Умная кожа и спасенный мусор: из чего будет сделано наше будущее

Экологический кризис напомнил нам о том, что не существует пассивной и вечной материи. Все организмы и вещи так или иначе претерпевают изменения под воздействием среды и климата — становятся крепче, стареют, ломаются, портятся, превращаются в убежища для других живых созданий. И даже по истечении «срока годности» здания, предметы и существа не исчезают бесследно, а проходят через материальную трансформацию и разложение. Вместо того чтобы следовать принципу «с глаз долой — проблемы больше нет», бизнес и наука начинают иначе смотреть на материальную культуру и то, что мы привыкли считать бесполезным мусором.

Теоретики предлагают присмотреться к идеям безотходного производства и циклической экономики. Практики же экспериментируют с веществами и сенсорами, реагирующими на изменения в окружающей среде. Ведь даже самые небольшие отклонения от нормы в состоянии объектов и организмов могут свидетельствовать о надвигающихся макрособытиях. Если проявлять внимательность к подобным сдвигам на микроуровне, то прогнозировать глобальные процессы будет проще. Поэтому ученые сейчас активно разрабатывают и изучают живые технологии. В одних случаях речь идет об имитации естественных процессов организмов с помощью современных технологий, в других — о гибридизации органических и неорганических элементов или редактировании природных материалов.

Читайте предыдущие тексты серии:

Эра пластицена: как пластик захватил нашу планету

Кольчуга для ракеты и умная пена: 7 суперматериалов, благодаря которым человечество может летать

Программируемые материалы

За счет миниатюризации электронных технологий сегодня инженеры могут создавать гибкие, легкие гаджеты, умный текстиль и даже искусственную кожу. Электронная кожа больше всего востребована в медицине — с ее помощью людям с протезами и пересаженными тканями возвращают чувствительность. Некоторые разработки позволяют достичь и более впечатляющих результатов: например, органическая электроника, придуманная инженерами из Стэнфордского университета, в тысячу раз чувствительнее человеческого эпидермиса. Такая технология наверняка найдет применение в хирургии: она поможет гораздо точнее контролировать инструменты и проводить операции с минимальным повреждением тканей. В умную кожу можно встроить и ряд других полезных качеств, например распознавание токсичных газов и защиту от ультрафиолетовых лучей. «Мягкую» электронику охотно тестируют в восстановительной терапии, где ее используют для тренировки поврежденных мышц и тканей.

Экспериментируя с портативными устройствами, ученые не забывают и об экологии. В 2020 году исследователи из Университета Колорадо представили прототип новой электронной кожи, которая пригодна для переработки. Как и человеческая, она обладает способностью к самозаживлению. Материал состоит из двух слоев тонкой пленки полиимина (органический полимер), между которыми расположена сеть проводов из жидкого металла. Гаджет чуть толще медицинского пластыря. Он не теряет прочности и функциональности, даже если его гнуть и растягивать во всех направлениях. Устройство может измерять температуру тела и считать шаги своего владельца. Также умная кожа умеет быстро восстанавливаться: если соединить края разорванного фрагмента, отверстие затянется примерно за 13 минут. Пока у прототипа только один недостаток: его нужно регулярно подзаряжать от сети. Впрочем, исследователи продолжают работу над устройством и в будущем планируют избавить его от необходимости во внешнем питании.

Программируемые материалы отличает общий производственный принцип: инженеры учитывают способность исходного вещества реагировать на меняющиеся условия и придумывают, как это можно использовать на благо пользователю. При этом электроника задействуется далеко не всегда.

По словам инженера-материаловеда из MIT Скайлара Тиббитса, любое вещество умеет каким-либо образом реагировать на приложенную силу. Экспертам остается только понять, как активировать такое качество. Триггерами могут быть температура, влажность, давление, вибрация или электричество. К примеру, древесина расширяется при контакте с жидкостью. Этим свойством давно пользуются в добывающей промышленности: помещая толстое бревно в щель между камнями, а затем поливая его водой, шахтеры разламывают горные породы.

Чтобы точнее контролировать свойства материала, нужно изучить его структуру. В случае с деревом направление волокна определяет, как доска будет трансформироваться из-за влажности. Выкладывая из стружек и пластика желаемый контур, Тиббитс и его коллеги научились искусственно задавать текстуру древесины. Когда форма задана, объект поливают водой, чтобы активизировать его трансформацию. Помимо древесины инженеры из MIT сумели «приручить» кожу и углеродные волокна.

Команда Тиббитса также занимается разработкой совершенно новых материалов. Один из них устроен по аналогии с человеческой кожей. Он расширяется и сжимается в зависимости от температуры воздуха. В холодную погоду одежда из такой ткани будет плотно прилегать, защищая от мороза и ветра, в жаркие дни, напротив, станет слегка растянутой, обеспечивая приток воздуха к телу.

Используя похожую технологию, в 2015 году ученые спроектировали ботинок-трансформер, который самостоятельно раскладывается, как только его достают из тоненькой, почти плоской упаковки. Если обычные кроссовки состоят из десятков, а то и сотен разных материалов, то обувь Тиббитcа и его коллег монолитна. Это ее главное преимущество, позволяющее значительно упростить процесс производства и последующей переработки изношенной пары.

