Тоньше человеческого волоса: российские учёные создали магнитные микропровода для умных материалов
Разработка российских материаловедов из НИТУ МИСИС открывает путь к созданию принципиально нового класса «умных» имплантатов и конструкций, способных самостоятельно сообщать о своем износе или повреждении без прямого контакта с измерительной аппаратурой. Речь идет об ультратонких аморфных микропроводах, которые меняют свои магнитные свойства под нагрузкой, позволяя врачам или инженерам дистанционно оценивать состояние объекта в режиме реального времени.
Микропровода тоньше волоса: как это работает
В основе технологии лежат аморфные ферромагнитные сплавы на основе железа, кобальта, кремния, бора и хрома. Диаметр готового проводника, заключенного в стеклянную оболочку, составляет всего 30 микрометров — это меньше толщины человеческого волоса (около 40 мкм). Подобная миниатюризация и уникальная структура материала обеспечивают высокую чувствительность к внешним воздействиям.
Принцип действия основан на эффекте генерации дополнительных частот в электрическом сигнале под воздействием магнитного поля. Когда провод подвергается механической деформации — растяжению или сжатию — его внутренняя намагниченность меняется. Как пояснил доцент кафедры технологии материалов электроники НИТУ МИСИС Николай Юданов, при растяжении провода энергия, определяющая направление намагничивания, уменьшается. Это приводит к тому, что сигнал напряжения теряет высокие частоты и становится шире. Характер этих изменений уникален для каждого типа деформации, что и позволяет использовать микропровод в качестве высокоточного сенсора.
Бесконтактный сбор данных и новые возможности
Авторы исследования не ограничились созданием чувствительного элемента. Они также разработали систему бесконтактного съема информации, состоящую из плоских магнитных катушек. Эта система способна дистанционно перемагничивать провод и считывать генерируемый им сигнал. Такой подход исключает необходимость в физическом подключении датчика, что критически важно для мониторинга подвижных или труднодоступных узлов, а также для встраивания в биологические ткани.
Благодаря своей прочности, коррозионной стойкости и биосовместимости, аморфные сплавы идеально подходят для создания «умных» композитных материалов. Деформацию или повреждение такого материала можно будет отслеживать удаленно, не прибегая к визуальному осмотру или разрушающему контролю.
Особый интерес представляет перспектива использования технологии в медицине. В теории, микропровода могут стать элементом «умных» имплантатов, состояние которых врач сможет проверять без хирургического вмешательства. Перед внедрением в клиническую практику предстоит детально изучить поведение проводников в условиях работы магнитно-резонансной томографии (МРТ). Однако, как отмечают ученые, из-за крайне малого диаметра проводков теоретические расчеты не выявляют препятствий для их безопасного применения.
Первые образцы микропроводов и система считывания уже созданы. Исследователи подчеркивают, что их разработка не только тоньше, но и значительно дешевле существующих зарубежных аналогов, что делает технологию привлекательной для массового внедрения.
Еще несколько лет назад создание датчиков, способных работать в агрессивных средах или внутри живого организма без источника питания и проводов, казалось футуристической задачей. Современные достижения в области физики конденсированного состояния и материаловедения позволили перевести эту задачу в практическую плоскость. Разработка НИТУ МИСИС является прямым продолжением работ по созданию аморфных сплавов, которые начались еще в середине XX века, но только сейчас обретают конкретные инженерные формы.
Предложенная технология способна изменить подходы к промышленной безопасности и медицине. В строительстве такие сенсоры могут быть интегрированы в несущие конструкции мостов и высотных зданий для раннего обнаружения усталостных трещин. В авиации и космонавтике — для мониторинга целостности фюзеляжа и крыльев в полете. Однако наибольший социальный эффект ожидается в ортопедии и кардиохирургии, где возможность неинвазивного контроля за состоянием эндопротезов или стентов может кардинально снизить риски послеоперационных осложнений и продлить срок службы имплантатов.
