برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۵/۲۷ تا ۱۳۹۷/۰۶/۰۲

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۲۷,۴۱۸
  • بازدید این ماه ۲۹۲
  • بازدید امروز ۱
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۵۸
  • قبول شدگان ۴۹
  • شرکت کنندگان یکتا ۴۴
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۶
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 1

امتیاز کاربران

آشنایی با مواد هوشمند

طبق تعریف ناسا مواد هوشمند موادی می باشند که موقعیت‌ها را به خاطر می‌سپارند و با محرک‌های مشخص می‌توانند به آن موقعیت باز گردند. مواد هوشمند به طور کلی به دو دسته تقسیم می شوند. دسته ی اول موادی هستند که با تغییر محرک ها، خصوصیات آن ها تغییر می کند. مثلا شیشه های فتوکرومیک که با تابیدن نور خورشید به آن ها رنگشان تغییر می کند. دسته ی دیگر موادی هستند که با تغییر عوامل تأثیر گذار بر روی آن ها، قابلیت این را دارند که یک نوع از انرژی را به نوع دیگری تبدیل کنند، مثل سلول های خورشیدی که می توانند انرژی خورشیدی را به الکتریسیته بدل نمایند. کاربردهای متنوعی از مواد هوشمند در زندگی امروزه ی انسان به وجود آمده و می توان پیش بینی کرد که این دسته از مواد، زندگی آینده را کاملاً تحت سلطه ی خود دراورند.
1- مقدمه
هواپیماهای هوشمند، خانه‌های باهوش، بافت‌های حافظه‌دار شکلی، میکروماشین‌ها، سازه‌های خودآرا و رنگ‌های نانویی متغیر کلماتی هستند که از سال 1992 و با تجاری شدن اولین مواد هوشمند وارد لغتنامه‌های مواد شده‌اند و از آنها انتظار می‌رود که بسیاری از نیازهای فناورانه قرن 21 را برآورده سازند.

filereader.php?p1=main_6f07f584f3d9d2013
شکل 1: تصور ناسا از یک هواپیماهای هوشمند که می‌تواند با تغییر شکل در شرایط مختلف به صورت بهینه عمل کند

ناسا روی رهبری اولین تغییرات در زمینه پرواز ماوراء صوت توسط مواد هوشمند حساب ویژه‌ای باز کرده است. وزارت دفاع آمریکا به مواد هوشمند در سناریویی به نام "سربازهای آینده" توجه ویژه‌ای کرده است و از ابزارهای هوشمند تا لباس‌هایی شبیه به ساختار پای مارمولک یاد کرده است. در سوی دیگر طیف کاربردهای این مواد نیز می‌توان به اسباب‌بازی‌ها، ابزارهای روزمره و ... نام برد.
شاید برایتان جالب باشد که بدانید سابقه مواد هوشمند به 300 سال قبل از میلاد، و دوران کیمیاگری باز می‌گردد. در آن زمان اگر چه توانایی تولید طلا وجود نداشت اما فعالیت‌هایی برای تغییر رنگ و خصوصیات فلزهای محتلف صورت گرفت که برخی از مواد مورد استفاده آنها را می‌توان از مواد هوشمند دانست.

2- تعریف مواد هوشمند
معمولا عبارت "مواد هوشمند" را بدون تعریف دقیقی از آنچه مورد نظرمان است استفاده می‌کنیم. از طرفی هم ارائه یک تعریف دقیق به طرز عجیبی دشوار است. استفاده‌ گسترده‌ای از این کلمه می‌شود اما موافقتی کلی بر روی معنای آن وجود ندارد. اما ببینیم تعریف ناسا از مواد هوشمند چیست:
«مواد هوشمند موادی هستند که موقعیت‌ها را به خاطر می‌سپارند و با محرک‌های مشخص می‌توانند به آن موقعیت باز گردند».
تعریف دایره‌المعارف فناوری‌های شیمیایی کمی جامع‌تر به نظر می‌آید:
«مواد و سازه‌های هوشمند، اشیائی هستند که شرایط محیطی را حس کرده و با پردازش این اطلاعات حسی نسبت به محیط عمل می‌کنند».
هرچند به نظر می‌آید این دو تعریف به یک رفتار اشاره می‌کنند، اما می‌توان آنها را از دو قطب مختلف دانست. تعریف اول به مواد طوری نگاه کرده است که در ذهن ما عناصر، آلیاژها و ترکیب‌ها را تداعی می‌کند. چیزهایی که توسط ساختار مولکولی خود قابل شناسایی و اندازه‌گیری هستند. اما در تعریف دوم به مواد به صورت مجموعه‌ای از فعالیت‌ها اشاره شده است. در واقع در تعریف دوم با مجموعه‌ای از مواد یا سیستم‌ها سر و کار داریم و آن حالت قابل شناسایی و اندازه‌گیری بودن به آن وضوح نیست.
اما اگر بخواهیم مواد و فناوری‌های هوشمند (شامل عناصر، مواد مرکب، سیستم‌ها و ...) را با توجه به خصوصیاتشان بشناسیم، این خصوصیات را می‌توان برای آنها نام برد:

