مواد هوشمند

 

تعریف مواد هوشمند

معمولا عبارت "مواد هوشمند" را بدون تعریف دقیقی از آنچه مورد نظرمان است استفاده می‌کنیم. از طرفی هم ارائه یک تعریف دقیق به طرز عجیبی دشوار است. استفاده‌ گسترده‌ای از این کلمه می‌شود اما موافقتی کلی بر روی معنای آن وجود ندارد. اما ببینیم تعریف ناسا از مواد هوشمند چیست: "مواد هوشمند موادی هستند که موقعیت‌ها را به خاطر می‌سپارند و بامحرکهای مشخص می‌توانند به آن موقعیت باز گردند."تعریف دایره المعارف تکنولوژیهای شیمیایی کمی جامع‌تر به نظر می‌آید. مواد هوشمند به آن دسته از مواد گویند که می توانند محیط و شرایط اطراف خود را درک نمایند و به آن واکنش نشان دهند. هم اکنون فلزات و کامپوزیت های هوشمند در موارد بسیاری کاربرد و جایگاه خود را در صنعت پیدا کرده اند.
"مواد و سازه‌های هوشمند، اشیائی هستند که شرایط محیطی را حس کرده و با پردازش این اطلاعات حسی نسبت به محیط عمل می‌کنند. "هرچند که به نظر می‌آید این دو تعریف به یک رفتار اشاره می‌کنند اما می‌توان آنها را از دو قطب مختلف دانست. تعریف اول به مواد طوری نگاه کرده است که در ذهن ما عناصر، آلیاژها و ترکیبها را تداعی می‌کند. چیزهایی که توسط ساختار مولکولی خود قابل شناسایی و اندازه‌گیری هستند. اما در تعریف دوم به مواد به صورت مجموعه‌ای از فعالیتها اشاره شده است. در واقع در تعریف دوم با مجموعه‌ای از مواد یا سیستمها سر و کار داریم و آن حالت قابل شناسایی و اندازه‌گیری بودن به آن وضوح نیست. اما اگر بخواهیم مواد و تکنولوژیهای هوشمند (شامل عناصر، مواد مرکب، سیستمها و ...) را با توجه به خصوصیاتشان بشناسیم، این خصوصیات را می‌توان برای آنها نام برد:

• فوریت: به این معنا که پاسخ آنها به صورت بلا درنگ (همزمان با تاثیر محرک) است.

• سازگاری: به این معنا که توانایی پاسخ به بیش از یک شرایط محیطی را دارا هستند.

• خود انگیزی: به این معنا که این هوشمندی در درون این مواد است نه در بیرون آنها.

• گزینش پذیری: به این معنا که پاسخ آنها مجزا و قابل پیش‌بینی است.

• مستقیمی: به این معنا که پاسخ داده شده با تحریک وارده در یک مکان قرار دارند.

 به عنوان یک تعریف کلی تر مییتوان گفت مواد هوشمند اصطلاحاًً به موادی گفته می شود که می توانند با درک محیط و شرایط اطراف خود نسبت به آن واکنش مناسب نشان دهند. امروزه کاربرد این مواد و بویژه فلزات و کامپوزیت های هوشمند در بسیاری از حوزه های صنعت گسترش یافته است.

ازجمله کاربردهای جدید این مواد استفاده از فلزی به نام نیتینول که ترکیبی از تیتانیوم و نیکل، در ساخت قاب عینک ها است باعث بروز ویژگی های متفاوتی در آنها شده است. این نوع عینک ها پس از خم شدن دوباره به شکل اولیه خود باز می گردند. هواپیماهای هوشمند، خانه های هوشمند، بافتهای حافظه دار، میکروماشین ها، سازه های خودآرا و نانوساختارهای متغیر کلماتی هستند که از سال 1992 و با تجاری شدن اولین مواد هوشمند وارد فرهنگ لغات شده اند و پیش بینی می شود این مواد بتوانند بسیاری از نیازهای فناوری در قرن 21 را برآورده کنند.

