مواد هوشمند نوع اول

[Asghar2000]

مواد کروميک
يکي از جالبترين دسته‌هاي مواد هوشمند که بسيار هم مورد توجه قرار مي‌گيرد مواد با قابليت تغيير رنگ نام دارد. اين مواد را مي‌توان در دسته‌هاي زير تقسيم بندي کرد:

نام ماده ------------ عامل تغيير رنگ
فوتوکروميک ------------ تغيير نور
ترموکروميک ------------ تغيير دما
مکانوکروميک ------ فشار يا تغيير شکل
کموکروميک ----- شرايط شيميايي خاص
الکتروکروميک -------- تغيير ولتاژ

جدول 1: انواع مواد کروميک

نکته‌اي که بايد در اي زمينه دقت کنيم اين است که در واقع تغيير رنگي که از آن نام مي‌بريم در واقع تغيير خصوصيات نوري اين مواد مانند ضريب جذب، قابليت بازتاب و يا شکست است. در واقع چيزي که ما از رنگ مي‌دانيم به منبع نور و طبيعت چشممان مربوط است و اين تغيير رنگ در اثر يک تغيير ساختار در اين مواد است. در ادامه کمي بيشتر با اين مواد آشنا مي‌شويم:
• مواد فتوکروميک: اين مواد در برابر جذب انرژي تابشي تغيير در ساختار شيميايي‌شان ايجاد مي‌شود و از ساختاري با يک ميزان جذب مشخص به ساختاري متفاوت با ميزان جذب متفاوتي تبديل مي‌شوند. مولکولهاي مورد استفاده در حالت غيرفعال بي‌رنگ هستند و وقتي در معرض فوتونهاي با طول موج خاص قرار گيرند به صورت برانگيخته در مي‌آيند و شرايط بازتاب آنها متفاوت مي‌شود. با از ميان رفتن منبع ماوراء بنفش مولکول به حالت اوليه بر مي‌گردد. براي نمونه تغيير ساختار يک ماده فوتوکروميک در شکل 1 نشان داده شده است. کاربرد اصلي مواد فتوکروميک در عينکها و همچنين پنجره برخي از ساختمانهاست.

شکل1: تغيير ساختار يک ماده فتوکروميک در برابر اشعه ماوراء بنفش

• مواد ترموکروميک: اين مواد گرما را جذب کرده و تغييرات شيميايي و يا تغيير فاز مي‌دهند. نکته مهم اين است که اين تغييرات بازگشت‌پذيرند و با تغييرات دما دچار اين تغييرات مي‌شوند. شايد به دماسنجهايي نواري برخورد کرده باشيد. در اصطلاح علمي به آنها ترمومتر گفته مي‌شود که با گذاشتن آن بر روي بدن تغيير رنگ داده و عدد دماي بدن را نمايش مي‌دهد و با برداشتن آن از روي بدن به حالت عادي بر مي‌گردد. شکل 2 نيز نمونه ديگري از اين مواد است.

شکل 2: صندليهاي گرمايي از رنگهاي ترموکروميک استفاده مي‌کنند که با
دماي بدن تغيير رنگ مي‌دهند و پس از مدتي به حالت ابتدايي بر مي‌گردند.

• مواد مکانوکروميک و کموکروميک: در مورد اين دو نوع مواد دو مثال جالب وجود دارد. مواد مکانوکروميک با تغييرات فشار و يا تغيير شکل خصوصيات بازتابي متفاوتي از خود نشان مي‌دهند و محصولاتي از آنها توليد شده است که تحت فشار و يا کشش خاص متني که در آنها مخفي شده نشان داده مي‌شود. در مورد مواد کموکروميک هم حتما با نام کاغذهاي تورنسل آشنا هستيد که در محيطهاي بازي و اسيدي رنگهاي متفاوتي از خود نشان مي‌دهند (شکل 3).

شکل 3: کاغذ تورنسل در محيطهاي اسيدي و بازي

• مواد الکتروکروميک: الکتروکروميک به طور گسترده‌اي به موادي گفته مي‌شود که در اثر قرار گرفتن در يک جريان و يا اختلاف پتانسيل الکتريکي رنگ آنها به طور بازگشت‌پذير تغيير کند. به عنوان مثال پنجره‌هاي الکتروکروميک به وسيله الکتريسيته روشن يا تار مي‌شوند. اين مواد از يک جزء تشکيل نشده‌اند و معمولا به صورت چند لايه از مواد هستند که با يکديگر کار مي‌کنند. در شکل 4 شماتيک نحوه عملکرد اين نوع مواد نشان داده شده است که فکر مي‌کنيم خود شکل تقريبا گوياست.

شکل 4: نحوه عملکرد يک شيشه الکتروکروميک

مواد با حافظه شکلي
يکي از معروفترون آلياژهاي با حافظه شکلي ماده‌اي به نام نيتينول است که از آن به صورت سيمي استفاده مي‌شود. در نگاه اول اين سيمها همانند سيمهاي معمولي به نظر مي‌آيند که به راحتي تغيير شکل مي‌دهند و رساناي الکتريسيته نيز هستند؛ اما در مقايسه با سيمهاي معمولي فولادي و مسي بسيار گرانتر هستند. دو مشخصه در اين سيمها وجود دارد که آنها را از ساير سمها متفاوت مي‌کند:
1- اين سيمها حافظه دارند. به عنوان مثال مي‌توان آنها را به هر شکلي در آورد و سپس با گرم کردن آنها تا دماي بالاي 90 درجه سانتيگراد به حالت اوليه‌شان برگرداند (شکل 5).

شکل 5: نمايي از پيدا کردن شکل اوليه سيمهاي با حافظه شکلي به وسيله گرم کردن

2- اين نکته که شايد جالب‌تر هم باشد اين است که مي‌توان اين سيمها را برنامه‌ريزي کرد تا شکل خاصي را به خاطر بسپارند! اين کار به اين صورت انجام مي‌شود که شکل دلخواهمان را به سيم مي‌دهيم و سپس سيم را به مدت تقريبي 5 دقيقه با دماي 150 درجه سانتيگراد گرما مي‌دهيم يا جريان الکتريسيته را از آن عبور مي‌دهيم. حالا مي‌توانيم سيم را به هر شکل ديگري درآوريم و براي برگشت آن به شکل اوليه کافي است آن را در آب داغ بيندازيم (شکل 6).

شکل 6: برنامه‌ريزي سيمهاي با حافظه شکلي

دسته ديگري از مواد با حافظه شکلي سيمهاي ماهيچه‌اي هستند که از آلياژهاي نيکل و تيتانيوم ساخته شده‌اند و در دماي اتاق به راحتي مي‌توان آنها را تغيير شکل داد. نکته‌اي که اين مواد را جذاب مي‌کند اين است که با عبور جريان الکتريسيته با نيروي خوبي (که مي‌توان از آن استفاده کرد) به شکل اوليه خود برمي‌گردند. اگر بخواهيد دقيقتر بدانيد بايد بگوييم که اين سيمها اگر تا 8 درصد اندازه اوليه‌شان کشيده شوند بازهم مي‌توانند به حالت اوليه باز گردند اما استفاده‌هايي که از آنها مي‌شود تغيير طولهاي در حدود 3 تا 5 درصد طول اوليه است. در شکلهاي زير کاربردهايي از اين مواد را مي‌بينيد.

شکل 7: ترکيب يک سيم ماهيچه‌اي، يک وزنه، يک باتري و کليدي که جريان را قطع و وصل مي‌کند

شکل 8: سيمهاي هوشمند به کمک يک برد الکترونيکي مي‌توانند باز و بسته شدن يک دست را نشان دهند.

شکل 9: استفاده از سيمهاي ماهيچه‌اي براي باز و بسته کردن مسيرها

مبحث ماهيچه‌هاي مصنوعي مبحث بسيار جالبي است. پروفسور محسن شاهين‌پور از اساتيد برجسته در اين زمينه هستند که چندي پيش سميناري را در دانشگاه اميرکبير در اين زمينه برگزار کردند.