ТРИЗ: Прием «Пористые материалы»

Приём «Пористые материалы» — тридцать первый из 40 изобретательских приёмов ТРИЗ (в англоязычной литературе — Porous Materials). Классическая формулировка Г. Альтшуллера состоит из двух пунктов: а) сделать объект пористым или использовать дополнительные пористые элементы (вставки, покрытия); б) если объект уже пористый, заранее заполнить поры каким-то веществом. Смысл: пустоты внутри материала — это ресурс. Они уменьшают массу и теплопроводность, гасят звук и вибрацию, пропускают одни вещества и задерживают другие, а также могут хранить и постепенно отдавать полезное вещество. Приём входит в фонд, из которого выбирают решения для технических противоречий, и указан в ячейках матрицы Альтшуллера.

Происхождение и исследовательская база

Фонд из 40 приёмов Альтшуллер выделил из анализа большого массива патентных описаний; по распространённой оценке, к концу 1960-х он изучил порядка 40 тысяч авторских свидетельств и патентов. Приём №31 относится к «материальным» приёмам, вместе с приёмами «Композиционные материалы» и «Однородность»: он меняет не форму и не режим работы, а внутреннюю структуру вещества. В учебных изложениях его иллюстрируют такими примерами: пористый подшипник, пропитанный маслом, который смазывает себя сам без внешней подачи смазки; пористая вставка, из которой испаряется охлаждающая жидкость; пористая стенка, через которую подаётся вещество. Эти примеры — учебные иллюстрации; ниже разобраны задокументированные случаи.

Логика приёма двойная. Первый пункт использует пустоту как свойство: пористое тело легче, лучше изолирует, лучше фильтрует, больше по поверхности. Второй пункт использует пустоту как ёмкость: поры — миниатюрные резервуары, которые можно заранее наполнить смазкой, лекарством, катализатором или реагентом, чтобы они выделялись постепенно и там, где нужно. Оба пункта соотносятся с законом перехода на микроуровень: свойства материала определяются структурой на малом масштабе (см. закон перехода на микроуровень).

Документированные кейсы

Кейс 1. Мембрана GORE-TEX (1969): поры, пропускающие пар и не пропускающие воду

Противоречие одежды для непогоды: сплошная водонепроницаемая ткань не даёт воде снаружи проникнуть внутрь, но и не выпускает пот; дышащая ткань пропускает пар, но промокает. Решение — микропористая мембрана, у которой поры настолько малы, что капли воды снаружи не проходят, а молекулы водяного пара, выделяемого телом, проходят свободно. Мембрану создал Роберт (Боб) Гор: по данным справок компании W. L. Gore & Associates и историческим обзорам, в 1969 году он резко растянул нагретые стержни политетрафторэтилена (ПТФЭ), и материал неожиданно вытянулся примерно на 800 %, образовав микропористую структуру (вспененный ПТФЭ, ePTFE), которая по описаниям почти на 70 % состоит из воздуха. Коммерческие продажи водонепроницаемой, ветрозащитной и «дышащей» ткани GORE-TEX начались, по тем же источникам, через несколько лет — во второй половине 1970-х.

Это пункт а): материал сделан пористым, причём размер пор подобран под функцию — быть больше молекулы пара и меньше капли воды. Здесь видно, что важна не пористость вообще, а её параметры: размер, форма, доля пустот и связность пор. Оговорки: слова «дышит» и «водонепроницаем» описывают лабораторные испытания и зависят от загрязнения (жир, соль, моющие средства ухудшают работу мембраны), швов и условий; вокруг мембран, содержащих фторполимеры, идёт и экологическая дискуссия. Характеристики пор и цифры приводятся по материалам производителя и не заменяют независимых испытаний.

