(отрывок из главы «NBICS-технологии в медицине» книги профессора Кричевского «NBICS-технологии для Мира и Войны»)

По вопросам приобретения полного текста книги «NBICS-технологии для Мира и Войны» или отдельных глав книги профессора Кричевского

обращаться к автору – Герману Евсеевичу Кричевскому gek20003@gmail.com,

т. 89104150850

Что такое «умный текстиль».

Иллюстрация 1. Умная одежда из умного текстиля уже не фантастика и не симулякр.

В продолжение темы НБИКС-технологий в нашей жизни и в жизни наших потомков следует отметить, что автор – активный разработчик и пользователь в области применения NBICS-технологий в производстве текстиля, одежды и в смежных областях. С этих позиций я постараюсь объективно оценить успехи, проблемы, разочарования на фоне очень больших ожиданий и сомнений общества в практическом использовании NBICS-технологий. В данной главе речь пойдет о реальных достижениях НБИКС-технологий в создании и производстве многофункционального текстиля и так называемой «умной одежды».

Всё в живом и рукотворном мире развивается чередой революционных и эволюционных изменений (технологий в широком смысле). Производство текстиля и изделий из него четко вписывается в эту универсальную парадигму. Если рассмотреть взаимосвязь между технологиями и практическим использованием их результатов, то это схематично можно изобразить в соответствии с принципом «тяни-толкай» (рис. 1).

Иллюстрация 2. Взаимосвязь между технологиями и практическим использованием их результатов.

Эту связь следует рассматривать в двуединстве, которое обеспечивает эффект синергизма (1+1>2) и движет развитие человеческой цивилизации в настоящее время на основе «технологий знаний».

По мнению всех ведущих мировых экспертов 6-й технологический уклад, в который вошли развитые страны и некоторые развивающиеся (Китай, Индия), характеризуется основным научно-техническим ядром – кластером NBIC (нано-, био-, инфо-, когни-) технологиями, конечно, в сочетании с другими традиционными технологиями (например, химическими). Большинство научно-технических достижений конца XX и начала XXI веков обязано синергизму взаимодействия NBIC-технологий. Справедливо к четырем составляющим NBIC-кластера добавляют пятую – социальные технологии, которые являются основной областью использования четырех первых NBIC ↔ Социальные технологии. Очевидно, что любые научно-технологические достижения не самоцель, их область и объект использования – человек с его проблемами/потребностями.

С большими достижениями в области науки и активным внедрением их в различные области техники пришли новые понятия и термины и, прежде всего, термины «умный», «интеллектуальный», «интерактивный», многофункциональный и другие. Эти термины используются широко по отношению к различным продуктам современных технологий: умный дом, автомобиль, текстиль, одежда.

Иллюстрация 3. Умная одежда. Ожидания.

Большинство исследователей, к которым присоединяется и автор, определяют термин «умный» (по отношению к структурным материалам, продуктам, изделиям, в том числе к текстилю и одежде), как те, которые чувствуют и реагируют на изменения внешних условий (стимулов, параметров) разной природы (механических, термических, химических, электрических, магнитных, световых и других).

По возможностям интеллекта вводятся три уровня «умности»:

- пассивный «умный» материал – только чувствует;

- активный «умный» материал – чувствует и реагирует;

- очень «умный» материал – чувствует, реагирует и адаптируется в соответствии внешними изменениями (например, начинает по программе выполнять рекомендации по оказанию первой медицинской помощи).

Первые два уровня достаточно широко используются в армейской, спортивной, диагностической и медицинской одеждах. Третий уровень имеет пока только пилотные решения и над его реализацией работают в развитиях странах, а также в Китае и Индии. Простейшая схема работы Е-текстиля и одежды на его основе показаны на рисунке 1.

Иллюстрапция 4. Схема работы Е-текстиля и одежды на его основе.

Каждой составляющей этой схемы работающего Е-текстиля для интегрирования с изделиями из текстиля, в частности с одеждой, предъявляются специальные требования и в зависимости от степени интеграции различают три уровня.

Иллюстрация 5. Уровни интеграции электроники с текстильными изделиями.

1-ый уровень (самый низкий). Вся электроника прикреплена внешне к текстилю и одежде и не включена в их структуру.

2-ой уровень «Текстроника». Вся электроника более органично встраивается в текстиль. При этом используют две технологии: использование токопроводящих волокон и полимеров (сенсоры, связь, антенна и др.); печать по текстилю токопроводящей композицией. «Текстроник»-технологии и материалы нашли практическое применение для изготовления диагностического медтекстиля («умные» майки).

3-ий уровень «Файбертроник» - самый высокий уровень волокон (новое поколение токопроводящих волокон, токопроводящие покрытия для волокон). В этом направлении ведутся исследования и достигнуты первые успехи.

Иллюстрация 6. Схема функционирования умного текстиля.

Куда ж в умной одежде без нано.

Иллюстрация 7. Умная одежда. Одно из видений.

Что такое «умная одежда», единого представления нет. Всяк ее по своему видит. Мы же будем подразумевать под «умной одеждой» обычную одежду, наделенную необычными свойствами по части реакции на окружающую среду или на физическое и эмоциональное состояние ее владельца в силу своих конструктивных особенностей. «Умная одежда» добавляет предмету гардероба какие-то нехарактерные для одежды свойства, не нарушая ее привычные функции.

Иллюстрация 8. Умная одежда добавляет предмету гардероба какие-то нехарактерные для одежды свойства, не нарушая ее привычные функции.

Такими свойствами могут быть отслеживание состояния здоровья носителя умной одежды, сбор данных об окружающей среде, передача информации на внешний центр обработки данных, самостоятельное исполнение действий по поддержанию здоровья владельца и защите его от неблагоприятных воздействий окружающей среды.

Раскрыть тему умной одежды на основе НБИКС-технологий невозможно в отрыве от технической составляющей, где весомую роль играют нанотехнологии. С их применением производятся как текстиль для умной одежды, так и всевозможные высокотехнологические аксессуары, которые превращают простые штаны в умные шмотки.

Иллюстрация 9. Превращение штанов в умные шмотки.

Бурное обсуждение NBICS-технологий и особенно нанотехнологий началось с принятия в США в 1998 году национальной программы по развитию нанонауки, нанотехнологий и наноиндустрии, утвержденной президентом Клинтоном (NNI). США без всяких оговорок является и сегодня безусловным лидером во всех инновационных технологиях, в том числе NBICS-технологиях. Практически все развитые и развивающиеся страны (Япония, ЕС, Индия, Китай и др.) с небольшим отставанием приняли подобные национальные программы. С нескольким большим опозданием в 2007 году Россия тоже на президентском уровне приняла национальную программу по развитию нанотехнологий, была создана специализированная организация РОСНАНО по этой проблеме с единовременным вложением многих миллиардов рублей.

Иллюстрация 10. Россия тоже на президентском уровне приняла национальную программу по развитию нанотехнологий.

Поскольку нанотехнология, как междисциплинарная область знаний и практик может развиваться только с био, инфо, когнитивными технологиями, то возник научно-технологический кластер NBICS-технологий, определяющий уровень развития мира и стран в XXI веке. Ожидания от внедрения NBICS-технологий в науку, технику, повседневную жизнь человека в конце прошлого века были грандиозными. Общие успехи, безусловно, реально присутствуют и характеризуются не только значительными государственными и внебюджетными ассигнованиями, в некоторых случаях значительно превышающими товарооборот продукции, произведенной по NBICS-технологиям, но и широчайшим фронтом областей использования этих технологий, охватывающих почти все области науки и техники и повседневной жизни человека XXI века.

Однако, эти успехи все же больше на количественном, чем на качественном уровне. Мир под воздействием NBICS-технологий, конечно, изменился существенно, но не до неузнаваемости, как представляли отцы-основатели. Мы хорошо из жизненного опыта знаем, что разочарования – это квадратичная функция очарования. И все же не следует очень разочаровываться. Конечно, успехи имеются, проблем множество, разочарований тоже. Попробуем со всем этим разобраться применительно к производству текстиля, который является неотъемлемой частью умной одежды.

Производство умного текстиля.

Прежде всего стоит отметить, что производство и потребление текстиля в мире не снижается, не смотря ни на какие кризисы, а увеличивается симбатно увеличению народонаселения планеты, равно как и постоянно возрастает роль NBICS-технологий, и особенно нанотехнологий, в производстве всех видов текстиля. Наиболее заметно это в производстве технического, армейского, медицинского, защитного текстиля, значительная часть которого производится с использованием нано, био и информационных технологий, особенно в случае умного, интерактивного, многофункционального текстиля, произведенного уже в 2010 году на 1,13 млрд. долларов. Сейчас эта сумма существенно увеличилась.

Иллюстрация 11. Производство текстиля уже давно само по себе стало «умным» - процесс идет без постоянного участия человека.

В производстве текстиля для умной одежды можно выделить следующие технологии.

- Производство наноразмерных по диаметру волокон по технологии «сверху вниз» расщеплением струи волокнообразующего полимера в электрическом поле. Эта технология реализуется под укоренившемся названием «электроформование» (англ. Electrospinning) и осуществляется на оборудовании различных конструкций и фирм. Технология универсальная по возможности использования волокнообразующих полимеров (природных, искусственных, синтетических). Требование одно – возможность растворения и расплавления полимера без его деструкции. Собственно говоря – это те же требования, что предъявляются к полимерам при производстве химических волокон традиционными фильерными способами. Эти технологии пока еще не вышли на уровень многотоннажного производства из-за своей дороговизны, но набирают обороты. Основная область использования таких нановолокон из полимеров различной природы – медицина, элементы защитной одежды, фильтровальные материалы и другие направления технического текстиля.

Иллюстрация 12. Схема электроформования нановолон. ЭРЖ – электрораспыление жидкости, ЭФВ – электроформирование волокна (электропрядение).

