Новым способом минимизации ущерба от неисправностей в различных конструкциях может стать разработка усовершенствованных методов для обнаружения повреждений до того момента как они становятся критическими. И в этом на помощь могут прийти материалы, которые меняют цвет при их повреждении.
Добавление специальных наночастиц в прозрачную полимерную смолу приводит к созданию "умного" материала , который меняет цвет при повреждении или же когда его состояние близко к разрушению. Такие материалы и назвали "материалами с изменчивым характером" (англ. " mood ring materials ", дословно – материалы для кольца настроения, которое меняет цвет в зависимости от температуры человека) объяснил Коул Брубэкер, докторант в лаборатории систем надежности (LASIR) университета Вандербильта (Vanderbilt University).
Материал меняет цвет в ответ на механическое воздействие.
Интеллектуальные технологии мониторинга являются в настоящее время одними из самых изучаемых вопросов в гражданской, механической и аэрокосмической технике. Эти вопросы в основном решаются разработкой сетей физических датчиков, которые прикрепляются к представляющим интерес конструкциям. Но данный подход имеет недостатки в виде высокой стоимости оборудования и сложной обработки полученных данных.
Исследователи LASIR пошли другим путем и включают люминесцентные наночастицы в сам материал, которые реагируют на механическое воздействие изменением своих оптических свойств. Такой подход позволяет создать новый тип системы мониторинга, которая является эффективной и экономически выгодной.
"В настоящее время существуют два способа, чтобы поддерживать все инфраструктурные объекты, от мостов до воздушных судов, в безопасности", - говорят исследователи. - "Один из них, когда люди постоянно проводят непосредственный осмотр конструкций. Проблема с этим состоит в том, что данный способ является трудоемким и люди не могут видеть очень маленькие трещины. Другой способ заключается во внедрении в контролируемый объект сложных сетей датчиков, которые непрерывно оценивают состояние конструкции и ищут небольшие трещины и обнаруживают их до того как они становятся слишком большими и начинают сказываться на безопасности конструкции. Проблема состоит в том, что такие сети являются очень дорогими и, в случае воздушных судов, добавляют много веса. Поэтому нам нужно каким-то образом изменить материалы, которые мы используем, чтобы выявить эти крошечные трещины."
Первоначальные исследования команды, показали, что добавление крошечных концентраций специальных наночастиц (от 1 до 5 процентов по массе) к оптически прозрачной полимерной матрице приводит к характерному изменению оптических свойств материала при воздействии на него широкого спектра сжимающих и растягивающих нагрузок.
Группа исследователей из университета Вандербильта не единственные кто использует наночастицы для создания "умных" материалов, но у них есть преимущество. Они используют особый тип наночастиц, называемый квантовая точка белого света. Эти квантовые точки являются уникальными, поскольку они излучают белый свет там, где другие квантовые точки только излучают свет на определенных длинах волн.
Эти специальные квантовые точки были случайно обнаружены в 2005 году в университете Вандербильта в ходе изучения квантовых точек на основе селенида кадмия.
Квантовые точки белого света обладают уникальными оптическими свойствами по сравнению с другими наночастицами, поскольку свечение белого света является поверхностным явлением. Когда такие наночастицы помещают в материал, то они реагируют на то, что происходит вокруг них.
В ходе предварительных испытаний стекловолокно и алюминиевые полосы покрывали полимерным покрытием, содержащим квантовые точки белого света, и подвергали их внешним нагрузкам различной интенсивности. Они установили, что интенсивность спектра излучения, испускаемого квантовыми точками, уменьшается по мере увеличения нагрузки.
График показывает, что спектр белого света квантовых точек в эпоксидной смоле на алюминиевых полосах уменьшается при увеличении растягивающей нагрузки на полосе.
(LASIR Lab / Vanderbilt)
"В механизме явления еще много неясного, но мы показали, что добавление этих квантовых точек в ультратонкие полимерные покрытия на металлических поверхностях может обеспечить заблаговременное предупреждение, когда основной металл получает какое-либо повреждение," – сказали исследователи.
