"Функциональные материалы: новые идеи, новые методы"

Предисловие к 2х-томнику

Эта книга задумывалась как двухтомная. Она посвящена обобщению результатов 20-летнего труда коллектива авторов в области исследований магнитных и немагнитных твердотельных материалов, демонстрирующих фазовые переходы. Книга включает аналитический обзор и содержит критический анализ обширной современной литературы в области создания, изучения и применений этих материалов. 

Первый том посвящен, в основном, магнитным материалам: металлам, интерметаллидам, соединениям металлов с неметаллами, в которых магнитные, структурные и магнитоструктурные фазовые переходы сопровождаются резким и «гигантским» изменением свойств, в частности формы и энтропии. В последние десятилетия к ним привлечено все возрастающее внимание исследователей. В мировой литературе высказаны идеи применения таких функциональных материалов для создания принципиально новой технологии устройств альтернативной энергетики: холодильников и тепловых насосов для широких применений. Новые холодильники и тепловые насосы должны превосходить традиционные устройства на основе жидких и газообразных активных тел. Привлекает как экологичность твердотельных материалов, в сочетании с присущими твердотельным материалам технологичностью, миниатюрностью, долговечностью, так и ожидания достижения в твердотельных холодильниках и тепловых насосах значений эффективности близких к фундаментальным пределам. Фундаментальные пределы, как известно из теоремы Карно, достижимы только в обратимых термодинамических процессах. Предполагается, что с твердотельным рабочим телом обратимость будет выше.

В первом томе рассмотрены как новые прямые экспериментальные методы исследования магнитокалорического эффекта, сопровождающего фазовые переходы в функциональных материалах, так и теоретические методы его описания. Критический анализ литературы направлен на то, чтобы выявить причины, по которым, несмотря на усилия последних лет, пока не созданы конкурентоспособные с традиционными магнитные холодильники. Кроме выяснения возникших проблем в обзоре указываются пути их преодоления.

Второй том посвящен исследованию фазовых превращений в интерметаллических сплавах на основе титана и никеля, демонстрирующих эффект гигантского изменения формы под действием тепла и внешних полей. Наибольшее внимание уделено проявлению термоупругого мартенситного перехода на микро- и наноуровне размеров материала. Описаны эксперименты авторов по исследованию эффекта памяти формы на микро- и наноуровне размеров и практическому применению нанопинцетов с эффектом памяти формы, выполненных из композитов на основе сплава Ti2NiCu с покрытием из платины. Показано применение этих наноустройств для манипулирования реальными микро- и нанообъектами: углеродными нанотрубками, нановискерами, биологическими наночастицами и т.д. В принципиальном плане затронуты вопросы предельно достижимой удельной мощности, КПД, быстродействия, миниатюрности инструментов и моторов на основе эффекта памяти формы в функциональных сплавах.

Несмотря на широкий круг затронутых вопросов, двухтомник посвящен одной цели: ввести читателя в круг современных идей, которые широко раздвигают горизонты техники за счет ярких физических эффектов в твердотельных материалах с фазовыми переходами. По мнению авторов, в будущем возможно объединение в единую систему устройств, работающих на основе идеи «теплой» энергетики с эффективностью процесса, близкой к фундаментальным ограничениям, установленным теоремой Карно, с устройствами, работающими по принципам механических устройств на основе сплавов с эффектом памяти формы. Это даст возможность создания систем, для которых почти не будет ограничений по миниатюрности. Кроме того раскроет перед технологией недостижимые прежде горизонты высокого КПД, удельной мощности, универсальности для самых различных систем от альтернативной энергетики до робототехники, медицины и транспорта.
В последние годы за рубежом издается много книг, посвященных различным проблемам, связанным с твердотельными функциональными материалами и их применениями, например [1-8]. Однако, на русском языке подобных книг издается мало (см. [9-15]) и, кроме того, в англоязычных изданиях недостаточно отражены результаты отечественных авторов.

Авторы настоящего издания выражают надежду на то, что новая книга заинтересует широкий круг читателей. Специалисты в области материаловедения, синтезирующие новые сплавы и соединения смогут узнать о захватывающих перспективах и серьезных проблемах на пути широкого применения новых функциональных материалов. Специалисты в области материалов с эффектом памяти формы, которые традиционно относят к механике, освоят подходы к магнитному управлению формой материала и нанотехнологические приемы изготовления инструментов с эффектом памяти формы с рекордно малыми размерами – микронного и нанометрового масштаба. Магнитологи получат информацию о совершенно новых классах магнитных функциональных материалов со структурными фазовыми переходами и методах исследования необычно сильных эффектов изменения формы и энтропии под действием магнитного поля и механического напряжения. Студенты и аспиранты, выбирающие область будущих исследований, смогут легче ориентироваться в основополагающих понятиях всех этих дисциплин.

Авторы попытались не только сделать более доступным изложение самых сложных современных теоретических и экспериментальных методов и идей, но и привлечь читателей к процессу исследований.  Молодежная аудитория, далеко не последняя по значению, может приобрести на сайте www.nanophys.ru мультимедийный «трехтомный» вариант настоящей книги: подарочное издание с дополнением в виде компакт диска, на котором записаны электронный текст книги и видеоматериалы. Каждая глава в тексте книги снабжена задачами, которые помогут студентам активно осваивать материал. Среди задач есть и серьезные физические эксперименты, которые пытливые читатели смогут поставить самостоятельно в домашней, школьной или институтской лаборатории. Для этого в подарочном наборе имеется набор экспериментальных образцов функциональных сплавов с эффектом памяти формы и подробная инструкция, как самостоятельно осуществить ряд увлекательных экспериментов с «интеллектуальными» сплавами TiNi и Ti2NiCu. До своего издания, книга и описанные эксперименты были использованы в программе НИТУ «МИСИС» для формирования курсов «Новые функциональные материалы» и «Устройства микросистемной техники с эффектом памяти формы».