Samonaprawiające się materiały naprawdę istnieją!

W przyszłości zadrapania na ekranie naprawią się same. Jakie korzyści z badań producentów samochodów odnosi sprzęt komputerowy?

Jeśli podczas siadania słyszysz skrzypienie, to wcale nie musi być odgłos starych kości. Bardziej prawdopodobne jest, że twój smartfon miał w kieszeni spodni bliskie spotkanie z pękiem kluczy. Wielu użytkowników nowoczesnych słuchawek wie, co z takiego spotkania wynika – porysowany wyświetlacz. Zadrapania na przedniej lub tylnej części obudowy mogą być spowodowane upadkiem sprzętu nawet z niewielkiej wysokości. Jak donoszą firmy oferujące dodatkowe ubezpieczenia sprzętu elektronicznego, uszkodzenia wyświetlacza w przypadku modeli iPhone 4 i 4S są niemal dwa razy częstsze niż w przypadku jego poprzedników.

Nowoczesne materiały, jak na początku zeszłego roku udowodnił znany producent aut – Nissan – mogą położyć kres tego typu niedogodnościom. W efekcie współpracy wytwórcy samochodów z Uniwersytetem Tokijskim i firmą Advanced Soft materials powstała obudowa do iPhone’a pod nazwą Scratch Shield. Rozwiązanie to implementuje na małą skalę pomysł, nad którym Nissan pracuje od wielu lat – mowa o specjalnych, ochronnych farbach samochodowych. Lakier ma za zadanie sam usuwać zarysowania. Generalna zasada jest prosta: na kolorową farbę nakłada się warstwę lakieru bezbarwnego. Cechą szczególną jest to, że nowa warstwa jest bardzo elastyczna. Jeśli zostanie uszkodzona przez zarysowanie, a więc działający z zewnątrz nacisk, kurczy się i absorbuje tę zewnętrzną siłę. Następnie lakier powoli rozszerza się, aby wrócić do stanu początkowego. W ten sposób niewielkie zadrapania mogą całkiem zniknąć w przeciągu kilku godzin – na wygładzenie większych potrzeba dni lub tygodni. Ochronna obudowa do iPhone’a wykonana jest ze specjalnych tworzyw sztucznych na bazie ABS,kopolimeru akrylonitrylu, butadienu i styrenu, który charakteryzuje się szczególnie wytrzymałą powierzchnią. Nissan planuje w niedługim czasie wprowadzić gotowy produkt do sprzedaży.

Już dziś natomiast można nabyć folie ochronne na ekrany smartfonów, które są w stanie same niwelować niewielkie zadrapania. Wybór takich folii ma w ofercie firma Scosche: produkt sprzedawany pod nazwą recoverSkin wykonany jest z silikonu. Także w tym przypadku niewielkie rysy są usuwane przez sam materiał i znikają w ciągu sekund. Jednak gdy w grę wchodzą głębokie zarysowania, jest ona mało skuteczna. Jako że folie samoprzylepne również mają granice, jeśli idzie o wygładzanie rys, należy je wymieniać. Trzeba też pamiętać, że nie chronią one ekranu przed pęknięciami spowodowanymi upadkiem.

Scratch Shield: absorpcja zadrapań
Nissan, producent samochodów, zaprezentował obudowę ochronną do iPhone’a, w skład której wchodzi powłoka ze specjalnego lakieru. Przy jej wykonaniu kierowano się tymi samymi zasadami, które pomagają Nissanowi tworzyć wytrzymałe lakiery samochodowe.

Nowe tworzywa od przemysłu lotniczego

Przez wiele lat firmy, także te z branży komputerowej, jak IBM czy Dell, wydawały miliony euro na rozwój samonaprawiającego się sprzętu. Prócz producentów samochodów liderami w tej dziedzinie są konstruktorzy samolotów i statków kosmicznych. Dlatego na przykład inżynierowie na Uniwersytetach w Illinois i Nowym Jorku prowadzą badania nad tworzywami sztucznymi, które mają za zadanie same naprawiać uszkodzenia w statkach powietrznych. Jest to trudne, gdyż zlikwidowanie szczeliny grubości ludzkiego włosa powstałej w skrzydle samolotu, bez zewnętrznej interwencji, wymaga podjęcia kilku kroków. Po pierwsze uszkodzenie musi zostać prawidłowo rozpoznane, następny etap to już faktyczna naprawa. Jeszcze piętnaście lat temu problem był zbyt złożony dla samych naukowców, ale nowe odkrycia w dziedzinie mikro- i nanotechnologii zmieniły ten stan rzeczy. Dlatego też około dziesięciu lat temu NASA utworzyła specjalną komórkę badawczą, której celem jest przeniesienie samonaprawczych zdolności systemów biologicznych na pole tworzyw sztucznych.

