برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۳/۲۶ تا ۱۳۹۷/۰۴/۰۱

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۵,۴۸۸
  • بازدید این ماه ۸۳
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۰
  • قبول شدگان ۰
  • شرکت کنندگان یکتا ۰
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۰
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

ویژه المپیاد دانش‌آموزی

طرح درس

منابع پیشنهادی نهمین المپیاد دانش آموزی نانو

امتیاز کاربران

انواع مواد هوشمند

در جلسه اول با مواد هوشمند و ویزگی‌های آنها آشنا شدیم. دو تعریف دیگر از این مواد عبارتست از:
تعریف ناسا از مواد هوشمند: «مواد هوشمند موادی هستند که موقعیت‌ها را به خاطر می‌سپارند و با محرک‌های مشخص می‌توانند به ان موقعیت بازگردند».
تعریف دایره‌المعارف فناوری‌های شیمیایی از مواد هوشمند:«مواد و شازه‌های هوشمند، اشیایی هستند که شرایط محیطی را حس کرده و با پردازش این اطلاعات حسی نسبت به محیط عمل می‌کنند».
در این جلسه انواع مواد هوشمند معرفی شده‌اند.
مقدمه:
در جلسه اول با مواد هوشمند و ویزگی‌های آنها آشنا شدیم. دو تعریف دیگر از این مواد عبارتست از:
تعریف ناسا از مواد هوشمند: «مواد هوشمند موادی هستند که موقعیت‌ها را به خاطر می‌سپارند و با محرک‌های مشخص می‌توانند به ان موقعیت بازگردند».
تعریف دایره‌المعارف فناوری‌های شیمیایی از مواد هوشمند:«مواد و شازه‌های هوشمند، اشیایی هستند که شرایط محیطی را حس کرده و با پردازش این اطلاعات حسی نسبت به محیط عمل می‌کنند».
در این جلسه انواع مواد هوشمند معرفی شده‌اند.

1- مواد هوشمند نوع اول
همان طور که در جلسه قبل نیز گفتیم، این دسته از مواد در پاسخ به محرک‌های محیط خارجی‌شان در یک یا چند خصوصیت خود مانند: شیمیایی، الکتریکی، مکانیکی، مغناطیسی و گرمایی، تغییر ایجاد می‌کنند. البته، یک سیستم کنترل خارجی مسبب این تغییرات نیست و خود ماده مستقیما این تغییرات را ایجاد می‌کند (به عنوان مثال تغییر رنگ عینک‌های فوتوکرومیک در برابر اشعه فرابنفش را در نظر بگیرید). در ادامه انواع مواد هوشمند نوع اول معرفی شده‌اند.

1-1- مواد کرومیک
محرک‌های محیط بیرونی باعث تغییر ساختار در این دسته از مواد هوشمند می‌گردد. تغییر ساختار تاثیر مستقیمی در تغییر خصوصیات نوری این مواد از قبیل ضریب جذب ، قابلیت بازتاب و شکست دارد. در نتیجه نهایتا در اثر محرک‌های محیطی، رنگ این مواد تغییر می‌کند.

بیشتر بدانید:
رنگ چیست؟
رنگ مواد تابعی از برهمکنش بین نور با آنها است. در صورتیکه ماده طول موج مشخصی را جذب کند، مشاهده کننده آن طول موج را در نور بازتاب شده مشاهده نمی‌کند. تنها طول موج‌های بازتابیده شده به چشم ما می‌رسند و همین شکل دهنده رنگ‌ها است.
به طور مثال رنگدانه کلروفیل در برگ، طول موج‌های آبی و قرمز را جذب می‌کند و طول موج سبز بازتابیده می‌شود و در نتیجه ما برگ را به رنگ سبز می‌بینیم

مواد کرومیک بر اساس عامل تغییر رنگ، خود به دسته‌های درج شده در جدول 1 تقسیم می‌شوند:

جدول1: انواع مواد کرومیک
filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820

مواد فوتوکرومیک
این مواد در برابر جذب انرژی تابشی، تغییری را در ساختار شیمیایی خود نشان می‌دهند و از ساختاری با میزان جذب مشخص به ساختاری متفاوت با میزان جذب متفاوت تبدیل می‌شوند. به بیان دیگر ساختار جدید، می‌تواند جذب نور را با شدت و یا در طول موجی متفاوت انجام دهد. مولکول‌های مورد استفاده در حالت غیرفعال، بی‌رنگ هستند و وقتی در معرض فوتون‌هایی با طول موج خاص قرار گیرند، برانگیخته شده و شرایط بازتاب آنها متفاوت می‌شود. با از میان رفتن منبع فرابنفش، مولکول به حالت اولیه برمی‌گردد.
شکل زیر نشان دهنده‌ی تغییر برگشت‌پذیر در ساختار نانوبلور دی آریل اتن در اثر تابش امواج فرابنفش است.

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل 1: تغییر ساختار نانوبلورهای دی آریل اتن در برابر اشعه فرابنفش

از مواد فوتوکرومیک می‌توان در عینک‌ها و یا شیشه‌های ساختمانی بسیار استفاده کرد.

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل 2: تغییر شفافیت شیشه فتوکرومیک نسبت به میزان نور دریافتی

 مواد ترموکرومیک
این مواد در نتیجه جذب گرما با تغییرات شیمیایی با تغییر فاز (تغییر آرایش بلوری) مواجه می‌شوند. تغییرات ایجاد شده برگشت‌ناپذیر است و با از بین رفتن عامل ایجاد کننده تغییرات دمایی این مواد به حالت اولیه باز می‌گردند.
دماسنج‌های نواری که با قرار گرفتن بر روی بدن تغییر رنگ می‌دهند بر همین اساس کار می‌کنند.

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
filereader.php?p1=main_e4da3b7fbbce2345d
شکل 3: صندلی‌های گرمایی از رنگ‌های ترموکرومیک استفاده می‌کنند که با دمای بدن تغییر رنگ می‌دهند و پس از مدتی به حالت ابتدایی برمی‌گردند.

filereader.php?p1=main_1679091c5a880faf6
شکل 4: تغییر ساختار نانوذرات نقره پوشیده شده با دودسیل تیول در برابرحرارت

 مواد مکاترونیک
مواد مکانوکرومیک با تغییرات فشار و یا تغییر شکل، خصوصیات بازتابی متفاوتی از خود نشان می‌دهند. از این مواد می‌توان برای تولید محصولاتی که تحت فشار و یا کشش خاص، متنی را که در آنها مخفی شده‌اند، نشان دهند، استفاده کرد. این مواد همچنین در نانوغشاها و نانوربات‌ها کاربرد دارند.

filereader.php?p1=main_8f14e45fceea167a5
شکل 5: تغییر ساختار یک ماده مکانوکرومیک در برابر کشش

 مواد کموکرومیک
در مواد کموکرومیک، تغییر ساختار در اثر حضور در محیطهای شیمیایی به خصوص اتفاق می‌افتد. به طور مثال کاغذ تورنسل در محیطهای اسیدی و بازی رنگ‌های متفاوتی از خود نشان می‌دهد.

filereader.php?p1=main_c9f0f895fb98ab915
شکل 6: تغییر رنگ کاغذ تورنسل در محیط اسیدی و بازی

مواد الکتروکرومیک
اصطلاح الکتروکرومیک، به طور گسترده به موادی اطلاق می‌شود که بر اثر قرار گرفتن در یک جریان و یا اختلاف پتانسیل الکتریکی، رنگ خود را به گونه‌ای بازگشت‌پذیر، تغییر می‌دهند. مثلا، پنجره‌های الکتروکرومیک به وسیله اعمال الکتریسیته، روشن یا تار می‌شوند. این مواد از یک جزء تشکیل نشده و معمولا به صورت چند لایه از مواد هستند که با یکدیگر کار می‌کنند.

filereader.php?p1=main_45c48cce2e2d7fbde
شکل 7: شماتیک عملکرد پنجره الکتروکرومیک

2- مواد هوشمند نوع دوم
همه اجسام – چه هوشمند و چه غیر هوشمند- 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 سطح انرژی متفاوتی نسبت به سطح انرژی محیط باشد در حالت غیرتعادلی قرار دارد و برای رسیدن به تعادل با محیط باید به نحوی انرژی اضافی خود را از دست بدهد و یا انرزی بیشتری از محیط جذب نماید. در مواد غیرهوشمند انرژی افزوده شده به ماده منجر به افزایش انرژی درونی ماده می‌گردد (اغلب به صورت گرما)، اما مواد هوشمند این قابلیت را دارند که انرژی ورودی را به حالت‌های مفیدتر انرژی تبدیل نمایند.
در ادامه به بررسی انواع مواد هوشمند نوع دوم می‌پردازیم.

2-1- مواد فتوولتائیک
این مواد در پاسخ به نورمرئی، جریان الکتریکی ایجاد می‌کنند. 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. به طور مثال نانوذرات دی اکسیدتیتانیم در حضور نور فرابنفش، جریان الکتریکی ایجاد می‌کنند.

2-2- مواد ترموالکتریک
این مواد در مقابل تغییرات دما توانایی تولید برق دارند. نانولوله‌های کربنی می‌توانند جزء این دسته از مواد هوشمند قرار بگیرند.

filereader.php?p1=main_d3d9446802a442597
شکل 8: تغییر ساختار یک ماده هوشمند بر اثر تغییر دما

2-3- مواد پیزوالکتریک
در مواد پیزوالکتریک یک نیروی مکانیکی موجب تغییر شکل ماده و تغییر شکل ماده منجر به تولید الکتریسیته می شود. همچنین به طور بالعکس اگر به این مواد انرژی الکتریکی وارد شود، تغییر شکل داده و انرژی مکانیکی تولید می‌کنند. مواد پیزواکتریک کاربردهای زیادی در میکروفون، بلندگو، فندک، چاقوی جراحی، حسگرها و ... دارند.

بیشتر بدانید:
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 پیکومتر تا حدود نانو است.


filereader.php?p1=main_6512bd43d9caa6e02
شکل 9: تبدیل انرژی در یک ماده پیزوالکتریک


منابـــع و مراجــــع

1. Encyclopedia of Smart Materials-Mel M. Schwartz. - Wiley

2. Smart Materials – IOM3 booklet