تحقیق در مورد مواد هوشمند و کاربردشان

درباره مواد هوشمند و کاربردشان بیشتر بدانید!

مواد هوشمند موادی هستند که در مقابل تغییرات محیط عکس‌العمل نشان می‌دهند و در فناوری‌های پیشرفته کاربردهای فراوانی دارند. در این تحقیق به موضوعاتی همچون مواد هوشمند چیست؟ انواع مواد هوشمند و کاربردهای مواد هوشمند پرداخته می‌شود.

مواد هوشمند چیست؟

مواد هوشمند موادی پیشرفته‌ با ویژگی‌ها و عملکردهای خاص هستند که قابلیت تطبیق پیدا کردن با شرایط محیط را به صورت خودکار دارند.

به عبارت دیگر مواد هوشمند دارای محرک‌ها و حسگرهایی هستند که به آنها قدرت سازگاری با تحریکات محیطی را می‌دهد.

به بیان دیگر مواد هوشمند توانایی پردازش و درک محیط را داشته و نسبت به آن واکنش نشان می‌دهند. این واکنش ممکن است تغییر رنگ، فرم، شکل یا انرژی درونی آنها باشد که با تأثیرپذیری از محیط اتفاق می‌افتد و برگشت‌پذیر است.

گروهی از این مواد توانایی بازسازی خرابی‌های ساختار خود را نیز دارند و می‌توانند نقص‌های خود را برطرف کنند.

محرک‌های عمده‌ای که می‌تواند باعث واکنش مواد هوشمند شوند عبارتند از: فشار، نور، دما، اشعه ماوراء بنفش، میدان الکتریکی، میدان مغناطیسی و تغییر محیط شیمیایی.

انواع مواد هوشمند

به طور کلی مواد به سه گروه  غیرهوشمند، هوشمند و نیمه هوشمند دسته‌بندی می‌شوند.

• در مواد غیرهوشمند، هیچ تغییری در مقابل شرایط و تغییرات محیطی مشاهده نمی‌شود.
• در مواد هوشمند، تغییراتی در مقابل تغییر شرایط محیطی مشاهده می‌شود که این تغییرات قابلیت برگشت‌پذیری و تکرارپذیری دارند.
• در مواد نیمه هوشمند، تغییراتی در مقابل تغییر شرایط محیطی مشاهده می‌شود، ولی این تغییرات برای مدتی کوتاه یا برای یک بار ظاهر می‌شود.

مواد هوشمند به چند نوع تقسیم می‌شوند:

فلزات هوشمند

مواد فلزی هستند که نسبت به شرایط محیط، با تغییر در ویژگی‌های الکتریکی یا تغییر شکل واکنش نشان می‌دهند که از این خاصیت در تولید قطعات الکترونیکی یا دستگاه‌های پزشکی استفاده مفید می‌شود.

پلیمرهای هوشمند

پلیمرهای هوشمند نسبت به شرایط محیط، با تغییر در ویژگی‌های شیمیایی یا فیزیکی خود واکنش نشان می‌دهند مثلاً در برابر دما تغییراتی در آنها ایجاد می‌شود. این خاصیت نیز در تولید اجزای پزشکی کاربردهای مفیدی دارد.

کریستال‌های هوشمند

از خاصیت واکنش این مواد نسبت به شرایط محیط در نمایشگرها و سنسورها در دستگاه‌های الکترونیکی و پزشکی استفاده می‌شود. تغییرات فشار و دما باعث واکنش کریستال‌های هوشمند می‌شود.

در دسته‌بندی دیگر، انواع مواد هوشمند را با توجه به واکنشی که نسبت به شرایط محیط از خود نشان می‌دهند تعیین می‌کنند. در این دسته‌بندی انواع مواد هوشمند به این صورت است:

مواد حساس به میدان الکتریکی

تغییر ولتاژ و میدان الکتریکی در این مواد باعث انبساط، انقباض یا خمیدگی می‌شود. از این مواد در هدهای مغناطیسی، وسایل ردیابی بصری، شتاب‌سنج‌ها، حسگرهای فشار، میکروفون‌ها و… استفاده می‌شود.

مواد حساس به تغییرات حالت اسیدی

تغییر درجه اسیدی، باعث تغییر در رنگ این مواد می‌شود، مثلاً تغییر رنگ می‌دهند تا زنگ زدگی لایه زیرین معلوم شود.