- فوریت: به این معنا که پاسخ آنها به صورت بلادرنگ (هم‌زمان با تاثیر محرک) است.
- سازگاری: به این معنا که توانایی پاسخ به بیش از یک شرایط محیطی را دارا هستند.
- خود انگیزی: به این معنا که این هوشمندی در درون این مواد است نه در بیرون آنها.
- گزینش‌پذیری: به این معنا که پاسخ آنها مجزا و قابل پیش‌بینی است.
- مستقیمی: به این معنا که پاسخ داده شده با تحریک وارده در یک مکان قرار دارند.

3- انواع مواد هوشمند
با توجه به تعاریف موجود، مواد هوشمند را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد. در ادامه به خلاصه‌ای از خصوصیات این مواد اشاره ‌می‌شود و در بخش‌های بعدی به هریک به طور کامل‌تر می‌پردازیم.

3-1- نوع اول
این دسته از مواد در پاسخ به محرک‌های محیط خارجی‌شان در یک یا چند خصوصیت خود – شیمیایی، الکتریکی، مکانیکی، مغناطیسی و گرمایی- تغییر ایجاد می‌کنند. البته یک سیستم کنترل خارجی موجب این تغییرات نیست و خود ماده مستقیما این تغییرات را ایجاد می‌کند. به عنوان مثالی که برای همه ما آشناست می‌توان به عینک‌های فتوکرومیک اشاره کرد که تحت تاثیر اشعه ماوراء بنفش تغییر رنگ می‌دهند. دو دسته از این مواد در ادامه معرفی شده‌اند:

filereader.php?p1=main_c695ac8c87ec8b53d
شکل 2: تغییر شفافیت عینک‌های فتوکرومیک نسبت به میزان نور دریافتی

- ترموکرومیک: موادی که تحت تاثیر گرما در ساختارشان تغییراتی ایجاد می‌شود و به علت تغییر در بازتاب‌های آن رنگ متفاوتی از آن دیده می‌شود.
- مواد با حافظه شکلی: این مواد توانای تغییر شکل تحت تاثیر محرک‌های مختلف (مانند دماهای مختلف) را دارا هستند. به عنوان مثال با افزایش دما تغییر شکل می‌دهند و با بازگشت دما به مقدار اولیه شکل اصلی خود را می‌یابند.

3-2- نوع دوم
این دسته از مواد هوشمند شامل آنهایی است که انرژی را از نوعی به نوع دیگر تبدیل می‌کنند. نمونه‌ای که شاید با آن آشنا باشید مواد پیزوالکتریک هستند که در پاسخ به محرک الکتریکی از خود حرکت مکانیکی نشان داد و در پاسخ به محرک مکانیکی الکتریسیته تولید می‌کنند. دو نوع از این مواد نیز در اینجا معرفی شده‌اند.
- مواد فتوولتائیک (قدرت‌زای نوری): این مواد در پاسخ به محرک نور مرئی جریان الکتریکی ایجاد می‌کنند.
- مواد ترموالکتریک (دما برقی): این مواد نیز در مقابل تغییرات دما توانایی تولید برق را دارند.

