مقدمه:
هوشمندی در مواد، خاصیتی است كه مختص به گروه خاصی نبوده و در اغلب گروه های مواد دیده می شود. پلیمرها نیز از آن قضیه مستثنی نیستند و در برابر محرك های مختلف مثل دما، میدان های الكتریكی و میدان های مغناطیسی، عكس العمل های متفاوتی از خود نشان می دهند. این پلیمرها به گروه های مختلفی تقسیم می شوند و دارای خواص و كاربردهای متفاوت می باشند. در ذیل به معرفی، تقسیم بندی، كاربردها و بازار این مواد به طور مختصر اشاره شده است.
1-پلیمرهای فعال الكتریكی (EAP )
مكانیزم هوشمندی در این مواد، عكس العمل در برابر تحریكات الكتریكی خارجی است. این عكس العمل، تغییر در ابعاد و هندسه ماده را شامل می شود.
1- این پلیمرها در سال 1990 شناخته شده اند، كاربردهای زیادی در پزشكی، صنعت و مهندسی عمران دارند. این پلیمرها به دو دسته عمده تقسیم می شوند:
2- الف)پلیمرهای فعال الكتریكی الكترونیكی به به منظور حفظ تغییر مكان ایجاد شده در اثر اعمال ولتاژ DC مورد استفاده قرار می گیرند و كاربردهای زیادی در ربات ها دارند. این دسته خود از جنبه كاربردی به دو گروه تقسیم م شود كه عبارتند از:گروهی كه در حسگری خود از رسانایی و هدایت الكتریكی بهره می برند و گروهی كه از فعالیت الكتریكی خود در اثر تحریك خارجی به عنوان محرك استفاده می كنند.
كاربردهای این پلیمرها در صنایع مختلفی است كه می توان از جمله آن ها مواد الكترواستاتیك در لباس های ضد الكتریسیته، چسب های رسانا، حفاظ های الكتریكی و مغناطیسی، تخته های مدار چاپی الكترونیكی، رشته های اعصاب مصنوعی، سازه های هواپیما و پیزوسرامیك ها را نام برد.
ب) پلیمرهای فعال الكتریكی یونی هستند كه در غشاهای مبادله گر یونی، محرك های الكترومكانیكی، سنسورهای حرارتی – شیمیایی، الكترولیت های جامد، باطری های قابل شارژ و سیستم های رهایش دارو در پزشكی كاربرد دارند.
پلیمرهای فعال الكتریكی به عنوان دی الكتریك نیز مورد استفاده قرار می گیرند. به عنوان نمونه پلیمرهایی كه دارای سفتی (Stiffness ) و ثابت دی الكتریك بالا می باشند، در محرك های (Actuator ) با كرنش بالا مورد استفاده قرار می گیرند كه به طور نمونه در پیزوالكتریك ها كاربرد دارند.
قابل ذكر است كه الاستومرهای بلور مایع، الاستومرهای الكتروویسكوالاستیك، پلیمرهای فرو الكتریك، نانولوله های كربن و پلیمرهای رسانا كه بعنوان شناساگرهای گازهای سمی (حسگرهای یونی) در پالایشگاه ها و صنایع نظامی كاربرد دارند، نیز در این گروه قرار می گیرند.
2- سیالات الكتریكی رئولوژیكی (ERF )
این سیالات اساس پلیمری دارند و در برابر میدان الكتریكی، از خود تغییر ویسكوزیته نشان می دهند كه می توان با این تغییر ابعاد را تحت تاثیر قرار داد. به طور مثال این مواد در كمك فنر خودروهای جدید كاربرد دارند و با تغییر جریان می توان ارتفاع خودرو را تنظیم نمود.
این نوع پلیمرها در راه سازی، پل سازی و صنعت ساختمان نیز استفاده می شود و امروزه در تكیه گاه خیلی از پل ها خصوصاً پل های معلق از این مواد استفاده می كنند.
سیالات ERF دارای سه نوع مثبت، منفی و مواد نوری الكتریكی هستند. اگر با اعمال میدان الكتریكی،ویسكوزیته افزایش یابد، ERF مثبت است، اگر با افزایش میدان الكتریكی ویسكوزیته كاهش یابد، ERF منفی است و اگر با تاباندن اشعه ماوراءبنفش ویسكوزیته تغییر كند، ERF از نوع نوری و الكتریكی می باشد.
3-سیالات مغناطیسی و رئولوژیكی(MRF )
در این نوع از پلیمرهای هوشمند، با تغییر میدان مغناطیسی، ویسكوزیته ی آن ها تغییر می كند و عملكرد آن ها مشابه سیالات الكتریكی رئولوژیكی می باشد.
4- ژل های پلیمری هوشمند
با تغییر در زنجیره ی پلیمرها، می توان ژل ها را ساخت كه این كار با تعویض بعضی از مونومرهای زنجیره با مواد شیمیایی صورت می گیرد. تفاوت اصلی ژل ها با پلیمرها سازگاری شیمیایی و ترمودینامیكی آن ها با حلال ها می باشد و نیز خاصیت رطوبت گیری كه در آن ها وجود دارد.
ژل ها بر اساس ویژگی هایی نظیر طبیعت گروه های تشكیل دهنده، خواص مكانیكی، ویژگی های ساختاری و شكل شبكه تقسیم بندی می شوند و در برابر محرك های مختلف فیزیكی و شیمیایی نظیر دما، میدان الكتریكی و مغناطیسی، نور، فشار و PH ، از خود عكسالعمل نشان می دهند و در صنایع دفاعی، زیستی، داروسازی، و ... مورد استفاده قرار می گیرند.
5- پلیمرهای با حافظه شكلی
مشابه آلیاژهای حافظه دار هستند به این ترتیب كه در اثر تغییرات دمایی از خود تغییرات ابعادی نشان می دهند كه علت آن تغییر در مورفولوژی زنجیره ها است. این پلیمرها در مواردی مثل جیگ و فیكسچرهای ماشین كاری، كاربرد دارند.
پلیمرهای هوشمند هنوز خیلی تجاری نشده اند، بنابراین بازار خیلی بزرگی را به خود اختصاص نمی دهند. البته 5 تا 15 سال آینده این بازار رشد بسیار خوبی خواهد داشت، زیرا كاربردهای آینده این مواد كه در حوزه های مختلفی چون پزشكی، كامپیوتر، خودرو، تلویزیون، پول الكترونیكی، كنترل كننده های بهداشتی، هوافضا، بیو تكنولوژی، صنایع نظامی، الكترونیك و فناوری نانو خواهد بود، نوید دهنده ی بازار بزرگی برای این مواد است.
در بین سال های 2010-1992 براساس پیش بینی های انجام شده، در برخی از كاربردهای اصلی این مواد، مثل غلاف ها و پوشش های سیم و كابل، باطری های ذخیره انرژی با ظرفیت بالا و سپرهای تجهیزات الكترونیك كه در فضاپیماها و محافظ های الكترونیك كاربرد دارند، روند مصرف رو به افزایش است و بازار خوبی را به خود اختصاص خواهند داد.
كاربردهای مواد هوشمند:
انواع مختلفی از مواد همچون فرو الكتریك ها (كه در میدان الكتریكی كرنش می كنند)، آلیاژهای حافظه دار ( كه در واكنش به تغییرات دما، دچار تغییر شكل ناشی از تبدیل فاز می شوند) و مواد منعطف مغناطیسی ( كه در میدان مغناطیسی كرنش می كنند)، قابلیت های حسگری و تحریك پذیری از خود نشان می دهند. این پدیده ها بر عكس یكدیگر عمل می كنند و بنابراین می توان این مواد را، جداگانه یا با هم، به كاربرد و قابلیت حسگری و تحریك پذیری را برای پاسخگویی به شرایط محیطی، با یكدیگر تركیب كرد. هم اكنون از مواد یاد شده در چاپگرهای جوهرافشان، درایوهای دیسك مغناطیسی و وسایل ضد لختگی خون، استفاده بسیار گسترده می شود.
كامپوزیت ها با پایه سرب – تیتان – روی (PZT ) و سایر مواد فرو الكتریك كه دارای حساسیت زیاد، واكنش چندگانه فركانسی و فركانس متغیر هستند، بخش مهمی از مواد هوشمند به شمار می روند.
مثلاً كامپوزیت PZT فرستنده – گیرنده ای است كه در محفظه ای به شكل هلال جاسازی می شود و پاسخ را به گونه ای پایدار تقویت می كند. نمونه دیگر، كامپوزیت های باریم – استرونتیم – تیتان و مواد غیر فروالكتریك هستند كه واكنش های پرس فركانسی و پرس میدانی نشان می دهند.
مصرف این كامپوزیت ها در حسگرها و تحریك – كننده هایی است كه می توانند برای هماهنگی با سیگنال یا رمز گشایی آن، فركانس خود را تغییر دهند. هم اكنون از فرو الكتریك ها در اجزای حافظه ای غیر متغیر، كارت های هوشمند و اجزای فعال اسكی های هوشمند – كه در واكنش به تنش تغییر شكل می دهند – استفاده می شود.
بخش مهم دیگری از این مواد، پلیمرهای هوشمند هستند (مثلاً ژل های جدیدی كه در واكنش به میدان الكتریكی تغییر شكل می دهند). از پلیمرهای الكترو اكتیو در ساخت " ماهیچه های مصنوعی" نیز استفاده شده است. پلیمرهای موجود كنونی قدرت مكانیكی محدودی دارند، اما حوزه پلیمرها حوزه ی تحقیقاتی بسیار پویایی است و كاربردهای بالقوه ای در روبات های كاوشگر فصایی، ماموریت های بسیار خطرناك و تجسس را نوید می دهد. همچنین می توان هیدروژل هایی ساخت كه در واكنش به تغییرات PH و دما منبسط و منقبض شوند.
این هیدروژل ها (به شكل كپسول) قادر خواهند بود در واكنش به تغییرات شیمیایی، داروهایی در بدن ترشح كنند (مثلاً ترشح انسولین بر پایه تمركز گلوكز). روند دیگر در رهاسازی كنترل شده دارو در بدن، مواد با هسته های هیدروفوبیك و پوسته هیدروفیلیك است.
چشم انداز آینده:
جهانی كه از تحریك كننده ها و حسگرهای شبكه شده (مثلاً روی دیوارها، لباس ها، لوازم منزل، و سایل نقلیه و محیط پیرامونی) اشباع باشد، نوید دهنده بهبود، بهینه سازی و مشتری گرایی سیستم های حسگر، از طریق دسترسی بیشتر به اطلاعات و تحریك پذیری هرچه مستقیم تر آن است. ارتباطات قابل دسترس مستمر، فهرست بندی و مكان یابی اقلام شخصی برچسب دار (برچسب های الكترونیكی، شیمیایی و غیره ) و هماهنگی كاركردهای پشتیبان، دستاوردهایی هستند كه تا سال 2015 به تدریج تحقق خواهند یافت.
توسعه مداوم حسگرهای بیومتریك پنهان و ریز، همراه با تحقیق پیرامون شناسایی صدا و دَست خط و اثر انگشت، به اثر بخشی سیستم های ایمنی فردی می انجامد. از این سیستم ها می توان برای مقاصد پلیسی، نظامی، سازمانی، شخصی و تفریحی استفاده كرد. با تركیب این سیستم ها و تكنولوژی های اطلاعات امروزی، بسیاری از دغدغه ها پیرامون مسائل امنیتی و حریم خصوصی افراد مرتفع خواهد شد. همچنین كاربردهایی برای ایمن سازی بهتر اسلحه كمری (با نصب قفل های تشخیص هویت مالك واقعی) و دزدگیر وسایل نقلیه ایجاد خواهد شد.
سایر كاربردهای مواد هوشمند كه احتمالاً تا سال 2015 تحقق خواهند یافت عبارتند از:
منبع: نشریه فرایند
هوشمندی در مواد، خاصیتی است كه مختص به گروه خاصی نبوده و در اغلب گروه های مواد دیده می شود. پلیمرها نیز از آن قضیه مستثنی نیستند و در برابر محرك های مختلف مثل دما، میدان های الكتریكی و میدان های مغناطیسی، عكس العمل های متفاوتی از خود نشان می دهند. این پلیمرها به گروه های مختلفی تقسیم می شوند و دارای خواص و كاربردهای متفاوت می باشند. در ذیل به معرفی، تقسیم بندی، كاربردها و بازار این مواد به طور مختصر اشاره شده است.