- Производство волокон, наполненных наночастицами различной химической природы, размера и формы. Производят эти волокна по традиционной технологии, вводя наночастицы в раствор или расплав полимера для формования. В зависимости от природы введенных в волокно наночастиц они приобретают новые (электропроводимость, фотоактивность, биоактивность, что-то еще) или улучшенные исходные свойства (механическая прочность). Такие волокна по существу являются композитными, свойства которых зависят от свойств матрицы и нанонаполнителя. Эти технологии еще далеки по объему производства от волокон, производимых по традиционным технологиям. Их производство дорогое и сопряжено с проблемами совместимости наночастиц с матрицей полимера. Возникают проблемы реологии растворов и расплавов при прядении, агрегативной устойчивости прядильных растворов и другие. Эти технологии находятся на стадии совершенствования, удешевления, повышения технологичности. Области применения композитных волокон, наполненных наночастицами обширные: новое поколение сверхлегких, сверхпрочных конструкционных композитов для транспорта всех видов, защитная многофункциональная одежда, спортивный текстиль, медицинский текстиль.

- Генная модификация природных волокон. В США фирма «Монсанта» разработала технологию выращивания генномодифицированного хлопка, обладающего на 30-40% более высокой механической прочностью, чем природный хлопок высокого качества. Широкое распространение этот генномодифицированный хлопок пока не получил, его используют в изделиях из текстиля, к которым предъявляются повышенные требования. Например, к верхней одежде из хлопка, которой придается малосминаемость с помощью сшивающих препаратов. В этом случае теряется до 20% прочности изделия на разрыв и истирание. Генномодифицированный высокопрочный хлопок компенсирует эту потерю.

- Создание генномодифицированного паучьего шелка. В этом направлении биологи изучили геном паучьего шелка и встроили аппарат производства белка идентичного паучьему шелку в ДНК микроорганизмов определенного вида. Этот микробиологический генномодифицированный белок был использован для производства белкового волокна «аля паучий шелк», которое по прочности превосходит все природные и химические волокна и используется в тех областях, где требуются материалы легкие и очень прочные: бронежилеты, спецканаты, имплантаты в медицине. Поскольку стоимость такого волокна очень высокая, то оно пока находит применение в очень ограниченном объеме.

- Получение волокна на основе полимолочной кислоты. Полилактидное волокно создают по сложной технологии, состоящей из биотехнологической фазы и последующей традиционной химической технологии. Сначала из природных материалов, содержащих полисахариды (кукуруза, картофель), получают глюкозу и молочную кислоту путем кисломолочного брожения. Затем из нее получают лактид, потом полилактид. Из последнего по традиционной химической технологии получают полилактидное волокно. Оно по химическому строению является полиэфиром. Из всех видов волокон, полученных по нано и биотехнологиям, полилактидное волокно заняло небольшое (на уровне нескольких процентов) место среди волокон нового поколения и используется, прежде всего, в медицине (имплантаты).

Иллюстрация 13. Нановолокна широко используют во многих видах композиционных материалов.

Без волокон невозможно произвести ни один вид текстиля (ткань, трикотаж, нетканые материалы). Но традиционные и нановолокна также широко используют во многих видах композиционных материалов, где в качестве матрицы используют широкий круг полимеров, а наполнителями выступают различные виды материалов в измельченной форме (от микро до наноразмеров), как природные, так и синтетические. Введение в матрицу наноразмерных добавок обеспечивает большую прочность композитов за счет существенного увеличения внешней поверхности, что приводит к большей возможности проявления межмолекулярных сил сцепления между частицами наполнителя и макромолекулами матрицы. Производство композитов в мире является одним из наиболее динамично развивающихся видов материалов. Развитие этого направления материаловедения потянет, и уже тянет, как локомотив, химию и физику полимеров, технологии создания материалов с заранее заданными свойствами, нанотехнологии в сфере производства наполнителей для композитов, поиск новых наночастиц для композитных материалов.

Практическое применение нанокомпозиты, в рамках темы данной главы, находят в области производства умной одежды с уклоном ее в сторону защитных функций для работников силовых структур, спасателей, пожарных, медперсонала, а также спортсменов, туристов и прочих экстремалов. В зависимости от области применения защитных функций умной одежды набор свойств, которыми она должна обладать, может отличаться. В частности для медицинского текстиля применяемого в умной одежде одним из нужных свойств является диагностика состояния организма и возможность оказания первой медицинской помощи, в том числе и дистанционно. Для армейской умной одежды основные функции: защита от обнаружения людей и техники в дневное и ночное время; защита от вредных токсичных веществ в твердой, жидкой и газообрзаной форме; защита от различных видов радиации и радиоактивных частиц; упреждающая защита от пуль, осколков снарядов, взрывной волны. Для туристов и экстремалов умная одежда, помимо защиты от неблагоприятных условий внешней среду, должна обеспечивать коммуникацию с внешним миром. Одними из общих требований к защитной одежде являются водостойкость, огнестойкость, антимикробность.

Придание всех этих свойств защитному текстилю и умной одежде достигается комбинацией NBICS-технологий вкупе с традиционными технологиями производства текстиля. Разберем последовательно принципы придание перечисленных свойств текстилю и одежде.