مواد هوشمند در آیندهایی نچندان دور بازار خوبی را به خود اختصاص خواهند داد و با توجه به خواص خوبی که از خود نشان میدهند، کاربردهای زیادی در آینده پیدا خواهند کرد. مطلب زیر که به معرفی پلیمرهای هوشمند پرداخته است، توسط دکتر هاشمی مدیرعامل شرکت گسترش مواد پیشرفته (وابسته به سازمان گسترش و نوسازی صنایع ایران) به شبکه ارسال گردیده است:
هوشمندی در مواد، خاصیتی است که مختص به گروه خاصی نبوده و در اغلب گروههای مواد دیده میشود. پلیمرها نیز از این قضیه مستنثنا نیستند و در برابر محرکهای مختلف مثل دما، میدانهای الکتریکی و میدانهای مغناطیسی، عکس‌العملهای متفاوتی از خود نشان میدهند. این پلیمرها به گروههای مختلفی تقسیم میشوند و دارای خواص و کاربردهای متفاوتی می‌باشند. در ذیل به معرفی، تقسیمبندی، کاربردها و بازار این مواد به طور مختصر اشاره شده است:
1) پلیمرهای فعال الکتریکی (EAP)
مکانیزم هوشمندی در این مواد، عکس‌العمل در برابر تحریکات الکتریکی خارجی است. این عکس‌العمل، تغییر در ابعاد و هندسه ماده را شامل می شود.
این پلیمرها که در سال 1990 شناخته شدهاند، کاربردهای زیادی در پزشکی، صنعت و مهندسی عمران دارند. این پلیمرها به دو دسته عمده تقسیم میشوند:
الف)پلیمرهای فعال الکتریکی الکترونیکی که به منظور حفظ تغییر مکان ایجاد شده در اثر اعمال ولتاژ DC مورد استفاده قرار می‌گیرند و کاربردهای زیادی در رباتها دارند. این دسته خود از جنبه کاربردی به دو گروه تقسیم میشود که عبارتند از: گروهی که در حسگری خود از رسانایی و هدایت الکتریکی بهره می‌برند و گروهی که از فعالیت الکتریکی خود در اثر تحریک خارجی به عنوان محرک استفاده میکنند.
طرح ساخت بازوی مصنوعی با اسفاده از پلیمر الکتریکی
کاربردهای این پلیمرها در صنایع مختلفی است که میتوان از جمله آنها مواد الکترواستاتیک در لباسهای ضد الکتریسیته، چسب‌های رسانا، حفاظ‌های الکتریکی و مغناطیسی، تخته‌های مدار چاپی الکترونیکی، رشته‌های اعصاب مصنوعی، سازه‌های هواپیما و پیزوسرامیکها را نام برد.
ب)پلیمرهایفعالالکتریکییونی هستند که در غشاهای مبادلهگر یونی، محرکهای الکترومکانیکی، سنسورهای حرارتی- شیمیایی، الکترولیتهای جامد، باطری‌های قابل شارژ و سیستمهای رهایش دارو در پزشکی کاربرد دارند.
پلیمرهای فعال الکتریکی به عنوان دیالکتریک نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. به عنوان نمونه پلیمرهای که دارای سفتی (Stiffness) و ثابت دیالکتریک بالا می‌باشند، در محرکهای(Actuator) با کرنش بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند که به طور نمونه در پیزوالکتریکها کاربرد دارند.
قابل ذکر است که الاستومرهای بلور مایع، الاستومرهای الکتروویسکوالاستیک، پلیمرهای فروالکتریک، نانولوله‌های کربن و پلیمرهای رسانا که بعنوان شناساگرهای گازهای سمی (حسگرهای یونی) در پالایشگاهها و صنایع نظامی کاربرد دارند، نیز در این گروه قرار می‌گیرند.
2) سیالات مغناطیسی و رئولوژیکی (MRF)
در این نوع از پلیمرهای هوشمند، با تغییر میدان مغناطیسی، ویسکوزیتة آنها تغییر میکند و عملکرد آنها مشابه سیالات الکتریکی رئولوژیکی می‌باشد.
3) سیالات الکتریکی رئولوژیکی (ERF)
این سیالات اساس پلیمری دارند و در برابر میدان الکتریکی از خود تغییر ویسکوزیته نشان میدهند که میتوان با این تغییر ابعاد را تحت تاثیر قرار داد. به طور مثال این مواد در کمک فنرهای خودرو در خودروهای جدید کاربرد دارند و با تغییر جریان میتوان ارتفاع خودرو را تنظیم نمود.
این نوع پلیمرها در راه‌سازی، پل‌سازی و صنعت ساختمان نیز استفاده میشود و امروزه در تکیه‌گاه خیلی از پلها خصوصاً پل‌های معلق از این مواد استفاه میشود.
سیالات ERF دارای سه نوع مثبت، منفی و مواد نوری الکتریکی هستند. اگر با اعمال میدان الکتریکی، ویسکوزیته افزایش یابد ERF مثبت است، اگر با افزایش میدان الکتریکی ویسکوزیته کاهش یابد ERF منفی است و اگر با تاباندن اشعه ماوراء بنفش ویسکوزیته تغییر کند ERF از نوع نوری و الکتریکی می‌باشد.
4) ژلهای پلیمری هوشمند
با تغییر در زنجیره پلیمرها میتوان ژلها را ساخت که این کار با تعویض بعضی از مونومرهای زنجیره با مواد شیمیایی صورت می‌گیرد. تفاوت اصلی ژلها با پلیمرها سازگاری شیمیایی و ترمودینامیکی آنها با حلال‌ها می‌باشد و نیز خاصیت رطوبت‌گیری که در آنها وجود دارد.
ژلها براساس ویژگی‌هایی نظیر طبیعت گروههای تشکیلدهنده، خواص مکانیکی، ویژگی‌های ساختاری و شکل شبکه تقسیمبندی میشوند و در برا بر محرکهای مختلف فیزیکی و شیمیایی نظیر دما، میدان الکتریکی و مغناطیسی، نور، فشار و PH، از خود عکس‌العمل نشان میدهند و در صنایع دفاعی، زیستی، داروسازی و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرند.
5) پلیمرهای با حافظه شکلی
مشابه آلیاژهای حافظهدار هستند به این ترتیب که در اثر تغییرات دمایی از خود تغییرات ابعادی نشان میدهند که علت آن تغییر در مورفولوژی زنجیره‌ها است. این پلیمرها در مواردی مثل جیگ و فیکسچرهای ماشینکاری کاربرد دارند.
بررسی بازار
پلیمرهای هوشمند هنوز خیلی تجاری نشده‌اند، بنابراین بازار خیلی بزرگی را به خود اختصاص نمی‌دهند. البته 5 تا 15 سال آینده این بازار رشد بسیار خوبی خواهد داشت زیرا کاربردهای آینده این مواد که در حوزه‌های مختلفی چون پزشکی، کامپیوتر، خودرو، تلویزیون، پول الکترونیکی، کنترلکننده‌های بهداشتی، هوافضا، بیوتکنولوژی، صنایع نظامی، الکترونیک و فناوری نانو خواهد بود، نویددهنده بازار بزرگی برای این مواد است.
در بین سالهای 2010-1992 بر اساس پیشبینیهای انجام شده، در برخی از کاربردهای اصلی این مواد مثل غلافها و پوششهای سیم و کابل، باطری‌های ذخیره انرژی با ظرفیت بالا و سپرهای تجهیزات الکترونیک که در فضاپیماها و محافظ‌های الکترونیک کاربرد دارند، روند مصرف رو به افزایش است و بازار خوبی را به خود اختصاص خواهند داد. مثالهای زیر به صحت این ادعاها اشاره دارد:
از سال 2000-1992 مصرف این مواد رو به افزایش بوده بطوری که مصرف پلیمرهای هادی استفاده در باطری‌ها در سال 2000 معادل 500 هزار پوند بالغ بر 50 میلیون دلار بوده است.
بازار سپرهای الکترونیک در سال 1988، 116 میلیون دلار و در سال 1993، 165 میلیون دلار بوده است و امروزه پوششهای هادی و صفحات پلیمری 75 درصد بازار مواد مشابه را به خود اختصاص دادهاند.
هزینه پوششهای پلاستیکی نسبت به سایر مواد پایین‌تر است و 1.25 تا 2.5 دلار به ازای هر فوت مربع ذکر شده است.
البته عمده بازار مواد هوشمند پلیمری در کشورهای پیشرفته است و باید این بازار را به کشورهای در حال توسعه گسترش داد و این نیاز را برای این کشورها به وجود آورد. پیش‌بینی انجامشده در مورد بازار این مواد تا سال 2010 بالغ بر 457 میلیون دلار خواهد بود.
