تحقیق در مورد مواد هوشمند و کاربردشان

با هم نگاهی به دنیای جالب مواد هوشمند بیندازیم!

مواد هوشمند، گروهی از مواد هستند که می‌توانند مانند یک موجود زنده به تغییرات محیط اطرافشان واکنش نشان دهند. آن‌ها گویی حس دارند و می‌توانند با توجه به شرایط، شکل، رنگ، اندازه یا حتی استحکام خود را تغییر دهند.

این مواد کاربردهای شگفت‌انگیزی در زندگی ما دارند. مثلاً در ساخت پنجره‌های هوشمند به کار می‌روند که با تغییر نور خورشید، تیره یا روشن می‌شوند. در پزشکی برای ساخت داروهایی استفاده می‌شوند که دارو را دقیقاً در نقطه مورد نیاز بدن آزاد می‌کنند. حتی در ساخت لباس‌هایی کاربرد دارند که با تغییر دما، گرم یا خنک می‌شوند.

این فناوری جدید، در حال تغییر دادن بسیاری از صنایع و ساختن زندگی راحت‌تر برای ماست.

مواد هوشمند، موادی هستند که می‌توانند نسبت به تغییرات محیط اطراف خود واکنش نشان دهند و در فناوری‌های نوین، استفاده‌های زیادی دارند.
در این پژوهش به این سوالات پاسخ داده می‌شود: مواد هوشمند چه هستند؟ انواع آن‌ها کدام است و در چه زمینه‌هایی به کار می‌روند؟

مواد هوشمند چیست؟

مواد هوشمند، نوعی از مواد پیشرفته و خاص هستند که می‌توانند خودشان را با شرایط محیطی وفق دهند.
این مواد دارای حسگرها و محرک‌هایی هستند که باعث می‌شوند در برابر تغییرات محیط، واکنش نشان دهند.
به بیان ساده‌تر، این مواد قادرند محیط اطراف را درک کنند و نسبت به آن عکس‌العمل نشان دهند. این واکنش ممکن است به صورت تغییر رنگ، تغییر شکل، تغییر حالت یا حتی تغییر انرژی درونی ماده باشد. این تغییرات تحت تأثیر محیط اتفاق می‌افتند و معمولاً قابل بازگشت هستند.
برخی از این مواد حتی می‌توانند آسیب‌های داخلی خود را ترمیم کنند و مشکلات ساختاریشان را برطرف نمایند.
عوامل اصلی که باعث واکنش مواد هوشمند می‌شوند عبارتند از: فشار، نور، دما، پرتو فرابنفش، میدان الکتریکی، میدان مغناطیسی و تغییرات شیمیایی محیط.

انواع مواد هوشمند

به طور کلی، مواد به سه دسته اصلی تقسیم می‌شوند: مواد غیرهوشمند، مواد هوشمند و مواد نیمه‌هوشمند.

مواد غیرهوشمند در برابر تغییرات محیط اطراف خود، هیچ واکنش یا دگرگونی از خود نشان نمی‌دهند.
مواد هوشمند در مقابل شرایط گوناگون محیطی تغییر می‌کنند و این تغییرات به شکلی است که می‌توانند بارها و بارها اتفاق بیفتند و به حالت اولیه بازگردند.
مواد نیمه‌هوشمند نیز در برابر تغییرات محیطی واکنش نشان می‌دهند، اما این واکنش یا موقتی است یا فقط یک بار رخ می‌دهد.

مواد هوشمند خود به چند گروه مختلف تقسیم می‌شوند:

فلزات هوشمند

مواد فلزی این قابلیت را دارند که در برابر عوامل محیطی مختلف، واکنش‌هایی از خود نشان دهند. این واکنش‌ها ممکن است به صورت تغییر در ویژگی‌های الکتریکی آن‌ها باشد یا این که شکل فیزیکی‌شان تغییر کند. از همین ویژگی در ساخت قطعات الکترونیکی و همچنین در تولید ابزارها و دستگاه‌های پزشکی استفاده‌های مهم و سودمندی می‌شود.

پلیمرهای هوشمند

پلیمرهای هوشمند موادی هستند که می‌توانند نسبت به تغییرات محیط اطراف خود عکس‌العمل نشان دهند و ویژگی‌های فیزیکی یا شیمیایی‌شان را تغییر دهند. به عنوان مثال، این مواد در برابر دما حساس هستند و با گرم یا سرد شدن، شکل یا ساختارشان دگرگون می‌شود. از این قابلیت در ساخت قطعات و ابزارهای پزشکی به شکل گسترده و سودمندی استفاده می‌شود.

کریستال‌های هوشمند

از ویژگی این مواد که در برابر شرایط محیط اطراف واکنش نشان می‌دهند، در صفحه‌نمایش‌ها و حسگرهای دستگاه‌های الکترونیکی و پزشکی استفاده می‌شود. تغییر دما و فشار باعث می‌شود کریستال‌های هوشمند تغییر کنند.

روش دیگری برای طبقه‌بندی مواد هوشمند وجود دارد که بر اساس نوع واکنش آن‌ها به شرایط محیطی است. بر این اساس، مواد هوشمند به صورت زیر دسته‌بندی می‌شوند:

مواد حساس به میدان الکتریکی

وقتی ولتاژ و میدان الکتریکی در این مواد تغییر می‌کند، آن‌ها می‌توانند منبسط شوند، منقبض گردند یا خم شوند. از این قابلیت در ساخت قطعاتی مانند هدهای خواندن و نوشتن در دیسک‌های سخت، ابزارهای ردیاب نوری، اندازه‌گیرهای شتاب، حسگرهای فشار و میکروفون‌ها بهره‌گیری می‌شود.

مواد حساس به تغییرات حالت اسیدی

تغییر در میزان اسیدیته، روی رنگ این مواد اثر می‌گذارد. برای نمونه، رنگ آن‌ها عوض می‌شود تا بتوان زنگ‌زدگی لایه‌های داخلی را مشاهده کرد.

مواد حساس به تغییرات دما

این مواد با گرم و سرد شدن شکل خود را عوض می‌کنند، اما بعد از آن دوباره به حالت اولیه برمی‌گردند. از این ویژگی جالب در ساخت فریم عینک‌های آفتابی و همچنین در ساخت بدنه بعضی از خودروهایی که می‌توانند خودشان را تعمیر کنند، استفاده می‌شود.

مواد حساس به میدان مغناطیسی

این مواد تنها زمانی فعال می‌شوند که میدان مغناطیسی اطرافشان تغییر کند. از این ویژگی در سیستم‌های هیدرولیک و همچنین در موتورها استفاده می‌گردد.

مواد حساس به تغییرات نوری، الکتریکی، حرارتی

این مواد در برابر عواملی مانند نور، جریان برق یا تغییر دما از خود واکنش نشان می‌دهند. یک نمونه آشنا از این مواد، عینک‌های فتوکرومیک هستند که وقتی در معرض نور آفتاب قرار می‌گیرند، تیره می‌شوند و در محیط‌های کم‌نور یا سایه دوباره به حالت شفاف اولیه بازمی‌گردند.

کاربردهای مواد هوشمند

مواد هوشمند به دلیل ویژگی‌های خاص و منحصر به فردی که دارند، امروزه در زمینه‌های گوناگونی به کار می‌روند. از جمله در تولید پوشاک، ساخت‌وساز ساختمان‌ها، صنعت خودروسازی، تجهیزات الکترونیکی، علوم پزشکی و حتی در حفظ محیط‌زیست نقش مهمی ایفا می‌کنند.

به کار بردن این مواد در هر بخش، نه تنها باعث افزایش کیفیت و بهره‌وری می‌شود، بلکه در رفع مشکلات و چالش‌های پیش روی زندگی انسان نیز بسیار مؤثر است.

1- صنایع پوشاک

با به کارگیری فناوری‌های نوین در تولید لباس، می‌توان پوشاکی ساخت که توانایی تغییر رنگ با توجه به دمای محیط دارند. همچنین می‌توان لباس‌هایی تولید کرد که مانع از نفوذ سرما و گرمای بیرون به داخل شوند.

2- صنایع معماری و ساختمان

کاربرد مواد هوشمند در صنعت ساخت‌وساز، باعث تنظیم بهتر نور، دما و دیگر شرایط محیطی شده و در نتیجه، طول عمر ساختمان‌ها را افزایش می‌دهد.
این مصالح هوشمند قادرند ویژگی‌های ظاهری خود را به شکل قابل بازگشتی در برابر تغییرات شیمیایی و فیزیکی محیط تنظیم کنند و در بسیاری از موارد، از اتلاف انرژی جلوگیری نمایند.
علاوه بر این، می‌توان از ویژگی‌هایی مانند مقاومت در برابر خوردگی، قابلیت خودتمیزشوندگی سطوح، تصفیه‌ی هوا و خصوصیات زیست‌فعال پوشش‌های هوشمند در ساختمان‌ها بهره‌ی کامل برد.

3- صنایع پزشکی

در دنیای پزشکی از مواد هوشمند در ساخت سیستم‌های پیشرفته برای رساندن دارو و تحریک بخش‌های زیستی بدن استفاده می‌شود. همچنین در تولید ایمپلنت‌ها و ابزارهای پزشکی، فلزات هوشمند به کار می‌روند. در زمینه دندانپزشکی نیز از این مواد برای ارتودنسی و ترمیم دندان‌ها استفاده می‌گردد.

به عنوان نمونه، پلیمرهای هوشمند در ترمیم دندان با توجه به تغییر دما واکنش نشان می‌دهند و به این ترتیب، تطبیق دقیق‌تری با دندان‌های طبیعی پیدا می‌کنند.

عینک‌های طبی ساخته شده با مواد هوشمند نیز در برابر نور واکنش نشان می‌دهند: در نور زیاد شیشه آن‌ها تیره می‌شود و در محیط‌های کم‌نور یا سایه، دوباره شفاف و بی‌رنگ می‌گردد تا دید بهتری در شرایط مختلف فراهم شود.

یکی دیگر از نمونه‌های کاربرد مواد هوشمند در پزشکی، استفاده از پلیمرهای حساس به نور در دستگاه‌های تصویربرداری پزشکی است.

4- صنعت خودرو

در ساخت خودرو، از مواد هوشمند در بخش‌های مختلفی استفاده می‌شود. این مواد به سیستم‌های ضربه‌گیر کمک می‌کنند، وزن خودرو را کمتر می‌کنند، مصرف سوخت را کاهش می‌دهند و حتی قابلیت ترمیم خودکار خراش‌ها و آسیب‌های کوچک را فراهم می‌آورند. این ویژگی‌ها باعث می‌شود کاربرد این مواد هم مفید و هم گسترده باشد.

5- صنایع الکترونیک

تولید ابزارهای هوشمند الکترونیکی، حسگرها، صفحه‌های نمایش و چیزهای مشابه، از جمله کاربردهای ساده و مفید مواد هوشمند به شمار می‌روند.

6- محیط زیست

در دنیای امروز، برای حفظ طبیعت و کاهش آلودگی، از مواد پیشرفته و بازیافتی استفاده می‌شود. این مواد به مدیریت بهتر پسماندها و پاکیزه‌تر شدن محیط زیست کمک می‌کنند.
تکنولوژی چت جی پی تی