4-دسته‌بندی مواد
در اینجا قصد نداریم که به تقسیم‌بندی کلی مواد بپردازیم. بلکه می‌خواهیم با ارائه یک نمودار مواد هوشمند را بهتر بشناسیم:

جدول 1: دسته‌بندی مواد و سیستم‌های هوشمند
filereader.php?p1=main_0a1d1d8aaf8a56cd0

4-1- مواد هوشمند نوع اول 
قصد داشتیم که در این قسمت به معرفی کاملی از هر دو نوع مواد هوشمند بپردازیم، اما از آنجایی که مطالب قابل توجه زیادی وجود داشت تصمیم گرفتیم که به هر کدام یک نوشتار کامل را اختصاص دهیم. در این نوشتار با دو دسته از مواد هوشمند نوع اول آشنا خواهیم شد که آشنایی با آنها دید مناسبی از نحوه عملکرد سایر مواد این گروه به ما خواهد داد:
4-1-1- مواد کرومیک
یکی از جالب‌ترین دسته‌های مواد هوشمند که بسیار هم مورد توجه قرار می‌گیرد مواد با قابلیت تغییر رنگ نام دارد. این مواد را می‌توان در دسته‌های زیر تقسیم‌بندی کرد:

جدول 2: انواع مواد کرومیک
filereader.php?p1=main_a400664aba50198a3

نکته‌ای که باید در ای زمینه دقت کنیم این است که در واقع تغییر رنگی که از آن نام می‌بریم در واقع تغییر خصوصیات نوری این مواد مانند ضریب جذب، قابلیت بازتاب و یا شکست است. در واقع چیزی که ما از رنگ می‌دانیم به منبع نور و طبیعت چشممان مربوط است و این تغییر رنگ در اثر یک تغییر ساختار در این مواد است. در ادامه کمی بیشتر با این مواد آشنا می‌شویم:
مواد فتوکرومیک: این مواد در برابر جذب انرژی تابشی تغییر در ساختار شیمیایی‌شان 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 ماوراء بنفش مولکول به حالت اولیه بر می‌گردد. برای نمونه تغییر ساختار یک ماده فوتوکرومیک در شکل 3 نشان داده شده است. کاربرد اصلی مواد فتوکرومیک در عینک‌ها و همچنین پنجره برخی از ساختمان‌هاست.

filereader.php?p1=main_1cdc9de72150e3d48
شکل 3: تغییر ساختار یک ماده فتوکرومیک در برابر اشعه ماوراء بنفش

- مواد ترموکرومیک: این مواد گرما را جذب کرده و 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 و عدد دمای بدن را نمایش می‌دهد و با برداشتن آن از روی بدن به حالت عادی بر می‌گردد. شکل 4 نیز نمونه دیگری از این مواد است.

filereader.php?p1=main_32499813a3794af18
شکل 4: صندلی‌های گرمایی از رنگ‌های ترموکرومیک استفاده می‌کنند که با دمای بدن تغییر رنگ می‌دهند و پس از مدتی به حالت ابتدایی بر می‌گردند.

- 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 متنی که در آنها مخفی شده نشان داده می‌شود. در مورد مواد کموکرومیک هم حتما با نام کاغذهای تورنسل آشنا هستید که در محیط‌های بازی و اسیدی رنگهای متفاوتی از خود نشان می‌دهند (شکل 5).

filereader.php?p1=main_76d85b6f91aace313
شکل 5: کاغذ تورنسل در محیط‌های اسیدی و بازی

- 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 به وسیله الکتریسیته روشن یا تار می‌شوند. این مواد از یک جزء تشکیل نشده‌اند و معمولا به صورت چند لایه از مواد هستند که با یکدیگر کار می‌کنند. در شکل 6 شماتیک نحوه عملکرد این نوع مواد نشان داده شده است که فکر می‌کنیم خود شکل تقریبا گویاست.

filereader.php?p1=main_24e8f726c6dea4ae2
شکل 6: نحوه عملکرد یک شیشه الکتروکرومیک

4-1-2- مواد حافظه‌دار
یکی از معروف‌ترون آلیاژهای حافظه‌دار ماده‌ای به نام نیتینول است که از آن به صورت سیمی استفاده می‌شود. در نگاه اول این سیم‌ها همانند سیم‌های معمولی به نظر می‌آیند که به راحتی تغییر شکل می‌دهند و رسانای الکتریسیته نیز هستند؛ اما در مقایسه با سیم‌های معمولی فولادی و مسی بسیار گران‌تر هستند. دو مشخصه در این سیم‌ها وجود دارد که آنها را از سایر سیم‌ها متفاوت می‌کند:
1- این سیم‌ها حافظه‌دارند. به عنوان مثال می‌توان آنها را به هر شکلی درآورد و سپس با گرم کردن آنها تا دمای بالای 90 درجه سانتی‌گراد به حالت اولیه‌شان برگرداند (شکل 7).