Кейс 2. Аэрогели: материал, состоящий в основном из пор (Кистлер, 1931)

Аэрогель — материал, в котором жидкость внутри геля заменена газом с сохранением структуры. По историческим справкам, американский химик Сэмюэл Стивенс Кистлер в 1931 году показал, как заменить жидкость в геле газом без усадки, и опубликовал первую работу об аэрогелях в журнале Nature; способ получения он запатентовал 21 сентября 1937 года. Получился твёрдый материал с очень высокой долей пор, малой плотностью и очень низкой теплопроводностью. Эти свойства сделали аэрогели востребованными в теплоизоляции; известно и применение кремниевого аэрогеля на космическом аппарате NASA Stardust, запущенном в 1999 году: им ловили частицы кометы Вильда 2 в полёте, потому что пористая структура мягко тормозит и сохраняет хрупкие частицы.

Здесь приём применён в предельной форме: свойства материала определены его пустотой. Оговорки: коммерческое использование аэрогелей десятилетиями сдерживали высокая цена и хрупкость; сегодня выпускаются армированные аэрогелевые маты и покрытия, но стоимость остаётся заметным фактором. Пористость даёт теплоизоляцию и лёгкость, но ухудшает механическую прочность и может собирать влагу и загрязнения, если поры открыты. Как и в первом кейсе, нужны параметры, а не только идея «сделать пористым».

Пористость — не свойство «вообще», а набор параметров: доля пустот, размер пор, их форма и связность. Выигрыш даёт правильный набор параметров, подобранный под функцию.

Ключевые идеи и принципы

1. Пункт а): сделать объект пористым или добавить пористый элемент

   Ищите места, где мешает масса, теплопроводность, шум, вибрация, потребность в фильтрации или большой поверхности. Вопросы: что даст пустота внутри материала — лёгкость, изоляцию, демпфирование, проницаемость по выбору? Можно ли не менять весь объект, а вставить пористый элемент — прокладку, фильтр, покрытие, фитиль? Какие размеры пор нужны для функции?

2. Пункт б): заранее заполнить поры полезным веществом

   Если объект уже пористый, ищите вещество, которое стоит заранее заложить в поры: смазку (самосмазывающиеся подшипники), лекарство (пористые носители для постепенного высвобождения), катализатор, пигмент, ароматизатор, охлаждающую жидкость. Вопросы: что нужно доставлять к месту работы постепенно и без внешней подачи? Как поры удерживают вещество и как оно выходит — под нагрузкой, при нагреве, при контакте?

3. Принцип: параметры пор определяют функцию

   Мембрана GORE-TEX работает, потому что поры меньше капли воды и больше молекулы пара; теплоизолирующий аэрогель — потому что поры мелкие и замкнутые для конвекции. Для любой задачи заранее сформулируйте, какие вещества должны проходить, какие задерживаться, какую массу и прочность нужно сохранить.

4. Принцип: пустота платит прочностью и чистотой

   Пористые материалы, как правило, менее прочны, чем плотные, а открытые поры собирают загрязнения и влагу. Поэтому применение приёма нужно сочетать с проверкой нагрузок, срока службы и условий эксплуатации; для критичных узлов рассматривают композиции (пористый слой внутри, плотный снаружи).

5. Принцип: как применять приём к задачам организации

   В организациях приём — метафора. Пористость — это допустимые «зазоры» в структуре: свободная ёмкость в графиках, резервы времени, буферы мощности, неформальные каналы; они гасят колебания нагрузки, как пористая стенка гасит удар. «Заполнение пор» — заранее заложенные в буферы полезные задачи: обучение и улучшения на случай простоя. Проницаемая граница между командами: информация проходит, а лишняя нагрузка задерживается. Вопросы для работы: где система слишком плотная и хрупкая? Где нужен фильтр — что пропускать, а что нет? Что заранее заложить в резервные окна? Аналогия не доказывает пользу: любое изменение проверяют пилотом.

