معرفی مواد هوشمند

مواد هوشمند موادی هستند که قادرند در مقابل محرکهای خارجی خواص فیزیکی خود مانند حجم، اندازه، شکل، ویسکوزیته، رنگ و غیره را تغییر دهند و یا تبدیل انرژی انجام دهند



مواد هوشمند موادی هستند که قادرند در مقابل محرکهای خارجی خواص فیزیکی خود مانند حجم، اندازه، شکل، ویسکوزیته، رنگ و غیره را تغییر دهند و یا تبدیل انرژی انجام دهند.

به عبارت دیگر این مواد موادی هستند که قادرند شرایط و محیط اطراف خود را درک کرده و نسبت به محرکهای اطراف خود ( شامل محرکهای مکانیکی، شیمیایی، الکتریکی، مغناطیسی و غیره) واکنش نشان دهند؛ به عنوان مثال اگر یک مایع هوشمند را در مقابل میدان مغناطیسی یا الکتریکی قرار دهیم ظرف یک میلی ثانیه میتواند با تغییر ویسکوزیته از یک مایع به جامد یا ترکیبی شبه جامد تبدیل شود و یا اگر به یک ماده هوشمند کمی حرارت یا فشار وارد کنیم تغییر شکل یا تغییر اندازه قابل توجهی خواهند داشت.

مواد هوشمند در مقابل مواد عادی هستند که خواص فیزیکی تقریباً ثابتی دارند و در مقابل محرکهای خارجی تغییرات کمی دارند که این تغییرات قابل توجه نیستند مثلاً اگر یک جامد را تا دمای مشخصی گرم کنیم ذوب می شود و اگر گرما را حذف کنیم مادامی که دمای جسم به دمای انجماد نرسیده مایع باقی میماند، یا اگر یک مایع مثل روغن را گرما دهیم ویسکوزیته آن کمی کمتر شده و روانتر می شود.

مواد هوشمند دو نوع هستند:

مواد هوشمند نوع اول
این گروه از مواد در مقابل محرکهای خارجی با تغییر مستقیم یکی از خواص فیزیکیشان واکنش نشان میدهند. این مواد خود انواع مختلفی دارند که به نمونه هایی از انها اشاره میکنیم.

مواد کرومیک:
یکی از جالبترین دسته های مواد هوشمند هستند که بسیار مورد توجه قرار می گیرند. واکنش این گروه از مواد نسبت به محرکها تغییر رنگ است. در واقع این مواد در پاسخ به محرکهای خارجی دچار تغییر ساختار شده و در نتیجه خصلتهای نوریشان مانند ضریب جذب، قابلیت بازتاب و … تغییر می کند و نتیجه این تغییرات تغییر رنگ این مواد می باشد. مواد کرومیک خود انواع و گونه های مختلفی دارند که در زیر به آنها اشاره میکنیم.

مواد فتوکرومیک :
این گروه از مواد در مقابل تغییر نور، تغییر رنگ میدهند. مواد مورد استفاده در حالت غیر فعال بی رنگ هستند ولی وقتی در معرض انرژی تابشی قرار می گیرند مولکولهای آن به حالت برانگیخته درآمده و در نتیجه دچار تغییر ساختاری میشوند که بر میزان جذبشان اثر میگذارد و در نتیجه ماده کدرتر دیده می شود. البته این تغییر ساختار برگشت پذیر بوده و با از بین رفتن منبع نور مولکولها و ماده به حالت اولیه برمیگردند و در نتیجه ماده دوباره شفاف دیده می شود. ساده ترین و آشناترین مثال از کاربرد این مواد عینکهای فتوکرومیک و یا شیشه فتوکرومیک بعضی از ساختمانهاست.

مواد ترموکرومیک :
عامل تغییر رنگ در این دسته از مواد گرما و حرارت است. این موا با جذب گرما تغییر شیمیایی یا تغییر فاز پیدا میکنند که این تغییرات نیز برگشت پذیر است. ساده ترین نمونه مواد ترموکرومیک، ترمومترها یا دماسنجهای نواری هستند که با قرار گرفتن بر روی پیشانی و جذب گرمای بدن تغییر رنگ داده و عدد دمای بدن را نشان میدهند و با برداشتن آن به حالت اولیه برمیگردند. مثال دیگری از این گروه مواد صندلیهای گرمایی هستند که با دمای بدن تغییر رنگ میدهند و پس از بین رفتن منبع دما (بدن) به حالت اولیه برمیگردند.

