جستجو در تالارهای گفتگو

فلزات و كامپوزيت‌هاي هوشمند، امروزه در موارد بسياري كاربرد و جايگاه خود را در صنعت پيدا كرده‌اند. هوشمندي، خاصيتي است كه در تمام گروه‌هاي مواد يافت شده است. در هر دسته از مواد نظير كامپوزيت‌ها، پليمرها، فلزات و سراميك‌هاي پيشرفته، مي‌توان موادي يافت كه با اعمال يك سري فرايند، خواص هوشمند پيدا كنند. انواع مختلفي از مواد همچون فروالكتريك‌ها (كه در ميدان الكتريكي كرنش مي‌كنند) آلياژهاي حافظه‌دار1 (كه در واكنش به تغييرات دما دچار تغيير شكل ناشي از تبديل فاز مي‌شوند) مواد منعطف مغناطيسي (كه در ميدان مغناطيسي كرنش مي‌‌كنند) و يكسري مواد ديگر، از خود قابليت حسگري و تحريك‌پذيري نشان مي‌دهند كه از آنها به‌عنوان هوشمندي تعبير مي‌شود. از اين قابليت‌ها و يا تركيبي از آنها مي‌توان براي پاسخگويي به شرايط محيطي بهره برد. مواد هوشمند2 موادي هستند كه موقعيت‌ها را به خاطر مي‌سپارند و با محرك‌هاي مشخص مي‌توانند به موقعيت‌هاي شناخته شده باز گردند. اين مواد، براي پاسخگويي به محرك‌هاي محيطي از خود قابليت‌هاي حسگري و تحريك‌پذيري نشان مي‌دهند. خانه‌هاي باهوش، بافت‌هاي حافظه‌دار شكلي (شكل 1)، ميكروماشين‌ها، سازه‌هاي خودآرا و رنگ‌هاي نانويي متغير، كلماتي هستند كه از 1992 و با تجاري شدن اولين مواد هوشمند، وارد لغتنامه‌هاي مواد شده و از آنها انتظار مي‌رود كه بسياري از نيازهاي تكنولوژيك قرن 21 را برآورده سازند. شكل 1: بافت­هاي حافظه­دار در مواد هوشمند مثلاً، سطح بال وسيع هواپيما موجب سهولت برخاستن و فرود مي‌شود، اما در سرعت‌هاي مافوق صوت، به‌عنوان عاملي مزاحم، مقاومت زيادي ايجاد مي‌كند كه ضريب DRAG هواپيما را افزايش مي‌دهد. در گذشته، طراحان با مصالحه بين عوامل مختلف، حالتي بهينه را انتخاب مي‌كردند كه در آن، هيچ كدام از شرايط به طور 100 درصد ارضاء نمي‌شد. امروزه با ورود مواد هوشمند به صنعت هواپيما و ساخت بال‌هاي قابل جمع شدن، به تمام شرايط مورد نظر پاسخ داده مي‌شود (شكل 2). شكل 2: هواپيمايي هوشمند كه مي­تواند با تغيير شكل در شرايط مختلف، به صورت بهينه عمل كند سابقه مواد هوشمند به 300 سال قبل از ميلاد و دوران كيمياگري باز مي‌گردد. در آن زمان، گرچه توانايي توليد طلا وجود نداشت، اما فعاليت‌هايي براي تغيير رنگ و خصوصيات فلزهاي مختلف صورت گرفت كه برخي از مواد مورد استفاده در آنها را مي‌توان از نوع مواد هوشمند دانست. مثلاً، در ساخت فريم عينك‌ها از فلزي به نام نيتينول (تركيبي از نيكل و تيتانيم) استفاده مي‌شود كه بعد از خم شدن، مجدداً به شكل اوليه برمي‌گردد و باعث مي‌شود كه شكل فريم عينك هميشه مانند روز اولي باشد كه خريداري شده است. براي اين مواد، طبقه‌بندي‌هاي مختلفي وجود دارد. نوعي طبقه‌بندي مناسب براي آنها، براساس حوزه‌اي است كه در آن، محرك به ماده وارد شده و سپس ماده پاسخ خود را در حوزه مكانيكي به معرض نمايش گذارده است. اگر نيروي مكانيكي را به‌عنوان محرك بگيريم، پاسخ‌ها در چه حوزه‌ها و به چه اشكالي ظاهر خواهند شد؟ درواقع، مورد دوم با در نظر گرفتن خصلت حسگري و يا تحريك‌كنندگي، براي ماده تعريف مي‌شود. اگر پردازش را نيز به ماده هوشمند اضافه كنيم، سيستم يا ساختاري هوشمند خواهيم داشت كه استفاده‌هاي بيشماري از آن صورت مي‌گيرد (شكل 3). شكل 3: سيستم مواد هوشمند معرفي مهم‌ترين مواد هوشمند آلياژهاي حافظه‌دار (SMA) فلزحافظه‌دار، آلياژي است كه مي‌تواند در دماي پايين (مارتنزيتي) تغيير شكل پلاستيك داده و سپس با قرار گرفتن در معرض حرارت، به شكل اوليه خود بازگردد (شكل 4). شكل 4: تغيير شكل آلياژ حافظه‌دار براثر اعمال تغييرات دما مثلاً، يك سيم صاف مي‌تواند پيچيده و يا خم شود و پس از اعمال حرارت به آن به شكل اوليه خود بازگردد. برخي نمونه‌ هاي آلياژ حافظه‌دار شامل عناصري است كه در جدول 1 معرفي شده‌اند. جدول 1: آلياژهاي حافظه‌دار اين آلياژ در 1932 كشف شد. محققين در 1962 دريافتند كه نيتينول يا همان آلياژ نيكل ـ تيتانيم چنين مشخصاتي را آشكارا از خود به نمايش مي‌گذارد. حرارت در NiTi موجب تبديل فاز مارتزيت به آستنيت مي‌شود. نوع شبكه كريستالي در هر يك از اين فازها، تفاوت دارد و از همين‌رو، تغيير فاز مي‌تواند موجب تغيير شكل شود. زماني كه آلياژ NiTi به شكل سيم‌هايي نازك درآيد، مي‌تواند به‌عنوان «فيبر عضلاني»3 مورد استفاده قرارگيرد. ناسا، از سيم‌هاي عضلاني در ماهواره‌ها استفاده مي‌كند. هنگامي كه نور خورشيد سيم‌ها را گرم مي‌كند، آنها وارد عمل شده و آنتن‌ها و ساير تجهيزات را بدون استفاده از موتور و الكتريسيته، جمع مي‌كنند. زماني كه بخواهيم از آنها در تجهيزات الكترونيكي استفاده كنيم، بهترين راه براي كوتاه كردن طول سيم‌ها، عبور جريان از داخل آنهاست. سيم‌ها شعاعي كوچك دارند و رساناي خوبي نيستند (در قياس با مس) جريان باعث مي‌شود به سرعت گرم شده و از خود نشان دهند. شكل شماره 5 خواص آلياژ نيتينول را نشان مي‌دهد. شكل 5: تغييرات پيزوسراميك براثر اعمال جريان الكتريكي اين آلياژها، موارد استفاده متنوعي در صنعت، هنر، پزشكي، كاربردهاي مهندسي و ... دارند. مثلاً، مي‌توانند به‌عنوان: اتصال لوله، فعال‌كننده نيرو در مدارهاي الكتريكي، شير اطمينان، شير كنترل سيال، قاب عينك، كاربردهاي دندانپزشكي، ايمپلنت‌هاي پزشكي، *****خوني از جنس سيم‌هاي NiTi ، ظروف ترموستاتيك قهوه، stent هاي جراحي، نگهدارنده‌ها، مجسمه‌ها، اجزاي دمپرهاي سازه‌ها براي جلوگيري از خسارات ناشي از زلزله، اتصال تاندون به استخوان در پزشكي، پين‌ها و سيم‌هاي راهنما در پزشكي، root canal files ، ابزار جراحي خم شونده، آنتن ماهواره‌ها، كنترل تعادل تيغه‌هاي روتور هلي‌كوپترها و ... به‌كار روند. كريستال‌هاي پيزوالكتريك يكي از رايج‌ترين مواد هوشمند، كريستال‌هاي پيزو هستند. آنها داراي اين خاصيت هستند كه به هنگام قرارگيري در معرض ارتعاشات، توليد ولتاژ كنند. همچنين اگر ولتاژي از آنها عبور داده شود،. توليد ارتعاش مي‌كنند. كريستال‌هاي پيزو بر مبناي دو اثر زير كار مي‌كنند: 1. اثر مستقيم پيزوالكتريكي4 هنگامي كه ماده پيزوالكتريك به واسطه تنش مكانيكي وارده، جريان الكتريكي ايجاد مي‌كند. اين خصلت مي‌تواند براي تشخيص كرنش، حركت، نيرو و فشار از طريق ارسال پاسخ‌هاي الكتريكي مناسب در حسگرهاي نيرو، آكوستيك و اولتراسونيك به كار گرفته شود. 2. اثر معكوس پيزو الكتريكي5 هنگامي كه ماده به واسطه قرارگيري در ميدان الكتريكي، كرنش مي‌كند، اين خصلت مي‌تواند براي ايجاد كرنش، حركت، نيرو، فشار و ارتعاش از طريق به‌كارگيري ميدان الكتريكي به كار برده شود. استفاده توام از اين خصلت‌ها، بسيار مفيد است زيرا يك كريستال، هم مي‌تواند به‌عنوان حسگر عمل كند و هم به‌عنوان تحريك‌كننده. خواص پيزوكريستال اين امكان را به وجود مي‌آورد كه حسگري و تحريك‌كنندگي بر محيط پيرامون، هر دو با يك كريستال صورت‌گيرد. يك كريستال كه براي حس كردن ارتعاشات مورد استفاده قرار گرفته است، مي‌تواند براي توليد ارتعاش نيز مورد استفاده قرار گيرد. محصولات مصرف‌كننده انرژي، به نوعي منبع انرژي نياز دارند و اين يعني بايد باتري‌هايي به آنها اضافه شود كه وزن و حجم را زياد كرده و به شارژ مجدد نياز دارند. در اين‌گونه كاربردها، مي‌توان از پيزوكريستال‌ها به‌عنوان منبعي براي ذخيره انرژي الكتريكي به دست آمده از حركت و يا ارتعاشات بدنه، استفاده كرد (شكل 5). سيال MR و ER رئولوژي6 علم جريان و تغيير شكل ماده (مثلاً در پاسخ به يك نيرو يا تنش) است. مشخصه‌هاي لزجت يا مقاومت يك سيال در برابر جريان، مي‌تواند با به كارگيري يك ميدان الكتريكي در سيال ER تغيير داده شود. مواد ER در گستره وسيعي از مخلوط‌هاي معلق كلوئيدي ناشي از تعليق مواد جامد دي‌الكتريك در سيالات نارسانا، وجود دارند. در غياب ميدان الكتريكي، سيال از ذراتي ريز (درحد 1/0 تا 1 ميكرون) تشكيل شده است كه به صورت نامنظم در مخلوط پخش شده‌اند. وقتي ميدان الكتريكي اعمال شد، خواص دي‌الكتريك ذرات، باعث جهت‌گيري آنها در ميدان الكتريكي و چسبيدن ذرات همجوار به يكديگر مي‌شود كه اين امر، باعث نزديك شدن آنها و شكل گرفتن فيبريل‌ها مي‌شود. وجود فيبريل‌ها تا حد زيادي در تعيين لزجت سيال نقش دارد. جهت‌گيري ذرات با برداشتن ميدان الكتريكي از ميان مي‌رود. شكل 6: نماي شماتيك كلاچ ER بعضي كاربردهاي اين مواد، شامل كلاچ، پمپ و نيز وسايل مستهلك‌كننده نظير ضربه‌گيرها و كنترل‌كننده جريان است. سيال MR طبقه‌اي از مواد هوشمند است كه خواص رئولوژيكي آن با اعمال يك ميدان مغناطيسي، بسرعت تغيير مي‌كند. اين ماده عموماً از ذرات آهن در ابعاد ميكرون تشكيل شده است كه در يك سيال يا الاستومر پراكنده‌اند. زماني كه سيال MR در معرض ميدان مغناطيسي قرار گيرد، حالت مايع آن مي‌تواند به حالت نيمه مايع و يا جامد تغيير كند. زماني كه ميدان مغناطيسي برداشته شود، حالت آن بار ديگر به مايع