6. Принцип: как оценивать пользу применения приёма

   Заранее выберите метрики. Категории устойчивы: масса и плотность; теплопроводность, звукопоглощение, демпфирование; проницаемость и селективность (что проходит и что задерживается); ресурс и износ при нагрузке; накопление загрязнений и влаги; расход и равномерность выделения вещества из пор; стоимость единицы изделия. Если масса упала, а срок службы и прочность упали сильнее допустимого, параметры пор подобраны неудачно.

Ограничения, слепые зоны и критика

Типовые ошибки

1. Ошибка 1: «делают пористым» без параметров.

   Пористость не привязана к функции: поры не того размера, не той связности, доля пустот случайная — и свойства не получаются.

   Как избежать

   формулировать, что должно проходить и что задерживаться, и подбирать размер, долю и связность пор под эти условия.

2. Ошибка 2: не учитывают потерю прочности.

   Пористый элемент ставят в нагруженный узел, и он разрушается или быстро изнашивается.

   Как избежать

   проверять нагрузки и ресурс, при необходимости комбинировать пористый слой с плотным каркасом.

3. Ошибка 3: не думают о загрязнении и старении.

   Поры забиваются, набирают влагу или теряют вещество, и свойства «уплывают» со временем.

   Как избежать

   испытывать материал в реальных условиях и закладывать очистку, замену или защитный слой.

4. Ошибка 4: заполняют поры без контроля высвобождения.

   Смазка или лекарство выходят слишком быстро или не выходят вовсе, потому что не рассчитан механизм выделения.

   Как избежать

   определять, что запускает высвобождение (нагрев, нагрузка, контакт), и проверять скорость на образцах.

5. Ошибка 5: копируют организационные «буферы» без цели.

   В организации создают резервы и зазоры, но не задают, для чего они нужны, и получают простой вместо устойчивости.

   Как избежать

   связывать каждый буфер с конкретным колебанием, которое он гасит, и заранее заполнять его полезной работой.

План внедрения

1. Неделя 1: найти места, где полезна пустота

   Составить перечень мест, где мешают масса, теплопроводность, шум или вибрация, нужна фильтрация либо постепенная подача вещества. Заранее выбрать метрики. В фрейме — набросать идеи в карточках а) и б).

2. Неделя 2: сформулировать требования к порам

   Для каждого места записать, что должно проходить, что задерживаться, какую прочность и массу сохранить, какое вещество и как выделять (пункт б).

3. Неделя 3: проверить цену

   Оценить прочность, ресурс, загрязнение, стоимость производства и способ контроля высвобождения. Отсеять варианты, где потери превышают выигрыш.

4. Неделя 4: испытать на образце

   Испытать вариант на образце или ограниченном участке, замерить массу, проницаемость, ресурс, выделение вещества и затраты. Результат записать в карточку эффекта.

Как реализовать этот план с помощью фрейма «Приём «Пористые материалы»» в OrgDevTools

Фрейм приёма в OrgDevTools — три текстовые карточки и вердикт.

• Карточка «а) Сделать пористым / добавить пористые элементы» — что и зачем делаем пористым (недели 1–2 плана).

• Карточка «б) Заранее заполнить поры веществом» — каким веществом и с какой целью (неделя 2).

• Карточка «Полученный эффект» — результат образца или пилота (неделя 4).

• Вердикт зависит от карточек а) и б): если заполнена хотя бы одна, фрейм показывает «Работающий вариант: …» с текстом заполненных карточек, а при заполненном эффекте добавляет « → …» с его текстом; если обе пусты — просит заполнить хотя бы одну. Одна лишь карточка эффекта вердикт не запускает.

• Чего фрейм не делает — не проверяет параметры пор, прочность, загрязнение, механизм высвобождения вещества и то, что эффект вытекает из записанных вариантов. Ошибки 1–5 остаются за вами; записывайте требования к порам и результаты испытаний рядом с вариантом.

Книги по теме

Г. Альтшуллер — «Алгоритм изобретения» (1969). Первоисточник фонда изобретательских приёмов, в который входит приём «Пористые материалы».