شناخت بیشترمواد هوشمند(1)

فرض کنید فرآیندهای فرسایش را بتوان عملاً متوقف کرد به طوری که بشود عمل تعمیر و رنگهداری پل ها و راه های آهن را با کسری از هزینه های فعلی انجام داد. فرض کنید رنگ های محافظ بتوانند چنان با پارچه لباس در آمیزند که در اثر ریختن مثلاً سوپ روی آن ها مجبور به بردن آن ها به خشک شویی نباشیم. فرض کنید شیشه های اتومبیل بتوانند به طور خودکار بازتاب های شان را چنان تنظیم کنند که در دمای بسیار بالای بعد از ظهر داغ تابستان، در حالی که اتومبیل زیر آفتاب متوقف است، دمایش پایین بماند، فرض کنید جرخوردگی در یک پارچه یا پنچری چرخ، خودش به طور خودکار بتواند ترمیم شود. و تصور کنید که شیشه های جلوی اتومبیل مرطوب نمی شدند به طوری که هرگز روی آن ها یخ تشکیل نشود و باران نتواند مانع دید شود. فرض کنید کاشی های حمام و ملافه های بیمارستانی تولید شوند که خود به خود تمیز شوند و هر گونه باکتری یا ویروس روی آن ها از بین بروند. همه اینها به یاری کاربرد مواد هوشمند امکان پذیرند و اکنون برخی از آن ها هم به تحقق پیوسته اند.

آنچه ماده ای را «هوشمند» می کند آن است که در طراحی اش توانایی چند کار خاص در نظر گرفته می شود. در فناوری نانو این طراحی در سطح ملکولی انجام می شود. عملکرد مواد هوشمند می تواند استانیکی یا دینامیکی باشد، یعنی پاره ای از آن ها همواره به یک سان رفتار می کنند و پاره ای دیگر با محرک های بیرونی واکنش می دهند و خواص خود را به طور فعالی تغییر می دهند. مثلاً تفلون یک ماده هوشمند است زیرا کار مهندسی روی آن انجام می شود که هیچ گونه چسبندگی نداشته باشد و یک ماده هوشمند استانیکی است زیرا چنان طراحی نشده اند که با نیروهای خارجی واکنش دهد. امّا جنگنده های ضد رادار را با ماده بسیار هوشمند دینامیکی می پوشانند که رنگش را تغییر می دهد و برنامه الکترومغناطیسی در پاسخ به شرایط خارجی و دستورالعمل های راهنما، حدّ نهایت استتار را فراهم می آورد. طراحی مواد هوشمند چالش تکنیکی عمده و فرصت اقتصادی در خور توجهی برای فناوری نانو به شمار می آید.

تقریباً همه ساختارهای بیولوژیکی (زیستی) مواد هوشمندند. یک نمونه چشم گیر در این مورد پوست آدمی است. پوست نسبت به مواد خاصّی مثل آب و یون های محلول تراواست. پوست نسبت به گرما، تماس، و صوت به مثابه حسگر عمل می کند. پوست خود ترمیم است و پوست به عنوان سدّ و مانعی در برابر هوای خارجی و سیّالات بیولوژیکی داخل نیز عمل می کند. پوست یک ماده هوشمند دینامیکی چند مولفه ای است که پاره ای از جنبه هایی را بروز می دهد که فناوری نانو تلاش می کند آن را در چارچوب ساختارهای ترکیبی طراحی کند.

تاریخچه مواد هوشمند

سابقه تاریخی مواد هوشمند به 300 سال قبل از میلاد و دوران کیمیاگری بازمی گردد. اگرچه در آن زمان توانایی تولید طلا وجود نداشت، اما فعالیت هایی برای تغییر رنگ و خصوصیات فلزهای مختلف انجام می شد که می توان بعضی از مواد مورد استفاده آنها برای ایجاد چنین تغییراتی را از مواد هوشمند به شمار آورد. عبارت مواد هوشمند اکثر اوقات بدون تعریف دقیقی از آنچه مورد نظر محققان است و همچنین بدون در نظر گرفتن کاربرد این مواد به کار گرفته می شود از سوی دیگر ارائه تعریف دقیق از آنچه به عنوان مواد هوشمند معرفی می شود، اغلب با مشکلات بسیار زیادی همراه خواهد بود. اگر چه از این عبارت به صورت گسترده درخصوص بسیاری از مواد که از ویژگی های متفاوتی در مقایسه با نسل گذشته مواد برخوردار هستند، استفاده می شود اما موافقت کلی در ارائه تعریف دقیقی از این واژه وجود ندارد. مواد هوشمند موادی هستند که موقعیت ها را به خاطر می سپارند و با محرک های مشخص می توانند به آن موقعیت بازگردند. به عبارت دیگر می توان گفت مواد و سازه های هوشمند، اشیایی هستند که شرایط محیطی را حس می کنند و با پردازش اطلاعات به دست آمده نسبت به محیط واکنش نشان می دهند. در تعریف اول وقتی از مواد صحبت می کنیم مجموعه ای از عناصر، آلیاژ ها و ترکیب ها در ذهن تداعی می شود که توسط ساختار مولکولی منحصر به فرد خود قابل شناسایی و اندازه گیری هستند. اما در تعریف دوم مواد به صورت مجموعه ای از فعالیت ها در نظر گرفته می شوند، یعنی با مجموعه ای از مواد و سیستم های مرتبط با آنها مواجه هستیم که قابلیت شناسایی و اندازه گیری در آنها کمتر خود را نشان می دهد.در مواد هوشمند این مواد، همزمان با تاثیر محرک بیرونی شاهد پاسخ دهی به آن هستیم. در اکثر موارد این مواد از توانایی پاسخ به بیش از یک شرایط محیطی برخوردار هستند و پاسخ آنها قابل پیش بینی است.

مواد هوشمند وفناوری نانو

اگر بتوان آرایش اتمی مواد آلی و معدنی را در حد نانومتر به طور دقیق تعریف نمود، در آن صورت ساخت مواد هوشمند که می تواند بسیاری از فناوری ها از جمله ارتباطات بین سیستمی را متحول نماید، امکان پذیر می شود. کنترل ابعاد مواد در حد نانومتر، پردازش اطلاعات و انتقال انرژی در ابعاد نانو را امکان پذیر می سازد.

قابلیت طراحی در مقیاس نانو برای مواد خیلی غنی تر و هوشمندتراست از ترکیبات بزرگ مقیاس می باشد. قابلیت کار در مقیاس نانویی، یعنی «سطح نهایی ظرافت» ما را به ایجاد موادی هوشمند با خواص بهتر وکارایی بیشتر از خواص مواد بزرگ مقیاس توانا می کند، حتی فرایندهای زیستی در ساختن مواد هوشمند را فراهم می آورد. واضح است که مواد هوشمند از طیف بسیار گسترده ساختارها و فعالیت ها تشکیل می شوند و بسیاری از آن ها در کانون توجه اساسی قرار دارند. به برخی از آن ها نگاهی می اندازیم.

اکنون شیمیدان ها در تلاش برای ایجاد ساختارهای بزرگ از زیرساختارهای کوچک تر هستند و دیگر متخصصان نیز تهیه و ساخت نیمی رساناها در مقیاس نانو را مورد بررسی و مطالعه قرار داده اند. پیشرفت های اولیه در برقراری ارتباطات به میزان دسترسی به مواد وابسته بوده است. به همین دلیل پیش از این در سیستم های تلگرافی مواد ساده ای مانند آهن برای تولید میدان مغناطیسی، مس برای هدایت الکتریکی و شیشه یا فیبرهای طبیعی برای عایق بندی مورد استفاده قرار می گرفت. اما تهیه مواد الکترونیکی مانند ژرمانیوم و سیلیسیم ارتباطات را متحول ساخت. به طوری که اکنون می توانیم با افرادی که در نقاط مختلف کره زمین زندگی می کنند به آسانی صحبت کنیم و یا اتفاقات به وجود آمده در آن نقاط را به صورت همزمان مشاهده کنیم و یا حتی اسناد و مدارک بسیاری را در مدت زمانی کوتاه به تمام نقاط دنیا انتقال دهیم. این مواد توانایی ما را در دریافت، پردازش، ذخیره و انتقال اطلاعات توسعه داده اند و هر روز بر میزان تحقیقات در این زمینه افزوده می شود.

در طول 50 سال گذشته گستره ای از مواد که نسبت به محرک های فیزیکی و شیمیایی عکس العمل نشان می دهند ساخته شده اند که توانایی ما را در درک و بررسی شرایط محیطی افزایش داده اند و با استفاده از این اطلاعات کمی و کیفی می توانیم درجه حرارت، رطوبت، ترکیبات شیمیای هوایی که تنفس می کنیم و یا آبی که می نوشیم را مورد بررسی و ارزیابی قرار دهیم.

     ادامه دارد...

منبع: designinsite *smart-material*newdesign*nano*nanoclub

کتاب نانو فناوری-مارک ودانیل راتنر-هوشنگ گودرزی