بازمي‌گردد. شركت‌ها و دانشگاه‌هاي بسياري در مورد اين مواد تحقيقات انجام داده‌اند. مثلاً، شركت لرد امريكا، دمپرهايي از سيال MR طراحي كرده است كه در كنترل ارتعاشات و نيز كنترل لرزه، كاربرد دارند. دانشگاه رچستر، در مورد نوعي از اين سيال تحقيقات انجام داده است كه براي فينيشينگ و پوليش اجزاي نوري به كار مي‌رود. دانشگاه‌هاي Inha و duke بررسي‌هايي را در مورد رفتارهاي دمپرهاي MR انجام داده‌اند. تحقيقات بيشماري براي استفاده از سيالات MR و ER در شيرهاي فشارشكن صورت گرفته است. شكل 7: نماي شماتيك پمپ ER پليمرهاي هوشمند بخش مهم ديگري از مواد هوشمند، پليمرهاي هوشمند هستند (مثلاً ژل‌هاي جديدي كه در واكنش به ميدان الكتريكي، تغيير شكل مي‌دهند). از پليمرهاي الكترواكتيو، در ساخت ماهيچه‌هاي مصنوعي استفاده شده است. پليمرهاي موجود كنوني، قدرت مكانيكي محدودي دارند، اما حوزه پليمرها حوزه تحقيقاتي بسيار پويايي است و كاربردهاي بالقوه‌اي را در روبات‌هاي كاوشگر فضايي و ماموريت‌هاي بسيار خطرناك و تجسس، نويد مي‌دهد. همچنين مي‌توان هيدروژل‌هايي ساخت كه در واكنش به تغييرات ph و دما منبسط و منقبض شوند. اين هيدروژل‌ها (به شكل كپسول) قادر خواهند بود در واكنش به تغييرات شيميايي داروهايي در بدن ترشح كنند (مثلاً ترشح انسولين بر پايه تمركز گلوگز). در ساخت محصولات جديد، استحكام، سختي و مقاومت در برابر خستگي، از جمله مسائلي هستند كه بايد مورد توجه قرار گيرند. روش‌هاي مرسوم، نظير روش اجزاي محدود، مي‌توانند براي ايجاد يك مدل كامپيوتري از تنش‌ها و كرنش‌هاي موجود در جسم، به‌كار برده شوند. اين ابزارها، گاهي وقت‌گير بوده و دنبال كردن مسئله از اين طريق نيز در بسياري موارد است. يكي از روش‌هاي بسيار سودمند، ريختن مدلي از محصول به صورت ماده پليمريك است. اين پليمرها، خواصي دارند كه موجب مي‌شوند بر اثر اعمال تنش، تغيير رنگ دهند. مي‌توان مدلي از جسم ريخت و از آن براي ديدن نقاطي استفاده كرد كه تنش در آنها، حداكثر است،. مواد سخت‌شونده مغناطيسي7 اين مواد، گونه‌اي از مواد هوشمند مغناطيسي (MSM) هستند كه وقتي در ميدان مغناطيسي قرار بگيرند، تغيير شكل مي‌دهند. اين تغيير شكل سخت‌شوندگي مغناطيسي نام دارد. شكل 8 تغييرات ماده سخت شونده را بر اثر اعمال ميدان مغناطيسي، نشان مي‌دهد. شكل 8: افزايش طول ماده سخت شونده بر اثر اعمال ميدان مغناطيسي سخت‌شوندگي نوعي تغيير ابعاد در ماده هوشمند مغناطيسي است كه به دليل تغيير در حالت مغناطيسي، حاصل مي‌شود. اين سخت‌شوندگي مغناطيسي براثر جهت‌گيري مجدد در ممان مغناطيسي اتمي به وجود مي‌آيد. زماني كه ممان‌هاي اتمي كاملاً رديف شدند، چون افزايش ميدان مغناطيسي اعمالي سخت شوندگي بيشتري ايجاد نمي‌كند، حالت اشباع پيش مي‌آيد. اندازه‌گيري ميزان سخت شوندگي در حالت اشباع يكي از اساسي‌ترين اندازه‌گيري‌ها در مواد هوشمند مغناطيسي است. براي ميدان‌هاي مغناطيسي اعمال شده در حالت زير