سابقه تاریخی مواد هوشمند به 300 سال قبل از میلاد و دوران کیمیاگری بازمی گردد. اگرچه در آن زمان توانایی تولید طلا وجود نداشت، اما فعالیت هایی برای تغییر رنگ و خصوصیات فلزهای مختلف انجام می شد که می توان بعضی از مواد مورد استفاده آنها برای ایجاد چنین تغییراتی را از مواد هوشمند به شمار آورد. عبارت مواد هوشمند اکثر اوقات بدون تعریف دقیقی از آنچه مورد نظر محققان است و همچنین بدون در نظر گرفتن کاربرد این مواد به کار گرفته می شود از سوی دیگر ارائه تعریف دقیق از آنچه به عنوان مواد هوشمند معرفی می شود، اغلب با مشکلات بسیار زیادی همراه خواهد بود. اگر چه از این عبارت به صورت گسترده درخصوص بسیاری از مواد که از ویژگی های متفاوتی در مقایسه با نسل گذشته مواد برخوردار هستند، استفاده می شود اما موافقت کلی در ارائه تعریف دقیقی از این واژه وجود ندارد. مواد هوشمند موادی هستند که موقعیت ها را به خاطر می سپارند و با محرک های مشخص می توانند به آن موقعیت بازگردند. به عبارت دیگر می توان گفت مواد و سازه های هوشمند، اشیایی هستند که شرایط محیطی را حس می کنند و با پردازش اطلاعات به دست آمده نسبت به محیط واکنش نشان می دهند. در تعریف اول وقتی از مواد صحبت می کنیم مجموعه ای از عناصر، آلیاژ ها و ترکیب ها در ذهن تداعی می شود که توسط ساختار مولکولی منحصر به فرد خود قابل شناسایی و اندازه گیری هستند. اما در تعریف دوم مواد به صورت مجموعه ای از فعالیت ها در نظر گرفته می شوند، یعنی با مجموعه ای از مواد و سیستم های مرتبط با آنها مواجه هستیم که قابلیت شناسایی و اندازه گیری در آنها کمتر خود را نشان می دهد.

در مواد هوشمند این مواد، همزمان با تاثیر محرک بیرونی شاهد پاسخ دهی به آن هستیم. در اکثر موارد این مواد از توانایی پاسخ به بیش از یک شرایط محیطی برخوردار هستند و پاسخ آنها قابل پیش بینی است.
این دسته از مواد در پاسخ به محرکهای محیط خارجیشان در یک یا چند خصوصیت خود – شیمیایی، الکتریکی، مکانیکی، مغناطیسی و گرمایی- تغییر ایجاد می‌کنند. البته یک سیستم کنترل خارجی موجب این تغییرات نیست و خود ماده مستقیما این تغییرات را ایجاد می‌کند. به عنوان مثالی که برای همه ما آشناست می‌توان به عینکهای فتوکرومیک اشاره کرد که تحت تاثیر اشعه ماوراء بنفش تغییر رنگ می‌دهند. دو دسته از این مواد در ادامه معرفی شده‌اند:

نوع اول مواد هوشمند

این دسته از مواد در پاسخ به محرکهای محیط خارجیشان در یک یا چند خصوصیت خود – شیمیایی، الکتریکی، مکانیکی، مغناطیسی و گرمایی- تغییر ایجاد می‌کنند. البته یک سیستم کنترل خارجی موجب این تغییرات نیست و خود ماده مستقیما این تغییرات را ایجاد می‌کند. به عنوان مثالی که برای همه ما آشناست می‌توان به عینکهای فتوکرومیک اشاره کرد که تحت تاثیر اشعه ماوراء بنفش تغییر رنگ می‌دهند. دو دسته از این مواد در ادامه معرفی شده‌اند:

• ترموکرومیک: موادی که تحت تاثیر گرما در ساختارشان تغییراتی ایجاد می‌شود و به علت تغییر در بازتابهای آن رنگ متفاوتی از آن دیده می‌شود یا به عنوان یک تعریف کلی تر این نوع از مواد در برابر جذب انرژی تابشی در ساختار شیمیایی خود تغییر ایجاد می شود و از ساختاری با یک میزان جذب مشخص به ساختاری متفاوت با میزان جذب متفاوتی تبدیل می شود.

مولکول های این مواد در حال غیرفعال بی رنگ هستند و هنگامی که در معرض فوتون های با طول موج خاص قرار می گیرند. برانگیخته شده و شرایط بازتاب آنها تغییر می کند. با از بین رفتن منبع نور ماوراء بنفش این مولکول ها به حالت اولیه خود باز می گردند. کاربرد اصلی مواد فتوکرومیک در عینک ها و ساخت شیشه پنجره برخی از ساختمان ها است.

 

                  شکل 2: تغییر شفافیت عینکهای فتوکرومیک نسبت به میزان نور دریافتی

مواد ترومیک: این مواد در نتیجه جذب گرما با تغییرات شیمیایی با تغییر فاز مواجه می شوند. تغییرات ایجاد شده برگشت ناپذیر است و با از بین رفتن عامل ایجاد کننده تغییرات دمایی این مواد به حالت اولیه باز می گردند. دماسنج های نواری که با قرار گرفتن بر روی بدن تغییر رنگ می دهند بر همین اساس کار می کنند.
مواد مکانوکرومیک و کموکرومیک: تغییرات فشار یا تغییر شکل از خصوصیات بازتابی متفاوتی برخوردار خواهند بود. در برخی از محصولاتی که از این مواد ساخته شده اند با تغییر فشار، نوشته های مخفی شده در سطح به نمایش در خواهند آمد. کاغذهای تورنسل که در محیط های اسیدی و بازی رنگهای متفاوتی دارند نمونه ای از محصولاتی هستند که براساس ویژگی مواد کموکرومیک ساخته شده اند و در برابر تغییرات PH محیط واکنش نشان می دهند.

مواد الکتروکرومیک: این گروه از مواد هوشمند، موادی هستند که در نتیجه قرار گرفتن در یک جریان یا اختلاف پتانسیل الکتریکی رنگ آنها به صورت بازگشت پذیر تغییر می کند. پنجره هایی که به وسیله عبور جریان الکتریسیته تیره و روشن می شوند از کاربردهای این نوع مواد هستند.

 به طور کلی مواد هوشمند ترکیبی از مواد مختلف هستند که در تعامل با یکدیگر عمل می کنند و از ویژگی های منحصر به فردی برخوردار خواهند بود. گروه دوم مواد هوشمند را گروهی از مواد تشکیل می دهند که دارای قابلیت تبدیل انرژی از سطحی به سطح دیگر هستند. همه اجسام و محیط های پیرامون آنها دارای سطح مشخصی از انرژی هستند. هنگامی که سطح انرژی ماده و محیط اطراف آن یکسان است می گوییم ماده در تعادل با محیط است یعنی در این حالت تغییر انرژی وجود نخواهد داشت. اما اگر ماده در سطح انرژی متفاوتی نسبت به سطح انرژی به وجود خواهد آمد در مواد هوشمند و غیرهوشمند سطح انرژی همواره باید ثابت باشد؛ با وارد کردن انرژی به مواد سطح انرژی در آنها افزایش می یابد که معمولاً این انرژی افزوده شده به صورت افزایش انرژی درونی جسم خود را آشکار می کند. اما از ویژگی های مواد هوشمند این است که این انرژی را به صورت های مختلفی که از کارآیی و عملکرد بیشتری برخوردار است تبدیل می کنند.  

نوع دوم مواد هوشمند

مواد فتوولتائیک: این مواد که آنها را قدرت زای نوری نیز می نامند در پاسخ به محرک نورمرئی جریان الکتریکی ایجاد می کنند.

به پدیده ای که در اثر آن انرژی تابشی بطور مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل شود، پدیده فتوولتائیک گویند و به هر سیستم که از پدیده فتوولتائیک (تبدیل مستقیم انرژی تابشی به انرژی الکتریکی) استفاده کند، سیستم فتوولتائیک گویند.