Исследователи полагают, что квантовые точки излучают свет в широком спектре, потому что более чем 80 процентов атомов лежат на поверхности. Они также знают, что связь между поверхностными атомами и окружающими их молекулами играет решающую роль.
Таким образом, исследователи подтвердили, что материал может выступать в качестве нового вида тензодатчика, который постоянно регистрирует механическое воздействие на него.
Исследователи столкнулись и с рядом сложностей. Например, в ряде тестов эпоксидные цилиндры при сжатии деформировались в бочкообразную форму, а спектр излучения фактически увеличивался, а не уменьшался. Исследователи предполагают, что это произошло потому, что деформация сдавливала наночастицы ближе друг к другу и их концентрация в области деформации возрастала.
Кроме этого есть еще одна проблема, которую они должны будут решить, чтобы сделать работоспособную систему обнаружения повреждений. Квантовые точки страдают от засветки. То есть, когда они подвергаются воздействию света, они постепенно уменьшают свечение с течением времени. В результате, такой материал должен быть защищен от внешнего света.
"Существует много проблем, которые необходимо решить, прежде чем мы сможем создать "умный" материал, который готов к реальным приложениям, но тенденция положительна," – говорят исследователи.
Настоящие природные опалы отличаются иногда удивительной игрой цветов
Новый синтетический материал, с некоторой долей натяжки, можно назвать «опалом » — минералом, который из-за своей слоистой структуры отличается большим разнообразием расцветок: в одном и том же камне могут совмещаться части с высоким и низким показателем преломления. В итоге свет разной длины волны по‑разному отражается на границе между слоями, создавая прекрасную игру красок.
Искусственный же «опал», созданный группой британских и канадских химиков во главе с Яном Маннерсом (Ian Manners), опалом в строгом смысле не является. Однако он имеет сходную слоистую структуру — и, в некотором роде, лучше настоящего опала: расстояние между слоями в нем меняются в зависимости от приложенного напряжения, что позволяет не просто менять, но и контролировать окраску.
Для получения этого материала ученые начали, нанося кремниевые структуры размерами около 280 нм в поперечнике, слой за слоем, на плоский электрод-подложку. На поверхность такого «бутерброда» наносился полимер, который, застывая, замыкал его в сферу, удерживая слои вместе. Затем сферы были смыты кислотным раствором, чтобы избавиться от заполненных воздухом пустот внутри них, и эти пустоты заполнялись жидким проводящим раствором электролита. Наконец, вся структура крепилась клейким материалом.
Получается как раз нечто вроде опала: электролит и кремниевые слои имеют разные показатели преломления. В «нормальном» состоянии их повторяющиеся слои отражают только синий свет, однако при приложении все большего напряжения расстояние между слоями меняется последовательно через разные оттенки видимого спектра вплоть до красного.
«Вся хитрость в полимере, — поясняет Ян Маннерс, — он содержит атомы железа, которое может находиться в двух валентных состояниях: +2 и +3». Соответственно, когда ток проходит через материал, электроны от железа понемногу переходят в электролит, частицы полимера приобретают слабый положительный заряд, и отрицательные ионы из раствора электролита переходят в частицы полимера, заполненные электролитом поры «стягиваются», меняя размер и, соответственно, оптические свойства всей слоистой структуры. «Чем сильнее поданный ток, тем сильнее мы окисляем железо, тем больше сжимаются поры», — говорит ученый.
Стоит сказать, что хотя для изменения окраски необходима некоторая энергия, впоследствии материал сам поддерживает то или иное состояние и, соответственно, цвет. А поскольку материал окрашивает не проходящий свет, а отраженный, он при достаточном освещении выглядит весьма ярко окрашенным, что делает его прекрасным материалом для создания электронных книг и других подобных устройств. Подробнее об электронном будущем печатных СМИ (в том числе — уверены — и нашей «Популярной Механики») можно прочесть в заметке «
Многие владельцы автомобилей мечтают изменить свою технику, придать ей оригинальный вид, потому обращаются в мастерские для проведения тюнинга. Наряду с обычным окрашиванием машины в иной оттенок сейчас есть возможность сделать аэрографию, хромированное покрытие, наклейки. Существует даже краска, меняющая цвет – новый способ поменять облик авто до неузнаваемости.
Краска со сменой цвета – миф или реальность
Разработчики самых высококачественных лакокрасочных материалов (например, Candy) и представители мирового автопрома утверждают, что создано настоящее чудо – средство со способностью смены цвета. Разработки ученых в этой области вызывают множество противоречивых мнений. Самой обсуждаемой считается так называемая парамагнитная краска – полимерный состав, который меняет цвет под воздействием электрического тока за счет перемены расстояния между частицами металла.
Парамагнитная краска может обретать иной цвет лишь при включенном двигателе машины. Утверждается, что владелец сможет поменять оттенок на кардинально новый за секунду с пульта. К сожалению, попытки приобрести такой материал в магазинах или интернете оканчиваются неудачей. Подобными материалами окрашивают кузова самых дорогих машин, а также используют для маркировки самолетов, вертолетов. При этом свойства красок сильно преувеличены – они действительно могут менять оттенок, но на схожий, более светлый или темный, либо обретают металлический отсвет. Есть также теплочувствительные краски, стоящие дорого и применяемые только в промышленных условиях.
Виды меняющихся автоэмалей
Среди материалов для окраски автомобилей, которые могут внешне меняться, выделяют несколько групп. Одни из них обретают иной облик от температуры, другие – от работы магнита, в третьих пигменты изменяются от действия воды.
Термохромная краска
Термочувствительная эмаль – лакокрасочный материал, в основе которого присутствуют особо прочные полимеры, а также микроскопические частицы в виде гранул (лейкокрасители), способные менять окраску при температурном воздействии. Обычно при похолодании окружающей среды термокраска темнеет, а при потеплении – светлеет. Материал позволяет создавать красивый декор на кузове или полностью окрашивать его в эффектный цвет.
Термохромная краска выпускается в разных базовых цветах:
- черном;
- красном;
- желтом;
- синем;
- зеленом;
- фиолетовом.
Также материал бывает белым, его применяют для создания новых оттенков. Термоиндикаторная краска обладает отличными кроющими способностями, она не токсична, при этом после нанесения позволяет получить невероятные переливы цвета на кузове. Также к плюсам средства можно отнести улучшение терморегуляции салона за счет отражения и поглощения тепла при смене температуры.
У подобных материалов есть несколько недостатков:
- высокая стоимость;
- сложности с перекрашиванием машины в будущем;
- необходимость в ремонте всей детали при наличии даже минимальной царапинки, невозможность частичного окрашивания;
- трудности при регистрации автомобиля в контролирующих органах;
- высокая чувствительность к ультрафиолету, необходимость в применении особых лаков.
Гидрохромная краска
Гидроавтоэмаль, или гидрохромная краска – средство, способное поменять оттенок при попадании влаги на его поверхность. Основной эффект заключается в получении прозрачного покрытия после намокания, при этом в сухом виде автомобиль обычный, белый.
Чаще гидрохромная краска наносится только на отдельные детали или в форме рисунков, а часть кузова окрашивается в иной материал. В дождь машина обретет необычный облик, ведь декор станет проступать на основании. В основе гидроавтоэмали находятся особые красители в форме кристаллов, чувствительные к влаге.
Среди минусов применения краски следует указать такие:
- значительная цена;
- сложность работы при выполнении рисунков;
- небольшое количество цветов.
Парамагнитная краска
Электроэмаль, или парамагнитная краска – самая «продвинутая версия материалов, меняющих цвет. Краска в течение многих лет разрабатывалась брендом «Ниссан», который широко внедряет инновационные технологии в производство. Перед окраской на кузов наносят специальный полимер с добавлением окиси железа, за счет чего определенные участки машины могут немного изменять оттенок.
Особенности окрашивания
Подготовка автомобиля к окрашиванию должна быть тщательной, ведь после нанесения уникальных автоэмалей все дефекты, ямки и выпуклости будут отлично заметны. Поэтому с деталей полностью снимают предыдущий слой лакокрасочного материала, хорошо шлифуют поверхность. Используют растворители, обезжириватели, при необходимости – преобразователи коррозии. Последние потребуются для полного удаления ржавчины и зон коррозии, которые затем повторно шлифуют. Для этого используют шлифмашинку с регулировкой скорости вращения и с небольшим весом (для удобства работы).
