مواد هوشمند

مواد هوشمند Smart Materials
مواد هوشمند موادی هستند که یک یا برخی از ویژگی هایشان می تواند به کمک محرک های خارجی مانند فشار، حرارت، رطوبت، PH (علامت لگاریتم منفی برای غلظت یون هیدروژن برحسب گرم در هر لیتر)، الکتریسیته و یا مغناطیس، تغییر کند. مواد هوشمند نسبت به محرک های محیطی در برخی موارد با تغییراتی خاص واکنش نشان می دهند. به این دلیل به آن ها مواد واکنشی نیز گفته می شود. بسته به بعضی از تغییرات شرایط خارجی، مواد هوشمند (Smart Materials) یکی از ویژگی هایشان (الکتریکی، مکانیکی، ظاهری) تغییر می کند. این تغییرات ممکن است در ساختار آنها و یا ترکیبات آن ها و یا کارکردشان صورت بگیرد.

مواد هوشمند در سیستم هایی به کار برده می شوند که ویژگی های ذاتی می توانند برای رسیدن به کارائی مورد نیاز تغییر کنند. محصولات مدرن به طور چشم گیر و افزایشی از این مواد استفاده می کنند؛ همچنانکه طراحان خلاق، پتانسیل موجود در آن ها را می بینند و درک می کنند.

لباس هایی که رنگ را در پاسخ به دما تغییر می هند و دماسنج هایی که در نوارهای پرینت شده وجود دارند، از جوهرهای ترموکرومیک استفاده می کنند. جوهرهای فوتوکرومیک به تغییرات در شرایط نوری پاسخ می دهند. لباس ها نیز از جوهرهایی استفاده می کنند که این خصوصیات را دارد و الگوهایی دارد که در زمان تغییر شرایط نوری تغییر می یابند.
در ادامه برخی از نمونه های کاربرد مواد هوشمند (Smart Materials) آورده شده است که استفاده ار برخی از آن ها کاملاً رایج می باشد:

۱- مواد پیزو الکتریک (piezo electric): موادی هستند که زمانی که در شرایط استرس و فشار قرار می گیرند، ولتاژ تولید می کنند. از آنجایی که این اثر در حالت معکوس نیز ایجاد می گردد، القای ولتاژ در این مواد، فشاری را در طول نمونه تولید خواهد کرد. بنابراین ساختارهایی با طراحی مناسب و با استفاده از این مواد می توانند در صورت ایجاد یک ولتاژ، خم، منبسط و یا منقبض گردند.

۲- آلیاژ های حافظه دار ترکیبی (Shape memory alloys) و پلیمرهای حافظه دار ترکیبی (shape memory polymers): مواد پاسخ دهنده به دما هستند که در آن ها تغییر شکل با تغییرات دما ایجاد می شود.

۳- آلیاژهای حافظه دار مغناطیسی (Magnetic shape memory): موادی هستند که شکلشان در پاسخ به تغییرات در میدان مغناطیسی تغییر می یابد.
۴- پلیمرهای حساس به دما (Temperature-responsive polymers): موادی هستند که خواص آنها بر اثر تغییرات دما دستخوش تغییر می شود.
۵- مواد هالوکرومیک (Halochromic): موادی هستند که رنگشان در نتیجه تغییرات اسیدیته تغییر می کند. یک کاربرد پیشنهادی برای رنگ دیوارهایی است که بتوانند خوردگی فلزات را در زیر سطح خود را با تغییر رنگ مشخص کنند.

