مواد هوشمند چیست و چه کاربردهایی دارد؟ - وبلاگ وبکو

به گزارش وبلاگ وبکو، اصطلاح مواد هوشمند اسم مشترک گروه وسیعی از مواد گوناگون است. ویژگی مشترک تمام این مواد آن است که اگر در شرایط کنترل شده ای قرار گیرند، احتمالاً یک یا چند خاصیت آن ها دچار تغییر قابل توجهی خواهد شد. دوران کنونی به عنوان دوره ظهور مواد هوشمند شناخته می شود.

وبلاگ وبکو | سرویس علوم - در گذشته، مواد هوشمند را، چون موادی که پاسخ هایی به موقع به محیط می دهند، تعریف می کردند. اما اکنون تعریف مواد هوشمند بسط و گسترش یافته است. در تعریف امروزی، مواد هوشمند عبارتند از موادی که محرکی را دریافت، انتقال یا پردازش کرده و با ایجاد یک تأثیر مفید به آن واکنش نشان می دهند. واکنش مزبور ممکن است شامل علامتی باشد که نشان از فعالیت مواد روی آن است. پژوهش علمی این مطلب بر معرفی مواد هوشمند و طبقه بندی آن ها تمرکز کرده است. در اینجا کاربرد های مختلف مواد هوشمند از قلمرو های گوناگون مهندسی تا محیط کنونی به بحث گذاشته شده اند.

کلمات کلیدی مقاله: مواد هوشمند، محرک ها، فیزوالکتریک، محرک های خارجی

مقدمه

همگام با پیشرفت علم مواد، شمار فراوانی از مواد جدید، باکیفیت و مقرون به صرفه نیز در عرصه های گوناگون مهندسی پا به میدان گذاشتند. در قرن گذشته، مواد دارای خواص چندمنظوره شدند و ضرورت بهینه سازی ویژگی ها و خصایص مختلف آن ها به امری بدیهی تبدیل شد. همراه با آخرین تحولات، این مفهوم به مواد مرکب تمایل پیدا کرد. اخیرا نیز گام تکاملی بعدی با مفهوم مواد هوشمند مورد توجه قرار گرفته است. مواد هوشمند عبارتند از نسل جدید آن دسته از موادی که بر مصالح ساختمانی و مواد کاربردی متداول رجحان یافته اند. این مواد، با هوش ذاتی خود، قابلیت انطباق با محرک های خارجی از قبیل بار ها یا محیط را دارا هستند.

مواد هوشمند چنین تعریف شده اند: موادی که می توانند خواص فیزیکی خود را در پاسخ به ورود مجموعه ای از محرک های خاص تغییر دهند. هر کدام از این مواد روشی مخصوص به خود را برای تغییرات احتمالی پیرو می کنند. محرک ها ممکن است فشار، دما، الکتریسیته و میدان مغناطیسی، مواد شیمیایی، فشار ایستابی یا اشعه های هسته ای باشند. خواص فیزیکی قابل تغییر وابسته شاید شکل، سختی، چسبناکی یا میرایی باشد. تاکاگی (1990) آن ها را، چون مواد هوشمندی که در بهینه ترین شرایط به تغییرات محیطی پاسخ می دهند و کارکرد های ویژه خود را مطابق با محیط تعیین می سازند، تعریف می کند.

هوشمند بودن، ویژگی های خودسازگاری، خودحسی، حافظه و چندکارگی مواد یا مصالح را شامل می شود. ویژگی های مزبور کاربرد های بی شماری را برای این مواد و مصالح در جو زمین، تولیدات، سیستم های زیربنایی، بیومکانیک و محیط زیست ممکن می سازد. ویژگی خودسازگاری مصالح هوشمند مزیت بسیار مفیدی است. این ویژگی، سازگاری موجود در مواد هوشمند را مانند شکل همبسته حافظه مورد استفاده قرار می دهد. مواد هوشمند به واسطه تغییر خواص خود می توانند عیوب و شکستگی ها را بیابند، بنابراین به عنوان ابزار شناسایی مفید واقع می شوند. برای دستیابی به مواد هوشمند موجود در ماده میزبان، می توان این ویژگی را به نحو مطلوبی جهت خنثی کردن عیوب به کار گرفت. این پدیده را اثر خودبازسازی می نامند.

انواع

تحت شرایطی کنترل شده و با استفاده از محرک های خارجی می توان این مواد دارای یک یا چند خاصیت را به طرز قابل توجهی تغییر داد. به همین جهت، این مواد از حسگرها، محرک ها و مکانیسم های کنترل طبیعی برخوردارند. آن ها با استفاده از این خصوصیات قادر به حس محرک خارجی، پاسخگویی به آن به روش و اندازه تعیین، در مدت زمانی کوتاه و مناسب و بازگشت به حالت اصلی خود در صورت دور شدن محرک هستند. انواع مختلفی از مواد هوشمند سودمند وجود دارند که در ادامه به بررسی تعدادی از آن ها می پردازیم.

نوع اول) مواد فیزوالکتریکی

مواد فیزوالکتریکی نمونه های بسیار معمول چنین موادی هستند. آن ها هنگام اعمال بار، ولتاژ را تولید می کنند. به جهت اینکه اثر مذکور به صورت معکوس هم به کار می رود، ولتاژ سرتاسر نمونه به تولید بار در داخل نمونه منجر می شود. پس ساختار های طراحی شده مناسب از این مواد را می توان ساخت که در هنگام اعمال ولتاژ خم، منبسط یا منقبض شوند. همچنین می توان آن ها را در وسایل ردیابی بصری، هد های مغناطیسی، چاپگر های ماتریس نقطه ای، کیبورد کامپیوترها، اسپیکر های استریو های پربسامد، شتاب سنج ها، میکروفون ها، حسگر های فشار، مبدل ها و آتش زنه های شعله های گازی مورد استفاده قرار داد.

نوع دوم) مواد ترموریسپانسیو

مواد ترموریسپانسیو، چه آلیاژ های حافظه دار یا پلیمر های حافظه دار، می توانند در دما های مختلف اشکال متفاوتی داشته باشند. آن ها به واسطه گرما می توانند شکل اصلی خود را از دست داده و سپس بازیابند. در طول این مراحل آن ها یک نیروی محرک تولید می کنند. آلیاژ حافظه داری مانند نیتینول (آلیاژی مرکب از نیکل و تیتانیوم)، که مانند فولاد ضدزنگ، در برابر زنگ زدگی مقاوم هستند، به ویژه برای کاربرد های بیومکانیکی مفید واقع می شوند. با توجه به آن که اگر پلیمر حافظه دار تحت فشار گرما قرار گیرد، قادر به بازگشت به شکل اصلی خود است، پس این گونه مواد را می توان در ترموستات های قهوه جوش، قاب های فوق العاده عینک های آفتابی و استنت های رگ به کار گرفت. معمولاً این مواد در بخیه های جراحی تجزیه پذیر، که به صورت اتوماتیک کشش صحیح را محکم می کنند، کاربرد دارند. این مواد همچنین در بدنه ماشین های خودتعمیر، که پس از تورفتگی های ناشی از ضربه شکل اصلی خود را تحت فشار گرمای خفیف بازمی یابند، مورد استفاده قرار می گیرند.

نوع سوم) مواد محدودکننده مغناطیسی

مواد محدودکننده مغناطیسی مانند فیزوالکتریک ها هستند، با این تفاوت که فقط به میدان های مغناطیسی واکنش نشان می دهند نه میدان های الکتریکی. از این رو، معمولاً آن ها را در مبدل های سونار فرکانس پایین قدرت بالا، موتور ها و محرک های هیدرولیکی مورد استفاده قرار می دهند. مواد محدود کننده مغناطیسی، همراه با نیتینول آلیاژ حافظه دار، به عنوان کاندید های امیدبخش دستیابی به مهار مولد لرزش مورد توجه هستند.

نوع چهارم) مواد حساس به درجه اسیدی

مواد حساس به درجه اسیدی آن دسته از موادی هستند که در نتیجه تغییر اسیدی، رنگ خود را تغییر می دهند. این مواد را می توان در نقاشی هایی که رنگ خود را برای اشاره به زنگ زدگی فلز زیرین خود تغییر می دهند، مورد استفاده قرار داد.