filereader.php?p1=main_59f3078365763ce02
شکل 7: نمایی از پیدا کردن شکل اولیه سیم‌های حافظه‌دار به وسیله گرم کردن

2- این نکته که شاید جالب‌تر هم باشد این است که می‌توان این سیم‌ها را برنامه‌ریزی کرد تا شکل خاصی را به خاطر بسپارند! این کار به این صورت انجام می‌شود که شکل دلخواهمان را به سیم می‌دهیم و سپس سیم را به مدت تقریبی 5 دقیقه با دمای 150 درجه سانتی‌گراد گرما می‌دهیم یا جریان الکتریسیته را از آن عبور می‌دهیم. حالا می‌توانیم سیم را به هر شکل دیگری درآوریم و برای برگشت آن به شکل اولیه کافی است آن را در آب داغ بیندازیم (شکل 8).

filereader.php?p1=main_58ae73775a90ed0f6
شکل 8: برنامه‌ریزی سیم‌های حافظه‌دار

دسته دیگری از مواد حافظه‌دار، سیم‌های ماهیچه‌ای هستند که از آلیاژهای نیکل و تیتانیوم ساخته شده‌اند و در دمای اتاق به راحتی می‌توان آنها را تغییر شکل داد. نکته‌ای که این مواد را جذاب می‌کند این است که با عبور جریان الکتریسیته با نیروی خوبی (که می‌توان از آن استفاده کرد) به شکل اولیه خود برمی‌گردند. اگر بخواهید دقیق‌تر بدانید باید بگوییم که این سیم‌ها اگر تا 8 درصد اندازه اولیه‌شان کشیده شوند باز هم می‌توانند به حالت اولیه باز گردند اما استفاده‌هایی که از آنها می‌شود تغییر طول‌های در حدود 3 تا 5 درصد طول اولیه است. در شکل‌های زیر کاربردهایی از این مواد را می‌بینید.

filereader.php?p1=main_bcaaad0c7b1a5e1bb
شکل 9: ترکیب یک سیم ماهیچه‌ای، یک وزنه، یک باتری و کلیدی که جریان را قطع و وصل می‌کند.

filereader.php?p1=main_6c7673817eb5d1468
شکل 10: سیم‌های هوشمند به کمک یک برد الکترونیکی می‌توانند باز و بسته شدن یک دست را نشان دهند..

                              filereader.php?p1=main_2b1433066d97356d0
شکل 11: استفاده از سیم‌های ماهیچه‌ای برای باز و بسته کردن مسیرها

4-2- آشنایی با مواد هوشمند نوع دوم 
همه اجسام و محیط‌های اطراف آنها مقدار مشخصی انرژی دارند. وقتی حالت (سطح) انرژی ماده با حالت انرژی محیط پیرامونش یکسان است، می‌گوییم ماده در تعادل است و این به آن معناست که 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 و انرژی خروجی موجب بازگشت به سطح اولیه می‌شود (شکل 12). به عنوان مثال وقتی تابش‌های خورشیدی به یک ماده فوتوولتائیک برخورد می‌کنند انرژی فوتون‌ها توسط ماده -یا به طور دقیق‌تر، اتم‌های ماده- جذب می‌شود و این انرژی باعث می‌شود که اتم‌ها به سطح بالاتری از انرژی حرکت کنند. اتم‌ها قادر نیستند که این شرایط جدید را حفظ کنند و باید انرژی خود را آزاد کنند که در مواد فوتوولتائیک این آزادسازی انرژی به صورت تولید الکتریسیته و به کمک مواد نیمه‌رسانا انجام می‌شود.

filereader.php?p1=main_ed3f655c84f6e56f9
شکل 12: چگونگی تغییر سطوح انرژی در اثر تابش نور