Сейчас исследователи работают над ортодонтическими конструкциями, сделанными по индивидуальным меркам. В будущем, получив снимок челюсти пациента с помощью 3D-сканирования, врачи смогут создавать пластинки, которые не только не потребуют бесконечных примерок и замены проволоки, но и будут корректировать прикус без внешнего вмешательства.

Живые технологии

Прибегать к сложному программированию имеет смысл не всегда. Иногда проще воспользоваться полезными умениями живых организмов. Руководствуясь такой логикой, другая команда инженеров из MIT совместно с коллегами из Имперского колледжа Лондона придумала, как создать умный материал на основе бактерий и дрожжей. Полученная целлюлоза богата энзимами и подойдет для выявления токсичных соединений в атмосфере или для очистки воды. Варьируя используемые культуры, материалу можно задавать различные функции. На выращивание такого природного сенсора уйдет всего несколько дней. У технологии есть еще одно важное достоинство: чтобы ей овладеть, не нужен диплом престижного вуза и глубокие познания в химии. Создать гибридный материал вполне реально и в домашних условиях. Для этого понадобятся ванная, чай с сахаром и немного терпения.

Живые технологии постепенно внедряются в дизайн и строительство. Как и в случае с программируемыми материалами, ученые ценят их за реакцию на внешние раздражители и способность к трансформации.

Одна из недавних разработок в этой сфере — экологичный бетон на основе цианобактерий, придуманный исследователями из Колорадского университета в Боулдере в 2020 году. Если при производстве обычного бетона в атмосферу выделяется большое количество углекислого газа, то материал, созданный Уилом Срубаром и его коллегами, напротив, поглощает CO₂. Таким образом бактерии питаются и растут, придавая строительным блокам буквально цветущий вид.

Назад, к природе

Из-за урона, который наносят природе синтетические полимеры, материаловеды и дизайнеры начинают снова интересоваться натуральными материалами, в частности пластиками. В качестве исходного сырья в ход часто идут различные овощи и растения. Например, дизайнеры из Crafting Plastics Studio в 2018 году представили биоматериал из крахмала, сахара и пищевого масла. Биопластик, названный нуатаном, стал результатом шестилетней исследовательской работы. Он представляет собой гибрид двух натуральных полимеров из крахмала. Изобретатели утверждают, что этот материал выдерживает температуру до 100 °C и способен прослужить до 15 лет. Нуатан — вещество биоразлагаемое и абсолютно безвредное для животных и людей.

Однако далеко не все биопластики хороши для природы, отмечает инженер-эколог Дженна Джамбек. Важно не только учитывать, что происходит с материалом, когда его продуктовая жизнь подходит к концу, но и понимать полный цикл производства. Как выращивали или добывали сырье? Сколько ушло ресурсов на его обработку? Насколько сложна логистика на производстве? Все эти нюансы составляют «биографию» материала и определяют, насколько он безопасен для экосистемы.

Даже если вещество давно известно, современные технологии позволяют отредактировать и усовершенствовать его. В частности, таким подходом воспользовались исследователи из Университета Мэриленда, которым недавно удалось получить прозрачную древесину. В своем эксперименте ученые преследовали не столько эстетические, сколько вполне практические цели: дерево гораздо прочнее и легче стекла, поэтому оно могло бы стать более выгодным строительным материалом. Похожие эксперименты проводились в течение нескольких лет. Другие исследовательские команды в основном добивались нужного результата, удаляя из древесины лигнин (природный полимер). Это длительный процесс, в результате которого получается много жидких отходов, а само дерево становится более хрупким. В новом же материале большая часть лигнина сохранена, извлечены только молекулы, отвечающие за формирование цвета. Благодаря такому подходу древесина вышла в 50 раз крепче, чем при стандартном процессе обесцвечивания. Она также способна пропускать до 90% солнечного света, обеспечивая при этом более надежную теплоизоляцию по сравнению со стеклом. Исследователи полагают, что новый материал можно использовать для окон и крыш.

Методика редактирования натуральных компонентов привлекает и медиков.

Так, в Германии из белков паучьего шелка научились делать антиинфекционный наноматериал. Полученное вещество предотвращает вторжение бактерий и грибов, а также помогает запустить восстановительные процессы в тканях.

По мнению экспертов, такой биоматериал будет актуален для производства имплантов, протезов, контактных линз и бинтов.

С природными веществами экспериментировать можно и дома. Исследователи из финского университета Аалто даже собрали специальную книгу с рецептами, которые может протестировать любой желающий. Авторы издания подчеркивают просветительскую миссию проекта: современному человеку не хватает знаний о том, откуда берутся материалы и каков их жизненный цикл. DIY-подход стимулирует интерес к этой теме и помогает на практике ощутить важность циклической экономики. Книга является результатом почти десятилетнего сотрудничества специалистов по двум направлениям — химической инженерии и дизайну. Помимо инструкций по изготовлению биоматериалов, читатели найдут в ней советы по обустройству домашней лаборатории и статьи, рассказывающие о свойствах различных компонентов.