نوع پنجم) الکتروکرومیک و فوتوکرومیک

رنگ سیستم های کرموزومی در پاسخ به تغییرات الکتریکی، نوری یا حرارتی تغییر می کند. این دسته شامل مواد الکتروکرومیک هم می شود. آن ها رنگ یا درجه تاری (کدری) خود را هنگام کاربست ولتاژ تغییر می دهند. مثال بسیار معمول این نوع از مواد، نمایشگر های کریستالی مایع هستند. مواد فوتوکرومیک هم به همین ترتیب رنگ خود را در واکنش به نور تغییر می دهند. پس این مواد را می توان در عینک های حساس به نور به کار گرفت. اگر این عینک ها در معرض نور روشن خورشید قرار گیرند، تاریک تر می شوند. همچنین رنگ های خاصی مانند آرموکرومیک و فوتوکرومیک وجود دارند که به ترتیب در صورت اعمال حرارت یا قرار دریافت در معرض نور، رنگ خود را تغییر می دهند.

نوع ششم) ژل های پلیمری

ژل های پلیمری از قبیل: هیدروژل ها دارای ساختار پلیمری متصل شده هستند که توسط حلالی مانند آب متورم شده است. پس ژل در اثر تغییرات ناچیزی، مثلاً تغییری اندک در دما یا درجه اسیدی، قادر به منبسط یا منقبض شدن (تا 1000 برابر حجم اولیه) است.

طبقه بندی

مواد هوشمند را می توان در دو گروه مواد عامل یا غیرعامل طبقه بندی کرد. فیروزر (1988) مواد هوشمند عامل را به عنوان موادی که تحت کاربست میدان های الکتریکی، حرارتی یا مغناطیسی دارای قابلیت اصلاح هندسی یا خواص مادی هستند، تعریف می کند. بنابراین مواد هوشمند، یک ظرفیت ذاتی برای ذخیره انرژی دارند. مواد فیزوالکتریکی، آلیاژ های حافظه دار، مایعات ER و مواد مغناکشسانی در ردیف مواد هوشمند عامل قرار دارند. بنابراین، می توان از آن ها به عنوان مبدل ها و محرک های نیرو استفاده کرد. کومار (1991) نشان داد که آلیاژ حافظه دار از نیروی بازیافت فراوانی (حدود 700 MPa یا 10 به توان 5 psi) برخوردار است، که می توان از آن برای تحریک استفاده کرد. مواد فیزوالکتریکی، که انرژی الکتریکی را به نیروی مکانیکی تبدیل می کنند، نیز از مواد عامل هستند.

از سوی دیگر موادی که عامل نیستند به عنوان مواد هوشمند غیرعامل نام گذاری شده اند. هرچند این مواد نیز هوشمند هستند، اما قابلیت ذاتی تبدیل انرژی را ندارند. ماده فیبر نوری نمونه خوبی از مواد هوشمند غیرعامل محسوب می شود. چنین موادی می توانند به عنوان حسگر عمل کنند، اما نمی توانند نقش محرک یا مبدل را داشته باشند.

کاربرد ها

مواد هوشمند به دلیل واکنش های گوناگون خود نسبت به محرک های خارجی، کاربرد های متنوعی در حوزه های مختلف علمی دارند. برخی از قلمرو های مختلف کاربرد آن ها عبارتند از: زندگی روزمره، جو زمین، کاربرد های مهندسی عمران و مکاترونیک. حوزه کاربرد مواد هوشمند شامل حل مسائل مهندسی با بازده ناکافی و فرصت آفرینی برای خلق محصولات جدید درآمدساز می شود. ویژگی مهم مواد و مصالح هوشمند این است که تمام حوزه های علمی و مهندسی را در بر می گیرند. تا جایی که به کاربرد های فنی مواد هوشمند مربوط می شود شامل مواد مرکب مندرج در فیبر نوری، محرک ها، حسگرها، سیستم های مکانیکی و میکروالکتریکی، کنترل شکل، سلامت محصول یا نظارت بر طول عمر، نظارت بر درمان، پردازش هوشمند، کنترل های فعال و غیرفعال، خودتعمیری، اعضای مصنوعی، ابزار های نشانگر جدید، آهن ربا های طراحی شده، استحکام ثبات ایروالستیک (وابسته به کشسانی) و توزیعات بار می شوند. ساختار های هوشمند را می توان در خودروها، سیستم های فضایی، هواپیما های بالگرد و برجابال، کشتی های دریایی، سازه ها، قطعات ماشینی و وسایل احیا و پزشکی به کار گرفت.

به طور معمول نوع هوشمندی این مواد توسط ترکیب مواد، پردازش های خاص، معرفی عیوب یا اصلاح ریزساختار برنامه ریزی می شود. این برنامه ریزی به نحوی انجام می شود که در شرایط کنترل شده بتواند خود را با رده های مختلف محرک ها وفق بدهد. همانند مصالح هوشمند، کاربرد اصطلاحات هوشمند و باهوش برای مواد هوشمند مفهوم یکسانی را می رساند. تاکاگی (1990) مواد هوشمند را چنین تعریف می کند؛ موادی که در بهینه ترین شرایط به تغییرات محیطی پاسخ داده و کارایی های خود را مطابق با محیط تعیین می کنند.

سیستم های هوشمند محیط پیرامونی خود را نیز حس کرده و به آن پاسخ می دهند، اما از یک ماده خاص تشکیل نشده اند. آن ها ممکن است با مواد هوشمند ترکیب شوند، اما می توان آن ها را با استفاده از فناوری سنتی هم ساخت. دستگاه های تنظیم کننده ضربان قلب نوعی سیستم هوشمند هستند که از ضربان الکتریکی برای تنظیم ضربان نامنظم قلب استفاده می کنند. محققان گزارش دادند که سیستم هوشمند بر ابزاری دلالت دارد که قادر به حس تغییرات محیط خود بوده و با تغییر دادن خواص مادی، هندسی، مکانیکی یا الکترومغناطیسی خود واکنشی بهینه به آن نشان می دهد.

مواد و سیستم های هوشمند دارای گستره وسیعی از کاربرد ها هستند. سرمایه گذاری در زمینه های تحقیقی و توسعه توسط فاکتور هایی از قبیل قانون گذاری، کاهش زباله و تقاضای کیفیت بالاتر زندگی تعیین می شوند.

باید طراحی سازه هایی مانند ساختمان ها، پل ها، خطوط لوله، کشتی ها و هواپیما ها را دقیق و مقاوم انجام داد و به طور منظم آن ها را بازرسی کرد تا از خسارت و آسیب دیدگی ناشی از عیب های فاجعه بار جلوگیری شود. بازرسی امری هزینه بردار و وقت گیری است، در حالی که برنامه ریزی برای جلوگیری از آسیب، یک کار منطقی تر است. آسیب، در مورد تعدادی از مواد مدرن، می تواند از لحاظ داخلی جدی باشد، در حالی که نشانه های سطحی بسیار ناچیزی را به جا می گذارد.

کاربرد اول) نظارت بر سلامت سازه

حسگر هایی که برای نظارت بر بار و آسیب در سازه ها مندرج شده اند، می توانند هزینه های نگهداری را کاهش و طول عمر را افزایش دهند. این حسگر ها تا به امروز در بیش از چهل پل در سراسر جهان مورد استفاده قرار گرفته اند.

کاربرد دوم) خودتعمیری

یکی از روش های توسعه شامل درج لوله های باریک حامل رزین های ناخوشایند به درون مواد است. وقتی آسیبی واقع شود این لوله ها شکسته شده و رزین را که هر آسیبی پر می کنند، ظاهر می سازند. خودتعمیری در محیط های دوردستی مانند عمق دریا ها یا فضا می تواند مفید باشد.

کاربرد سوم) در حوزه دفاع و فضا

مواد هوشمند برای فرونشاندن لرزش و تغییر شکل تیغه های روتور هلیکوپتر تولید شده اند. وسایل آلیاژ حافظه دار نیز تولید شده اند. آن ها قابلیت دستیابی به توان شکستن سریع امواج گردبادی زیردریایی ها را دارند. همچنین سطوح کنترل انطباقی مختلف نیز برای بال های هواپیما تولید شده اند.