مواد مکانوکرومیک :
این مواد با تغییرات فشار یا تغییر شکل (بر اثر نیروی مکانیکی) خصوصیات بازتابی متفاوتی از خود نشان میدهند.

مواد کموکرومیک :
موادی هستند که با تغییر شرایط شیمیایی تغییر رنگ میدهند. ساده ترین مثال از این گروه مواد کاغذهای pH و یا کاغذ تورنسل و یا دیگر کاغذهای اندیکاتور است که در محیطهای اسیدی و بازی رنگهای مختلفی از خود نشان میدهند.

مواد الکتروکرومیک :
الکتروکرومیک به طور گسترده به موادی گفته می شود که در اثر قرار گرفتن در یک جریان یا اختلاف پتانسیل رنگ آنها به طور برگشت پذیری تغییر می کند. به عنوان مثال پنجره های الکتروکرومیک که به وسیله الکتریسیته روشن و تار میشوند که نقش بسیار مهمی در صرفه جوئی انرژی ایفا میکنند. این پنجره ها معمولاً به صورت چند لایه هستند که مابین آنها از مواد الکتروکرومیک و مواد هادی پر شده است. هنگامیکه جریان برقرار می شود یونهای این مواد در یک ردیف و به صورت مرتب قرار می گیرند و این باعث عبور جریان و شفاف شدن شیشه می شود. اگر جریان قطع شود این یونها به صورت متراکم و بی نظم پخش شده و مانع عبور جریان میشوند در نتیجه شیشه تیره می شود.

آلیاژهای با حافظه شکلی (Shape Memory Alloy):
اولین مشاهده ثبت شده در مورد پدیده حافظه داری در سال ۱۹۳۲ در مورد قابلیت برگشت پذیری آلیاژ AuCd مشاهده شد و در سال ۱۹۵۱ این پدیده در مورد این آلیاژ قطعیت یافت. در سال ۱۹۳۸ این رفتار در برنج CuZn دیده شد و در سال ۱۹۶۲ در آزمایشگاه نیروی دریایی ایالت متحده آمریکا در حین عملیات حرارتی در یک میله از جنس Ni-Ti در مورد پدیده حافظه داری این آلیاژها نتایج قطعی به دست آمد که اکنون نیز معروفترین آلیاژ حافظه دار آلیاژ نیتینول یا همان آلیاژ نیکل-تیتانیوم با درصد مساوی است.
اگر یک آلیاژ معمولی تخت بار خارجی قرار گیرد، تغییر شکل میدهد و این تغییر شکل بعد از حذف بار نیز باقی میماند ولی آلیاژهای حافظه دار یا SMA ها این توانایی را دارند که یک اندازه یا شکل برایشان تعریف شود و آن را به خاطر بسپارند، به عبارت دیگر این آلیاژها این توانایی را دارند که اگر آنها را تا بالای دمای مشخصی گرم کنیم، شکل اولیه خود را به دست آورند. همچنین این آلیاژها قادرند جریان الکتریکی(گرمایی) را به انرژی مکانیکی تبدیل کنند و اگر گرم و سرد کردن این آلیاژها با جریان الکتریکی کنترل شود، میتوان حرکات سیکلی تکرار پذیری را ایجاد کرد.
این آلیاژها دارای دو فاز ثابت هستند: فاز در دمای بالا که آستنیت(Austenite) نامیده می شود که ساختمان آن مکعبی بوده و به دلیل دارا بودن تقارن بالا محکمتر است. فاز با دمای پایین که مارتنزیت(Martensite) نامیده می شود که میتوان به صورت دوقلویی و غیر دوقلویی موجود باشد، شکل آن منوکلینیک بوده و نسبت به آستنیت تقارن کمتری دارد.
به محض سرد کردن آلیاژ در نبود بارگذاری تغییر فاز از آستنیت به مارتنزیت صورت میگیرد که نتیجه این تغییر فاز قابل مشاهده ماکروسکوپی نیست. به محض گرم کردن ماده در فاز مارتنزیت، برگشت فاز اتفاق می افتد.

در نمودار تغییر فاز چهار نقطه اختصاصی مشخص شده است:

  • دمای آغاز مارتنزیتMos : که در این دما بسته های مارتنزیت شروع به رشد و بزرگ شدن میکنند

  • دمای پایان مارتنزیت Mof : که در آن تغییر فاز از آستنیت به مارتنزیت به طور کامل صورت گرفته است.

  • دمای آغاز آستنیتAos : که دمای شروع تغییر فاز از مارتنزیت به آستنیت است.

  • دمای پایین آستنیت Aof : که در این دما تغییر فاز از مارتنزیت به آستنیت کامل شده است.

اگر بارگذاری مکانیکی روی آلیاژ در فاز مارتنزیت دوقلویی انجام شود، مارتنزیت از حالت دوقلویی خارج شده و تغییر شکل میدهد. به محض برداشتن بار، مارتنزیت به همان حالت باقی میماند. با گرم کردن آلیاژ بالاتر از دمای پایان آستنیت Aof فاز مارتنزیت به آستنیت تغییر می یابد و در نتیجه این تغییر فاز آلیاژ شکل اولیه خود را باز می یابد. این خصوصیت رفتار حافظه ای یا (Shape Memory Effect) نامیده می شود که از خصوصیات آلیاژهای حافظه دار است. که مشاهده ماکروسکوپی آن به این صورت است که مثلاً اگر سیمی از جنس نیتینول را تغییر شکل دهیم و سپس آن را تا بالای ۹۰ درجه گرم کنیم سیم به شکل اولیه برمی گردد.

اگر بارگذاری در فاز آستنیت انجام شود و ماده سرد شود، تغییر فاز از آستنیت به مارتنزیت دوقلویی نشده مشاهده می شود ولی با گرمای مجدد و تغییر فاز معکوس، آلیاژ به شکل قبلی خود برمیگردد. با استفاده از این خصلت میتوان این سیمها را برنامه ریزی کرد تا شکل خاصی را به خاطر بسپارند این کار به این صورت انجام می شود که شکل دلخواهمان را به سیم میدهیم و سپس سیم را به مدت تقریبی ۵ دقیقه با دمای ۱۵۰ درجه سانتیگراد گرما میدهیم یا جریان الکتریسیته از آن عبور میدهیم. حال میتوانیم سیم را به هر شکل دیگری در آوریم و برای برگشت آن به شکل برنامه ریزی شده فقط کافیست آن را در آب داغ بیاندازیم.

همچنین میتوانیم تغییر فاز در آلیاژ را فقط با بارگذاری مکانیکی ایجاد کنیم که نتیجه این عمل فاز مارتنزیت دوقلویی نشده به همراه مقدار زیادی کرنش است. حال اگر دمای آلیاژ بالای دمای پایان آستنیت باشد به محض اینکه بارگذاری حذف شود آلیاژ به شکل اولیه خود برمیگردد. بنابراین رفتار ماده به نوعی الاستیک خواهد بود این رفتار شبه الاستیک (Pseudoelastic Behavior) از خصوصیات دیگر آلیاژهای با حافظه شکلی است. به عنوان مثالی از کاربرد این خاصیت میتوان به سیمهای ماهیچه ای اشاره کرد که از آلیاژ نیتینول ساخته شده اند و در دمای اتاق به راحتی میتوان آنها را تغییر شکل داد و با عبور جریان الکتریکی با نیروی خوب و مناسب به شکل اولیه بر میگردند. اگر این سیمها تا ۸% اندازه اولیه خود کشیده شوند باز هم میتوانند به حالت اولیه بازگردند. از این سیمها در ساخت ماهیچه های مصنوعی استفاده می شود.

ویژگیهای دیگر این آلیاژها عبارتند از : مقاومت بالا در مقابل خوردگی، مقاومت ویژه الکتریکی نسبتاً بالا، خواص مکانیکی نسبتاً خوب، خستگی طولانی، شکل پذیری بالا و قابلیت انطباق با بدن.

از کاربردهای این آلیاژها میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
کاربرد با بازیابی آزاد ( استفاده از حرکت) : این کاربرد بر این پایه است که آلیاژها در حین سرد و گرم شدن شکل اولیه خود را بازیابی میکنند بدون اینکه تنش بیرونی از این کار ممانعت به عمل آورد مانند آنتنهای سفینه های فضایی.
کاربرد با بازیابی مقید(استفاده از نیرو) : به کاربردهایی اطلاق می شود که در آنها یک نیروی خارجی جلوی بازیابی کرنش در آلیاژ را می گیرد. در این حالت هیچ کرنشی بازیابی نمی شود ولی مقدار زیادی تنش ایجاد می شود مانند چفت و بستها
کاربردهایی با بازیابی تحت فشار (استفاده از کار) : به کاربردهایی اطلاق می شود که هم تنش و هم کرنش حین گرم شدن بازیابی میشوند و کار مکانیکی ایجاد می شود.
کاربردهای ابرکشسانی (ذخیره انرژی مکانیکی) : رفتار الاستیک این آلیاژها ۱۵ برابر فولاد فنر است.
میراکنندگی ارتعاشات: این آلیاژها برای مهار ارتعاشات در سازه هایی که تحت ارتعاشات شدید هستند به کار میرود مانند صفحات آزاد میراکننده ارتعاشات در سفینه های فضایی.