سیستم های فتوولتائیک از سه بخش عمده تشکیل شده است که سه بخش اصلی سیستم های فتوولتائیک عبارتند از:

-         پنلهای خورشیدی

-         بخش واسطه

-         مصرف کننده    

  

مواد ترموالکتریک: به این گروه از مواد هوشمند نوع دوم مواد دما برقی نیز گفته می شود. این مواد در مقابل تغییرات دما توانایی تولید برق دارند.

                                             

مواد نورتاب: لومینسانس به تابش نوری گفته می شود که عامل ایجاد آن همانند لامپهای رشته ای، التهاب ماده نیست و عاملی مانند واکنش شیمیایی موجب آن می شود. به عبارت دیگر لومینسانس تابش نور در نتیجه دریافت انرژی است. در واقع این مواد انرژی دریافت شده را در طول موج های مرئی بازتابش می کنند. ماده در اثر منبع تحریک بیرونی مانند الکتریسیته، واکنش شیمیایی و یا حتی اصطکاک، تحریک شده و واکنش نشان می دهد و در زمانی که عامل تحریک از بین رفت و اتمها به حالت اولیه بازگشتند تابش نور اتفاق میافتد و در حقیقت مواد نورتاب برعکس مواد فتوولتائیک عمل می کنند.

این مواد برای اولین بار در سال 1936 با استفاده از رادیوم که یک عنصر رادیواکتیو است ساخته شد. پس از آن در سال 1946 از ترتیوم استفاده شد که آنهم جزو مواد رادیواکتیو است. با توجه به سرطانزا بودن مواد رادیو اکتیو دانشمندان به فکر تهیه مواد نورتاب از مواد غیر رادیو اکتیو افتادند. مواد جدید با استفاده از ترکیبات سولفید روی ساخته شد که البته مدت زمان نورتابی و شدت نور ساطع شده آنها بسیار کوتاه بود . بالاخره در سال 1996 برای اولین بار ترکیبات نورتاب جدید با استفاده از اکسید آلومینیوم ساخته شد که این مواد مدت زمان بیشتری نور می دهند و غیر سمی و فاقد هر گونه تشعشع مضر میباشند. با اختراع مواد نورتاب( Photoluminescent ) نسل جدید این علائم تولید شدند که با توجه به کارائی و کاربرد فوق العاده آنها از طرف کارشناسان ایمنی با استقبال فزاینده ای روبرو شدند. چند سال نیز طول کشید تا اکتشاف تبدیل به محصول تجاری و صنعتی شود.

مواد پیزوالکتریک: این مواد در بسیاری از ابزارها مانند میکروفون ها، فندک ها، چاقوهای جراحی و بلندگوها مورد استفاده قرار می گیرند. در این مواد یک نیروی مکانیکی موجب تغییر شکل ماده شده و این تغییر شکل سبب تولید الکتریسیته می شود. در صورتی که به این مواد انرژی الکتریکی وارد شود ماده تغییر شکل پیدا می کند و این تغییر شکل نیز قابل تبدیل به یک نیروی مکانیکی است.

پیزوالکتریک Piezoelectric خاصیتی است که برخی کریستالها و از جمله کوارتز به هنگام اعمال ولتاژ به آنها تحت فشار قرار می گیرند یا به هنگام قرار گرفتن در معرض فشار مکانیکی، یک ولتاژ تولید می کنند از این خاصیت بلور کوارتز در ساعت استفاده می کنند که با اعمال ولتاژ از طریق باطری ساعت و در نظر تعداد خاصی نوسان بلور در یک ثانیه، ثانیه شمار ساعت به اندازه یک ثانیه پیش می رود یکی دیگر از کاربردهای کوارتز به دلیل داشتن خاصیت پیزوالکتریک، فرستنده های رادیویی، گیرنده های رادیویی و کامپیوترهاست به نوعی می توان گفت که تمام وسائل منقول و غیرمنقول، دقت و ظرافت خاص خود را مدیون این خاصیت کوارتز هستند تحقیقات نشان می دهند که اگر پاندول درون یک زنگوله به شکل یک بلور کوارتز ساخته شود و به حرکت درآید و به اصطلاح زنگوله به صدا در بیاید، برای یک دقیقه زنگ خواهد زد حقیقت این امر در اینست که تقریبا هیچ انرژی در این ماده تلف نخواهد شد در صورتیکه محورهای یک زنگ کوارتز دقیقا منطبق با محورهای تک بلور کوارتز باشد، دارای ولتاژ نوسانی در سطح خود خواهد بود جالبتر اینکه میزان این ولتاژ و نوسان آن هیچ ربطی به دما نخواهد داشت.