Pomysły wdrożone w Illinois opierają się na zastosowaniu dodatkowej warstwy ochronnej z tworzywa sztucznego, która jest zewnętrznie aplikowana na już istniejące podzespoły. Warstwę tę wzmacnia się specjalnym włóknem, wewnątrz którego znaleźć można mikrokapsułki wypełnione płynnym spoiwem. Jeśli w materiale powstanie uszkodzenie, kapsułki także zostają rozerwane. Spoiwo – głównie żywica epoksydowa – rozlewa się samoczynnie po powstałych nierównościach i wypełnia ubytki. Następnie twardnieje, a uszkodzenie zostaje naprawione.

Recoverskin: uszczelnianie zadrapań
Firma Scosche sprzedaje wykonane z silikonu folie ochronne na ekrany smartfonów. Folia recoverSkin sama pozbywa się drobnych zarysowań poprzez samoczynne wypełnienie szczeliny. Przy większych zarysowaniach okazuje się niestety bezskuteczna. Ponadto należy pamiętać, że tworzywo, z której jest wykonana, zużywa się w przypadku bardzo częstych uszkodzeń.
Mikrokapsułki: spoiwo w tworzywie

Naukowcy zajmujący się badaniami nad nowymi materiałami na Uniwersytecie w Illinois zatopili w tworzywie malutkie kapsułki zawierające spoiwo. Zarysowanie plastiku powoduje ich otwarcie i uwolnienie zawartości, która naprawia uszkodzenie.

Agenci rozpoczynają naprawę

W teorii brzmi to dość prosto, ale w praktyce naukowcy napotykają różne przeszkody. Materiał wiążący powinien bowiem uaktywniać się tylko w przypadku faktycznego uszkodzenia. Należy także sprawić, by ciekłe tworzywo w zamkniętych kapsułkach nie twardniało zbyt łatwo. W przeciwnym wypadku w razie uszkodzenia mogłoby się okazać bezużyteczne. Z tego względu materiał musi być zaprojektowany tak, by do stwardnienia wymagał katalizatora. W żargonie technicznym nazywa się go także reagentem lub, z angielskiego, agentem, który służy wyłącznie do wywołania reakcji chemicznej. Nie tylko w teorii, ale i w praktyce istnieje możliwość wykorzystania w tworzywie kapsułek z katalizatorem obok kapsułek ze spoiwem. Gdy nastąpi uszkodzenie, oba czynniki spotkają się i w pożądanym miejscu wejdą w reakcję. W tej kwestii przeprowadzono już wiele eksperymentów, na przykład z metalicznym rutenem, który wywołuje polimeryzację w tworzywie sztucznym. Innym sposobem jest zastosowanie naturalnego katalizatora takiego jak promieniowanie ultrafi oletowe światła słonecznego. Ciekłe tworzywo zamknięte w kapsułce jest chronione przed słońcem.

W chwili rozerwania kapsułki spoiwo reaguje ze światłem UV i twardnieje. Interesujące wyniki badań w tej materii zaprezentowały szwajcarski Uniwersytet we Fryburgu i Uniwersytet Case Western Reserve w Cleveland. Stworzyły one tak zwane polimery metalosupramolekularne, czyli tworzywa sztuczne z osadzonymi jonami metalu, które bardzo szybko nagrzewają się po wystawieniu na działanie promieni UV. Pozostaje tylko jedno pytanie: jak długo trwa proces naprawy? Badania pokazują, że obecnie wciąż potrzeba kilku godzin, aby zniwelować uszkodzenia za pomocą metody adhezyjnej. W przypadku części maszyn lotniczych jest to czas krytyczny, ale dla obudów smartfonów już akceptowalny.

Kataliza: kontrolowanie samonaprawy
Chińscy naukowcy z Uniwersytetu w Jilin zaprezentowali tworzywo, którego proces samonaprawy rozpoczyna się po kontakcie ze zwykłą wodą, podczas gdy inne materiały wymagają w tym celu katalizatorów chemicznych lub światła ultrafioletowego. Zasada działania: w stworzonym przez nich tworzywie woda powoduje zwiększenie mobilności molekuł, które następnie szybko niwelują nierówności.

