مواد هوشمند

هواپیماهای هوشمند، خانه‌های باهوش، بافتهای حافظه‌دار شکلی، میکرو ماشینها، 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 تکنولوژیک قرن 21 را برآورده سازند.

شکل 1: تصور ناسا از یک هواپیماهای هوشمند که می‌تواند
با تغییر شکل در شرایط مختلف به صورت بهینه عمل کند

ناسا بر روی رهبری اولین تغییرات در زمینه پرواز ماوراء صوت توسط مواد هوشمند حساب ویژه‌ای باز کرده است. وزارت دفاع آمریکا مواد هوشمند را در سناریویی به نام "سربازهای آینده" تاثیر به سزایی داده است و از ابزارهای هوشمند تا لباسهایی شبیه به 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.

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 دایره المعارف تکنولوژیهای 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 که 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 تکنولوژیهای 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 بلا درنگ (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.
• گزینش پذیری: 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.

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:
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:

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.

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 فتو ولتائیک (قدرت‌زای نوری): این مواد در پاسخ به محرک نور مرئی جریان الکتریکی ایجاد می‌کنند.
• مواد ترمو الکتریک (دما برقی): این مواد نیز در مقابل تغییرات دما توانایی تولید برق را دارند.