مواد هوشمند Smart Materials

[rahele_s 6,472]

 

در مطالب گذشته پیرامون آلیاژ های حافظه دار مطالب زیادی بیان گردید .این آلیاژها شاخه ای از مجموعه مواد هوشمند می باشند در این مطلب با این مواد بیشتر آشنا می شوید و از خواص و بکار گیری آن ها مطلع می گردید.

معمولا عبارت "مواد هوشمند" را بدون تعريف دقيقي از آنچه مورد نظرمان است استفاده مي‌کنيم. از طرفي هم ارائه يک تعريف دقيق به طرز عجيبي دشوار است. استفاده‌ گسترده‌اي از اين کلمه مي‌شود اما موافقتي کلي بر روي معناي آن وجود ندارد. اما ببينيم تعريف ناسا از مواد هوشمند چيست:

"مواد هوشمند موادي هستند که موقعيت‌ها را به خاطر مي‌سپارند و با

محرکهاي مشخص مي‌توانند به آن موقعيت باز گردند."

تعريف دايره المعارف تکنولوژيهاي شيميايي کمي جامع‌تر به نظر مي‌آيد:

"مواد و سازه‌هاي هوشمند، اشيائي هستند که شرايط محيطي را حس کرده

و با پردازش اين اطلاعات حسي نسبت به محيط عمل مي‌کنند."

هرچند که به نظر مي‌آيد اين دو تعريف به يک رفتار اشاره مي‌کنند اما مي‌توان آنها را از دو قطب مختلف دانست. تعريف اول به مواد طوري نگاه کرده است که در ذهن ما عناصر، آلياژها و ترکيبها را تداعي مي‌کند. چيزهايي که توسط ساختار مولکولي خود قابل شناسايي و اندازه‌گيري هستند. اما در تعريف دوم به مواد به صورت مجموعه‌اي از فعاليتها اشاره شده است. در واقع در تعريف دوم با مجموعه‌اي از مواد يا سيستمها سر و کار داريم و آن حالت قابل شناسايي و اندازه‌گيري بودن به آن وضوح نيست.

اما اگر بخواهيم مواد و تکنولوژيهاي هوشمند (شامل عناصر، مواد مرکب، سيستمها و ...) را با توجه به خصوصياتشان بشناسيم، اين خصوصيات را مي‌توان براي آنها نام برد:

• فوريت: به اين معنا که پاسخ آنها به صورت بلا درنگ (همزمان با تاثير محرک) است.

• سازگاري: به اين معنا که توانايي پاسخ به بيش از يک شرايط محيطي را دارا هستند.

• خود انگيزي: به اين معنا که اين هوشمندي در درون اين مواد است نه در بيرون آنها.

• گزينش پذيري: به اين معنا که پاسخ آنها مجزا و قابل پيش‌بيني است.

• مستقيمي: به اين معنا که پاسخ داده شده با تحريک وارده در يک مکان قرار دارند.

انواع مواد هوشمند

با توجه به تعاريف موجود مواد هوشمند را مي‌توان به دو دسته تقسيم کرد. در ادامه به خلاصه‌اي از خصوصيات اين مواد اشاره ‌مي‌شود و در بخشهای بعدي به هريک به طور کاملتر مي‌پردازيم:

 

نوع اول

 

اين دسته از مواد در پاسخ به محرکهاي محيط خارجيشان در يک يا چند خصوصيت خود – شيميايي، الکتريکي، مکانيکي، مغناطيسي و گرمايي- تغيير ايجاد مي‌کنند. البته يک سيستم کنترل خارجي موجب اين تغييرات نيست و خود ماده مستقيما اين تغييرات را ايجاد مي‌کند. به عنوان مثالي که براي همه ما آشناست مي‌توان به عينکهاي فتوکروميک اشاره کرد که تحت تاثير اشعه ماوراء بنفش تغيير رنگ مي‌دهند. دو دسته از اين مواد در ادامه معرفي شده‌اند:

• ترموکروميک: موادي که تحت تاثير گرما در ساختارشان تغييراتي ايجاد مي‌شود و به علت تغيير در بازتابهاي آن رنگ متفاوتي از آن ديده مي‌شود.

• مواد با حافظه شکلي: اين مواد تواناي تغيير شکل تحت تاثير محرکهاي مختلف (مانند دماهاي مختلف) را دارا هستند. به عنوان مثال با افزايش دما تغيير شکل مي‌دهند و با بازگشت دما به مقدار اوليه شکل اصلي خود را مي‌يابند.

نوع دوم

 

اين دسته از مواد هوشمند شامل آنهايي است که انرژي را از نوعي به نوع ديگر تبديل مي‌کنند. نمونه‌اي که شايد با آن آشنا باشيد مواد پيزوالکتريک هستند که در پاسخ به محرک الکتريکي از خود حرکت مکانيکي نشان داد و در پاسخ به محرک مکانيکي الکتريسيته توليد مي‌کنند. دو نوع از اين مواد نيز در اينجا معرفي شده‌اند:

 

 

• مواد فتو ولتائيک (قدرت زاي نوري): اين مواد در پاسخ به محرک نور مرئي جريان الکتريکي ايجاد مي‌کنند.

