بررسی علمی مواد هوشمند؛ معرفی، طبقه‌بندی و کاربردها

ستاره | سرویس علوم - در گذشته، مواد هوشمند را، چون موادی که پاسخ‌هایی به‌ موقع به محیط می‌دهند، تعریف می‌کردند. اما اکنون تعریف مواد هوشمند بسط و گسترش یافته است. در تعریف امروزی، مواد هوشمند عبارتند از موادی که محرکی را دریافت، انتقال یا پردازش کرده و با ایجاد یک تأثیر مفید به آن واکنش نشان می‌دهند. واکنش مزبور ممکن است شامل علامتی باشد که نشان از فعالیت مواد روی آن است. پژوهش علمی این مطلب بر معرفی مواد هوشمند و طبقه‌بندی آن‌ها تمرکز کرده است. در اینجا کاربرد‌های مختلف مواد هوشمند از قلمرو‌های گوناگون مهندسی تا محیط کنونی به بحث گذاشته شده‌اند.

کلمات کلیدی مقاله: مواد هوشمند، محرک‌ها، فیزوالکتریک، محرک‌های خارجی

همگام با پیشرفت علم مواد، شمار فراوانی از مواد جدید، باکیفیت و مقرون به صرفه نیز در عرصه‌های گوناگون مهندسی پا به میدان گذاشتند. در قرن گذشته، مواد دارای خواص چندمنظوره شدند و ضرورت بهینه‌سازی ویژگی‌ها و خصایص مختلف آن‌ها به امری بدیهی تبدیل شد. همراه با آخرین تحولات، این مفهوم به مواد مرکب تمایل پیدا کرد. اخیرا نیز گام تکاملی بعدی با مفهوم مواد هوشمند مورد توجه قرار گرفته است. مواد هوشمند عبارتند از نسل جدید آن دسته از موادی که بر مصالح ساختمانی و مواد کاربردی متداول برتری یافته اند. این مواد، با هوش ذاتی خود، قابلیت انطباق با محرک‌های خارجی از قبیل بار‌ها یا محیط را دارا هستند.

مواد هوشمند چنین تعریف شده‌اند: موادی که می‌توانند خواص فیزیکی خود را در پاسخ به ورود مجموعه‌ای از محرک‌های خاص تغییر دهند. هر کدام از این مواد روشی مخصوص به خود را برای تغییرات احتمالی پیرو می‌کنند. محرک‌ها ممکن است فشار، دما، الکتریسیته و میدان مغناطیسی، مواد شیمیایی، فشار ایستابی یا اشعه‌های هسته‌ای باشند. خواص فیزیکی قابل تغییر وابسته شاید شکل، سختی، چسبناکی یا میرایی باشد. تاکاگی (۱۹۹۰) آن‌ها را، چون مواد هوشمندی که در بهینه‌ترین شرایط به تغییرات محیطی پاسخ می‌دهند و کارکرد‌های ویژه خود را مطابق با محیط مشخص می‌سازند، تعریف می‌کند.

هوشمند بودن، ویژگی‌های خودسازگاری، خودحسی، حافظه و چندکارگی مواد یا مصالح را شامل می‌شود. ویژگی‌های مزبور کاربرد‌های بی‌شماری را برای این مواد و مصالح در جو زمین، تولیدات، سیستم‌های زیربنایی، بیومکانیک و محیط زیست ممکن می‌سازد. ویژگی خودسازگاری مصالح هوشمند مزیت بسیار مفیدی است. این ویژگی، سازگاری موجود در مواد هوشمند را مانند شکل همبسته حافظه مورد استفاده قرار می‌دهد. مواد هوشمند به واسطه تغییر خواص خود می‌توانند عیوب و شکستگی‌ها را بیابند، بنابراین به عنوان ابزار شناسایی مفید واقع می‌شوند. برای دستیابی به مواد هوشمند موجود در ماده میزبان، می‌توان این ویژگی را به نحو مطلوبی جهت خنثی کردن عیوب به کار گرفت. این پدیده را اثر خودبازسازی می‌نامند.