1-پلیمرهای فعال الكتریكی (EAP )
مكانیزم هوشمندی در این مواد، عكس العمل در برابر تحریكات الكتریكی خارجی است. این عكس العمل، تغییر در ابعاد و هندسه ماده را شامل می شود.
1- این پلیمرها در سال 1990 شناخته شده اند، كاربردهای زیادی در پزشكی، صنعت و مهندسی عمران دارند. این پلیمرها به دو دسته عمده تقسیم می شوند:
2- الف)پلیمرهای فعال الكتریكی الكترونیكی به به منظور حفظ تغییر مكان ایجاد شده در اثر اعمال ولتاژ DC مورد استفاده قرار می گیرند و كاربردهای زیادی در ربات ها دارند. این دسته خود از جنبه كاربردی به دو گروه تقسیم م شود كه عبارتند از:گروهی كه در حسگری خود از رسانایی و هدایت الكتریكی بهره می برند و گروهی كه از فعالیت الكتریكی خود در اثر تحریك خارجی به عنوان محرك استفاده می كنند.
كاربردهای این پلیمرها در صنایع مختلفی است كه می توان از جمله آن ها مواد الكترواستاتیك در لباس های ضد الكتریسیته، چسب های رسانا، حفاظ های الكتریكی و مغناطیسی، تخته های مدار چاپی الكترونیكی، رشته های اعصاب مصنوعی، سازه های هواپیما و پیزوسرامیك ها را نام برد.
ب) پلیمرهای فعال الكتریكی یونی هستند كه در غشاهای مبادله گر یونی، محرك های الكترومكانیكی، سنسورهای حرارتی – شیمیایی، الكترولیت های جامد، باطری های قابل شارژ و سیستم های رهایش دارو در پزشكی كاربرد دارند.
پلیمرهای فعال الكتریكی به عنوان دی الكتریك نیز مورد استفاده قرار می گیرند. به عنوان نمونه پلیمرهایی كه دارای سفتی (Stiffness ) و ثابت دی الكتریك بالا می باشند، در محرك های (Actuator ) با كرنش بالا مورد استفاده قرار می گیرند كه به طور نمونه در پیزوالكتریك ها كاربرد دارند.
قابل ذكر است كه الاستومرهای بلور مایع، الاستومرهای الكتروویسكوالاستیك، پلیمرهای فرو الكتریك، نانولوله های كربن و پلیمرهای رسانا كه بعنوان شناساگرهای گازهای سمی (حسگرهای یونی) در پالایشگاه ها و صنایع نظامی كاربرد دارند، نیز در این گروه قرار می گیرند.
2- سیالات الكتریكی رئولوژیكی (ERF )
این سیالات اساس پلیمری دارند و در برابر میدان الكتریكی، از خود تغییر ویسكوزیته نشان می دهند كه می توان با این تغییر ابعاد را تحت تاثیر قرار داد. به طور مثال این مواد در كمك فنر خودروهای جدید كاربرد دارند و با تغییر جریان می توان ارتفاع خودرو را تنظیم نمود.
این نوع پلیمرها در راه سازی، پل سازی و صنعت ساختمان نیز استفاده می شود و امروزه در تكیه گاه خیلی از پل ها خصوصاً پل های معلق از این مواد استفاده می كنند.
سیالات ERF دارای سه نوع مثبت، منفی و مواد نوری الكتریكی هستند. اگر با اعمال میدان الكتریكی،ویسكوزیته افزایش یابد، ERF مثبت است، اگر با افزایش میدان الكتریكی ویسكوزیته كاهش یابد، ERF منفی است و اگر با تاباندن اشعه ماوراءبنفش ویسكوزیته تغییر كند، ERF از نوع نوری و الكتریكی می باشد.
3-سیالات مغناطیسی و رئولوژیكی(MRF )
در این نوع از پلیمرهای هوشمند، با تغییر میدان مغناطیسی، ویسكوزیته ی آن ها تغییر می كند و عملكرد آن ها مشابه سیالات الكتریكی رئولوژیكی می باشد.
4- ژل های پلیمری هوشمند
با تغییر در زنجیره ی پلیمرها، می توان ژل ها را ساخت كه این كار با تعویض بعضی از مونومرهای زنجیره با مواد شیمیایی صورت می گیرد. تفاوت اصلی ژل ها با پلیمرها سازگاری شیمیایی و ترمودینامیكی آن ها با حلال ها می باشد و نیز خاصیت رطوبت گیری كه در آن ها وجود دارد.