Отходы как строительный материал

Циклическая экономика, на которую делает ставку большинство сторонников осознанного потребления и зеленого образа жизни, предполагает безотходное производство или хотя бы переработку отходов. Если придерживаться такой модели, дизайнерам, инженерам и архитекторам стоит изначально учитывать возможность многократной реинкарнации материалов и предметов.

Пока же новая реальность не наступила, ученые придумывают, как превратить накопившийся на планете мусор в строительный ресурс. Один из способов изобрели в немецкой студии Elegant Embellishments: дизайнеры создают из биоугля панели для зданий. Биоуголь — это побочный продукт, который получается при сгорании древесины и других органических веществ. Панели из такого материала, по сути, на 90% состоят из углекислого газа, то есть, в отличие от других строительных компонентов, они не производят вредное соединение, а вбирают его в себя.

Другой безопасной альтернативой привычным бетону и цементу может стать жидкий гранит. Этот материал также производится из отходов. Он достаточно легкий, но способен выдержать тот же вес, что и бетон. Кроме того, жидкий гранит не плавится при высокой температуре (до 1100 °C).

Тем временем австралийские ученые решили перерабатывать сельскохозяйственные отходы. По их оценкам, аграрная индустрия ежегодно производит миллионы тонн мусорной биомассы. Этот материал вполне подходит для повторного использования. Проведя ряд исследований и тестов, материаловеды предложили добавлять биоотходы от виноделия в ДСП — так получаются надежные и дешевые доски.

В строительстве экспериментируют и с переработанным пластиком. По словам материаловеда Сибеле Цестари, технически любой пластик можно повторно использовать. Другое дело, что пока технологии не совершенны и не рентабельны. Сама Цестари с 2009 года занимается исследованиями синтетических полимеров. Ее команда тестирует различные смеси на основе отходов из пластика. Ученые добавляют частицы только что синтезированных полимеров, пеньку, глину, опилки или бетон, варьируют пропорции добавок и исходного вещества в поисках идеального состава.

Несмотря на то что до широкого внедрения строительных материалов из вторсырья еще далеко, в разных точках мира уже начинают появляться первые сооружения из переработанного пластика. Одно из них в 2020 году представила студия Daydreamers Design, базирующаяся в Гонконге. Павильон, вдохновленный традиционной китайской архитектурой, был построен к ежегодному осеннему фестивалю. Башня, достигающая шести метров в высоту, сконструирована из красных, оранжевых и желтых блоков, которые напоминают обычные кирпичи. На сегодняшний день в Гонконге это самое крупное сооружение из переработанных материалов.

Существует еще одна область применения отходов из пластика: их можно использовать вместо битума при асфальтировании дорог. Такой гибрид окрестили пласфальтом. При грамотной подготовке компонентов пласфальт по прочности способен превзойти асфальт.

Наука x природа

Если позволить себе вольное обобщение, то можно выделить одно существенное отличие в подходе сегодняшних материаловедов. В ХХ столетии исследователи стремились обойти природу, заменить «несовершенную» естественную материю на почти безупречные технологии.

Сейчас же изобретатели скорее предпочитают создавать «вместе с природой» и думать не только о научно-техническом прогрессе, но и о том, как не нарушить хрупкое равновесие существующих экосистем.

Добиваться более чуткого и разностороннего подхода, не пренебрегая достижениями великих ученых прошлого, материаловедению позволяет его междисциплинарная сущность. Специалисты по работе с материалами должны хорошо ориентироваться в металлургии, физике и химии, а также неплохо разбираться в информационных технологиях. Большая часть времени материаловеда уходит на исследования, но его присутствие также необходимо на всех этапах производства нового материала, начиная с отбора сырья до тестирования финального продукта.

Изобретение новых веществ сегодня начинается не в лаборатории, а на лэптопе.

Специальные программы и цифровые архивы помогают исследователям заранее выявить полезные свойства компонентов и предугадать вероятные сложности в обращении с материалом. Не последнюю роль в материаловедении играют распределенные вычисления и программы с открытым кодом. Благодаря компьютерному моделированию ученые экономят свое драгоценное время, а инвесторы — деньги.

Учитывая гибридную природу дисциплины, крупнейшие открытия в этой области не сделать без помощи коллег. К счастью, интернет позволяет ученым взаимодействовать на расстоянии и оперативно узнавать о последних изобретениях и новейших инструментах. The Materials Project — одна из удобных онлайн-инициатив, позволяющих ученым делиться информацией с коллегами и ускорять собственные исследования. Пользователи проекта получают доступ к международной базе данных существующих и гипотетических материалов, а также к инструментам для быстрых и точных вычислений. Количество участников сообщества быстро растет: каждый день к платформе присоединяются по 50–100 новичков. The Materials Project — лишь один из примеров современного междисциплинарного сотрудничества. Подобные инициативы демонстрируют, что движущей силой науки XXI века становится не конкуренция, а кооперация.