تحت شرایطی کنترل شده و با استفاده از محرک‌های خارجی می‌توان این مواد دارای یک یا چند خاصیت را به طرز قابل توجهی تغییر داد. به همین جهت، این مواد از حسگرها، محرک‌ها و مکانیسم‌های کنترل طبیعی برخوردارند. آن‌ها با استفاده از این خصوصیات قادر به حس محرک خارجی، پاسخگویی به آن به روش و اندازه مشخص، در مدت زمانی کوتاه و مناسب و بازگشت به حالت اصلی خود در صورت دور شدن محرک هستند. انواع مختلفی از مواد هوشمند سودمند وجود دارند که در ادامه به بررسی تعدادی از آن‌ها می‌پردازیم.

مواد فیزوالکتریکی نمونه‌های بسیار معمول چنین موادی هستند. آن‌ها هنگام اعمال بار، ولتاژ را تولید می‌کنند. به جهت اینکه اثر مذکور به صورت معکوس هم به کار می‌رود، ولتاژ سرتاسر نمونه به تولید بار در داخل نمونه منجر می‌شود. پس ساختار‌های طراحی شده مناسب از این مواد را می‌توان ساخت که در هنگام اعمال ولتاژ خم، منبسط یا منقبض شوند. همچنین می‌توان آن‌ها را در وسایل ردیابی بصری، هد‌های مغناطیسی، چاپگر‌های ماتریس نقطه‌ای، کیبورد کامپیوترها، اسپیکر‌های استریو‌های پربسامد، شتاب‌سنج‌ها، میکروفون‌ها، حسگر‌های فشار، مبدل‌ها و آتش زنه‌های شعله‌های گازی مورد استفاده قرار داد.

مواد ترموریسپانسیو، چه آلیاژ‌های حافظه‌دار یا پلیمر‌های حافظه‌دار، می‌توانند در دما‌های مختلف اشکال متفاوتی داشته باشند. آن‌ها به واسطه گرما می‌توانند شکل اصلی خود را از دست داده و سپس بازیابند. در طول این مراحل آن‌ها یک نیروی محرک تولید می‌کنند. آلیاژ حافظه‌داری مانند نیتینول (آلیاژی مرکب از نیکل و تیتانیوم)، که مانند فولاد ضدزنگ، در برابر زنگ زدگی مقاوم هستند، به ویژه برای کاربرد‌های بیومکانیکی مفید واقع می‌شوند. با توجه به آن که اگر پلیمر حافظه‌دار تحت فشار گرما قرار گیرد، قادر به بازگشت به شکل اصلی خود است، پس این گونه مواد را می‌توان در ترموستات‌های قهوه‌جوش، قاب‌های فوق العاده عینک‌های آفتابی و استنت‌های رگ به کار گرفت. معمولاً این مواد در بخیه‌های جراحی تجزیه پذیر، که به صورت خودکار کشش صحیح را محکم می‌کنند، کاربرد دارند. این مواد همچنین در بدنه ماشین‌های خودتعمیر، که پس از تورفتگی‌های ناشی از ضربه شکل اصلی خود را تحت فشار گرمای خفیف بازمی‌یابند، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مواد محدودکننده مغناطیسی مانند فیزوالکتریک‌ها هستند، با این تفاوت که فقط به میدان‌های مغناطیسی واکنش نشان می‌دهند نه میدان‌های الکتریکی. از این رو، معمولاً آن‌ها را در مبدل‌های سونار فرکانس پایین قدرت بالا، موتور‌ها و محرک‌های هیدرولیکی مورد استفاده قرار می‌دهند. مواد محدود کننده مغناطیسی، همراه با نیتینول آلیاژ حافظه‌دار، به عنوان کاندید‌های امیدبخش دستیابی به مهار مولد لرزش مورد توجه هستند.

مواد حساس به درجه اسیدی آن دسته از موادی هستند که در نتیجه تغییر اسیدی، رنگ خود را تغییر می‌دهند. این مواد را می‌توان در نقاشی‌هایی که رنگ خود را برای اشاره به زنگ زدگی فلز زیرین خود تغییر می‌دهند، مورد استفاده قرار داد.

رنگ سیستم‌های کرموزومی در پاسخ به تغییرات الکتریکی، نوری یا حرارتی تغییر می‌کند. این دسته شامل مواد الکتروکرومیک هم می‌شود. آن‌ها رنگ یا درجه تاری (کدری) خود را هنگام کاربست ولتاژ تغییر می‌دهند. مثال بسیار معمول این نوع از مواد، نمایشگر‌های کریستالی مایع هستند. مواد فوتوکرومیک هم به همین ترتیب رنگ خود را در واکنش به نور تغییر می‌دهند. پس این مواد را می‌توان در عینک‌های حساس به نور به کار گرفت. اگر این عینک‌ها در معرض نور روشن خورشید قرار گیرند، تاریک‌تر می‌شوند. همچنین رنگ‌های خاصی مانند آرموکرومیک و فوتوکرومیک وجود دارند که به ترتیب در صورت اعمال حرارت یا قرار گرفتن در معرض نور، رنگ خود را تغییر می‌دهند.

ژل‌های پلیمری از قبیل: هیدروژل‌ها دارای ساختار پلیمری متصل شده هستند که توسط حلالی مانند آب متورم شده است. پس ژل در اثر تغییرات ناچیزی، مثلاً تغییری اندک در دما یا درجه اسیدی، قادر به منبسط یا منقبض شدن (تا ۱۰۰۰ برابر حجم اولیه) است.

مواد هوشمند را می‌توان در دو گروه مواد عامل یا غیرعامل طبقه بندی کرد. فیروزر (۱۹۸۸) مواد هوشمند عامل را به عنوان موادی که تحت کاربست میدان‌های الکتریکی، حرارتی یا مغناطیسی دارای قابلیت اصلاح هندسی یا خواص مادی هستند، تعریف می‌کند. بنابراین مواد هوشمند، یک ظرفیت ذاتی برای ذخیره انرژی دارند. مواد فیزوالکتریکی، آلیاژ‌های حافظه‌دار، مایعات ER و مواد مغناکشسانی در ردیف مواد هوشمند عامل قرار دارند. بنابراین، می‌توان از آن‌ها به عنوان مبدل‌ها و محرک‌های نیرو استفاده کرد. کومار (۱۹۹۱) نشان داد که آلیاژ حافظه‌دار از نیروی بازیافت فراوانی (حدود ۷۰۰ MPa یا ۱۰ به توان ۵ psi) برخوردار است، که می‌توان از آن برای تحریک استفاده کرد. مواد فیزوالکتریکی، که انرژی الکتریکی را به نیروی مکانیکی تبدیل می‌کنند، نیز از مواد عامل هستند.

از سوی دیگر موادی که عامل نیستند به عنوان مواد هوشمند غیرعامل نام‌گذاری شده‌اند. هرچند این مواد نیز هوشمند هستند، اما قابلیت ذاتی تبدیل انرژی را ندارند. ماده فیبر نوری نمونه خوبی از مواد هوشمند غیرعامل محسوب می‌شود. چنین موادی می‌توانند به عنوان حسگر عمل کنند، اما نمی‌توانند نقش محرک یا مبدل را داشته باشند.

مواد هوشمند به دلیل واکنش‌های گوناگون خود نسبت به محرک‌های خارجی، کاربرد‌های متنوعی در حوزه‌های مختلف علمی دارند. برخی از قلمرو‌های مختلف کاربرد آن‌ها عبارتند از: زندگی روزمره، جو زمین، کاربرد‌های مهندسی عمران و مکاترونیک. حوزه کاربرد مواد هوشمند شامل حل مشکلات مهندسی با بازده ناکافی و فرصت آفرینی برای خلق محصولات جدید درآمدساز می‌شود. ویژگی مهم مواد و مصالح هوشمند این است که تمام حوزه‌های علمی و مهندسی را در بر می‌گیرند. تا جایی که به کاربرد‌های فنی مواد هوشمند مربوط می‌شود شامل مواد مرکب مندرج در فیبر نوری، محرک‌ها، حسگرها، سیستم‌های مکانیکی و میکروالکتریکی، کنترل شکل، سلامت محصول یا نظارت بر طول عمر، نظارت بر درمان، پردازش هوشمند، کنترل‌های فعال و غیرفعال، خودتعمیری، اعضای مصنوعی، ابزار‌های نشانگر جدید، آهن ربا‌های طراحی شده، استحکام ثبات ایروالستیک (وابسته به کشسانی) و توزیعات بار می‌شوند. ساختار‌های هوشمند را می‌توان در خودروها، سیستم‌های فضایی، هواپیما‌های بالگرد و برجابال، کشتی‌های دریایی، سازه‌ها، قطعات ماشینی و وسایل احیا و پزشکی به کار گرفت.