به این نکته دقت کنید که در تمامی مواد (هوشمند و غیر هوشمند) مقدار انرژی باید ثابت بماند و اینکه با اضافه کردن انرژی به مواد سطح انرژی آنها بالا می‌رود. در اکثر مواد این انرژی افزوده شده به صورت افزایش انرژی درونی جسم خود را آشکار می‌کند که معمولا هم به صورت گرما است؛ اما مواد هوشمند این قابلیت خود که می‌توانند انرژی را به حالت‌های مفیدتر تبدیل کنند، می‌دانند و این کار را انجام می‌دهند.
بسیاری ار مواد مبدل انرژی به صورت دو طرفه عمل می‌کنند و جای انرژی ورودی و خروجی می‌تواند عوض شود. استثنائات اصلی در این زمینه موادی هستند که انرژی تابشی را تبدیل می‌کنند و از آنجایی که این تبدیل انرژی بسیار کم بازده است این فرآیند بازگشت‌ناپذیر می‌شود. علاوه بر این، بر خلاف اکثر مواد هوشمند نوع اول –که خصوصیاتشان در برابر محرک خارجی تغییر می‌کرد- (البته نه همه آنها)، تقریبا همه مواد مبدل انرژی از مواد مرکب هستند که البته در اینجا هم استثنائاتی وجود دارد.
در ادامه با برخی از مواد این دسته آشنا می‌شویم:

4-2-1-مواد نورتاب
لومینسانس به تابش نوری گویند که عامل ایجاد آن التهاب ماده (همانند لامپ‌های رشته‌ای) نیست و عواملی مانند واکنش شیمیایی موجب آن می‌شود. به طور دقیق‌تر می‌توان گفت که لومینسانس تابش نور بر اثر دریافت انرژی است. در واقع این مواد انرژی دریافت شده را در طول موج‌های قابل رویت بازتاب می‌دهند. ماده بر اثر منبع محرک (مانند الکتریسیته، واکنش شیمیایی و یا حتی اصطکاک) تحریک شده و در بازگشت اتم‌ها به حالت اولیه‌شان این تابش نور رخ می‌دهد. در واقع این مواد معکوس مواد فوتوولتائیک (که نور را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند و احتمال دارد آن را با نام سلول خورشیدی بشناسید) عمل می‌کنند. 

filereader.php?p1=main_2adc368e28617afca
شکل 13: نحوه عملکرد مواد فوتوولتائیک

از موادی که در اثر محرک الکتریسیته نور از خود ساطع می‌کنند می‌توان به دیودهای نوری (دیودهای ناشر نور) اشاره کرد. یک دیود نوری در واقع یک نیمه‌‌رسانا است که با عبور جریان از آن از خود نور می‌تابد. به نظر می‌آید که دانش کلی در مورد نیمه‌رساناها ضروری است اما از آنجایی که ربط آن با دنیای نانو کمی کم رنگ است در اینجا در مورد آن بحث نمی‌کنیم.
یکی دیگر از مواد نورتاب موادی هستند که در اثر اعمال فشار از خود نور ساطع می‌کنند. این دسته از مواد بسیار رایج شده‌اند و به راحتی و در اشکال مختلف قابل دسترسی هستند. در شکل 14 یک نمونه آن دیده می‌شود.

filereader.php?p1=main_3e7f51bafc33abd4d
شکل 14: یک قورباغه که با فشار دادن روشن می‌شود!

4-2-2-پیزوالکتریک
در این قسمت با پیزوالکتریک‌ها آشنا می‌شویم که در محصولات بسیاری نظیر میکروفون‌ها، بلندگوها، فندک‌ها و چاقوهای جراحی کاربرد دارند. در مواد پیزوالکتریک یک نیروی مکانیکی موجب تغییر شکل ماده و این تغییر شکل موجب تولید الکتریسیته می‌شود و همچنین اگر به این مواد انرژی الکتریکی وارد شود ماده از خود تغییر شکل نشان می‌دهد که این تغییر شکل نیز قابل تبدیل به یک نیروی مکانیکی است (شکل 15). شاید این نکته نیز برایتان جالب باشد که بدانید پیزو در زبان یونانی به معنای فشار است. همچنین برای آشنایی بیشتر باید بدانید که میزان الکتریسیته تولیدی به ازای یک میکرومتر تغییر شکل در مقیاس یک هزارم تا حدود یک دهم ولت و میزان تغییر شکل آن به ازای یک ولت در مقیاس پیکو متر تا حدود نانو است. البته این اطلاعات تخمینی است و برای انواع و اقسام مواد پیزو متفاوت است.
filereader.php?p1=main_1fe17ded15f9de029

شکل 15: نحوه عملکرد یک ماده پیزوالکتریک

تنوع مواد هوشمند و نحوه عملکرد آنها را نمی‌توان به راحتی در قالب یکی دو جلسه پوشش داد اما تلاش کردیم که در حد یک آشنایی اولیه با برخی از آنها مطالبی را بیان کنیم. 

