ماده هوشمند چیست؟؟؟

مواد هوشمند اصطلاحاًً به موادی گفته می شود که می توانند با درک محیط و شرایط اطراف خود نسبت به آن واکنش مناسب نشان دهند. امروزه کاربرد این مواد و بویژه فلزات و کامپوزیت های هوشمند در بسیاری از حوزه های صنعت گسترش یافته است.
ازجمله کاربردهای جدید این مواد استفاده از فلزی به نام نیتینول که ترکیبی از تیتانیوم و نیکل، در ساخت قاب عینک ها است باعث بروز ویژگی های متفاوتی در آنها شده است. این نوع عینک ها پس از خم شدن دوباره به شکل اولیه خود باز می گردند. هواپیماهای هوشمند، خانه های هوشمند، بافتهای حافظه دار، میکروماشین ها، سازه های خودآرا و نانوساختارهای متغیر کلماتی هستند که از سال 1992 و با تجاری شدن اولین مواد هوشمند وارد فرهنگ لغات شده اند و پیش بینی می شود این مواد بتوانند بسیاری از نیازهای فناوری در قرن 21 را برآورده کنند.
سابقه تاریخی مواد هوشمند به 300 سال قبل از میلاد و دوران کیمیاگری بازمی گردد. اگرچه در آن زمان توانایی تولید طلا وجود نداشت، اما فعالیت هایی برای تغییر رنگ و خصوصیات فلزهای مختلف انجام می شد که می توان بعضی از مواد مورد استفاده آنها برای ایجاد چنین تغییراتی را از مواد هوشمند به شمار آورد. عبارت مواد هوشمند اکثر اوقات بدون تعریف دقیقی از آنچه مورد نظر محققان است و همچنین بدون در نظر گرفتن کاربرد این مواد به کار گرفته می شود از سوی دیگر ارائه تعریف دقیق از آنچه به عنوان مواد هوشمند معرفی می شود، اغلب با مشکلات بسیار زیادی همراه خواهد بود. اگر چه از این عبارت به صورت گسترده درخصوص بسیاری از مواد که از ویژگی های متفاوتی در مقایسه با نسل گذشته مواد برخوردار هستند، استفاده می شود اما موافقت کلی در ارائه تعریف دقیقی از این واژه وجود ندارد. مواد هوشمند موادی هستند که موقعیت ها را به خاطر می سپارند و با محرک های مشخص می توانند به آن موقعیت بازگردند. به عبارت دیگر می توان گفت مواد و سازه های هوشمند، اشیایی هستند که شرایط محیطی را حس می کنند و با پردازش اطلاعات به دست آمده نسبت به محیط واکنش نشان می دهند. در تعریف اول وقتی از مواد صحبت می کنیم مجموعه ای از عناصر، آلیاژ ها و ترکیب ها در ذهن تداعی می شود که توسط ساختار مولکولی منحصر به فرد خود قابل شناسایی و اندازه گیری هستند. اما در تعریف دوم مواد به صورت مجموعه ای از فعالیت ها در نظر گرفته می شوند، یعنی با مجموعه ای از مواد و سیستم های مرتبط با آنها مواجه هستیم که قابلیت شناسایی و اندازه گیری در آنها کمتر خود را نشان می دهد.
در مواد هوشمند این مواد، همزمان با تاثیر محرک بیرونی شاهد پاسخ دهی به آن هستیم. در اکثر موارد این مواد از توانایی پاسخ به بیش از یک شرایط محیطی برخوردار هستند و پاسخ آنها قابل پیش بینی است
انواع مواد هوشمند
با توجه به تعاریف ارائه شده برای مواد هوشمند می توان آنها را به 2 گروه تقسیم کرد:
گروه اول این مواد را اصطلاحاً مواد هوشمند نوع اول یا مواد کرومیک می نامند، این مواد یکی از جالب ترین انواع مواد هوشمندی 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.
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.

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: این مواد که آنها را قدرت زای نوری نیز می نامند در پاسخ به محرک نورمرئی جریان الکتریکی ایجاد می کنند.
مواد ترموالکتریک: 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.
نگاهی به گذشت
اگر بتوان آرایش اتمی مواد آلی و معدنی را در حد نانومتر به طور دقیق تعریف نمود، در آن صورت ساخت مواد هوشمند که می تواند بسیاری از فناوری ها از جمله ارتباطات بین سیستمی را متحول نماید، امکان پذیر می شود. کنترل ابعاد مواد در حد نانومتر، پردازش اطلاعات و انتقال انرژی در ابعاد نانو را امکان پذیر می سازد. اکنون شیمیدان ها در تلاش برای ایجاد ساختارهای بزرگ از زیرساختارهای کوچک تر هستند و دیگر متخصصان نیز تهیه و ساخت نیمی رساناها در مقیاس نانو را مورد بررسی و مطالعه قرار داده اند. پیشرفت های اولیه در برقراری ارتباطات به میزان دسترسی به مواد وابسته بوده است. به همین دلیل پیش از این در سیستم های تلگرافی مواد ساده ای مانند آهن برای تولید میدان مغناطیسی، مس برای هدایت الکتریکی و شیشه یا فیبرهای طبیعی برای عایق بندی مورد استفاده قرار می گرفت. اما تهیه مواد الکترونیکی مانند ژرمانیوم و سیلیسیم ارتباطات را متحول ساخت. به طوری که اکنون می توانیم با افرادی که در نقاط مختلف کره زمین زندگی می کنند به آسانی صحبت کنیم و یا اتفاقات به وجود آمده در آن نقاط را به صورت همزمان مشاهده کنیم و یا حتی اسناد و مدارک بسیاری را در مدت زمانی کوتاه به تمام نقاط دنیا انتقال دهیم. این مواد توانایی ما را در دریافت، پردازش، ذخیره و انتقال اطلاعات توسعه داده اند و هر روز بر میزان تحقیقات در این زمینه افزوده می شود.
در طول 50 سال گذشته گستره ای از مواد که نسبت به محرک های فیزیکی و شیمیایی عکس العمل نشان می دهند ساخته شده اند که توانایی ما را در درک و بررسی شرایط محیطی افزایش داده اند و با استفاده از این اطلاعات کمی و کیفی می توانیم درجه حرارت، رطوبت، ترکیبات شیمیای هوایی که تنفس می کنیم و یا آبی که می نوشیم را مورد بررسی و ارزیابی قرار دهیم.
غشاهای هوشمند
کنترل درونی بر هم کنش های مولکولی، تهیه موادی را امکان پذیر ساخته است که به غشاهای هوشمند معروف شده اند و این قابلیت را دارند که به عنوان دروازه های مولکولی عمل کنند. با استفاده از محرک های الکتریکی در غشاهای هوشمند، یونها، مولکول ها و ماکروملکول های مشخصی که در فرآیندهای صنعتی و زیست محیطی مورد بررسی و آزمایش قرار گرفته اند، می توانند از این دروازه هایی که هوشمندانه بر آنها نظارت می شود، عبور نمایند. مولکول های مشخص مانند داروها و آفت کش ها می تواننند در طول سنتز بر روی غشاهای پلیمری تثبیت شوند و در صورت نیاز به وسیله محرک الکتریکی رهاسازی شوند. برای مثال کینون ها که عاملی بر علیه مالاریا هستند را می توان به وسیله این نوع محرک از روی صفحات غشایی از جنس پلی پیرول در محیط مورد نظر آزاد ساخت.
حسگرهای هوشمند
قابلیت کنترل بر هم کنش پلیمر با یونهای ساده، مولکول ها و حتی ماکرومولکول ها یا پروتئین ها و مشاهده سیگنال های الکتریکی تولید شده هنگام بر هم کنش با گونه های دیگر سبب توسعه و کاربرد آنها در سیستم های محیطی، صنعتی و مشاهدات پزشکی شده است. مثلاً با استفاده از دی تیوکاربامات درون پلی پیرول یک حسگر زیستی ساخته می شود که از قابیت پاسخ انتخابی به سرم آلبومین انسانی برخوردار است. ارتباط با سیستم های زنده مانند سلولهای پستانداران به سادگی امکان پذیر نخواهد بود، اما پلیمرهای رسانا می توانند به عنوان بستری مناسب برای رشد سلول ها مورد استفاده قرار گیرند و سپس به عنوان مسیر ارتباطی برای ارسال محرک الکتریکی و شیمیایی عمل کنند. از این فناوری ها می توان در فرایندهای بیوتکنولوژی کوتاه مدت و بلندمدت برای بازسازی رشته های عصبی آسیب دیده در بدن استفاده کرد. این مواد ارتباطی جدید پایه ای برای سیستم های هوشمند هستند که از قابلیت مشاهده و عکسل العمل نسبت به محیط برخوردار هستند.

آلیاژهای حافظه دار
این مواد تا حدودی الاستیک هستند. یعنی توانایی ذخیره سازی انرژی مکانیکی و آزادسازی آن را دارند. در این دسته از فلزات مولکول ها قابلیت چیدمان مجدد دارند. ساختار مولکولی در هر فاز عاملی است که سبب تغییر شکل فلز و بازگشت آن به حالت اولیه می شود. با توجه به این که این دسته از فلزات زیست سازگار هستند و سیستم ایمنی بدن در برابر آنها عکس العمل نشان نمی دهد و همچنین از ویژگی های فیزیکی قابل توجهی مانند مقاومت در برابر خوردگی برخوردار هستند. در ساخت ایمپلنت ها (کاشتنی ها) در ارتوپدی و درمان شکستگی ها از آن استفاده می شود. در شکستگی های استخوان های صورت از صفحات ویژه ای استفاده می شود تا استخوان های صورت را در مدت زمان درمان شکستگی در کنار هم نگاه دارد.
در گذشته از صفحاتی از جنس استیل برای این کار استفاده می شد.اگر چه در ابتدا استخوان ها درست در کنار هم قرار می گیرند، اما به مرور این وضعیت تغییر می کند که سبب تاخیر در ترمیم شکستگی می شود. با ظهور آلیاژهای جدیدی که تحت عنوان مواد هوشمند بررسی می شوند و کاربرد آنها در ساخت این صفحات امروزه جراحان از فلزهای حافظه دار به جای استیل استفاده می کنند. برای این کار ابتدا فلز را کمی سرد می کنند و سپس آن را در محل مورد نظر نصب می کنند.
در اثر دمای بدن فلز کمی گرم می شود و به این ترتیب این صفحه فشار لازم برای کنار هم نگاه داشتن بخشهای شکسته شده را حفظ می کند و سبب می شود استخوان در کوتاه ترین زمان ممکن ترمیم شود.
سیمهای هوشمند
یکی از معروف ترین فلزات با حافظه شکلی از ماده است به نام نیتینول که از آن به صورت سیمی استفاده می شود. اگر چه این سیمها ظاهراً شبیه سیمهای معمولی هستند که براحتی تغییر شکل داده و رسانای الکتریسته هستند، اما در مقایسه با سیمهای معمولی فولادی و مسی بسیار گران تر هستند. این سیم ها دارای حافظه هستند. یعنی می توان آنها را به هر شکلی درآورد، اما با حرارت دادن و رم کردن این سیم به حالت اولیه خود باز می گردد. جالب است بدانید که می توان این سیم ها را به گونه ای برنامه ریزی کرد تا شکل خاصی را به خاطر بسپارند. برای این کار شکل دلخواه را به سیم می دهیم و سپس سیم را به مد ت5 دقیقه با دمای 150 درجه سانتیگراد حرارت می دهیم یا جریان الکتریسته را از سیم عبور می دهیم. در این صورت می توان سیم را به هر شکل دیگری در آورد، اما به محض این که سیم در آب داغ قرار گیرد به شکل اولیه خود در خواهد آمد. سیمهای ماهیچه ای نیز گروه دیگری از این نوع مواد هوشمند هستند که از آلیاژهای نیکل و تیتانیوم ساخته شده اند و در دمای اتاق می توان آنها را براحتی تغییر شکل داد. اما با عبور جریان الکتریسیته از سیم های ماهیچه ای این ماده به شکل اولیه خود باز می گردد.

ذرات هوشمند
ذرات هوشمند ذراتی هستند که می توانند شما را تماشا کنند و شما را مجدداً به داستان های علمی – تخیلی بازگردانند. این ذرات می توانند از شیار پنجره به داخل حرکت کنند، در هوا معلق باشند و یا بر روی میز کار شما بنشینند و صدا و تصویر شما را به محل دیگری مخابره کنند.
با استفاده از ویژگی های منحصر به فرد فناوری مداربندی دیجیتالی، هدایت لیزری از طریق ارتباط رادیویی و سامانه میکروالکترومکانیک و به کارگیری نرم افزارهای بسیار قوی، تجهیزات کافی برای ضبط و تصویربرداری در فضایی به مقیاس یک تا دو میلی متر مکعب در دسترس خواهد بود. بنابراین هزاران ذره هوشمند می توانند در داخل جعبه ای با حجم یک میلی متر مکعب جای گیرند. هر یک از این ذرات می توانند با یک پایگاه ایستگاه فرستنده که به یک حسگر تصویری فشرده مجهز شده است، ارتباط برقرار نمایند و اطلاعات را انتقال دهند.
استفاده از ذرات هوشمند در بخشهای مختلف صنعتی، نظامی و کشاورزی مستلزم ایجاد و تقویت زیرساخت های لازم است. شاید ذرات هوشمند یکی از فرآوری های بزرگ آینده در عرصه الکترونیک باشند، چنان که پدیدآورندگان آن می خواهند آن را در ردیف ترانزیستور، کامپیوتر، اینترنت و تلفن همراه قرار دهند.