کاربرد چهارم) در صنعت هسته ای

فناوری هوشمند فرصت های جدیدی را برای افزایش ایمنی، کاهش ارائه شخصی، کاهش هزینه های چرخه حیات و بهبود اجرا در بخش صنعت هستهای ارائه می دهد. به هر حال محیط های تشعشعات مربوط به عملیات های هسته ای فرآیند آزمایش، صلاحیت و استفاده از مواد هوشمند را با چالشی جدی رو به رو می کند. در هر صورت، استفاده از چنین مواد هوشمندی در تسهیلات هسته ای به دانش درباره واکنش مواد در برابر پرتوافکنی و چگونگی تأثیرپذیری این واکنش ها از مقدار اشعه نیاز دارد.

کاربرد پنجم) در مهندسی عمران

مواد هوشمند در قلمرو مهندسی عمران نیز کارکرد های مفیدی دارند. آن ها در نظارت بر سازه های عمرانی و ارزیابی دوام آن ها مورد استفاده قرار می گیرند. نه اینکه مواد و مصالح هوشمند منحصر به قوه حس باشند، بلکه آن ها با محیط پیرامونی خود از قبیل قابلیت حرکت، لرزش و نمایش واکنش های متنوع دیگر منطبق می شوند. کاربرد های چنین مواد انطباقی شامل ظرفیت کنترل فرم های ایرو الاستیک بال های هواپیما جهت کاهش فشار و بهبود بهره وری عملیاتی و کنترل لرزش مصالح سبک وزن ماهواره ها می شود. مصالح هوشمندی برای ایجاد انسجام در نظارت ساختاری هواپیما و سازه های فضایی نیز تولید شده اند. همچنین تحقیقات درباره مواد فیزوالکتریکی خاصی برای کاهش سر و صدای تهویه کننده هوا شروع شده است. علاوه بر این، مواد مزبور در مهندسی عمران برای نظارت بر عدم وجود نقص در پل ها، سدها، ساختمان های دریایی حفاری نفت، که حسگر های فیبر نوری مندرج در مصالح برای تعیین حوزه های مشکل استفاده می شود، کاربرد دارند.

کاربرد ششم) کاربرد های بیومدیکالی

تحقیقات هنوز در حوزه بیومدیکال و تشخیصات پزشکی در حال انجام هستند. مواد خاصی مانند ژل های پلی الکترولیت به منظور کاربرد های مفصل مصنوعی، جایی که ماتریکس پلیمر متورم شده با یک حلال که در هنگام قرار دریافت در معرض میدان الکتریکی یا دیگر محرک ها می تواند منبسط و منقبض شوند، مورد آزمایش قرار گرفته اند. به علاوه، به دلیل تجزیه زیستی این مواد، ممکن است به عنوان سیستم تحویل دارو نیز مفید واقع شوند.

کاربرد هفتم) کاهش زباله

زباله های الکترونیکی در سراسر جهان سریع ترین مولفه های رشد زباله محلی هستند. در جریان دسترسی و جداسازی چنین زباله هایی، نخست باید مواد خطرناک و قابل بازیافت جدا شوند. جداسازی دستی ملزم صرف هزینه و زمان بسیار است، اما استفاده از مواد هوشمند می تواند به اتوماتیکسازی این فرآیند کمک کند. اخیراً گیره های ساخته شده از مواد حافظه دار مورد استفاده قرار می گیرند. این مواد می توانند در برابر حرارت خود را آزاد سازند. وقتی که گیره ها آزاد شدند، می شود به سادگی اجزا را از طریق تکان دادن محصول جدا کرد. همچنین می توان محصولات را با استفاده از گیره هایی که نسبت به دما های مختلف واکنش نشان می دهند، به صورت سلسله مراتبی و طوری که بتوان مواد را به طور اتوماتیک انبار کرد، جدا نمود.

