ورود به دنیای هوشمند با مواد هوشمند

مواد هوشمند

مواد در حالت ساده خود دارای رفتارهای ثبت شده در برابر عوامل خارجی هستند. به طور مثال هر ماده­ای در برابر دما، فشار، الکتریسیته، مغناطیس و سایر عوامل محیطی رفتاری مشخص را از خود نشان می­دهد. مثلا فولاد ST37 در دمای 1400 درجه سانتیگراد ذوب می­شود و با وارد شدن فشار کششی 3700 کیلوگرم بر سانتی متر مربع به تنش تسلیم خود می­رسد و شروع به تغییر شکل دائم (پلاستیک) می­کند.

مختصری از آلیاژ ها و کامپوزیت ها  

این خصوصیات و رفتارها در مواد همیشگی هست. انسان با شناخت مواد پایه و آزمایشات زیاد سعی در بهبود رفتار این مواد کرده است. در حقیقت تمام تلاش­های بشر در زمینه مواد در طول تاربخ بهبود و تقویت خواص مواد یا به عبارت بهتر کم­کردن نقص در آن بوده­است تا بتواند از آن­ها بهتر و بیشتر استفاده کند. به طور مثال فولادی که در بالا به آن اشاره کردی فولاد ساختمانی است که از آن برای ساخت و ساز استفاده می­شود که نوعی آلیاژ است که با تغییر درصد کربن آن توانسته­اند برخی از خصوصیات آن را تغییر دهند. آلیاژسازی (ترکیب مواد به صورت ریزساختاری و حل شدن آن­ها در هم؛ به طور مثال اضافه کردن کروم به فولاد که باعث افزایش مقاومت به خوردگی فولاد می­شود.) و ساخت کامپوزیت (ترکیب درشت ساختاری مواد که باعث می­شود تا مواد در هم حل نشده و ماده جدیدی تولید شود؛ به طور مثال اپوکسی گلس که ترکیب درشت ساختاری دو ماده اپوکسی و الیاف شیشه به صورت رزین و الیاف است) راهکارهای اولیه انسان برای استفاده بهتر از مواد و بهبود خواص آنان بوده­اند. برای توضیح بیشتر درباره کامپوزیت­ها که امروزه در اشکال مختلف به وفور یافت و پژوهش می­شوند (از جمله پانل­های ساندویچی، استوانه­های مشبک، سازه­های سبک، سازه­های خودترمیم و هوشمند و…) می­توان به یکی از قدیمی­ترین آن­ها اشاره کرد و آن چیزی نیست جز کاه­گل! بله همان ماده­ای که بشر اولیه برای ساختن منزل از آن استفاده می­کرد. کاه­گل ترکیب درشت ساختاری کاه و گل است در حقیقت گل (ترکیب خاک رس و آب) یک سرامیک ( و شاید بتوان گفت اولین سرامیک ساخته شده به دست بشر) است که برای تقویت آن از نوار­های باریک کاه ( اصطلاحا الیاف) استفاده کرده و ماده جدید کاه­گل تولید شده­است. بحث در زمینه کامپوزیت­ها و آلیاژها بسیار است اما تا همینجا بسنده می­کنیم.

اولین تلاش ها برای رسیدن به مواد هوشمند 300 سال قبل از میلاد مسیح شکل گرفت. زمانی که کیمیاگران در تلاش برای تبدیل مس به طلا بودند. هر چند موفقیتی در این زمینه حاصل نشد، اما فعالیت های برای تغییر رنگ و خواص فیزیکی فلزات رخ داد. این تلاش ها را می توان در ضمره اولین تلاش ها برای رسیدن به مواد هوشمند دانست. تعریف دقیقی برای مواد هوشمند وجو ندارد اما می توان به صورت کلی مواد هوشمند را این گونه تعریف کرد : « موادی که یک یا چند خاصیت آن­ها توسط محرک خارجی مثل دما، فشار، رنگ و… تغییر می­کند یا موادی که انرژی را بین محدوده­های فیزیکی تبدیل می­کنند مثلا انرژی مکانیکی را به الکتریکی تبدیل می­کنند ( پیزوالکتریک­ها). »

گام نخست به سمت مواد هوشمند

در 50 سال اخیر اما انسان قدم فراتر از دنیای آلیاژها و کامپوزیت­ها گذاشت و به دنبال تولید موادی با خاصیت هوشمندی رفت. مواد هوشمند اصطلاحا به موادی اطلاق می شود که توانایی درک محیط و شرایط اطراف خود را دارند و براساس تغییر آن واکنش خاصی را نشان می­دهند که لزوما این واکنش فیزیکی نیست. این مواد در حال حاضر کاربرد زیادی دارند و در عناوین مختلفی مثل فلزات هوشمند ، کامپوزیت های هوشمند و پوشش های هوشمند و … مورد مصرف قرار میگیرند.