Окрашивание проводят валиком, кистью, но профессионалы пользуются только распылителем-краскопультом. Аппарат позволит распределить слой краски равномернее. Материал можно наносить с применением разных оттенков, создавая рисунки, граффити, игру света и тени – по желанию владельца автомобиля.
В завершение работы выполняют прочное лаковое покрытие, обеспечивающее защиту от механического повреждения и снижающего риск быстрого выгорания цвета. После полируют поверхность кузова особыми насадками шлифмашинки. Через сутки автомобиль будет готов к эксплуатации, позволяя хозяину в полной мере насладиться его уникальностью!
Натуральные минералы притягивают к себе внимание игривым цветом и радужными переливами. Особый интерес представляют камни, меняющие окрас. Им приписывают магические свойства, хотя и так понятно, что природа наделила их некой таинственностью.
Украшения с хамелеонами пользуются популярностью у женщин разных возрастов и профессий. Они являются символом маленького чуда, на которые возлагаются самые сокровенные мечты. Не зря бытует мнение, что кристаллы, меняющие цвет, способны дать то, чего не хватает и забрать лишнее.
Предпочтение камням-хамелеонам отдают преимущественно люди разносторонние, открытые для новой информации и контактов.
Фаворитом среди минералов, меняющих окрас, считается александрит – императорский камень. Изменение тональности обусловлено характером освещения. При изменении интенсивности света он из изумрудно-зелёного переходит в бордово-красный цвет.
Такой эффект становится возможным благодаря уникальному составу, в который помимо железа и титана входит хром. Ионы хрома при взаимодействии с другими химическими элементами при попадании света создают цветовой реверс. На изменение окраса влияет и ванадий.
Основным цветом александрита считается голубовато-зелёный, но встречаются также оливковые экземпляры с желтым и коричневым оттенком. Природный материал в основном прозрачный, редко встречаются бесцветные кристаллы.
Эталоном качества является уральский камень, который меняет при искусственном освещении голубовато-зелёную расцветку на малиновую или пурпурно-красноватую.
Александрит обладает магическими и лечебными свойствами, что привлекает к нему ещё больший интерес. Целители используют кристалл для нормализации кровяного давления, лечения желудочно-кишечного тракта, укрепления и очищения сосудов.
Природный самоцвет помогает избавиться от алкогольной зависимости. Последние исследования доказали, что ношения камня во время соблюдения диеты избавляет от навязчивого чувства голода, притупляет интерес к еде.
Эзотерики полагают, что камень не только защищает своего владельца от негативной энергии, но и предупреждает об опасности. Если минерал без видимых объяснимых причин меняет окрас на красный или желтоватый, то следует готовиться к тяжёлым жизненным испытаниям.
Астрологи высказывают мнение, что кристалл способствует раскрытию внутреннего потенциала, талантов и сил.
Александрит идеально подходит для Львов, Скорпионов, Водолеев и Близнецов. Он придаёт им сил, заряжает энергией, уравновешивает, особенно при принятии важных решений.
Также кристалл будет покровительствовать людям, чьи профессии связаны с частыми поездками, управленческой деятельностью, торговлей. Минерал создаёт благоприятные условия для открытого общения и принятия новой информации. Подойдёт александрит и натурам, склонным к авантюрам и играм.
Настоящим чемпионом по количеству цветов и оттенков является турмалин. Согласно древним поверьям камень символизирует мудрость, веру и духовные изыскания. Народы разных стран отождествляют его с добром и светом. Астрологи рекомендуют минерал только сильным личностям, независимо от знака зодиака.
Слабой натуре кристалл может навредить, уж слишком мощной энергетикой он обладает. Эзотерики рекомендуют носить талисман творческим людям. Он способствует раскрытию внутренних талантов, стимулирует мозговую деятельность, активизируя креативное мышление. Оберег из турмалина для семьи приносит мир и согласие, а также является символом скорого пополнения.
