شناخت بیشترمواد هوشمند(2)

قسمت اول

یکی از مثال های ساده ماده هوشمند دینامیک عبارت است از رنگ گیری شیشه اتومبیل که بیشتر اوقات روشن است امّا بر اثر تابش نور شدید برای جلوگیری از اختلال در رانندگی، تیره می شود. تعریف ناسا از مواد هوشمند به این صورت است که"مواد هوشمند موادی هستند که موقعیت‌ها را به خاطر می‌سپارند و بامحرکهای مشخص می‌توانند به آن موقعیت باز گردند."

تعریف دایره المعارف تکنولوژیهای شیمیایی به این صورت است که "مواد و سازه‌های هوشمند، اشیائی هستند که شرایط محیطی را حس کرده و با پردازش این اطلاعات حسی نسبت به محیط عمل می‌کنند."

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.

شناسایی مواد هوشمند

یکی از روش هایی که ماده می تواند هوشمند شود از این قرار است که فقط تحت شرایط خاصی واکنش برقرار کند. راه دیگر این است که جداسازی موادی را که ماده هوشمند در معرض آن ها قرار می گیرد، امکان پذیر کنند. مواد می توانند بر پایه توانایی های شناسایی ملکولی که به آن ها امکان می دهد به آشفتگی یا محرک های الکترومغناطیسی یا شیمیایی خاص پاسخ دهند، نیز هوشمند شوند.

رشد نانوسیم ها و نانولوله ها از تک بلورها از مقوله های شناسایی به شمار می آید. مولفه های مختلف نانوسیم ابتدا بلور دانه را که در میانه آن ها قرار دارد، می شناسند و آن گاه یکدیگر را شناسایی می کنند. در این روش، نانوسیم جامد در داخل یک محلول شستشو پخش می شود، دقیقاً به همان صورتی که یک قندیل یخ از طریق یخ زدن روی بلورهای خارجی و کمک آن در یک محلول اشباع نمک گسترش می یابد، یا نباتی که از شکر محلول بلوری می شود.

نمونه دیگر در یاخته زیستی یافت می شودبرای اینکه چیزی از غشاء رد شود، بیولوژی به اصطلاح مجراهایی را تعبیه کرده است که عملاً لوله هایی اند که فقط از آب پر شده اند. سطح مقطع این لوله ها دارای مقیاس نانویی است و این امکان را فراهم می آورند که مواد غذایی، مواد زاید، و سایر مواد مهم بین یاخته و محیط آن حرکت کنند.ترکیب شناسایی ملکولی و تجمع می تواند به ایجاد موادی انجامد که در بسیاری سطوح هوشمندند و فقط در مقیاس نانویی امکان پذیرند.

انواع مواد هوشمند

نوع اول

گروه اول این مواد را اصطلاحاً مواد هوشمند نوع اول یا مواد کرومیک می نامند، این مواد یکی از جالب ترین انواع مواد هوشمنددو موادی با قابلیت تغییر رنگ هستند. این دسته از مواد در پاسخ به محرک های محیط خارجی در ویژگی ها و خصوصیات شیمیایی، الکتریکی، مغناطیسی، مکانیکی و یا حرارتی دچار تغییر رنگ می شوند، این تغییر رنگ ناشی از تغییر خصوصیات نوری این مواد مانند ضریب جذب، قابلیت بازتاب و یا شکست نور است که در نتیجه تغییر در ساختار این مواد ایجاد می شوند. و خود ماده مستقیما این تغییرات را ایجاد می‌کندبه عنوان مثالی که برای همه ما آشناست می‌توان به عینکهای فتوکرومیک اشاره کرد که تحت تاثیر اشعه ماوراء بنفش تغییر رنگ می‌دهند.

تغییر شفافیت عینکهای فتوکرومیک نسبت به میزان نور دریافتی

انواع گروه اول

مواد فتوکرومیک: در برابر جذب انرژی تابشی در ساختار شیمیایی این مواد 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.

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.

نوع دوم

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.

انواع مواد هوشمند دسته دوم به شرح زیر هستند:

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

مواد ترموالکتریک(دمابرقی): 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 می افتد. در حقیقت مواد نورتاب برعکس مواد فتوولتائیک عمل می کنند.

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.

         ادامه دارد...

منبع: designinsite *smart-material*newdesign*nano*nanoclub

کتاب نانو فناوری-مارک ودانیل راتنر-هوشنگ گودرزی