Az intelligens anyag fogalma a tudományos szakirodalomban először az 1980-as évek végén jelent meg. A kémia és a társtudományok szédítő fejlődése, az anyag kémiai szerkezete és tulajdonságai közötti kapcsolat felismerése ma már lehetővé teszi adott célra tudatosan tervezett anyagok előállítását. Intelligens anyagoknak azokat az anyagokat nevezzük, amelyek érzékelik közvetlen környezetük fizikai, illetve kémiai állapotának egy vagy több jellemzőjét, e jeleket feldolgozzák, majd rájuk állapotuk jelentős megváltoztatásával gyors és egyértelmű választ adnak.
Fontos szempont a változást előidéző hatás és az erre adott reakció kapcsolata: az intelligens anyagok jellemzője, hogy a környezet kis változására igen nagyfokú változás következik be bizonyos tulajdonságokban, azaz a válasz mértéke nem arányos, hanem jóval nagyobb az inger nagyságánál. További ismérv a megfordíthatóság: a változást kiváltó hatás megszűnte után az eredeti állapotnak kell visszaállnia. A gyors reakcióidő szintén szükséges követelmény.
Az intelligens 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. Ezért kiválóan alkalmas például olyan szemüvegek gyártására, amelyeknek a fényáteresztő képessége a napsugárzás erősségétől függ.
Az intelligens anyagokat a reakciót kiváltó okok alapján két csoportra oszthatjuk. Az egyikbe tartoznak azok, amelyek a természetes környezet változásaira (hőmérséklet, kémiai környezet, mechanikai hatás, fény stb.) reagálnak, a másikba pedig azok, amelyek a változásukhoz szükséges információt a számítógépből elektronikus jel formájában kapják.
Az intelligens anyagok jelentős hányadát alkotják azok a szilárd anyagok, amelyeknek a tulajdonságai elektromos vagy mágneses tér hatására változnak meg. Bizonyos ötvözetek mágneses tér hatására változtatják a méretüket. Ez a magnetostrikció jelensége: a próbatest hossza a tér irányában mérve megnő, arra merőlegesen pedig csökken. Az elektromos tér hatására is bekövetkezhet méretváltozás (elektrostrikció), ennek különleges esete a piezoelektromosság.
Az alakmemóriával rendelkező, emlékező fémek és műanyagok az intelligens anyagok önálló csoportját alkotják. Amennyiben az emlékező fém formáját egy kritikus hőmérséklet felett hozzuk létre, 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, a kritikusnál magasabb hőmérsékletre hevítve visszanyeri az eredetileg kialakított formáját. Speciális polimerekkel szintén lehet alakot tárolni.
Ha összehasonlítjuk a mindennapi életben használt szerkezeti anyagainkat a kétségkívül sokkal tökéletesebb biológiai anyagokkal, 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 nem lehetne-e a lágy anyagokat (például a folyadékokat, a rugalmas műanyagokat, biológiai anyagaink nagy többségét, valamint a szilárd és a folyadék halmazállapot között elhelyezkedő, nagy folyadéktartalmú géleket) a modern technikában szélesebb körben alkalmazni?
Az utóbbi időben igen nagyfokú érdeklődés mutatkozik például az úgynevezett 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 e részecskék elektromos vagy mágneses tulajdonságokkal rendelkeznek, azt a látszatot keltik, mintha a folyadék mutatna elektromos vagy mágneses tulajdonságokat. Az ilyen folyadékok két különböző csoportját a mágneses és az elektroreológiai folyadékok alkotják, amelyeknek folyási tulajdonságai mágneses, illetve elektromos térrel változtathatók.
E folyadékok egyenletesen eloszlatott mikro- vagy nanoméretű szilárd részecskéket tartalmaznak. Ha a térerősség a hely függvényében változik (inhomogén erőtér), a részecskék az elektromos vagy a mágneses tér bekapcsolásakor a nagyobb térerősségű hely irányába mozdulnak el, s mivel nagymértékben kötődnek a folyadékmolekulákhoz, a részecskék elmozdulása a teljes folyadék elmozdulását jelenti.