5- پنجره‌های هوشمند 
صور کنید که در یکی از گرم‌ترین روزهای آفتابی در تابستان، نور خورشید مستقیما به اتاق شما می‌تابد و هیچ راه گریزی به جز استفاده از پنجره‌هایی با شیشه‌های دودی برای متعادل‌تر کردن گرما و نور اتاق ندارید. همچنین دوست دارید تا تنها زمانی که نور شدت دارد شیشه درست مانند عینک‌های فتوکرومیک دودی شوند.
امروزه این کار با استفاده از الکتروکروماتیک‌ها انجام می شود که موادی هستند که رنگ آنها در اثر جریان الکتریکی تغییر می‌کنند. جریان الکتریسته با ایجاد واکنش شیمیایی سبب تغییرات خصوصیات مواد می شود و کاری می‌کند تا آنها نور را جذب یا منعکس کنند. امروزه از صنعت الکترونیک در ساخت این نوع از شیشه‌های پنجره استفاده می‌شود.
زمانی که نور خورشید به شیشه‌ها می‌تابد جریان الکتریکی برقرار و سبب می‌شود تا یون‌ها از لایه ذخیره یونی به سمت لایه هدایت یونی حرکت کرده به لایه الکتروکروماتیکی رجعت کنند و شیشه را کدر و تیره نمایند. با قطع الکتریسته فرایند برعکس عمل کرده شیشه مجدداً شفاف می‌شود. یکی از ویژگی مواد الکتروکروماتیکی قابلیت تنظیم آنهاست به طوری که می‌توان شدت کدری آنها را با تغییر مقدار جریان تنظیم کرد.

filereader.php?p1=main_38e35464ee9c68474
شکل 16. خاصیت الکتروکرمیک استفاده شده در شیشه پنجره‌ها

NTERA یک شرکت لهستانی است که توسط کالج دانشگاهی دوبلین تاسیس شده است و راه حلی برای این مورد یافته است. آنها موفق به ساخت نمایشگرهای نانوکروماتیک شده‌اند. اساس این نمایشگرها درست مانند آنچه در الکتروکروماتیک‌ها شرح داده شد، می‌باشد، با این تفاوت که در ساخت آنها از فناوری نانو استفاده شده است. نانوکروماتیک‌ها دارای ذراتی در مقیاس نانو هستند که می‌توانند به سرعت روشن و خاموش شوند. پایداری دو طرفه فرآیند سبب می‌شود که در مصرف انرژی نیز صرفه جویی شود. در این نوع از نمایشگرها از دی اکسید تیتانیوم (ماده شیمیایی که سبب سفید شدن کاغذ می‌شود) استفاده شده که کانتراست خوبی دارد. این نوع از نمایشگرها در آینده‌ای نه چندان دور جایگزین نمایشگرهای فعلی شده و تحول عظیم در دنیای تلویزیون و نمایشگرها ایجاد می‌کند.