کاربرد هشتم) کم کردن زباله های خوراکی

مواد غذایی بیشترین زباله را در میان دیگر تولید کننده های زباله به خود اختصاص داده اند. بیشتر مواد غذایی مصرفی، به سبب تاریخ انقضای آن ها، بدون اینکه مصرف شوند، دور ریخته می شوند. این تاریخ ها تخمین هایی محافظه کارانه هستند و ممکن است طول عمر محصول بیشتر هم باشد. در حال حاضر تولیدکنندگان به دنبال روش هایی هستند تا با استفاده از مواد هوشمند در بسته بندی مواد غذایی بتوانند طول عمر محصولات را افزایش دهند. همانطور که غذا تازگی خود را از دست می دهد، واکنش های شیمیایی در داخل بسته بندی ها اتفاق افتاده و باکتری ها به وجود می آیند. امروزه برچسب های هوشمند تولید شده اند و می توانند با تغییر رنگ خود افزایش میزان مواد شیمیایی و باکتری داخل مواد غذایی را نمایش دهند. دمای نگهداری تأثیر بسیار بیشتری نسبت به تخریب محصولات دارد. تعدادی از شرکت ها نشانگر های زمانی - دمایی را تولید کرده اند. آن ها می توانند با گذر زمان رنگ خود را همگام با سرعت وابسته به دما تغییر دهند.

کاربرد نهم) سلامت

بیوسنسور های ساخته شده از مواد هوشمند می توانند به منظور نظارت بر میزان قند خون افراد دیابتی و ارتباط با تلمبه ای که انسولین را به مقدار مورد نیاز تقسیم می کند، مورد استفاده قرار گیرند. در هر صورت، بدن انسان محیط خصومت آمیزی است و حسگر ها به سادگی آسیب می-بینند. پس شماری از پژوهش ها به محافظت از این حسگر ها اختصاص یافته اند.

امروزه شرکت های مختلف سرگرم تولید مواد کاشت بدنی از قبیل: پلیت های شکستگی هستند. این ها می توانند حس کنند که آیا استخوان ها در حال درمان هستند یا نه و داده ها را به جراح منتقل می کنند. میزان اندک آزمایشات کلینیکی چنین کاشته ایی موفقیت آمیز بوده و در پنج سال آینده در دسترس عموم قرار خواهند گرفت. دیگر وسایل محتمل شامل مفصل های جانشین می شوند. این مفاصل شل شدگی خود و همچنین وجود هرگونه عفونتی را گزارش می دهند. فناوری موجود کنونی پاسخ های این وسایل را به انتقال داده محدود می کند، اما در آینده به واسطه خودسنجی یا انتی بیوتیک های آزاد شده خواهند توانست به صورت مستقیم پاسخگو باشند. این پدیده می تواند موجب تقلیل نیاز به جراحی تهاجمی شود.

کاربرد دهم) جمعیت سالخوردگان

امروزه در تمام نقاط جهان جمعیت افراد سالخورده بالای 60 سال بیشتر از بچه ها است؛ بنابراین بازار جدیدی برای محصولاتی که زندگی را برای افراد مسن آسان تر می کنند، شکل گرفته است. برای مثال، مواد حافظه دار را می توان در بسته بندی مواد غذایی که در اثر حرارت به صورت اتوماتیک برای افراد دارای آرتروز باز می شوند، مورد استفاده قرار داد. پژوهشگران خانه های هوشمندی را که از حسگر ها جهت نظارت بر رفتار و کسب اطمینان از ایمنی ساکنان استفاده می کنند، برای افراد دارای زوال عقل ساخته اند.

نتیجه گیری

فناوری مواد هوشمند در ذات خود یک حوزه به شدت میان رشته ای است. این فناوری از حوزه علوم پایه از قبیل فیزیک، شیمی، مکانیک، کامپیوتر و الکترونیک شروع شده و علوم عملی و مهندسی از قبیل هوانوردی و مهندسی مکانیک را پوشش می دهد. اگرچه علم مواد هوشمند به سرعت در حال گسترش است، ولی این امر شاید پیشرفت آهسته کاربرد مصالح هوشمند در سیستم های مهندسی را تشریح کند. امروزه، بهینه ترین فناوری های بهره وری طول عمر و قابلیت اطمینان بهبود یافته شامل استفاده از مواد و مصالح هوشمند می شوند. درک و کنترل ترکیب و ریزساختار هر ماده جدیدی موضوع اصلی هر تحقیقی در این زمینه را تشکیل می دهد و برای تولید مواد هوشمند مفید ضروری است.

برگرفته از: ژورنال علوم کاربردی آمریکا