اشباع، سخت شوندگي تقريباً خطي است. وسايلي كه با مواد هوشمند مغناطيسي كار مي‌كند، هنگامي براي علم و صنعت ارزشمند خواهند بود كه بتوان از آنها با تلرانس كم و دقت زياد و قابل اطمينان، استفاده كرد. رفتار خطي اين مواد، پايه و اساس پيشرفت ابزار MSM شامل تحريك‌كننده‌ها، موتورهاي پله‌اي، حسگرهاي موقعيت و شيرها و مبدل‌هاي صوتي بوده است. قابليت ايجاد نيرويي بزرگ از طريق يك MSM، از جمله مزاياي وسايل جابجايي اندك است. قابليت اعمال نيروي چنين وسيله‌اي، به مدول يانگ ماده سخت شونده و مساحت سطح مقطع آن بستگي دارد. مزيت ديگر ماده MSM اين است كه برخلاف سولونوئيد كه تنها در يك جهت اعمال نيرو مي‌كند (و به مكانيزم برگشت جداگانه‌اي نياز دارد) مي‌تواند در هر دو جهت حركت كند. افزون بر اين، يك وسيله MSM به واسطه نداشتن قطعات متحرك ذاتاً مطمئن‌تر است و وسيله تعيين مكان دقيق‌تري به حساب مي‌آيد. شكل 9 يك تحريك‌كننده خطي را نشان مي‌دهد كه با اين مواد كار مي‌كنند. شكل 9: هندسه يك تحريك‌كننده خطي كه با ماده سخت‌شونده كار مي‌كند يكي ديگر از مزيت‌هاي اين مواد، چگالي انرژي بالاي آنها نسبت به ساير مواد است. ساير كاربردهاي اين مواد در شيرهاي هيدروليكي، sonar transduser ، روتور هلي‌كوپتر و Inchworm motor است. تقسيم‌بندي كاربردي مواد هوشمند مواد هوشمند از نظر كاربرد به دو دسته تقسيم مي‌شود. مواد هوشمند نوع اول به 4 دسته زير تقسيم مي‌شوند. مواد كروميك يگي از جالب‌ترين دسته‌هاي مواد هوشمند كه بسيار هم مورد توجه قرار دارند، مواد داراي قابليت تغيير رنگ است. جدول 2: انواع مواد كروميك نكته قابل توجه اين است كه تغيير رنگي كه از آن نام مي‌بريم، در واقع تغيير خصوصيات نوري اين مواد مانند ضريب جذب، قابليت بازتاب و يا شكست است. درواقع چيزي كه ما از رنگ مي‌دانيم به منبع نور و طبيعت چشمان ما مربوط است و اين نوع تغيير رنگ ناشي از نوعي تغيير ساختار در اين مواد است. انواع مختلف اين مواد عبارتند از: 1. مواد فتوكروميك اين مواد در برابر جذب انرژي تابشي، تغييري را در ساختار شيميايي خود نشان مي‌دهند و از ساختاري با ميزان جذب مشخص به ساختاري متفاوت با ميزان جذب متفاوت تبديل مي‌شوند. مولكول‌هاي مورد استفاده در حالت غيرفعال، بي‌رنگ هستند و وقتي در معرض فوتون‌هايي با طول موج خاص قرار گيرند، برانگيخته شده و شرايط بازتاب آنها متفاوت مي‌شود. با از ميان رفتن منبع ماوراء بنفش، مولكول به حالت اوليه برمي‌گردد. براي نمونه، تغيير ساختار يك ماده فوتوكروميك درشكل‌هاي 10 و 11 نشان داده شده است. كاربرد اصلي مواد فتوكروميك و استفاده از آنها در عينك‌ها و همچنين پنجره برخي ساختمان‌ها، قابل رويت است. شكل 10: تغيير ساختار ماده فتوكروميك در برابر اشعه ماوراء بنفش شكل 11: تغيير شفافيت عينك‌هاي فتوكروميك در برابر ميزان نور دريافتي 2. مواد ترموكروميك اين مواد، گرما را جذب كرده و تغييرات شيميايي و يا فازي از خود نشان مي‌دهند. نكته