Природный самоцвет имеет разную форму, но преимущественно добываются экземпляры в виде призмы с удлинённым остриём. При нагреве кристалл поляризуется. Именно благодаря этому свойству турмалин меняет цвет при изменении температуры. Поменять оттенок камень может и при смене угла обзора.
В природе чаще встречаются образцы буро-красного цвета, который переходит при определённых условиях в оливково-зелёный.
Натуральный турмалин славится целебными свойствами:
- уравновешивает психоэмоциональное состояние;
- нормализует кровяное давление;
- улучшает обмен веществ.
Мощная энергетика оказывает воздействие на чакры человека. Существует мнение, что минерал восстанавливает потерянную энергию, забирает на себя негатив и способствует материальному благополучию.
Самым прочным камнем считается алмаз. Корунд уступает первое место по твёрдости только ему. Наиболее известные разновидности минерала – сапфир и рубин. Цвет кристалл меняет под воздействием тепла и ультрафиолета.
Самоцвет обладает магическими и целебными свойствами, среди которых:
- стабилизирует психоэмоциональное состояние;
- избавляет от ночных кошмаров;
- укрепляет сосуды;
- нормализует кровяное давление.
Камень не любит насмешливых и недоверчивых людей, он может навредить им. Покровительствует минерал Ракам, Водолеям и Рыбам. Выбирать камень для талисмана рекомендуется сильным и ярким натурам.
Издавна корунд считался кристаллом, приносящим успех и материальную стабильность людям , чьи профессии были связаны с умственной деятельностью. Среди современников список дополнили предприниматели, бизнесмены и студенты.
Минерал очень миролюбивый, поэтому предпочитает чистоплотных и искренних владельцев, мысли которых не заняты злорадством, завистью и ревностью. При длительном воздействии солнечных лучей минерал меняет окрас, а точнее становится бледным.
Аметист помогает обрести жизненное равновесие, справиться с печалью и тоской. Из целебных качеств славится укреплением иммунитета и памяти.
В природе существуют самоцветы разных тонов от розового до тёмно-пурпурного. При нагреве минерал светлеет, а восстановление тональности происходит при охлаждении.
Аметист относится к разновидности кварца. Наличие в составе примесей железа определяют окрас кристалла.
Камень покровительствует Весам, Водолеям и Близнецам. Противопоказан Львам и Тельцам.
Интересную интерпретацию получил минерал опал. Его именуют камнем изменчивых надежд. Это обусловлено свойствами кристалла влиять на судьбу владельцев. Праведным и созидательным натурам он помогает достичь своих целей, реализовать задуманное. А склонных личностей к авантюрам опал толкает «во все тяжкие». Поэтому выбирать для талисмана минерал стоит только честным и порядочным людям.
Природный цвет минерала бывает следующих тонов: красный, зелёный, жёлтый, голубой, бледно-молочный и др. Уникальность опала состоит в том, что при изменении влажность он меняет окрас. Голубой самоцвет, опущенный в жидкость, может стать оранжевым, а красный превратиться перед дождём в жёлтый. Особенностью кристалла считается изумительная игра цвета под солнечными лучами
Опал издавна использовали для лечения сердечных заболеваний, инфекций. Устраняет последствия стрессов, избавляет от бессонницы.
Практически во всех странах мира люди использовали кристалл от негативной энергетики и порчи. Амулет с ним помогает сохранить любовь на долгие годы.
Опал покровительствует тем, кто родился под знаками Рыб и Скорпионов.
Бытует мнение, что камни-хамелеоны следует носить парно. Одинокий кристалл символизирует одиночество. По этой причине многие ювелирные компании выпускают украшения, инкрустированные парным количеством одного вида минерала или в сочетании с фианитами, горным хрусталём и др.
Как ухаживать за камнями-хамелеонами
Принцип ухода за камнями, меняющими цвет, в основном не отличается существенно от правил , предъявляемых к хранению и чистке натуральных минералов. Но некоторые дополнения всё-таки есть.