مواد مگنتورئواستاتیک (Magneto-Rheostatic) و الکترورئواستاتیک (Electro-Rheostatic)
مواد مگنتواستاتیک(MR) و الکترواستاتیک(ER) سیالاتی هستند که میتوانند تغییر قابل توجهی در ویسکوزیته خود ایجاد میکنند. این سیالات اگر در معرض میدانهای الکتریکی یا مغناطیسی قرار گیرند، میتوانند بلافاصله با تغییر ویسکوزیته از یک سیال غلیظ به یک ماده جامد یا ترکیبی تقریباً جامد تبدیل شوند. این تبدیل کاملاً برگشت پذیر بوده و به محض از بین رفتن میدان ماده مجدداً به حالت سیال روان در می آید. سیالات MR وقتی در معرض میدان مغناطیسی قرار گیرند این واکنش را نشان میدهند و سیالات ER در مقابل میدان الکتریکی.

مواد هوشمند نوع دوم
میدانیم که همه اجسام و محیطهای پیرامونشان مقدار مشخصی انرژی دارند. هنگامیکه به ماده انرژی وارد میکنیم، انرژی ورودی سطح انرژی ماده را بالا برده و باعث برانگیخته شدن اتمهای ماده می شود و چون اتمها نمیتوانند در حالت برانگیخته باقی بماننده، بازگشتشان به سطح اولیه باعث خروج انرژی می شود. در اکثر مواد عادی با اضافه کردن انرژی به مواد سطح انرژی آنها را بالا میرود و این افزایش انرژی به صورت افزایش انرژی درونی جسم خود را آشکار می کند که معمولاً به گرما و انرژی گرمایی تبدیل می شود، اما مواد هوشمند نوع دوم قادرند انرژی افزوده شده به صورتهای مختلف و مفید انرژی مانند انرژی مکانیکی، انرژی الکتریکی، انرژی تابشی و غیره تبدیل کنند. در واقع مواد هوشمند نوع دوم موادی هستند که در مقابل جذب انرژی موادی هستند که قادرند در مقابل جذب انرژی واکنش نشان داده و عمل تبدیل انرژی را انجام دهند.

برخی از انواع مواد هوشمند نوع دوم عبارتند از :

مواد فتوولتائیک
موادی هستند که انرزی تابشی را جذب کرده و به کمک مواد هادی و نیمه هادی به جریان الکتریکی تبدیل میکنند.

مواد نورتاب ( لومینسانس)
لومینسانس به تابش نوری گفته می شود که عامل ایجاد آن دریافت انرزی است. در واقع این مواد انرژی دریافت شده را به صورت انرژی تابشی در طول موجهای مرئی بازتاب میکنند. در واقع این مواد عکس مواد فتوولتائیک عمل میکنند. بر اساس اینکه عامل ایجاد انرژی و تابش چه باشد مواد لومینسانس به انواع مختلفی تقسیم میشوند از جمله: فتولومینسانس ، رادیولومینسانس، الکترولومینسانس، کاتدلومینسانس، ترمولومینسانس، کمولومینسانس و غیره
رایج ترین و ساده ترین مثال از مواد لومینسانس اسباب بازیهایی هستند که با فشار دادن روشن میشوند.

مواد پیزوالکتریک
اثر پیزوالکتریک (فشار – الکتریکی) پدیده ای است که در آن یک ماده تحت یک میدان الکتریکی، ابعاد فیزیکی خود را تغییر دهد و بالعکس. اثر پیزوالکتریک مستقیم به پدیده مربوط می شود که در آن اعمال تنش و فشار و نیروی مکانیکی باعث تغییر شکل ماده شده و این تغییر شکل باعث شارژ شبکه بین الکترودها می شود و پتانسیل الکتریکی ایجاد می کند. اثر پیزوالکتریک معکوس مربوط به این پدیده است که با اعمال پتانسیل بین الکترودها باعث تغییر شکل و در نتیجه ایجاد کرنش می شود.