به طور معمول نوع "هوشمندی" این مواد توسط ترکیب مواد، پردازش‌های خاص، معرفی عیوب یا اصلاح ریزساختار برنامه‌ریزی می‌شود. این برنامه‌ریزی به نحوی انجام می‌شود که در شرایط کنترل شده بتواند خود را با رده‌های مختلف محرک‌ها وفق بدهد. همانند مصالح هوشمند، کاربرد اصطلاحات هوشمند و باهوش برای مواد هوشمند مفهوم یکسانی را می‌رساند. تاکاگی (۱۹۹۰) مواد هوشمند را چنین تعریف می‌کند؛ موادی که در بهینه‌ترین شرایط به تغییرات محیطی پاسخ داده و کارایی‌های خود را مطابق با محیط تعیین می‌کنند.

سیستم‌های هوشمند محیط پیرامونی خود را نیز حس کرده و به آن پاسخ می‌دهند، اما از یک ماده خاص تشکیل نشده‌اند. آن‌ها ممکن است با مواد هوشمند ترکیب شوند، اما می‌توان آن‌ها را با استفاده از فناوری سنتی هم ساخت. دستگاه‌های تنظیم کننده ضربان قلب نوعی سیستم هوشمند هستند که از ضربان الکتریکی برای تنظیم ضربان نامنظم قلب استفاده می کنند. محققان گزارش دادند که سیستم هوشمند بر ابزاری دلالت دارد که قادر به حس تغییرات محیط خود بوده و با تغییر دادن خواص مادی، هندسی، مکانیکی یا الکترومغناطیسی خود واکنشی بهینه به آن نشان می‌دهد.

مواد و سیستم‌های هوشمند دارای گستره وسیعی از کاربرد‌ها هستند. سرمایه گذاری در زمینه‌های تحقیقی و توسعه توسط فاکتور‌هایی از قبیل قانون‌گذاری، کاهش زباله و تقاضای کیفیت بالاتر زندگی تعیین می‌شوند.

باید طراحی سازه‌هایی مانند ساختمان‌ها، پل‌ها، خطوط لوله، کشتی‌ها و هواپیما‌ها را دقیق و مقاوم انجام داد و به طور منظم آن‌ها را بازرسی کرد تا از خسارت و آسیب دیدگی ناشی از عیب‌های فاجعه‌بار جلوگیری شود. بازرسی امری هزینه بردار و وقت گیری است، در حالی که برنامه ریزی برای جلوگیری از آسیب، یک کار منطقی‌تر است. آسیب، در مورد تعدادی از مواد مدرن، می‌تواند از لحاظ داخلی جدی باشد، در حالی که نشانه‌های سطحی بسیار ناچیزی را به جا می‌گذارد.

حسگر‌هایی که برای نظارت بر بار و آسیب در سازه‌ها مندرج شده‌اند، می‌توانند هزینه‌های نگهداری را کاهش و طول عمر را افزایش دهند. این حسگر‌ها تاکنون در بیش از چهل پل در سراسر جهان مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

یکی از روش‌های توسعه شامل درج لوله‌های باریک حامل رزین‌های ناخوشایند به درون مواد است. وقتی آسیبی واقع شود این لوله‌ها شکسته شده و رزین را که هر آسیبی پر می‌کنند، ظاهر می‌سازند. خودتعمیری در محیط های دوردستی مانند عمق دریا‌ها یا فضا می‌تواند مفید باشد.

مواد هوشمند برای فرونشاندن لرزش و تغییر شکل تیغه‌های روتور هلیکوپتر تولید شده‌اند. وسایل آلیاژ حافظه دار نیز تولید شده‌اند. آن‌ها قابلیت دستیابی به توان شکستن سریع امواج گردبادی زیردریایی‌ها را دارند. همچنین سطوح کنترل انطباقی مختلف نیز برای بال‌های هواپیما تولید شده‌اند.

فناوری هوشمند فرصت‌های جدیدی را برای افزایش ایمنی، کاهش ارائه شخصی، کاهش هزینه های چرخه حیات و بهبود اجرا در بخش صنعت هستهای ارائه می‌دهد. به هر حال محیط‌های تشعشعات مربوط به عملیات‌های هسته‌ای فرآیند آزمایش، صلاحیت و استفاده از مواد هوشمند را با چالشی جدی رو به رو می‌کند. در هر صورت، استفاده از چنین مواد هوشمندی در تسهیلات هسته‌ای به دانش درباره واکنش مواد در برابر پرتوافکنی و چگونگی تأثیرپذیری این واکنش‌ها از مقدار اشعه نیاز دارد.

مواد هوشمند در قلمرو مهندسی عمران نیز کارکرد‌های مفیدی دارند. آن‌ها در نظارت بر سازه‌های عمرانی و ارزیابی دوام آن‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. نه اینکه مواد و مصالح هوشمند منحصر به قوه حس باشند، بلکه آن‌ها با محیط پیرامونی خود از قبیل قابلیت حرکت، لرزش و نمایش واکنش‌های متنوع دیگر منطبق می‌شوند. کاربرد‌های چنین مواد انطباقی شامل ظرفیت کنترل فرم‌های ایرو الاستیک بال‌های هواپیما جهت کاهش فشار و بهبود بهره‌وری عملیاتی و کنترل لرزش مصالح سبک وزن ماهواره‌ها می‌شود. مصالح هوشمندی برای ایجاد انسجام در نظارت ساختاری هواپیما و سازه‌های فضایی نیز تولید شده‌اند. همچنین تحقیقات درباره مواد فیزوالکتریکی خاصی برای کاهش سر و صدای تهویه کننده هوا شروع شده است. علاوه بر این، مواد مزبور در مهندسی عمران برای نظارت بر عدم وجود نقص در پل‌ها، سدها، ساختمان‌های دریایی حفاری نفت، که حسگر‌های فیبر نوری مندرج در مصالح برای تعیین حوزه‌های مشکل استفاده می‌شود،‌ کاربرد دارند.

تحقیقات هنوز در حوزه بیومدیکال و تشخیصات پزشکی در حال انجام هستند. مواد خاصی مانند ژل‌های پلی الکترولیت به منظور کاربرد‌های مفصل مصنوعی، جایی که ماتریکس پلیمر متورم شده با یک حلال که در هنگام قرار گرفتن در معرض میدان الکتریکی یا دیگر محرک‌ها می‌تواند منبسط و منقبض شوند، مورد آزمایش قرار گرفته اند. به علاوه، به دلیل تجزیه زیستی این مواد، ممکن است به عنوان سیستم تحویل دارو نیز مفید واقع شوند.

زباله‌های الکترونیکی در سراسر جهان سریع‌ترین مولفه‌های رشد زباله محلی هستند. در جریان دسترسی و جداسازی چنین زباله‌هایی، نخست باید مواد خطرناک و قابل بازیافت جدا شوند. جداسازی دستی ملزم صرف هزینه و زمان بسیار است، اما استفاده از مواد هوشمند می‌تواند به خودکارسازی این فرآیند کمک کند. اخیراً گیره‌های ساخته شده از مواد حافظه‌دار مورد استفاده قرار می‌گیرند. این مواد می‌توانند در برابر حرارت خود را آزاد سازند. وقتی که گیره‌ها آزاد شدند، می‌شود به سادگی اجزا را از طریق تکان دادن محصول جدا کرد. همچنین می‌توان محصولات را با استفاده از گیره‌هایی که نسبت به دما‌های مختلف واکنش نشان می‌دهند، به صورت سلسله مراتبی و طوری که بتوان مواد را به طور خودکار انبار کرد، جدا نمود.