مهم اين است كه اين تغييرات، بازگشت‌پذيرند و به تغييرات دما وابسته‌اند. شايد دماسنج‌هايي نواري را ديده‌ايد كه به آنها ترمومتر گفته مي‌شود. با گذاشتن اين دماسنج‌ها بر روي بدن، تغيير رنگ داده و عدد دماي بدن را نمايش مي‌دهند و با برداشتن از روي بدن، به حالت عادي برمي‌گردند. شكل 12 نمونه ديگري از اين مواد است. شكل 12: صندلي‌هاي گرمايي از رنگ‌هاي ترموكروميك استفاده مي‌كنند. آنها براثر دماي بدن تغيير رنگ داده و پس ازمدتي به حالت اوليه خود برمي‌گردند. 3. مواد مكانوكروميك و كموكروميك در مورد اين دو نوع مواد، دو مثال جالب وجود دارد. مواد مكانوكروميك با تغييرات فشار و يا تغيير شكل، خصوصيات بازتابي متفاوتي از خود نشان مي‌دهند و محصولاتي از آنها توليد شده است كه تحت فشار و يا كشش خاص، متني را كه در آنها مخفي شده‌اند نشان مي‌دهند. در مورد مواد كموكروميك هم حتماً با نام كاغذهاي تورنسل آشنا هستيد كه در محيط‌هاي بازي و اسيدي، رنگ‌هاي متفاوتي را از خود نشان مي‌دهند (شكل 13). شكل 13: كاغذ تورنسل در محيط‌هاي اسيدي و بازي 4. مواد الكتروكروميك اصطلاح الكتروكروميك، به طور گسترده به موادي اطلاق مي‌شود كه بر اثر قرار گرفتن در يك جريان و يا اختلاف پتانسيل الكتريكي، رنگ خود را به گونه‌اي بازگشت‌پذير، تغيير مي‌دهند. مثلاً، پنجره‌هاي الكتروكروميك به وسيله اعمال الكتريسيته، روشن يا تار مي‌شوند. اين مواد از يك جزء تشكيل نشده و معمولاً به صورت چند لايه از مواد هستند كه با يكديگر كار مي‌كنند. در شكل 14 نماي شماتيك نحوه عملكرد اين نوع مواد نشان داده شده است. شكل 14: نحوه عملكرد شيشه الكتروكروميك مواد داراي حافظه شكلي اين مواد، از توانايي تغيير شكل تحت تأثير محرك‌هاي مختلف (مانند دماهاي مختلف) با افزايش دما تغيير شكل مي‌دهند و با بازگشت دما به مقدار اوليه، شكل اصلي خود را مي‌يابند. در حال حاضر، كامپوزيت‌هاي حافظه‌دار به دو دسته فلزي (آلياژي) و پليمري تقسيم مي‌شوند. در اينجا به نيتينول به‌عنوان يك آلياژ حافظه‌دار و نيز كاربرد آن در زندگي روزمره اشاره مي‌شود. تذكر اين نكته ضروري است كه آلياژهاي حافظه‌دار دو ويژگي دارند: يكي اينكه آنها تا حدودي الاستيك بوده و ديگر آنكه حافظه‌دار هستند يعني از قابليت ذخيره‌سازي انرژي مكانيك و نيز آزادسازي آن برخوردارند. اين دسته از فلزات، درست مانند آب كه در دماهاي مختلف از حالتي به حالت ديگر تبديل مي‌شوند، به اين دليل كه مولكول‌هاي آنها قابليت چيده‌مان مجدد دارند، از قابليت بازگشت به شكل اوليه برخودارند. عاملي كه سبب تغيير شكل فلز و يا بازگشت به شكل اوليه آن مي‌شود، اختلاف ساختار مولكولي در هر فاز است. در شكل 15 سمت چپ، فلز حافظه‌دار را در حالتي كه شكل اوليه خود را در دماي اتاق دارد را نشان مي‌دهد. زماني كه بار اعمال مي‌شود، فلز تغيير شكل مي‌دهد. سپس به محض برداشته شدن باز و اعمال كمي گرما، مولكول‌ها به شكل ساختاري سخت در مي‌آيند، به