Układ naczyniowy do transportu spoiwa

Chociaż koncepcja wykorzystania zatopionych w materiale mikrokapsułek wydaje się bardzo pomysłowa, to ma pewien zasadniczy mankament – raz otwarta kapsułka staje się bezużyteczna. Ale i na to naukowcy znaleźli metodę. Dla przykładu w Illinois trwają prace nad sieciami mikronaczyniowymi. W swoim rozwiązaniu odchodzą oni od używania pojedynczych kapsułek na rzecz cieniutkich sieci bardzo drobnych rurek przeplatających tworzywo. Podobnie jak krew w ludzkim ciele krąży przy użyciu naczyń krwionośnych, tak tutaj wszystkie części tworzywa są zaopatrywane w spoiwo, aby umożliwić ewentualną naprawę.

Aby nadmiernie nie wnikać w szczegóły, wyodrębnimy dwa kierunki działań naukowców w zakresie samonaprawiających się tworzyw: jedna z grup pracuje nad materiałami ochronnymi, które są wprowadzane niezależnie od już istniejących tworzyw. Druga grupa zmaga się z tworzywami, które same w sobie zawierają mechanizmy samonaprawy. Tym ostatnim zajmują się na przykład naukowcy z Uniwersytetu Stanowego w Arizonie. Udało im się osadzić w polimerach sieci cienkich włókien światłowodowych, które przy użyciu sensorów są w stanie wykryć uszkodzenia materiału. Następnie laser wysyła światło podczerwone przez sieć włókien w tworzywie, inicjując w ten sposób proces naprawczy.

W aktualnych badaniach szczególną wagę przykłada się do rozpoznawania uszkodzeń. W przypadku mikrokapsułek etap ten można zwyczajnie pominąć, gdyż przyjmuje się, że uszkodzenie wystąpiło, jeśli kapsułka pękła. Aby umożliwić tworzywu samodzielne „zauważenie” uszkodzenia, w laboratoriach stosuje się tak zwany gradient stężeń. Dlatego wytwarza się materiały z ultracienkich warstw, które na przemian mają więcej właściwości metalicznych lub ceramicznych. Gdy warstwa ceramiczna pęka, do wewnątrz przenika tlen wywołujący reakcję chemiczną, w wyniku której metal zostaje utleniony, a uszkodzenia naprawione.

Układ naczyniowy: rozprowadzanie spoiwa
Tego typu rozwiązania są wciąż w fazie laboratoryjnej. Układ naczyniowy, który został zbudowany na Uniwersytecie w Illinois, ma za zadanie zaopatrywać w spoiwo mikroskopijny model tworzywa. Klej krąży w połączonych naczyniach podobnie jak krew w ludzkim ciele.

Samonaprawiające się podzespoły komputerowe

Zanim z samonaprawiających się materiałów będziemy produkować części samolotów, minie co najmniej dziesięciolecie. Najprawdopodobniej z dobrodziejstw tej technologii wcześniej skorzysta przemysł komputerowy. Już teraz naukowcy otoczyli drobne połączenia wewnątrz układów opisanymi wcześniej plastikowymi kapsułkami. Zawierają one jednak dodatkowo stop metalu. Gdy dojdzie do przerwania połączenia, w miejsce ubytku wypływa metal wraz ze spoiwem. Dzięki temu przewodzenie zostaje przywrócone. Obecnie brak rzeczywistych zastosowań tego rozwiązania można tłumaczyć w dwojaki sposób: po pierwsze nie jest do końca jasne, czy producenci urządzeń są w ogóle zainteresowani wytwarzaniem bardziej trwałego sprzętu, a po drugie produkcja materiałów, które potrafi ą się same naprawiać, jest wciąż stosunkowo droga.

Układy scalone: naprawa ścieżek przewodzących
W eksperymentach laboratoryjnych naukowcy otoczyli ścieżki przewodzące układu kapsułkami zawierającymi spoiwo i stopy metali. Gdy dochodzi do zadrapania lub rozerwania ścieżki, metal z kapsułki przywraca przewodnictwo.

Samonaprawiające się oprogramowanie

W produkowanym dziś sprzęcie ze świecą można by szukać podzespołów, które byłyby w stanie same się naprawiać. Co innego, jeśli idzie o oprogramowanie. W każdym, nawet najbardziej zwyczajnym pececie już dziś znajdziemy takie elementy.