مواد حساس به تغییرات دما

این مواد با تغییرات دما تغییر شکل می‌دهند و سپس به شکل اولیه بازمی‌گردند. از این خاصیت در قاب‌های عینک‌های آفتابی، بدنه ماشین‌هایی که قابلیت خودتعمیری دارند و… استفاده می‌شود.

مواد حساس به میدان مغناطیسی

این مواد فقط نسبت به تغییرات میدان مغناطیسی از خود واکنش می دهند. کاربرد آنها در محرک‌های هیدرولیکی و موتورها می‌باشد.

مواد حساس به تغییرات نوری، الکتریکی، حرارتی

این مواد نسبت به تغییراتی که در نور، میدان الکتریکی یا دما ایجاد می‌شود، واکنش نشان می‌دهند. مثال بسیار معمولی این مواد، عینک‌هایی است که در معرض نور خورشید، تاریک‌تر می‌شوند و در سایه به حالت اولیه خود برمی‌گردند.

کاربردهای مواد هوشمند

مواد هوشمند با خواص منحصر به فردشان در صنایع مختلفی استفاده می‌شود، در صنعت پوشاک، ساختمان، خودرو، صنایع الکترونیکی، پزشکی و حتی استفاده از مواد هوشمند در محیط زیست نیز بسیار پرفایده و کاربردی است.

استفاده از مواد هوشمند در هر حوزه‌ای نه تنها به بهبود عملکرد و کارایی منابع کمک می‌کند بلکه به حل چالش‌های مختلف در زندگی روزمره بشر نیز کمک می‌کند.

۱- صنایع پوشاک

با استفاده از مواد هوشمند در صنعت پوشاک می‌توان پوشاکی با توانایی تطابق رنگ با تغییر دما یا پوشاکی با قابلیت جلوگیری از نفوذ سرما و گرما تولید کرد.

۲- صنایع معماری و ساختمان

استفاده از مواد هوشمند در صنعت ساختمان، باعث بهینه‌سازی نور، دما و دیگر شرایط محیطی و در نتیجه افزایش عمر ساختمان‌ها می‌شود.

استفاده از مصالح هوشمند در ساختمان باعث می‌شود که این مصالح مشخصات ظاهری خود را در پاسخ به شرایط شیمیایی و فیزیکی محیط به صورت برگشت‌پذیر تغییر دهند و در بسیاری موارد از هدر رفتن انرژی جلوگیری کنند.

همچنین می‌توان از خواص ضد خوردگی، تمیزکنندگی سطوح، تصفیه‌کنندگی هوا و زیست‌ فعال بودن پوشش‌های هوشمند در ساختمان‌ها استفاده بهینه کرد.

۳- صنایع پزشکی

مواد هوشمند در پزشکی در سیستم‌های دارویی هوشمند و سیستم‌های تحریک بیولوژیکی استفاده می‌شود. همچنین در ساخت ایمپلنت‌ها و دستگاه‌های پزشکی از فلزات هوشمند استفاده می‌کنند. ارتودنسی و ترمیم‌های دندانی در دندانپزشکی نیز یکی دیگر از کاربردهای مواد هوشمند محسوب می‌شود.

استفاده از پلیمرهای هوشمند در ترمیم دندان‌ها می‌تواند با واکنش نشان دادن نسبت به تغییرات دما، شرایط بهتری برای تطابق دقیق با دندان‌های طبیعی را فراهم آورد.

استفاده از مواد هوشمند در عینک‌های طبی باعث می‌شود که با واکنش نسبت به نور و تیره شدن شیشه عینک در نور شدید و شفاف و بی‌رنگ شدن آن در سایه، شرایط بهتری برای دید انسان فراهم آید.

مثال دیگر برای کاربردهای مواد هوشمند در پزشکی، استفاده از پلیمرهای حساس به نور (نورسنج) در سیستم‌های تصویربرداری پزشکی است.

۴- صنعت خودرو

در صنعت خودرو مواد هوشمند در سیستم‌های جذب شوک، کاهش وزن، کاهش مصرف انرژی و ماشین‌های خودتعمیر کاربردهای فراوان و سودمندی دارند.

۵- صنایع الکترونیک

تولید دستگاه‌های الکترونیکی هوشمند، سنسورها، و نمایشگرها و… مواردی هستند که با استفاده از مواد هوشمند کاربردی ساده و پرفایده پیدا می‌کنند.

۶- محیط زیست

در محیط زیست از مواد هوشمند در مواد بازیافت‌پذیر در جهت کاهش آلودگی‌های محیط زیست و مدیریت پسماند استفاده می‌شود.