Egészen másfajta viselkedést mutatnak e folyadékok a helytől függetlenül állandó (homogén) mágneses vagy elektromos térben. Ez esetben a szilárd részecskékre nem hat a külső tér mozgatóereje, a folyadék nyugalomban marad. A látszólagos nyugalom ellenére a folyadék tulajdonságai nagymértékben megváltoznak. A részecskék elektromos vagy mágneses térben polarizálódnak, s indukált dipólusaik kölcsönhatása következtében 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. A konzisztencia 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 polimergélek 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 polimerváznak 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 kölcsönhatásban lehetnek. A környezeti paraméterek változására a gél főként térfogatának megváltoztatásával válaszol: ez lehet folytonos vagy ugrásszerű. Az utóbbit gélkollapszusnak nevezzük. A térfogatváltozás, amelynek nagysága több százszoros is lehet, alkalmas mechanikai munkavégzésre, valamint különleges alakváltozások és mozgások megvalósítására, s többféle külső hatással (a pH megváltoztatásával, bizonyos ionokkal, valamint fény és elektromos tér alkalmazásával) is kiváltható. A polimergélek emiatt különleges helyet foglalnak el az intelligens anyagok között: nincs ugyanis még egy olyan anyagi rendszer, amely oly sokféle környezeti hatásra reagálna, mint a polimergél.
A polimergélek optikai tulajdonságainak hirtelen megváltozása kihasználható erős napsütés ellen védelmet nyújtó speciális táblaüveg vagy optikai kijelző előállítására. A gélüveg olyan szendvicsszerkezetű konstrukció, amely két üveglap vagy átlátszó műanyag réteg között egy vékony, intelligens polimergélt tartalmaz, amelynek optikai tulajdonságait (például átlátszóságát) nagymértékben befolyásolják olyan környezeti hatások, mint a hőmérséklet-változás vagy elektromos tér jelenléte. A változás hatására az eredetileg átlátszó üveg opálos, a fényt csak sokkal kisebb mértékben áteresztő tejüveggé válik. A kutatócsoportunk által kifejlesztett gélüveg egyik típusánál a környezet hőmérsékletének változása idézi elő az átmenetet. Megfelelő összetétellel elérhető, hogy a napsugárzás is kiváltsa a változást. Az ilyen gélüvegből készített ablak kényelmes megoldást nyújt az erős napsugárzás elleni védelemben.
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 energiaátalakító rendszerrel találkozunk, azonban ezek között nincs olyan, amely a kémiai vagy fizikai–kémiai kölcsönhatások energiáját – az izomhoz hasonlóan – közvetlenül alakítaná át mechanikai energiává.
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, s eközben környezete energiáját alakítja át mechanikai munkává. Ha a környezeti hatás kémiai természetű, az energia hasznosításának az izomra jellemző módja valósul meg.
A polimergélek energiaátalakító 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 változás munkavégzésre is felhasználható, erre példa az úgynevezett pH-izom; ez 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, a disszociáció következtében a polimermolekulákon töltések jelennek meg. Ezeknek taszító hatására, valamint az ellenionok ozmózisnyomása következtében a gél térfogata jelentős mértékben megnő. Ha a töltéseket a pH csökkentésével megszüntetjük, az eredeti méret áll vissza. A környezet sav-, illetve lúgkoncentrációjának szakaszos változtatásával a gél mérete periodikusan változik, így munkavégzésre alkalmas, s munkavégző képessége összemérhető az emberi izoméval.
Szabályozástechnikai szempontból a számítógéppel vezérelhető hatások rendkívül előnyösek a mesterséges izmoknál. Ezért az utóbbi évek kutatásainak súlypontja átkerült az elektromos hatásokkal aktiválható anyagok fejlesztésére. Ezeknek különleges csoportját képezik a mágneses gélek és elasztomerek, amelyek 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 az is elérhető, hogy a gél egyik részét nyújtjuk, a mellette lévőt pedig összenyomjuk; ez lehetővé teszi a rendkívül bonyolult biológiai mozgások utánzását.
Az intelligens anyagok megjelenése a technikai fejlődés új útját nyitotta meg. Fontosságukat jelzi, hogy fejlesztésük az Európai Unió soron következő tudományos programjában a kiemelt kutatási irányzatok közé tartozik. E rövid és korántsem teljes ismertetővel néhány olyan törekvést és eredményt mutattam be, amelyek még a XX. században születtek. Hogy ezek az anyagok valóban a jövő anyagai lesznek-e, az mindenekelőtt az emberi intelligenciától függ.
----------------------------------
(A fenti szöveg a január 20-án elhangzott előadás rövidített, szerkesztett változata.)
Az előadás megtekinthető január 25-én (szombaton) a Duna Televízióban 13.10-től, január 26-án (vasárnap) 13.5-től az MTV-n, valamint 23.10-től az M 2-n.
A Mindentudás Egyetemének következő előadása január 27-én 19.30-kor kezdődik a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem informatikai épületének B28-as előadójában (Budapest XI., Magyar tudósok körútja 2/B).
Az előadások teljes szövegét a hozzászólásokkal és a vitával együtt a www.mindentudas.hu weblapon találják meg az érdeklődők.
Spanyolország
Több ezer hektár lángokban – Spanyolország újra súlyos erdőtüzekkel küzd + videó