۶- سیستم های کروموژنیک (Chromogenic systems) که رنگشان را در پاسخ به تغییرات دمایی، نوری یا الکتریکی تغییر می کند که شامل مواد زیر هستند:
الف) مواد الکتروکرومیک که رنگشان را در صورت القای ولتاژ تغییر می کند (مثل کریستال مایع).
ب) مواد ترموکرومیک که رنگشان بسته به دمایشان تغییر می یابد
پ) مواد فوتوکرومیک که رنگ در پاسخ به نور تغییر می یابد، به عنوان مثال عینک های حساس به نور که در زمانی که در معرض نور خورشید قرار می گیرند تیره می شوند.
۷- سیالات غیرنیوتونی (Non-Newtonian fluid):سیالاتی هستند که ویسکوزیته ی خود را در پاسخ به برخی انواع فشارها یا نیروها تغییر می دهد. یک مثال خوب در این مورد Oobleck است که تدریجاً در زمان ایجاد یک نیروی سریع از حالت مایع به حالت جامد تغییر می یابد. مثال خوب دیگر Custard است که نوعی آهار یا نشاسته می باشد.
۸- مواد حساس به اسیدیته (pH-sensitive polymers): این مواد بر اثر تغییرات اسیدیته متورم شده یا خرد می شوند.
همانطور که در مقالات گذشته مطالعه کردید؛ 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. برای مثال امروزه از فلزی به نام نیتینول (ترکیبی از نیکل و تیتانیوم) در ساخت فریم عینک ها استفاده می شود که بعد از خم شدن مجدد به شکل اولیه بر می گردد و سبب می شود که شکل فریم عینک همیشه مانند روز اولی باشد که خریداری شده است. این تنها یک مثال از این دسته مواد است که حاصل تحقیقات ناسا می باشد. در حال حاضر کامپوزیت های حافظه دار به دو دسته فلزی (آلیاژی) و پلیمری تقسیم می شوند. در اینجا به نحوه عملکرد نیتینول به عنوان یک آلیاژ حافظه دار و نیز کاربرد آن در زندگی روزمره اشاره می کنیم.
قبل از هر مطلب لازم است که متذکر شویم که آلیاژهای حافظه دار دو ویژگی دارند:
یکی اینکه آنها تا حدودی الاستیک هستند و دیگر آنکه حافظه دار هستند یعنی قابلیت ذخیره سازی انرژی مکانیک و نیز آزاد سازی آن را دارا هستند. درست مانند آب که در دماهای مختلف از حالتی به حالت دیگر تبدیل می شود این دسته از فلزات نیز به علت اینکه مولکول ها در آنها قابلیت چیده مان مجدد دارد (البته آنچه که باعث می شود تا مولکول ها در کنار هم باقی بمانند و حالت جامد را حفظ کنند متفاوت است) قابلیت بازگشت به شکل اولیه را دارند. حال ببینیم این فلزات حافظه دار چگونه عمل می کنند: عاملی که سبب تغییر شکل فلز و یا بازگشت به شکل اولیه خود می شود، اختلاف ساختار مولکولی در هر فاز است. در شکل پایین سمت چپ، فلز حافظه دار را در حالتی که شکل اولیه خود را در دمای اتاق دارد را نشان می دهد. زمانی که بار اعمال می شود فلز تغییر شکل می دهد. سپس به محض برداشته شدن باز و کمی گرما مولکول ها به شکل یک ساختار سخت در می آیند به گونه ای که به یک ساختار با شبکه ای متفاوت مبدل می شوند. اما هنوز وضعیت قرارگیری مولکولی معمولی است و همان ساختار فیزیکی در مقیاس ماکرو وجود دارد.

با توجه به اینکه این دسته از فلزات زیست سازگار (سیستم ایمنی به آنها عکس العمل نشان نمی دهد) هستند و از ویژگیهای مکانیکی قابل قبولی (مقاوم در برابر خوردگی) برخوردار هستند در ساخت ایمپلنت ها و پلیت های (کاشتنی‌ها) ارتوپدی در موارد شکستگی ها قابل استفاده هستند. شاید بدانید که در شکستگی های استخوان های صورت از پلیت های ویژه ای استفاده می شود تا استخوانهای صورت را طی دوره شکستگی در کنار هم نگه دارد. در گذشته از پلیت هایی از جنس استیل برای این کار استفاده می شده است . در ابتدا ممکن است که استخوان درست لب به لب هم و در کنار هم قرار گیرند اما به مرور این وضعیت از دست می رود که در نهایت سبب به تاخیر افتادن جوش خوردن شکستگی می شود. با ظهور آلیاژ های حافظه دار و کاربرد آنها در ساخت پلیت ها این مشکل رفع شده است. امروزه جراحان از فلزهای حافظه‌دار به جای استیل استفاده می کنند به این طریق که ابتدا فلز را کمی سرد می کنند و سپس در محل نصب می کنند. در اثر دمای بدن مقداری فلز گرم می شود و به این طریق پلیت فشار لازم جهت در کنار هم نگهداشتن قطعات شکستگی را حفظ می کند و سبب می شود تا استخوان در حداقل زمان ترمیم شود.

مشکلی که در طراحی این نوع پلیت ها وجود داشت مربوط به تنظیم فشار مناسب و مطلوب است. برای مثال اینکه چه مقدار فلز باید تغییر شکل داده شود تا کشش لازم را ایجاد کند خود جای بررسی دارد. در اینجاست که فناوری نانو وارد عرصه شده تا به تغییر نحوه قرار گیری اتم ها در ترکیبات کمک کند. هم اکنون گروه های تحقیقاتی در حال انجام مطالعه بر روی این تنظیم این مکانیزم با کمک فناوری نانو می باشند.

موادی که باعث سازگاری سازه با محیط خود می شوند، مواد محرک نامیده می شوند. این مواد می توانند شکل، سفتی، مکان، فرکانس طبیعی و سایر مشخصات مکانیکی را در پاسخ به دما و یا میدان های الکترومغناطیسی تغییر دهند. امروزه پنج نوع ماده محرک به طور عمده استفاده می شود که شامل آلیاژهای حافظه دار، سرامیکهای پیزوالکتریک، مواد مغناطیسی سخت و مایعات الکترورئولوژکال و مگنتورئولوژیکال می باشند. این مواد از زمره مواد هوشمند محرک می باشند. مواد هوشمند آن دسته از موادی هستند که می توانند به تغییرات محیط به بهترین شکل ممکن پاسخ داده و رفتار خود را نسبت به تغییرات تنظیم نمایند