گونه‌اي كه به يك ساختار با شبكه‌اي متفاوت مبدل مي‌شوند، اما هنوز وضعيت قرارگيري مولكولي معمولي است و همان ساختار فيزيكي در مقياس ماكرو وجود دارد. با توجه به اينكه اين دسته از فلزات زيست سازگار هستند (سيستم ايمني به آنها واكنش نشان نمي‌دهد) و از ويژگي‌هاي مكانيكي قابل قبولي (مقاوم در برابر خوردگي) برخوردارند، در ساخت ايمپلنت‌هاي كاشتني در ارتوپدي شكستگي‌ها، قابل استفاده هستند. شايد بدانيد كه در شكستگي‌هاي استخوان صورت، از پليت‌هايي ويژه استفاده مي‌شود تا استخوان‌هاي صورت را طي دوره شكستگي در كنار هم نگه دارد. در گذشته، از پليت‌هايي از جنس استيل براي اين كار استفاده مي‌شد. در ابتدا ممكن است كه استخوان درست لب به لب هم و در كنار هم قرار گيرند، اما به مرور اين وضعيت از دست مي‌رود كه در نهايت سبب به تأخير افتادن جوش خوردن شكستگي مي‌شود. با ظهور آلياژهاي حافظه‌دار و كاربرد آنها در ساخت پليت‌ها، اين مشكل رفع شده است. امروزه جراحان از فلزهاي حافظه‌دار به جاي استيل استفاده مي‌كنند. آنها ابتدا فلز را كمي سرد كرده و در محل مورد نياز نصب مي‌كنند. بر اثر دماي بدن، فلز پليت تا حدودي گرم شده و فشار لازم براي در كنار هم نگهداشتن قطعات شكستگي را حفظ مي‌كند و سبب مي‌شود تا استخوان در حداقل زمان ترميم شود. مشكلي كه در طراحي اين نوع پليت‌ها وجود داشت، مربوط به تنظيم فشار مناسب و مطلوب است. مثلاً، اينكه فلزتا چه مقدار بايد تغيير شكل داده شود تا كشش لازم را ايجاد كند، جاي بيشتر بررسي دارد. در اينجاست كه فناوري نانو وارد عرصه مي‌شود تا به تغيير نحوه قرارگيري اتم‌ها در تركيبات كمك كند. هم اكنون گروه‌هاي تحقيقاتي در حال انجام مطالعه در مورد تنظيم اين مكانيزم با كمك فناوري نانو هستند. يكي از معروف‌ترين آلياژهاي داراي حافظه شكلي، ماده‌اي به نام نيتينول است كه از آن به صورت سيم استفاده مي‌شود. در نگاه اول، اين سيم‌ها مشابه سيم‌هاي معمولي به نظر مي‌آيند و براحتي تغيير شكل داده و رساناي الكتريسيته بوده، اما در مقايسه با سيم‌هاي معمولي فولادي و مسي، بسيار گران‌تر هستند. دو مشخصه در اين سيم‌ها وجود دارد كه آنها را از ساير سيم‌ها متفاوت مي‌كند: الف- اين سيم‌ها حافظه دارند. مثلاً، مي‌توان آنها را به هر شكلي درآورد و سپس با گرم كردن آنها تا دماي بالاي 90 درجه سانتي‌گراد، به حالت اوليه بازگرداند (شكل 15). شكل 15: نمايي از تأثير گرما در تغيير شكل اوليه سيم‌هاي داراي حافظه شكلي ب- نكته‌اي كه شايد جالب‌تر از مورد اول باشد اين است كه مي‌توان اين سيم‌ها را برنامه‌ريزي كرد تا شكل خاصي را به خاطر بسپارند! اين كار به اين صورت انجام مي‌شود كه شكل دلخواهمان را به سيم مي‌دهيم و سپس سيم را به مدت تقريبي 5 دقيقه با دماي 150 درجه سانتي‌گراد گرما داده و جريان الكتريسيته را از آن عبور مي‌دهيم. سپس مي‌توانيم سيم را به هر شكل ديگري درآوريم و براي برگشت آن به شكل اوليه، كافي است آن را