ژل ها بر اساس ویژگی هایی نظیر طبیعت گروه های تشكیل دهنده، خواص مكانیكی، ویژگی های ساختاری و شكل شبكه تقسیم بندی می شوند و در برابر محرك های مختلف فیزیكی و شیمیایی نظیر دما، میدان الكتریكی و مغناطیسی، نور، فشار و PH ، از خود عكسالعمل نشان می دهند و در صنایع دفاعی، زیستی، داروسازی، و ... مورد استفاده قرار می گیرند.
5- پلیمرهای با حافظه شكلی
مشابه آلیاژهای حافظه دار هستند به این ترتیب كه در اثر تغییرات دمایی از خود تغییرات ابعادی نشان می دهند كه علت آن تغییر در مورفولوژی زنجیره ها است. این پلیمرها در مواردی مثل جیگ و فیكسچرهای ماشین كاری، كاربرد دارند.
پلیمرهای هوشمند هنوز خیلی تجاری نشده اند، بنابراین بازار خیلی بزرگی را به خود اختصاص نمی دهند. البته 5 تا 15 سال آینده این بازار رشد بسیار خوبی خواهد داشت، زیرا كاربردهای آینده این مواد كه در حوزه های مختلفی چون پزشكی، كامپیوتر، خودرو، تلویزیون، پول الكترونیكی، كنترل كننده های بهداشتی، هوافضا، بیو تكنولوژی، صنایع نظامی، الكترونیك و فناوری نانو خواهد بود، نوید دهنده ی بازار بزرگی برای این مواد است.
در بین سال های 2010-1992 براساس پیش بینی های انجام شده، در برخی از كاربردهای اصلی این مواد، مثل غلاف ها و پوشش های سیم و كابل، باطری های ذخیره انرژی با ظرفیت بالا و سپرهای تجهیزات الكترونیك كه در فضاپیماها و محافظ های الكترونیك كاربرد دارند، روند مصرف رو به افزایش است و بازار خوبی را به خود اختصاص خواهند داد.
كاربردهای مواد هوشمند:
انواع مختلفی از مواد همچون فرو الكتریك ها (كه در میدان الكتریكی كرنش می كنند)، آلیاژهای حافظه دار ( كه در واكنش به تغییرات دما، دچار تغییر شكل ناشی از تبدیل فاز می شوند) و مواد منعطف مغناطیسی ( كه در میدان مغناطیسی كرنش می كنند)، قابلیت های حسگری و تحریك پذیری از خود نشان می دهند. این پدیده ها بر عكس یكدیگر عمل می كنند و بنابراین می توان این مواد را، جداگانه یا با هم، به كاربرد و قابلیت حسگری و تحریك پذیری را برای پاسخگویی به شرایط محیطی، با یكدیگر تركیب كرد. هم اكنون از مواد یاد شده در چاپگرهای جوهرافشان، درایوهای دیسك مغناطیسی و وسایل ضد لختگی خون، استفاده بسیار گسترده می شود.
كامپوزیت ها با پایه سرب – تیتان – روی (PZT ) و سایر مواد فرو الكتریك كه دارای حساسیت زیاد، واكنش چندگانه فركانسی و فركانس متغیر هستند، بخش مهمی از مواد هوشمند به شمار می روند.
مثلاً كامپوزیت PZT فرستنده – گیرنده ای است كه در محفظه ای به شكل هلال جاسازی می شود و پاسخ را به گونه ای پایدار تقویت می كند. نمونه دیگر، كامپوزیت های باریم – استرونتیم – تیتان و مواد غیر فروالكتریك هستند كه واكنش های پرس فركانسی و پرس میدانی نشان می دهند.
مصرف این كامپوزیت ها در حسگرها و تحریك – كننده هایی است كه می توانند برای هماهنگی با سیگنال یا رمز گشایی آن، فركانس خود را تغییر دهند. هم اكنون از فرو الكتریك ها در اجزای حافظه ای غیر متغیر، كارت های هوشمند و اجزای فعال اسكی های هوشمند – كه در واكنش به تنش تغییر شكل می دهند – استفاده می شود.