کریستالهای خاصی مثل کوارتز و تورمالین پیزوالکتریک هستند. علت فیزیکی که پدیده پیزوالکتریک اتفاق می افتد را میتوان به صورت ایده آل با در نظر گرفتن اینکه یک ماده پیزوالکتریک شامل بیشمار دوقطبی الکتریکی است، توضیح داد. در هنگام پخش بارUndistributed این دوقطبیها به صورت تصادفی پخش میشوند، که منجر به حالت ذاتی یا بی شارزی شبکه می شود. اختلاف پتانسیل الکتریکی به صفحه ماده پیزوالکتریک اعمال می شود و دوقطبیهای ماده را در جهات مورد نظر مرتب می کند و منجر به تغییر شکل و تغییر در ضخامت صفحه می شود. برعکس یک تنش که باعث تغییر شکل ماده یا تغییر جهت دوقطبی ها شود، یک شارژ شبکه بین الکترودها ایجاد می کند.

مشهورترین ماده پلی کریستالین فروالکتریک تیتانات زیرکونات سرب Pb(Zr,Ti)O3 یا PZT است که دارای خواص پیزوالکتریک بسیار قوی در پی پلاریزاسیون می باشد. پلاریزاسیون ماده فروالکتریک با گرم کردن آن تا دمای بالاتر از دمای کوری ماده و سپس سرد کردن آرام آن در حضور میدان الکتریکی معمولاً توسط دو الکترود به ماده اعمال می شود. این پروسه دوقطبی ها را در جهت پلاریزاسیون مرتب کرده و خواص پیزوالکتریک را تقویت می کند.

مهمترین کاربرد این مواد به عنوان سنسور در محیطهای مختلف است و همچنین به عنوان مبدلهای انرژی نیز کاربرد دارند. مثال ساده از کاربرد مواد پیزوالکتریک در زندگی روزمره، کیسه هوای اتومبیلهاست. این ماده نیروی وارد شده بر اثر ضربه به ماشین را حس کرده و بار الکتریکی برای به کار انداختن کیسه هوا می فرستد.

 
کاربردهای مواد هوشمند:

  1. چاپگرهای جوهرافشان

  2. وسایل ذخیره سازی اطلاعات مانند CD

  3. وسایل ضد لختگی خون

  4. سیستمهای هوشمند اندازه گیری قند خون در بیماران دیابتی

  5. بالهای هوشمند هواپیما که با توجه به فشار هوا و سرعت شکل بالها را تنظیم می کند

  6. آنالیز کننده مایعات بدن برای کنترل سلامتی

  7. سیستمهای هوشمند از بین برنده لرزش در سیستمها و خودروها

  8. سیستمهای از بین برنده صدا و نویز

  9. اسباب بازیهای هوشمند

  10. خانه هایی با حسگرهای هوشمند کنترل حرارت و نور

  11. لوازم و تجهیزات ورزشی هوشمند

  12. ماهیچه های مصنوعی که از پلیمرهای الکترواکتیو ساخته شده اند و هم در پروتزها و هم در روباتها قابل استفاده هستند.

  13. پروتزهای دندانپزشکی هوشمند

  14. سیستمهای هوشمند در کشتیها و زیردریاییها برای حذف تلاطم جهت جلوگیری از دیده شدن در رادار

  15. سیستمهای هوشمند تصفیه آب

  16. سیستمهای هوشمند تصفیه آب

  17. سیستمهای هوشمند برای انجام جراحیهای میکروسکوپی

  18. مبدلهای التراسونیک

  19. فرستنده و گیرنده های تقویت کننده

  20. ماهیچه های مصنوعی

از مواد هوشمند میتوان به عنوان سنسور و یا شتاب دهنده در محیطهای تشعشع و در مکانهایی که احتمال وجود تشعشع و قرارگیری افراد در مقابل پرتو وجود دارد استفاده کرد که در این صورت میتوان ضریب ایمنی محیطهای کار هسته ای را افزایش داد و احتمال پرتوگیری افراد را کاهش داد که این کار میتواند به کاهش دادن هزینه های فرآیندهای هسته ای کمک کند.
البته محدودیتی که در این مورد وجود دارد این است که هنوز اثر تشعشعات هسته ای بر روی این مواد کاملاً مشخص نیست. این احتمال وجود دارد که قرار گرفتن طولانی در مقابل پرتوهای هسته ای و پرتوگیری شدید عملکرد این مواد را مختل کند که اگر این مشکل برطرف شود و این موضع کاملاً مشخص گردد مطمئناً صنعت هسته ای تحول بسیار بزرگی خواهد داشت.