• مواد ترمو الکتريک (دما برقي): اين مواد نيز در مقابل تغييرات دما توانايي توليد برق را دارند.

 

دسته‌بندي مواد

 

در اينجا قصد نداريم که به تقسيم‌بندي کلي مواد بپردازيم. بلکه مي‌خواهيم با ارائه يک نمودار مواد هوشمند را بهتر بشناسيم:

انواع مختلفی از مواد همچون فروالکتریک ها (که در میدان الکتریکی کرنش می کنند)، آلیاژهای حافظه دار (که در واکنش به تغییرات دما، دچار تغییر شکل ناشی از تبدیل فاز می شوند) و مواد منعطف مغناطیسی (که در میدان مغناطیسی کرنش می کنند)، قابلیت های حس گری و تحریک پذیری از خود نشان می دهند. این پدیده ها برعکس یکدیگر عمل می کنند و بنابراین می توان این مواد را، جداگانه یا با هم، به کار برد و قابلیت حس گری و تحریک پذیری را برای پاسخگویی به شرایط محیطی با یکدیگر ترکیب کرد. هم اکنون از مواد یاد شده در چاپ گرهای جوهرافشان، درایوهای دیسک مغناطیسی و وسایل ضد لختگی خون استفاده بسیار گسترده می شود.

کامپوزیت ها با پایه سرب - تیتان - روی (PZT) و سایر مواد فروالکتریک که دارای حساسیت زیاد، واکنش چندگانه فرکانسی و فرکانس متغیر هستند، بخش مهمی از مواد هوشمند به شمار می روند. مثلاً کامپوزیت PZT فرستنده-گیرنده ای است که در محفظه ای به شکل هلال جاسازی می شود و پاسخ را به گونه ای پایدار تقویت می کند. نمونه دیگر، کامپوزیت های باریم- استرونتیم- تیتان و مواد غیر فروالکتریک هستند که واکنش های پرس فرکانسی و پرس میدانی نشان می دهند. مصرف این کامپوزیت ها در حس گرها و تحریک کننده هایی است که می توانند برای هماهنگی با سیگنال یا رمزگشایی آن، فرکانس خود را تغییر دهند. هم اکنون از فروالکتریک ها در اجزای حافظه ای غیر متغیر، کارت های هوشمند و اجزای فعال اسکی های هوشمند- که در واکنش به تنش تغییر شکل می دهند- استفاده می شود.

 

بخش مهم دیگری از این مواد، پلیمرهای هوشمند هستند (مثلاً ژل های جدیدی که در واکنش به میدان الکتریکی تغییر شکل می دهند). از پلیمرهای الکترواکتیو در ساخت "ماهیچه های مصنوعی" نیز استفاده شده است. پلیمرهای موجود کنونی قدرت مکانیکی محدودی دارند، اما حوزه پلیمرها حوزه تحقیقاتی بسیار پویایی است و کاربردهای بالقوه ای در روبات های کاوش گر فضایی، ماموریت های بسیار خطرناک و تجسس را نوید می دهد. همچنین می توان هیدروژل هایی ساخت که در واکنش به تغییرات ph و دما منبسط و منقبض شوند. این هیدروژل ها (به شکل کپسول) قادر خواهند بود در واکنش به تغییرات شیمیایی، داروهایی در بدن ترشح کنند (مثلاً ترشح انسولین بر پایه تمرکز گلوکز). روند دیگر در رهاسازی کنترل شده دارو در بدن، مواد با هسته های هیدروفوبیک و پوسته هیدروفیلیک است.

توسعه مداوم حس گر های بیومتریک پنهان و ریز، همراه با تحقیق پیرامون شناسایی صدا و دست خط و اثر انگشت، به اثربخشی سیستم های ایمنی فردی می انجامد. از این سیستم ها می توان برای مقاصد پلیسی، نظامی، سازمانی، شخصی و تفریحی استفاده کرد. با ترکیب این سیستم ها و تکنولوژی های اطلاعات امروزی، بسیاری از دغدغه ها پیرامون مسائل امنیتی و حریم خصوصی افراد مرتفع خواهد شد. همچنین کاربردهایی برای ایمن سازی بهتر اسلحه کمری (با نصب قفل های تشخیص هویت مالک واقعی) و دزدگیر وسایل نقلیه ایجاد خواهد شد.

 

سایر کاربردهای مواد هوشمند که احتمالاً تا سال 2015 تحقق خواهند یافت عبارتند از:

- لباس هایی که به شرایط مختلف آب و هوایی حساس اند، با سیستم های اطلاعات تعامل دارند، علائم حیاتی را کنترل می کنند، قادر به ترشح مواد دارویی هستند و جراحات را به طور خودکار محافظت می کنند.

- ایرفویل هایی که خود را با شرایط آب و هوایی سازگار می کنند.

- ساختمان هایی که خود را با شرایط آب و هوایی سازگار می کنند.

- پل ها و جاده هایی که ترک را احساس و آن را مرمت می کنند.

- آشپزخانه هایی که با دستورات بی سیم آشپزی می کنند.

- تلفن ها و مراکز تفریحی که از تکنیک های "واقعیت مجازی" استفاده می کنند.

- تشخیص پزشکی شخصی

 

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام