которое устойчиво к царапинам и ударам, однако не является самовосстанавливающимся, в отличие от материала нового смартфона G-FlexoT компании LG: его задняя крышка покрыта лаком с особым составом, который устраняет царапины словно по волшебству. В зависимости от глубины царапина «зарастает» либо за считаные минуты, либо за несколько часов. Однако это лишь «первая ласточка» по сравнению с материалами более сложной структуры (например, в кабелях и аккумуляторах). Их самовосстановление — предмет современных исследований.

Новые материалы, чипы и программы

Разработчики ПО уже давно встраивают подобные программные функции в свои продукты — например, восстановление системы в ОС \Vindows. Однако это всего лишь вспомогательные инструменты: в современных ОС отсутствует функция самовосстановления. Компьютеры, определяющие и устраняющие ошибки в системе, в данный момент находятся только в стадии разработки. Первоочередной задачей при этом является восстановление поврежденных компонентов, таких как чипы, кабели и транзисторы. Здесь существуют многообещающие идеи, о которых мы расскажем ниже.

ЧИПЫ, которые больше не ломаются

Компьютерные чипы состоят из электрических линий, к которым подключены транзисторы — крошечные интегральные микросхемы. Самое маленькое повреждение (например, расплавившаяся токопроводящая дорожка) уже делает чип непригодным. Этому можно противодействовать с помощью двух стратегий: отремонтировать повреждение либо не использовать в работе неисправные компоненты. Вторую стратегию реализовали исследователи Калифорнийского технологического института (Caltech). В качестве чипа для своей концепции самовосстановления они выбрали усилитель сигнала, состоящий примерно из 100 000 транзисторов, который используется в датчиках движения. Центром является ядро процессора «самовосстановления», в котором постоянно контролируется состояние чипа и его компонентов. На вход процессора поступают сигналы от нескольких датчиков, отслеживающих уровень сигнала, температуру и параметры энергопотребления. Для исправления крупных повреждений требуются дополнительные компоненты: так, в чипе смонтировано два параллельно подключенных усилителя мощности. В случае неисправности и выхода компонента чипа из строя алгоритм распределяет задачи между неповрежденными компонентами.

Регенерация с помощью капсул и тока

Способ ремонта транзисторов пока не изобретен, однако исследователи института Бекмана при Иллинойсском университете (США) разработали механизм самовосстановления токопроводящих дорожек с помощью микрокапсул. В капсулах размером около 10 мкм, покрытых полимерной оболочкой, находится сплав галлия и индия, жидкий при комнатной температуре. Капсулы расположены в слое эпоксидной смолы, нанесенной поверх токопроводящей дорожки. При возникновении разрыва находящаяся над ним микрокапсула раскрывается, жидкий сплав поступает в разрыв и заполняет его. В 99% случаев движение электронов возобновляется уже через 20 мс. Ячейки памяти твердотельных накопителей или смартфонов можно перезаписывать до 10 000 раз, после чего они теряют свои свойства. Слабым местом здесь является плавающий затвор (Floating Gate) — слой, в котором ячейка сохраняет электроны. Для предотвращения исчезновения электрического заряда плавающий затвор окружен слоем оксида. Каждый раз, когда вследствие приложенного напряжения электроны проходят в плавающий затвор или выходят из него, часть оксидного слоя исчезает. Когда он совсем истончается, сохранение становится невозможным. Ученым давно было известно, что тепло восстанавливает оксидный слой. Разработчики накопителей Macronix установили нагреватель непосредственно на каждой флеш-ячейке; благодаря короткому импульсу тока он нагревает расположенный под ним плавающий затвор до температуры 800 °С и восстанавливает оксидный слой. Таким образом даже после 100 млн операций перезаписи SSD-накопитель вовсе не утратит своей работоспособности.

Материалы, которые «лечатся»

В настоящее время исследования самовосстанавливающихся материалов проводятся во многих областях, от медицины до авиации. И здесь многообещающие результаты показывают материалы на основе углерода (полимеры). Нанесенные в виде оболочки или слоя, они запечатывают разломы и трещины в других материалах и восстанавливаются сами. Например, полимеры перемещают металлы в микрокапсулах к соответствующим местам повреждения, тем самым заделывая разрыв. Также материалы действуют в качестве «защитного экрана»: будучи разорванными вследствие внешнего воздействия на отдельные молекулы, самовосстанавливающиеся полимеры вновь объединяются благодаря либо водородным связям, либо ионному взаимодействию. Условие: молекулярные цепи в месте повреждения должны оставаться свободными для перемещения, а расстояние между ними не должно быть слишком велико. Такие самовосстанавливающееся полимеры, как полиротаксан, уже несколько лет применяются для защиты поверхностей. Новейшим примером является смартфон G-Flex от компании LG. Гибкий корпус покрыт защитным слоем, маленькие царапины на котором, нанесенные, скажем, связкой ключей, исчезают в течение нескольких минут. Этот процесс стимулируется теплом, то есть потирание царапины пальцем способствует ее устранению. О химии процесса компания LG умалчивает. Возможно, основу материала составляет полимер SERM Super Polymer А1000 японской компании Advanced Softmaterials. Он уже несколько лет входит в состав устойчивого к царапинам лаку, который компания Nissan использует для своих автомобилей.

Неразрушимый полимер «Терминатор»

Новейшие полимеры соединяются при полном разрыве и не требуют каталитического воздействия в виде нагрева. Ученые Центра электрохимических технологий СID ЕТ ЕС (Испания) разработали полимер «Терминатор», молекулярная структура которого удерживается благодаря дисульфидным связям. Этот полимер в сочетании с жидким сплавом индия и галлия, применяемым в качестве проводника, дает в итоге самовосстанавливающуюся токопроводящую линию. Исследователи из университета Северной Каролины разработали свое решение: при рассечении кабеля происходит отверждение жидкого металла на концах. При стыковке концов кабеля полимер и металл соединяются так, как будто ничего не происходило. Самовосстановление — отнюдь не самоцель: более эффективные аккумуляторы не прослужат дольше, если не встроить в них технологию «ремонта». В литий-ионных элементах питания кремний превосходно подходил бы на роль материала основания для сохранения лития. Благодаря этому можно почти в десять раз увеличить емкость аккумулятора. Однако объем анода из-за применения соединений лития и кремния (Lil5Si4 или Li21Si5) при зарядке увеличивается втрое, а при разрядке уменьшается до стандартного размера. При этом в слое графита, в котором хранится материал, образуются трещины.