کمی ریزتر اگر به این موضوع نگاه کنیم مواد هوشمند موادی هستند که توانایی به خاطر سپردن یک حالت خاص را دارند. اگر بخواهیم کمی بزرگنمایی کنیم، می­توانیم بگویم مواد هوشمند دارای حافظه هستند. این حافظه در برابر عوامل بیرونی تحریک شده و با قرار گیری در وضعیتی خاص یه حالتی خاص در می­آید. این شرایط محیطی می­تواند دما، صوت، ولتاژ، میدان الکتریکی، مغناطیس، فشار و هر عامل دیگری باشد. به عبارت دیگر مواد هوشمند اشیایی هستند که محیط را حس می­کنند و با پردازش اطلاعات به دست آمده  توانایی انجام واکنشی خاص نسبت به این حالت خاص را دارند.

زیر سوال بردن قوانین فیزیکی !

در حالت عادی ما انتظار داریم زمانی که فلزی را گرم می کنیم دچار انقباض شده و حجم آن زیاد شود اما در مواد هوشمند ممکن است یک فلز حافظه دار با افزایش دما در هر بازه دمای رفتار خاصی را از خود نشان دهد. این رفتار خاص می­تواند برخی از قوانین فیزیک کلاسیک را زیر سوال ببرد. البته لازم به ذکر است که قوانین ترمودینامیکی (قانون اول و دوم) در مواد هوشمند نقض نمی­شوند

کاربرد های مواد هوشمند

مواد هوشمند در بخش های مختلفی کاربرد دارد مثل استفاده در صنعت، استفاده در علم پزشکی ، استفاده در تجهیزات نظامی، استفاده در ساختمان سازی، استفاده در خودرو سازی و … .

یکی از کاربرد های مواد هوشمند می­توان به استفاده از فلزی به نام نیتینول که ترکیبی از تیتانیوم و نیکل است در ساخت فریم عینک اشاره کرد. استفاده از این فلز باعث رفتاری شگفت انگیز از قاب عینک می­شود. این فریم ها بعد خم شدن توانایی برگشت به حالت اول خود را دارند. یک مثال دیگر شیشه های عینک می­باشند، حتما شما عینک­های طبی را دیده­اید که توانایی این را دارند که زمانی که زیر نور مستقیم قرار می­گیرند تغییر رنگ دهند و کمی تیره­تر شوند تا نور کمتری به مردمک چشم برسد. این­ها نوعی از مواد هوشمند هستند که در زندگی روزمره ما بسیار مفید هستند.

مواد هوشمند باعث شده اند که کلمات جدیدی مثل هواپیمای هوشمند، بافت حافظه دار میکرو ماشین ها، سازه های خودآرا نانو ساختارهای متغیر و بسیاری کلمات دیگر وارد فرهنگ لغات ما شود.

 طبقه بندی مواد هوشمند

مواد هوشمند را می توان به 2 دسته تقسیم بندی کرد.

دسته اول موادی هستند که در پاسخ به یک محرک خاص، پاسخ خاصی را از خود نشان می­دهند. مثلا زمانی که ماده را در برابر دما ، فشار و هر حالت خاص دیگری قرار می­دهید آن ماده پاسخ خاصی به آن شرایط را که در حافظه خود دارد نشان می دهد. به طور مثال ماده زمانی که در برابر دما بالا قرار می­گیرد، توانایی این را دارد که ضریب جذب، قابلیت بازتاب و یا شکست نور خود را تغییر دهد.

دسته دوم اما توانایی خاص تری دارند. این مواد توانایی تبدیل انرژی در محدوده های فیزیکی را دارند. به طور مثال اگر بخواهیم یک ماده را نام ببریم سراغ کریستال های مایع استفاده شده در LCD ها می رویم. این کریستال مایع توانایی این را دارد که زمانی که در برابر یک میدان الکتریکی قرار بگیرد تغییر رنگ دهد. تصویری که شما در LCD گوشی یا تلویزیون خود مشاهده می­کنید در اثر میدان های الکتریکی بیشماری است که در لحظه در حال شکل گیری است. برای مثال های بیشتر می توانیم به انواع لومینسانس، پیزو الکتریک ها و پیو الکتریک ها اشاره کنیم.

امیدواریم این مقاله توانسته باشد که به شما اطلاعات خوبی جهت آشنایی با مواد هوشمند را بدهد. قطعا در آینده به صورت مقاله و ویدئو بیشتر درباره موادهوشمند بحث خواهیم کرد.

آموزشیمواد هوشمند

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *