مواد هوشمند

ساختار مواد هوشمند

ساختار کریستالی این مواد بهگونهای است که نیروی وارد شده از طرف یک میدان خارجی باعث تغییر شکل و ایجاد میدان الکتریکی در ساختار کریستالی جدید میشود. این میدان الکتریکی یک جریان الکتریکی را بهوجود میآورد که بهعنوان پاسخ این مواد قابل مشاهده است. بنابراین به این مواد، هوشمند میگویند. تفاوتی که این مواد با مواد غیرهوشمند دارند این است که در این مواد به نوعی هوشمندی طبیعی نهفته است که میتوانند مثل موجود زنده به تحریک خارجی، پاسخ مناسب بدهند.

همانطور که اگر شما بخواهید یک موجود زنده را وادار به حرکت کنید واکنش نشان میدهد و حتی مقاومت میکند، این مواد هم در برابر تحریکات خارجی وارد شده که بهصورت مکانیکی، مغناطیسی و الکتریکی است واکنشهای مناسبی از خود بروز میدهند. این مواد با تبدیل دو میدان مختلف مکانیکی و مغناطیسی به میدان الکتریکی، پاسخ و واکنش خود را در برابر تحریکات به ما نشان میدهند و این پاسخ معمولاً بهصورت تغییر و جابهجایی یا ایجاد جریان الکتریکی است که ما میتوانیم با اندازهگیری میزان جابهجایی یا جریان الکتریکی یا میزان خمیدگی آنها بفهمیم این مواد چه میزان حرکت کردهاند و میزان پاسخ آنها چه مقدار بوده است. تحلیل و پردازش این اطلاعات میتواند به ما کمک کند تا تغییر و جابهجایی آنها را بهصورت کنترل شده و دلخواه انجام دهیم.

انواع مواد هوشمند

با توجه به تعاریف موجود، مواد هوشمند را میتوان به دو دسته تقسیم کرد.

مواد هوشمند دسته اول

این دسته از مواد در پاسخ به محرکهای محیط خارجی در یک یا چند خصوصیت خود - شیمیایی، الکتریکی، مکانیکی، مغناطیسی و گرمایی- تغییر ایجاد میکنند. البته یک سامانه کنترل خارجی موجب این تغییرات نیست و خود ماده، مستقیم این تغییرات را ایجاد میکند.

مواد کرومیک

گروه اول این نوع از مواد هوشمند را اصطلاحاً مواد هوشمند نوع اول یا مواد کرومیک مینامند که در پاسخ به محرکهای محیط خارجی در ویژگیها و خصوصیات شیمیایی، الکتریکی، مغناطیسی، مکانیکی و یا حرارتی دچار تغییر رنگ میشوند. این مواد را میتوان در دستههای زیر تقسیم بندی کرد:

الف)مواد فتوکرومیک: این مواد در برابر جذب انرژی تابشی در ساختار شیمیاییشان تغییر ایجاد میشود و از ساختاری با یک میزان جذب مشخص به ساختاری متفاوت با میزان جذب متفاوتی تبدیل میشوند. مولکولهای مورد استفاده در حالت غیرفعال بیرنگ هستند و وقتی در معرض فوتونهای با طول موج خاص قرار گیرند به صورت برانگیخته در میآیند و شرایط بازتاب آنها متفاوت میشود. با از میان رفتن منبع ماورای بنفش، مولکول به حالت اولیه بر میگردد. کاربرد اصلی مواد فتوکرومیک در عینکها و همچنین پنجره برخی از ساختمانهاست.

ب)مواد ترموکرومیک: این مواد گرما را جذب کرده، تغییرات شیمیایی و یا تغییر فاز میدهند. نکته مهم این است که این تغییرات، بازگشتپذیرند و با تغییرات دما دچار این تغییرات میشوند. شاید به دماسنجهایی نواری برخورد کرده باشید. در اصطلاح علمی به آنها ترمومتر گفته میشود که با گذاشتن آن بر روی بدن، تغییر رنگ داده، عدد دمای بدن را نمایش میدهد و با برداشتن آن از روی بدن به حالت عادی بر میگردد.

ج( مواد مکانوکرومیک و کموکرومیک: در مورد این دو نوع مواد دو مثال جالب وجود دارد. مواد مکانوکرومیک با تغییرات فشار و یا تغییر شکل، خصوصیات بازتابی متفاوتی از خود نشان میدهند و محصولاتی از آنها تولید شده است که تحت فشار و یا کشش خاص، نوشتهای که در آنها مخفی شده است نشان داده میشود. در مورد مواد کموکرومیک هم با نام کاغذهای تورنسل آشنا هستیم که در محیطهای بازی و اسیدی رنگهای متفاوتی از خود نشان میدهند.u3000

د)مواد الکتروکرومیک: الکتروکرومیک به طور گستردهای به موادی گفته میشود که در اثر قرار گرفتن در یک جریان و یا اختلاف پتانسیل الکتریکی، رنگ آنها به طور بازگشتپذیر تغییر کند. به عنوان مثال پنجرههای الکتروکرومیک با الکتریسیته روشن یا تار میشوند. این مواد از یک جزء تشکیل نشدهاند و معمولاً به صورت چند لایه از موادند که با یکدیگر کار میکنند.

مواد با حافظه شکلی

به طور کلی عبارت آلیاژهای حافظهدار به گروهی از مواد فلزی اطلاق میگردد که وقتی در معرض حرارت یا میدان الکتریکی قرار میگیرند به شکل یا اندازه از پیش تعیین شدهای باز میگردند. عموماً این مواد را میتوان در دماهای نسبتاً پایین، تغییر شکل پلاستیک داد و با قرارگیری آنها در دماهای بالا، قابلیت برگشت به حالت قبل از تغییر شکل وجود خواهد داشت. موادی که از خود، خاصیت حافظهداری بر اساس دما نشان میدهند اصطلاحاً دارای حافظه یکطرفه هستند. برخی از مواد نیز با سرد شدن مجدد تغییر شکل مییابند که این مواد دارای حافظه دوطرفه هستند.

مواد هوشمند دسته دوم

این دسته از مواد هوشمند شامل آنهایی است که انرژی را از نوعی به نوع دیگر تبدیل میکنند. همه اجسام و محیطهای پیرامون آنها دارای سطح مشخصی از انرژی هستند. هنگامی که سطح انرژی ماده و محیط اطراف آن یکسان است میگوییم ماده در تعادل با محیط است. یعنی در این حالت تغییر انرژی وجود نخواهد داشت. اما اگر ماده در حالت انرژی متفاوتی از حالت انرژی محیط قرار داشته باشد پتانسیلی برای تغییر حالت انرژی وجود دارد. تمام مواد مبدل انرژی، این کار را از طریق سطوح انرژی اتمی انجام میدهند؛ به این صورت که انرژی ورودی سطح انرژی را بالا برده، انرژی خروجی موجب بازگشت به سطح اولیه میشود.