آیا می?دانیم مواد هوشمند چه کاربردهایی دارند؟
مواد هوشمند افق تازهای از علم را در برابر بشر گشودهاند و توجه به آنها رویاهای دیرینهای از بشر را تحقق خواهد بخشید. در متن زیر به معرفی، کاربرد و افق آیندة بعضی از این مواد، اشارة مختصری گردیده است:
معرفی:
انواع مختلفی از مواد همچون فروالکتریکها (که در میدان الکتریکی کرنش میکنند)، آلیاژهای حافظهدار (که در واکنش به تغییرات دما، دچار تغییر شکل ناشی از تبدیل فاز میشوند) و مواد منعطف مغناطیسی (که در میدان مغناطیسی کرنش میکنند)، قابلیتهای حسگری و تحریکپذیری از خود نشان میدهند. این پدیدهها برعکس یکدیگر عمل میکنند و بنابراین میتوان این مواد را، جداگانه یا با هم، به کار برد و قابلیت حسگری و تحریک پذیری را برای پاسخگویی به شرایط محیطی با یکدیگر ترکیب کرد. هم اکنون از مواد یاد شده در چاپگرهای جوهرافشان، درایوهای دیسک مغناطیسی و وسایل ضد لختگی خون استفاده بسیار گسترده میشود.
کامپوزیتها با پایه سرب- تیتان- روی (PZT) و سایر مواد فروالکتریک که دارای حساسیت زیاد، واکنش چندگانه فرکانسی و فرکانس متغیر هستند، بخش مهمی از مواد هوشمند به شمار میروند. مثلاً کامپوزیت PZT فرستنده- گیرندهای است که در محفظهای به شکل هلال جاسازی میشود و پاسخ را به گونهای پایدار تقویت میکند. نمونه دیگر، کامپوزیتهای باریم- استرونتیم- تیتان و مواد غیر فروالکتریک هستند که واکنشهای پرس فرکانسی و پرس میدانی نشان میدهند. مصرف این کامپوزیتها در حسگرها و تحریککنندههایی است که میتوانند برای هماهنگی با سیگنال یا رمزگشایی آن، فرکانس خود را تغییر دهند. هم اکنون از فروالکتریکها در اجزای حافظهای غیر متغیر، کارتهای هوشمند و اجزای فعال اسکیهای هوشمند- که در واکنش به تنش تغییر شکل میدهند- استفاده میشود.
بخش مهم دیگری از این مواد، پلیمرهای هوشمند هستند (مثلاً ژلهای جدیدی که در واکنش به میدان الکتریکی تغییر شکل میدهند). از پلیمرهای الکترواکتیو در ساخت "ماهیچههای مصنوعی" نیز استفاده شده است.پلیمرهای موجود کنونی قدرت مکانیکی محدودی دارند، اما حوزه پلیمرها حوزة تحقیقاتی بسیار پویایی است و کاربردهای بالقوهای در روباتهای کاوشگر فضایی، ماموریتهای بسیار خطرناک و تجسس را نوید میدهد. همچنین میتوان هیدروژلهایی ساخت که در واکنش به تغییرات ph و دما منبسط و منقبض شوند. این هیدروژلها (به شکل کپسول) قادر خواهند بود در واکنش به تغییرات شیمیایی، داروهایی در بدن ترشح کنند (مثلاً ترشح انسولین بر پایه تمرکز گلوکز). روند دیگر در رهاسازی کنترل شده دارو در بدن، مواد با هستههای هیدروفوبیک و پوسته هیدروفیلیک است.
چشم انداز آینده:
جهانی که از تحریک کنندهها و حسگرهای شبکه شده (مثلاً روی دیوارها، لباسها، لوازم منزل، وسایل نقلیه و محیط پیرامونی) اشباع باشد، نوید دهنده بهبود، بهینهسازی و مشتریگرایی سیستمهای حسگر از طریق دسترسی بیشتر به اطلاعات و تحریکپذیری هر چه مستقیمتر است. ارتباطات قابل دسترس مستمر، فهرست بندی و مکانیابی اقلام شخصی برچسبدار (برچسبهای الکترونیکی، شیمیایی و غیره) و هماهنگی کارکردهای پشتیبان، دستاوردهایی هستند که تا سال 2015 به تدریج تحقق خواهند یافت.
توسعه مداوم حسگرهای بیومتریک پنهان و ریز، همراه با تحقیق پیرامون شناسایی صدا و دستخط و اثر انگشت، به اثربخشی سیستمهای ایمنی فردی میانجامد. از این سیستمها میتوان برای مقاصد پلیسی، نظامی، سازمانی، شخصی و تفریحی استفاده کرد. با ترکیب این سیستمها و تکنولوژیهای اطلاعات امروزی، بسیاری از دغدغهها پیرامون مسائل امنیتی و حریم خصوصی افراد مرتفع خواهد شد. همچنین کاربردهایی برای ایمنسازی بهتر اسلحه کمری (با نصب قفلهای تشخیص هویت مالک واقعی) و دزدگیر وسایل نقلیه ایجاد خواهد شد.
سایر کاربردهای مواد هوشمند که احتمالاً تا سال 2015 تحقق خواهند یافت عبارتند از:
- لباسهایی که به شرایط مختلف آب و هوایی حساساند، با سیستمهای اطلاعات تعامل دارند، علائم حیاتی را کنترل میکنند، قادر به ترشح مواد دارویی هستند و جراحات را به طور خودکار محافظت میکنند.
- ایرفویلهایی که خود را با شرایط آب و هوایی سازگار میکنند.
- ساختمانهایی که خود را با شرایط آب و هوایی سازگار میکنند.
- پلها و جادههایی که ترک را احساس و آن را مرمت میکنند.
- آشپزخانههایی که با دستورات بیسیم آشپزی میکنند.
- تلفنها و مراکز تفریحی که از تکنیکهای "واقعیت مجازی" استفاده میکنند.
- تشخیص پزشکی شخصی ( احتمالاً در تعامل مستقیم با مراکز درمانی)
البته سطح پیشرفت و عجین شدن این تکنولوژیها با زندگی روزمره بیشتر به میزان استقبال مشتریان بستگی دارد تا به توسعهها و پیشرفتهای فنی.
علاوه بر عملکردهای تجسس و شناسایی که ذیل مواد هوشمند تشریح شد، توسعه روباتها منجر به حسگرهای نو و قویتری برای کشف و تخریب مواد منفجره و قاچاق و عملیات در محیطهای بسیار خطرناک خواهد شد. افزایش عملکرد مواد، چه در منابع انرژی (مثل باتریها) و چه قابلیتهای حسگری و تحریکپذیری و همچنین یکپارچهسازی این عملکردها با قدرت محاسبات کامپیوتری، راه ظهور کاربردهای یاد شده را هموارتر خواهد ساخت.
این روندهای بالقوه، دغدغهها و تنشهایی نیز به همراه خواهد داشت. اطلاعات حسگری و دسترسی به پایگاههای دادهای، نگرانیهایی را پیرامون حریم خصوصی افراد ایجاد میکنند. سرانجام اینکه، آهنگ توسعه مواد هوشمند احتمالاً به سطوح سرمایهگذاری و پیشرانهای بازار بستگی خواهد داشت. در بسیاری موارد منافع و صرفهجوییهای آنی ناشی از کاربرد مواد هوشمند، پیشران توسعه خواهند بود، اما نباید تردید داشت که تحقیقات نامتعارف مواد، نیازمند حمایت افکار عمومی و ایمان به سرمایهگذاریهای بلند مدتتر است.
تحلیل:
چنانکه ملاحظه میشود تکنولوژی مواد هوشمند، تکنولوژی کم اهمیت و با کاربردهای محدودی نیست. این تکنولوژی، برحسب آنکه چه زمانی به مراحل رشد سریع خود در بازار برسد، تحولات وسیعی را در کاربردهای مختلف خود به همراه خواهد داشت. به عنوان نمونه در بعد نظامی میتواند بسیاری از روشها و تاکتیکهای عملیاتی را دستخوش تحول کند.
سؤال مهم در این رابطه آن است که: "در کشور ما تا چه میزان به این تکنولوژی توجه شده و حتی شناخت لازم از آن وجود دارد؟"
اگر با همکاری کلیة کارشناسان و تحلیلگران کشور، به تدریج گزارشهای بیشتری راجع به این تکنولوژی و وضعیت آن در کشور در شبکه ارائه شود، میتوان پاسخ دقیقتری به این سوال دارد.
ارسال شده در
87/4/28:: 7:48 عصر
توسط جواد ابراهیم پور