مواد غذایی بیشترین زباله را در میان دیگر تولید کننده‌های زباله به خود اختصاص داده‌اند. اکثر مواد غذایی مصرفی، به سبب تاریخ انقضای آن‌ها، بدون اینکه مصرف شوند، دور ریخته می‌شوند. این تاریخ‌ها تخمین‌هایی محافظه‌کارانه هستند و ممکن است طول عمر محصول بیشتر هم باشد. در حال حاضر تولیدکنندگان به دنبال روش‌هایی هستند تا با استفاده از مواد هوشمند در بسته‌بندی مواد غذایی بتوانند طول عمر محصولات را افزایش دهند. همانطور که غذا تازگی خود را از دست می‌دهد، واکنش‌های شیمیایی در داخل بسته‌بندی‌ها اتفاق افتاده و باکتری‌ها به وجود می‌آیند. امروزه برچسب‌های هوشمند تولید شده‌اند و می‌توانند با تغییر رنگ خود افزایش میزان مواد شیمیایی و باکتری داخل مواد غذایی را نمایش دهند. دمای نگهداری تأثیر بسیار بیشتری نسبت به تخریب محصولات دارد. تعدادی از شرکت‌ها "نشانگر‌های زمانی – دمایی" را تولید کرده اند. آن‌ها می توانند با گذر زمان رنگ خود را همگام با سرعت وابسته به دما تغییر دهند.

بیوسنسور‌های ساخته شده از مواد هوشمند می‌توانند به منظور نظارت بر میزان قند خون افراد دیابتی و ارتباط با تلمبه‌ای که انسولین را به مقدار مورد نیاز تقسیم می‌کند، مورد استفاده قرار گیرند. در هر صورت، بدن انسان محیط خصومت آمیزی است و حسگر‌ها به سادگی آسیب می-بینند. پس شماری از پژوهش‌ها به محافظت از این حسگر‌ها اختصاص یافته‌اند.
امروزه شرکت‌های مختلف سرگرم تولید مواد کاشت بدنی از قبیل: پلیت های شکستگی هستند. این‌ها می‌توانند حس کنند که آیا استخوان ها در حال درمان هستند یا نه و داده‌ها را به جراح منتقل می‌کنند. میزان اندک آزمایشات کلینیکی چنین کاشته‌ایی موفقیت آمیز بوده و در پنج سال آینده در دسترس عموم قرار خواهند گرفت. دیگر وسایل محتمل شامل مفصل‌های جانشین می‌شوند. این مفاصل شل شدگی خود و همچنین وجود هرگونه عفونتی را گزارش می‌دهند. فناوری موجود کنونی پاسخ‌های این وسایل را به انتقال داده محدود می‌کند، اما در آینده به واسطه خودسنجی یا انتی بیوتیک‌های آزاد شده خواهند توانست به صورت مستقیم پاسخگو باشند. این پدیده می‌تواند موجب تقلیل نیاز به جراحی تهاجمی شود.

امروزه در تمام نقاط جهان جمعیت افراد سالخورده بالای ۶۰ سال بیشتر از کودکان است؛ بنابراین بازار جدیدی برای محصولاتی که زندگی را برای افراد مسن آسان‌تر می‌کنند، شکل گرفته است. برای مثال، مواد حافظه‌دار را می‌توان در بسته‌بندی مواد غذایی که در اثر حرارت به صورت خودکار برای افراد دارای آرتروز باز می‌شوند، مورد استفاده قرار داد. پژوهشگران خانه‌های هوشمندی را که از حسگر‌ها جهت نظارت بر رفتار و کسب اطمینان از ایمنی ساکنان استفاده می‌کنند، برای افراد دارای زوال عقل ساخته‌اند.

فناوری مواد هوشمند در ذات خود یک حوزه به شدت میان رشته‌ای است. این فناوری از حوزه علوم پایه از قبیل فیزیک، شیمی، مکانیک، کامپیوتر و الکترونیک شروع شده و علوم عملی و مهندسی از قبیل هوانوردی و مهندسی مکانیک را پوشش می‌دهد. اگرچه علم مواد هوشمند به سرعت در حال گسترش است، ولی این امر شاید پیشرفت آهسته کاربرد مصالح هوشمند در سیستم‌های مهندسی را تشریح کند. امروزه، بهینه‌ترین فناوری‌های بهره‌وری طول عمر و قابلیت اطمینان بهبود یافته شامل استفاده از مواد و مصالح هوشمند می‌شوند. درک و کنترل ترکیب و ریزساختار هر ماده جدیدی موضوع اصلی هر تحقیقی در این زمینه را تشکیل می‌دهد و برای تولید مواد هوشمند مفید ضروری است.

برگرفته از: ژورنال علوم کاربردی آمریکا