در آب داغ بينداريم (شكل 16). شكل 16: برنامه‌ريزي سيم‌هاي داراي حافظه شكلي دسته ديگري از مواد داراي حافظه شكلي، سيم‌هاي ماهيچه‌اي هستند كه از آلياژهاي نيكل و تيتانيم ساخته شده و در دماي اتاق براحتي مي‌توان آنها را تغيير شكل داد. نكته‌اي كه اين مواد را جذاب مي‌كند اين است كه با عبور جريان الكتريسيته با نيروي خوبي (كه مي‌توان از آن استفاده كرد) به شكل اوليه خود برمي‌گردند. اگر بخواهيد دقيق‌تر بدانيد، بايد بگوييم كه اين سيم‌ها اگر تا 8 درصد اندازه اوليه خود كشيده شوند، باز هم مي‌توانند به حالت اوليه بازگردند. استفاده‌هايي كه از اين نوع سيم‌ها مي‌شود، تغيير طول‌هايي حدود 3 تا 5 درصد طول اوليه است. در شكل‌هاي 17 تا 19 كاربردهايي از اين نوع مواد را مي‌بينيد. شكل 17: تركيب سيم ماهيچه‌اي، وزنه، باتري و كليد قطع و وصل جريان مواد هوشمند نوع دوم اين دسته از مواد هوشمند، شامل آنهايي است كه انرژي را از نوعي به نوع ديگر تبديل مي‌كنند. نمونه‌اي از اين نوع مواد، مواد پيزوالكتريك هستند كه در پاسخ به محرك الكتريكي، از خود حركت مكانيكي نشان داده و در پاسخ به محرك مكانيكي، الكتريسيته توليد مي‌كنند. دونوع از اين مواد عبارتند از: مواد فتوولتائيك (قدرت‌زاي نوري) اين مواد در پاسخ به محرك نور مرئي جريان الكتريكي ايجاد مي‌كنند. مواد ترموالكتريك (دما برقي) اين مواد در برابر تغييرات دما توانايي توليد برق دارند. شكل18: سيم هاي هوشمند مي توانند به كمك يك برد الكترونيكي باز و بسته شدن يك دست را نشان دهند شكل19: استفاده از سيم هاي ماهيچه اي براي باز و بسته كردن مسيرها نتيجه‌گيري امروزه دنياي مواد بسرعت در حال تغيير و دگرگوني است و محققين به دنبال خصلت‌هايي جديد در مواد هستند. مزيت‌هاي فراواني كه مواد هوشمند به همراه خود دارند، عرصه را روز به روز به مواد سنتي و قديمي تنگ‌تر خواهد كرد. مواد هوشمند به دليل تنوع ساختاري زيادي كه دارند، مي‌توانند بسرعت خود را جايگزين ساير مواد كنند. مصارف جديدي براي اين نوع مواد تعريف شده و مصارف بيشتري نيز تعريف خواهد شد. از اين رو لازم است كه در كشور ما نيز از هم اكنون تحقيقات جدي‌تري در اين زمينه انجام شده و اين مواد و قابليت‌هايي را كه براي طراحي در اختيار مهندسين قرار مي‌دهند، معرفي شود. پانوشت‌ها: 1 . Shape memory alloy 2 . smart or intelligent materials 3 . muscle fiber 4 . direct piezoelectric effect 5 . converse piezoelectric effect 6 . rheology 7 . Magnetostrictive منابع: 1. مواد هوشمند، حسين صالحي وزيري، شبكه تحليل‌گران تكنولوژي ايران 2. Otsuka, K. and Wayman, C. M: Shape Memory Materials, Cambridge University Press, Cambridge, 1998. 3. Piedboeuf, M. C., Gauvin, R. and Thomas, M: Damping behavior of shape memeory alloys: strain amplitude, frequency and temperature effects, Journal of Sound and Vibration 214, 5 (1998), 885- 901.