بخش مهم دیگری از این مواد، پلیمرهای هوشمند هستند (مثلاً ژل های جدیدی كه در واكنش به میدان الكتریكی تغییر شكل می دهند). از پلیمرهای الكترو اكتیو در ساخت " ماهیچه های مصنوعی" نیز استفاده شده است. پلیمرهای موجود كنونی قدرت مكانیكی محدودی دارند، اما حوزه پلیمرها حوزه ی تحقیقاتی بسیار پویایی است و كاربردهای بالقوه ای در روبات های كاوشگر فصایی، ماموریت های بسیار خطرناك و تجسس را نوید می دهد. همچنین می توان هیدروژل هایی ساخت كه در واكنش به تغییرات PH و دما منبسط و منقبض شوند.
این هیدروژل ها (به شكل كپسول) قادر خواهند بود در واكنش به تغییرات شیمیایی، داروهایی در بدن ترشح كنند (مثلاً ترشح انسولین بر پایه تمركز گلوكز). روند دیگر در رهاسازی كنترل شده دارو در بدن، مواد با هسته های هیدروفوبیك و پوسته هیدروفیلیك است.
چشم انداز آینده:
جهانی كه از تحریك كننده ها و حسگرهای شبكه شده (مثلاً روی دیوارها، لباس ها، لوازم منزل، و سایل نقلیه و محیط پیرامونی) اشباع باشد، نوید دهنده بهبود، بهینه سازی و مشتری گرایی سیستم های حسگر، از طریق دسترسی بیشتر به اطلاعات و تحریك پذیری هرچه مستقیم تر آن است. ارتباطات قابل دسترس مستمر، فهرست بندی و مكان یابی اقلام شخصی برچسب دار (برچسب های الكترونیكی، شیمیایی و غیره ) و هماهنگی كاركردهای پشتیبان، دستاوردهایی هستند كه تا سال 2015 به تدریج تحقق خواهند یافت.
توسعه مداوم حسگرهای بیومتریك پنهان و ریز، همراه با تحقیق پیرامون شناسایی صدا و دَست خط و اثر انگشت، به اثر بخشی سیستم های ایمنی فردی می انجامد. از این سیستم ها می توان برای مقاصد پلیسی، نظامی، سازمانی، شخصی و تفریحی استفاده كرد. با تركیب این سیستم ها و تكنولوژی های اطلاعات امروزی، بسیاری از دغدغه ها پیرامون مسائل امنیتی و حریم خصوصی افراد مرتفع خواهد شد. همچنین كاربردهایی برای ایمن سازی بهتر اسلحه كمری (با نصب قفل های تشخیص هویت مالك واقعی) و دزدگیر وسایل نقلیه ایجاد خواهد شد.
سایر كاربردهای مواد هوشمند كه احتمالاً تا سال 2015 تحقق خواهند یافت عبارتند از:
- لباس هایی كه به شرایط مختلف آب و هوایی حساس اند، با سیستم های اطلاعات تعامل دارند، علائم حیاتی را كنترل می كنند، قادر به ترشح مواد دارویی هستند و جراحات را به طور خودكار محافظت می كنند.
- ایرفویل هایی كه خود را با شرایط آب و هوایی سازگار می كنند.
- ساختمانهایی كه خود را با شرایط آب و هوایی سازگار می كنند.
- پل ها و جاده هایی كه ترك را احساس و آن را مرمت می كنند.
- آشپزخانه هایی كه با دستورات بی سیم آشپزی می كنند.
- تلفن ها و مراكز تفریحی كه از تكنیك های "واقعیت مجازی" استفاده می كنند.
- تشخیص پزشكی شخصی (احتمالاً در تعامل مستقیم با مراكز درمانی).
- ایرفویل هایی كه خود را با شرایط آب و هوایی سازگار می كنند.
- ساختمانهایی كه خود را با شرایط آب و هوایی سازگار می كنند.
- پل ها و جاده هایی كه ترك را احساس و آن را مرمت می كنند.
- آشپزخانه هایی كه با دستورات بی سیم آشپزی می كنند.
- تلفن ها و مراكز تفریحی كه از تكنیك های "واقعیت مجازی" استفاده می كنند.
- تشخیص پزشكی شخصی (احتمالاً در تعامل مستقیم با مراكز درمانی).
منبع: نشریه فرایند
