Умные материалы 2025: перспективы и возможности для промышленности и инноваций в будущем

roscongress.org

К умным или интеллектуальным можно отнести материалы, которые не только имеют заданный комплекс свойств, но и несут определенные функции, а также способны реагировать на воздействие внешних факторов (адаптироваться), менять свои свойства, такие как форма, плотность, структура, оптические свойства и др. программируемым образом. К таким материалам могут относиться сплавы с эффектом памяти, природоподобные материалы (nature-inspired materials), самовосстанавливающиеся материалы (self-healing materials), материалы с фазовым переходом (PCM) и др.

Актуальность разработок умных материалов обусловлена их потенциалом к трансформации различных отраслей промышленности и стимулированию инноваций. Материалы, способные адаптироваться к внешним условиям и выполнять дополнительные функции помимо традиционных механических свойств, открывают новые горизонты для разработки продуктов и технологий. Они могут реагировать на изменения окружающей среды: температура, давление, влажность и другие факторы и проявлять различные функции в ответ на такие воздействия, что делает их незаменимыми в условиях постоянно меняющихся требований рынка и задач производства.

Значение умных материалов для будущего промышленности и инноваций заключается в их способности повышать эффективность, надёжность и безопасность конструкций, изделий и даже производственных процессов. Они находят применение в аэрокосмической отрасли, медицине, энергетике, строительстве и многих других сферах. Использование умных материалов позволяет создавать более лёгкие, прочные и долговечные конструкции, а также разрабатывать новые продукты с уникальными свойствами. Это, в свою очередь, способствует развитию новых рынков и бизнес-моделей, стимулируя экономический рост и позволяет обеспечить технологическое лидерство страны.

Природоподобные технологии как основа для создания новых материалов и структур

Природа как самоорганизующаяся система, предусмотрела множество функциональных свойств в своих материалах. Живые организмы и природные материалы обладают рядом уникальных характеристик, которые делают их наиболее оптимальными для адаптации к окружающей среде и различным воздействиям. Эти свойства могут быть эффективно заимствованы и применены для создания материалов будущего. В своем выступлении Директор Института машиностроения, материалов и транспорта СПбПУ Анатолий Анатольевич Попович отметил, что в 2025 году термин «Интеллектуальные материалы» актуален в большей степени для природоподобных материалов, а не для традиционных уже сплавов с эффектом памяти. Природоподобные материалы не являются монолитными; они обладают сложной структурой и градиентными свойствами. Это позволяет им эффективно реагировать на изменения окружающей среды, так, например, древесина имеет градиентную структуру, которая обеспечивает ей прочность и гибкость, кости благодаря пористой структуре позволяют выдерживать большие нагрузки при малом весе. Природные материалы зачастую превосходят по характеристикам классические материалы для промышленности, созданные человеком [1]. Классические технологии материаловедения, как правило, создают однородные, монолитные структуры. Однако технические изделия часто сталкиваются с градиентным воздействием, таким как, например, лопатки турбин подвергаются градиентному воздействию температур. Для изготовления подобных изделий материалы градиентной структурой более эффективны.

Интеграция цифровых технологий в традиционное материаловедение

Современное материаловедение не может существовать в отрыве от цифровых технологий. Традиционные однородные сплавы становятся менее востребованными, материаловедение становится более персонализированным под конкретные задачи производства. Интеграция цифровых технологий в традиционное материаловедение открывает новые горизонты для создания материалов будущего [2]. Цифровые аддитивные технологии, такие как 3D-печать, мультипечать позволяют создавать материалы и конструкции со сложной геометрией и уникальными свойствами [3]. Это даёт возможность получить материалы, которые ранее были недоступны для производства с использованием традиционных методов.

Как отметил старший преподаватель Сколтеха Евлашин Станислав Александрович, слоистые материалы с прослойками, выполняющими ту или иную функцию, особенно актуальны в машиностроении, авиастроении, космической промышленности. Наиболее оптимальной технологией для их создания является технология прямого лазерного выращивания, во время которого можно менять состав материала в непрерывном формате.

Материалы будущего — это материалы-конструкции, которые могут быть созданы с применением цифровых технологий. Они могут иметь структуру, максимально приближенную к природным материалам, что позволяет им обладать уникальными свойствами, такими как прочность, лёгкость, устойчивость к внешним воздействиям и т. д.

Цифровые аддитивные технологии, такие как 3D-печать, мультипечать позволяют создавать материалы с градиентной структурой. Это означает, что свойства материала могут изменяться в зависимости от его местоположения в конструкции. Например, можно создать материал, который будет более прочным в одних областях и более гибким в других.

В процессе проектирования материалов будущего конструктор, проектирующий изделие, задаёт необходимые свойства, а материаловед разрабатывает состав и структуру материала, учитывая заданные параметры. Это позволяет создавать материалы, которые идеально подходят для конкретных задач и условий эксплуатации.

Постсанкционный период

Отдельно стоит отметить важность постсанкционного периода, в который мы входим. С началом санкций перед страной встали задачи прежде всего по замещению материалов и изделий. Сейчас перед нами стоят вызовы по достижению лидерства и превосходства в области материалооведения, как отметил Президент Владимир Владимирович Путин «Россия должна предлагать инновационные и конкурентоспособные продукты и иметь „уникальные технологические ключи“, чтобы выпускать продукцию самых высоких стандартов и быть в лидерах научно-технологического развития — именно эта задача сегодня стоит перед страной» [4] https://объясняем.рф/articles/news/vladimir-putin-nuzhno-dobitsya-prevoskhodstva-v-oblasti-khimii-i-...;

Постсанкционное развитие материаловедения имеет критическое значение для укрепления промышленного потенциала и обеспечения технологической независимости страны. В условиях ограничений на импорт передовых материалов и технологий отечественным производителям необходимо не просто создавать конкурентные аналоги, но и стремиться к инновациям, опережая мировые тенденции. Это требует значительных инвестиций в исследования и разработки, а также в подготовку высококвалифицированных специалистов в области материаловедения.

Прогноз развития умных материалов и их влияния на будущее промышленности и инноваций.

• Будущее материаловедения за умными и адаптивными материалами, способными реагировать на внешние условия и изменять свои свойства в зависимости от окружающей среды. Такие материалы открывают новые возможности для создания высокотехнологичных продуктов с уникальными характеристиками, которые могут найти применение в различных отраслях — от медицины до аэрокосмической промышленности. 
• Работая на опережения, делая вложения в науку и разработку новых материалов, отечественные производители смогут не только преодолеть текущие вызовы, но и занять лидирующие позиции на мировом рынке после снятия санкций.
• Материалы будущего будут создаваться с учётом уникальных свойств природных материалов и с использованием цифровых аддитивных технологий
• Материалы будущего будут не просто качественными и обладать определённым набором характеристик, они будут прежде всего функциональными, то есть нести в себе дополнительные возможности и функции: изменять свои физические характеристики в ответ на воздействие температуры или света, или даже интегрироваться с электронными системами для выполнения сложных функций.

Функциональные материалы открывают новые горизонты для инноваций и создания продуктов с уникальными возможностями. Они могут применяться в различных областях, таких как медицина, энергетика, транспорт и строительство, улучшая эффективность и надёжность систем, а также способствуя развитию новых технологий и решений.