5- مروری بر مواد هوشمند 
همانطور که در بالا مطالعه کردید؛ مواد هوشمند به آن دسته از مواد گویند که می‌توانند محیط و شرایط اطراف خود را درک نمایند و به آن واکنش نشان دهند. هم اکنون فلزات و کامپوزیت های هوشمند در موارد بسیاری کاربرد و جایگاه خود را در صنعت پیدا کرده‌اند. برای مثال امروزه از فلزی به نام نیتینول (ترکیبی از نیکل و تیتانیوم) در ساخت فریم عینک‌ها استفاده می‌شود که بعد از خم شدن مجدد به شکل اولیه بر می‌گردد و سبب می‌شود که شکل فریم عینک همیشه مانند روز اولی باشد که خریداری شده است. این تنها یک مثال از این دسته مواد است که حاصل تحقیقات ناسا می‌باشد. در حال حاضر کامپوزیت‌های حافظه‌دار به دو دسته فلزی (آلیاژی) و پلیمری تقسیم می‌شوند. در اینجا به نحوه عملکرد نیتینول به عنوان یک آلیاژ حافظه‌دار و نیز کاربرد آن در زندگی روزمره اشاره می‌کنیم.
قبل از هر مطلب لازم است که متذکر شویم که آلیاژهای حافظه‌دار دو ویژگی دارند: یکی اینکه آنها تا حدودی الاستیک هستند و دیگر آنکه حافظه‌دار هستند یعنی قابلیت ذخیره‌سازی انرژی مکانیک و نیز آزادسازی آن را دارا هستند. درست مانند آب که در دماهای مختلف از حالتی به حالت دیگر تبدیل می‌شود این دسته از فلزات نیز به علت اینکه مولکول‌ها در آنها قابلیت چیده‌مان مجدد دارد (البته آنچه که باعث می‌شود تا مولکول‌ها در کنار هم باقی بمانند و حالت جامد را حفظ کنند متفاوت است) قابلیت بازگشت به شکل اولیه را دارند. حال ببینیم این فلزات حافظه‌دار چگونه عمل می‌کنند: عاملی که سبب تغییر شکل فلز و یا بازگشت به شکل اولیه خود می‌شود، اختلاف ساختار مولکولی در هر فاز است. در شکل پایین سمت چپ، فلز حافظه‌دار را در حالتی که شکل اولیه خود را در دمای اتاق دارد را نشان می‌دهد. زمانی که بار اعمال می‌شود فلز تغییر شکل می‌دهد. سپس به محض برداشته شدن باز و کمی گرما مولکول‌ها به شکل یک ساختار سخت در می‌آیند به گونه‌ای که به یک ساختار با شبکه‌ای متفاوت مبدل می‌شوند. اما هنوز وضعیت قرارگیری مولکولی معمولی است و همان ساختار فیزیکی در مقیاس ماکرو وجود دارد.


filereader.php?p1=main_3ecf97e8b4643e3e0
شکل 17. آلیاژهای حافظه‌دار

با توجه به اینکه این دسته از فلزات زیست‌سازگار (سیستم ایمنی به آنها عکس‌العمل نشان نمی‌دهد) هستند و از ویژگی‌های مکانیکی قابل قبولی (مقاوم در برابر خوردگی) برخوردار هستند، در ساخت ایمپلنت‌ها و پلیت‌های (کاشتنی‌ها) ارتوپدی در موارد شکستگی‌ها قابل استفاده هستند. شاید بدانید که در شکستگی‌های استخوان‌های صورت از پلیت‌های ویژه‌ای استفاده می‌شود تا استخوان‌های صورت را طی دوره شکستگی در کنار هم نگه دارد. در گذشته از پلیت‌هایی از جنس استیل برای این کار استفاده می‌شده است. در ابتدا ممکن است که استخوان درست لب به لب هم و در کنار هم قرار گیرند اما به مرور این وضعیت از دست می‌رود که در نهایت سبب به تاخیر افتادن جوش خوردن شکستگی می‌شود. با ظهور آلیاژهای حافظه‌دار و کاربرد آنها در ساخت پلیت‌ها این مشکل رفع شده است. امروزه جراحان از فلزهای حافظه‌دار به جای استیل استفاده می‌کنند به این طریق که ابتدا فلز را کمی سرد می‌کنند و سپس در محل نصب می‌کنند. در اثر دمای بدن مقداری فلز گرم می‌شود و به این طریق پلیت فشار لازم جهت در کنار هم نگه داشتن قطعات شکستگی را حفظ می‌کند و سبب می‌شود تا استخوان در حداقل زمان ترمیم شود.

filereader.php?p1=main_fc9fdf663e3657870
شکل 18. استفاده از آلیاژ حافظه‌دار برای پلیت‌ها

مشکلی که در طراحی این نوع پلیت‌ها وجود داشت مربوط به تنظیم فشار مناسب و مطلوب است. برای مثال اینکه چه مقدار فلز باید تغییر شکل داده شود تا کشش لازم را ایجاد کند، خود جای بررسی دارد. در اینجاست که فناوری نانو وارد عرصه شده تا به تغییر نحوه قرارگیری اتم‌ها در ترکیبات کمک کند. هم اکنون گروه‌های تحقیقاتی در حال انجام مطالعه بر روی این تنظیم این مکانیزم با کمک فناوری نانو هستند.

نظرات و سوالات

نظرات

8 -1

مریم یعقوبی - ‏۱۳۹۵/۱۰/۲۶

مقاله بسیارجالب وروان بود فقط بخش آخر که مربوط به استفاده فلزات حافظه داردرپزشکی بود برایم نامفهوم است.متشکرم

پاسخ مسئول سایت :
سلام
رضایت شما باعث خرسندی ماست.