Aktualizacje:

System Windows używa metod samonaprawczych w wielu obszarach. Dla przykładu użytkownik jest proszony o włączenie automatycznych aktualizacji tylko raz – podczas instalacji – następnie wszystko dzieje się już bez konieczności jego ingerencji. Łatki są pobierane z Sieci, instalowane w systemie. Nawet ponowne uruchomienie komputera odbywa się automatycznie, gdy zajdzie taka potrzeba. Podobnie w przypadku wystąpienia poważnych błędów podczas działania, Windows uruchamia komputer od nowa. Restart jest pierwszym etapem procesu naprawy, ponieważ w jego rezultacie wszystkie usługi systemowe oraz sprzęt są ponownie inicjalizowane.

Sterowniki:

Choć nie działa to do końca automatycznie, to nawet „Centrum akcji” bierze udział w procesie samonaprawy systemu Windows. Jeśli zostanie zainstalowany nieprawidłowy sterownik, system jest w stanie to wykryć i zasugerować znalezienie bardziej odpowiedniego. W wielu przypadkach możliwe jest też powierzenie tego zadania samemu systemowi – znajdzie on i zainstaluje taki, który zadziała.

System plików:

Samonaprawa również należy do zadań systemu operacyjnego. Na przykład implementacja NTFS w systemie Windows ma wbudowane własne funkcje naprawcze. Po cichu i bez wiedzy użytkownika system monitoruje podłączone pamięci pod kątem błędów systemu plików. Znalezione nieprawidłowości Windows będzie próbował naprawić. Jeśli mu się to nie uda, drugim etapem jest uruchomienie narzędzia CHKDSK po restarcie komputera.

Pamięć

: „Miejsca do magazynowania” (Storage Spaces) to nowość w Windows 8. Chodzi o to, by wiele dysków połączyć w pojedynczą, dużą, dostępną dla systemu przestrzeń. Najważniejsze jednak jest to, że zostaje zarezerwowana pewna przestrzeń awaryjna. Jeśli w zestawie dysków któryś ulega awarii, dane mogą zostać odzyskane z awaryjnego obszaru na innym dysku. Użytkownik musi jedynie wymienić uszkodzony napęd. „Miejsca do magazynowania” implementują funkcjonalność RAID, ale w formie przyjaźniejszej dla użytkownika.

Odporny na błędy sprzęt

Samonaprawiający się sprzęt to pieśń przyszłości – w dzisiejszych urządzeniach stawia się raczej na odporność na błędy. Różnica polega na tym, że nie stosuje się samoczynnego wygładzania rys czy zadrapań, ale przykłada się wagę do przywrócenia funkcjonalności sprzętu nawet pomimo awarii. Przykładem na to są dyski SSD. Przy użyciu funkcji Wear Leveling napęd, najogólniej mówiąc, stara się dbać o to, by wszystkie komórki pamięci były zużywane w jednakowym stopniu. Jednak – jako że liczba operacji zapisu jest ograniczona – pojedyncze komórki pamięci mogą w końcu ulec uszkodzeniu. Kontroler dysku ma za zadanie je zidentyfikować i oznaczyć jako niedziałające. Następnie dysk używa komórek rezerwowych, zamiast tych uszkodzonych.

Systemy adaptacyjne

Uszkodzenia na obudowie notebooka zwykle łatwiej przeboleć niż te w zainstalowanym w nim systemie Windows. Te drugie mogą spowolnić jego pracę lub doprowadzić do całkowitej awarii. Dlatego też systemy samooptymalizujące się są często bardziej interesujące niż te samonaprawiające. Pomysł polega na tym, by wyposażyć systemy w częściową inteligencję, która umożliwi im niezależne reagowanie na zmieniające się warunki. Najprostszym przykładem jest funkcja optymalizacji rozruchu zawarta w systemie Windows, która zapisuje najczęściej używane pliki w szybszych obszarach dysku twardego. Pomysły pochodzące ze świata sieci idą jeszcze o krok dalej. Przyjrzyjmy się LTE: zamiast cały czas pokrywać sygnałem całą komórkę radiową, sąsiadujące komórki mogą koncentrować swoje siły na konkretnych obszarach, w których przebywa większa liczba użytkowników. Podstawy systemów adaptacyjnych są przedmiotem wspólnych prac badawczych inżynierów mechaniki, informatyków i matematyków. Dlatego wspólne centrum badawcze na Uniwersytecie w Paderborn opanowały inteligentne maszyny jutra, które mogą się same organizować i koordynować swoje działania.

0
Zamknij

Choć staramy się je ograniczać, wykorzystujemy mechanizmy takie jak ciasteczka, które pozwalają naszym partnerom na śledzenie Twojego zachowania w sieci. Dowiedz się więcej.