Хранить камни следует в отдельных холщёвых мешочках. Это предотвратит повреждение поверхности кристаллов острыми предметами или элементами других украшений. Мешочки рекомендуется складывать в деревянную шкатулку, чтобы солнечный свет не воздействовал на минералы.
Очистку природных кристаллов, меняющих цвет, нужно проводить в тёплом мыльном растворе. После мытья достаточно прополоснуть украшение под проточной водой и просушить его мягкой салфеткой из нетканого материала. Использовать химические вещества, абразивы категорически запрещается.
Камни-хамелеоны не любят высоких температур, поэтому на длительные прогулки украшения лучше не надевать. При создании причёски часто используются фен, утюжки и другие электроприборы. Украшать себя изысканными изделиями из природных кристаллов лучше после того, как будет закончена укладка волос.
Что касается косметики и парфюмов, то их также следует использовать перед надеванием украшений. Каждое средство содержит химические соединения в составе, которые при попадании на поверхность камня могут оставить пятна и замутнения.
Перед тем, как приступить к уборке дома, следует снять ювелирные изделия. Обычно при мытье посуды и полов, натирании мебели и паркета применяются специальные средства, в состав которых входят агрессивные компоненты. Они при контакте с природным минералом, могут оставить на нём пятна. Избавиться от них впоследствии будет невозможно.
Бережный уход и ношение украшений с камнями-хамелеонами надолго сохранит презентабельный вид изделиям.
Реальная съемка изменения цвета краски для волос под действием горячего воздуха
The Unseen / Vimeo
Термохромные пигменты - вещества или смеси веществ, изменяющие свой цвет в зависимости от температуры. Такой способностью обладают многие вещества, но как правило смена окраски требует очень больших температур и связана с фазовыми изменениями или химическими реакциями. Есть несколько классов веществ, для которых термохромные свойства хорошо выражены и проявляются при небольших температурах. Именно благодаря им в магазинах можно найти кружки, рисунок которых меняется под действием горячей воды, термометры и даже ткани.
Часто в роли термохромов используют жидкие кристаллы - вещества, молекулы которых упорядочиваются в колонны или листы, даже несмотря на жидкое агрегатное состояние. Температурные изменения влияют на размеры структур, например, ширину листов. Это отражается на оптических свойствах материалов. Второй класс термохромов - органические красители, способные обратимо изменять свою окраску из-за химических превращений. Примером таких соединений являются спиропираны - в структуре их молекул есть два кольца из атомов, соединяющихся в одном месте. При изменении температуры или кислотности среды кольца могут размыкаться, сильно меняя свойства и окраску вещества. Однако, как правило, такие красители оказываются токсичными для кожи, что ограничивает их применение.
Авторы разработки вдохновились сценой из фильма «Колдовство», в которой героини фильма с помощью заклинания изменяют цвет волос одной из них. Чтобы уменьшить токсичность краски разработчики использовали полимерные связующие. «Мы можем предотвратить вредные воздействия этих химических соединений с помощью процесса, называющегося “полимерная стабилизация”, в котором похожие на цепи молекулы (полимеры) обвивают раздражитель» - рассказывает Лорен Бокер, основательница компании.
Бокер разработала несколько красителей, меняющих свою окраску в разных температурных диапазонах. Точки перехода соответствуют переходу между комнатной и уличной температурой, или же соответствуют температуре тела человека. Среди разработанных составов есть черная краска, меняющая свой цвет на красный под действием горячего воздуха, есть краски, меняющиеся от черного к белому, от серебристого к бледно-голубому, от синего к белому и от черного к желтому.
Существуют и другие типы пигментов, меняющих окраску под действием внешних воздействий. Например, фотохромы меняют цвет под действием света, механохромы - при деформации, электрохромы - под действием электрического тока. Помимо использования этих веществ для оформления, ученые также пользуются превращениями соединений в фундаментальных целях. Так, год назад химики из Германии и Японии наноразмерные «ножницы», способные обратимо открываться и закрываться под действием света. В их основе лежала молекула ДНК, модифицированная фотохромным азобензолом.
Владимир Королёв