                                          

نگاهی به گذشته               

اگر بتوان آرایش اتمی مواد آلی و معدنی را در حد نانومتر به طور دقیق تعریف نمود، در آن صورت ساخت مواد هوشمند که می تواند بسیاری از فناوری ها از جمله ارتباطات بین سیستمی را متحول نماید، امکان پذیر می شود. کنترل ابعاد مواد در حد نانومتر، پردازش اطلاعات و انتقال انرژی در ابعاد نانو را امکان پذیر می سازد. اکنون شیمیدان ها در تلاش برای ایجاد ساختارهای بزرگ از زیرساختارهای کوچک تر هستند و دیگر متخصصان نیز تهیه و ساخت نیمی رساناها در مقیاس نانو را مورد بررسی و مطالعه قرار داده اند. پیشرفت های اولیه در برقراری ارتباطات به میزان دسترسی به مواد وابسته بوده است. به همین دلیل پیش از این در سیستم های تلگرافی مواد ساده ای مانند آهن برای تولید میدان مغناطیسی، مس برای هدایت الکتریکی و شیشه یا فیبرهای طبیعی برای عایق بندی مورد استفاده قرار می گرفت. اما تهیه مواد الکترونیکی مانند ژرمانیوم و سیلیسیم ارتباطات را متحول ساخت. به طوری که اکنون می توانیم با افرادی که در نقاط مختلف کره زمین زندگی می کنند به آسانی صحبت کنیم و یا اتفاقات به وجود آمده در آن نقاط را به صورت همزمان مشاهده کنیم و یا حتی اسناد و مدارک بسیاری را در مدت زمانی کوتاه به تمام نقاط دنیا انتقال دهیم. این مواد توانایی ما را در دریافت، پردازش، ذخیره و انتقال اطلاعات توسعه داده اند و هر روز بر میزان تحقیقات در این زمینه افزوده می شود.

در طول 50 سال گذشته گستره ای از مواد که نسبت به محرک های فیزیکی و شیمیایی عکس العمل نشان می دهند ساخته شده اند که توانایی ما را در درک و بررسی شرایط محیطی افزایش داده اند و با استفاده از این اطلاعات کمی و کیفی می توانیم درجه حرارت، رطوبت، ترکیبات شیمیای هوایی که تنفس می کنیم و یا آبی که می نوشیم را مورد بررسی و ارزیابی قرار دهیم.

غشاهای هوشمند:کنترل درونی بر هم کنش های مولکولی، تهیه موادی را امکان پذیر ساخته است که به غشاهای هوشمند معروف شده اند و این قابلیت را دارند که به عنوان دروازه های مولکولی عمل کنند. با استفاده از محرک های الکتریکی در غشاهای هوشمند، یونها، مولکول ها و ماکروملکول های مشخصی که در فرآیندهای صنعتی و زیست محیطی مورد بررسی و آزمایش قرار گرفته اند، می توانند از این دروازه هایی که هوشمندانه بر آنها نظارت می شود، عبور نمایند. مولکول های مشخص مانند داروها و آفت کش ها می تواننند در طول سنتز بر روی غشاهای پلیمری تثبیت شوند و در صورت نیاز به وسیله محرک الکتریکی رهاسازی شوند. برای مثال کینون ها که عاملی بر علیه مالاریا هستند را می توان به وسیله این نوع محرک از روی صفحات غشایی از جنس پلی پیرول در محیط مورد نظر آزاد ساخت.

برگرفته از اینترنت