مرکز انجمنهای تخصصی

معرفي و تقسيم‌بندي پليمرهاي هوشمند

مواد هوشمند در آيندهايي نچندان دور بازار خوبي را به خود اختصاص خواهند داد و با توجه به خواص خوبي که از خود نشان ميدهند، کاربردهاي زيادي در آينده پيدا خواهند کرد. مطلب زير که به معرفي پليمرهاي هوشمند پرداخته است، توسط دکتر هاشمي مديرعامل شرکت گسترش مواد پيشرفته (وابسته به سازمان گسترش و نوسازي صنايع ايران) به شبکه ارسال گرديده است:

هوشمندي در مواد، خاصيتي است که مختص به گروه خاصي نبوده و در اغلب گروههاي مواد ديده ميشود. پليمرها نيز از اين قضيه مستنثنا نيستند و در برابر محرکهاي مختلف مثل دما، ميدانهاي الکتريکي و ميدانهاي مغناطيسي، عکس‌العملهاي متفاوتي از خود نشان مي‌دهند. اين پليمرها به گروه‌هاي مختلفي تقسيم ‌مي‌شوند و داراي خواص و کاربردهاي متفاوتي مي‌باشند. در ذيل به معرفي، تقسيم‌بندي، کاربردها و بازار اين مواد به طور مختصر اشاره شده است:

1) پليمرهاي فعال الکتريکي (EAP)

مکانيزم هوشمندي در اين مواد، عکس‌العمل‌ در برابر تحريکات الکتريکي خارجي است. اين عکس‌العمل، تغيير در ابعاد و هندسه ماده را شامل مي شود.

اين پليمرها که در سال 1990 شناخته شدهاند، کاربردهاي زيادي در پزشکي، صنعت و مهندسي عمران دارند. اين پليمرها به دو دسته عمده تقسيم مي‌شوند:

الف)پليمرهاي فعال الکتريکي الکترونيکي كه به منظور حفظ تغيير مکان ايجاد شده در اثر اعمال ولتاژ DC مورد استفاده قرار مي‌گيرند و کاربردهاي زيادي در رباتها دارند. اين دسته خود از جنبه کاربردي به دو گروه تقسيم مي‌شود که عبارتند از: گروهي که در حسگري خود از رسانايي و هدايت الکتريکي بهره مي‌برند و گروهي که از فعاليت الکتريکي خود در اثر تحريک خارجي به عنوان محرک استفاده مي‌کنند. 

طرح ساخت بازوی مصنوعی با اسفاده از پلیمر الکتریکی
 
  
کاربردهاي اين پليمرها در صنايع مختلفي است که مي‌توان از جمله آنها مواد الکترواستاتيک در لباسهاي ضد الکتريسيته، چسب‌هاي رسانا، حفاظ‌هاي الکتريکي و مغناطيسي، تخته‌هاي مدار چاپي الکترونيکي، رشته‌هاي اعصاب مصنوعي، سازه‌هاي هواپيما و پيزوسراميکها را نام برد.

ب)پليمرهايفعالالکتريکييوني هستند که در غشاهاي مبادلهگر يوني، محرک‌هاي الکترومکانيکي، سنسورهاي حرارتي- شيميايي، الکتروليتهاي جامد، باطري‌هاي قابل شارژ و سيستم‌هاي رهايش دارو در پزشکي کاربرد دارند.

پليمرهاي فعال الکتريکي به عنوان ديالکتريک نيز مورد استفاده قرار مي‌گيرند. به عنوان نمونه پليمرهاي که داراي سفتي (Stiffness) و ثابت ديالکتريک بالا مي‌باشند، در محرکهاي(Actuator) با کرنش بالا مورد استفاده قرار مي‌گيرند که به طور نمونه در پيزوالکتريکها کاربرد دارند.

قابل ذکر است که الاستومرهاي بلور مايع، الاستومرهاي الکتروويسکوالاستيک، پليمرهاي فروالکتريک، نانولوله‌هاي کربن و پليمرهاي رسانا که بعنوان شناساگرهاي گازهاي سمي (حسگرهاي يوني) در پالايشگاهها و صنايع نظامي کاربرد دارند، نيز در اين گروه قرار مي‌گيرند.

2) سيالات مغناطيسي و رئولوژيکي (MRF)

در اين نوع از پليمرهاي هوشمند، با تغيير ميدان مغناطيسي، ويسکوزيتة آنها تغيير مي‌کند و عملکرد آنها مشابه سيالات الکتريکي رئولوژيکي مي‌باشد.

3) سيالات الکتريکي رئولوژيکي (ERF)

  
اين سيالات اساس پليمري دارند و در برابر ميدان الکتريکي از خود تغيير ويسکوزيته نشان مي‌دهند که ميتوان با اين تغيير ابعاد را تحت تاثير قرار داد. به طور مثال اين مواد در کمک فنرهاي خودرو در خودروهاي جديد کاربرد دارند و با تغيير جريان مي‌توان ارتفاع خودرو را تنظيم نمود.

اين نوع پليمرها در راه‌سازي، پل‌سازي و صنعت ساختمان نيز استفاده مي‌شود و امروزه در تکيه‌گاه خيلي از پل‌ها خصوصاً پل‌هاي معلق از اين مواد استفاه مي‌شود.

سيالات ERF داراي سه نوع مثبت، منفي و مواد نوري الکتريکي هستند. اگر با اعمال ميدان الکتريکي، ويسکوزيته افزايش يابد ERF مثبت است، اگر با افزايش ميدان الکتريکي ويسکوزيته کاهش يابد ERF منفي است و اگر با تاباندن اشعه ماوراء بنفش ويسکوزيته تغيير کند ERF از نوع نوري و الکتريکي مي‌باشد.

4) ژل‌هاي پليمري هوشمند

با تغيير در زنجيره پليمرها مي‌توان ژلها را ساخت که اين کار با تعويض بعضي از مونومرهاي زنجيره با مواد شيميايي صورت مي‌گيرد. تفاوت اصلي ژلها با پليمرها سازگاري شيميايي و ترموديناميکي آنها با حلال‌ها مي‌باشد و نيز خاصيت رطوبت‌گيري که در آنها وجود دارد.

ژلها براساس ويژگي‌هايي نظير طبيعت گروه‌هاي تشکيلدهنده، خواص مکانيکي، ويژگي‌هاي ساختاري و شکل شبکه تقسيم‌بندي مي‌شوند و در برا بر محرک‌هاي مختلف فيزيکي و شيميايي نظير دما، ميدان الکتريکي و مغناطيسي، نور، فشار و PH، از خود عکس‌العمل‌ نشان مي‌دهند و در صنايع دفاعي، زيستي، داروسازي و غيره مورد استفاده قرار مي‌گيرند.

5) پليمرهاي با حافظه شکلي

مشابه آلياژهاي حافظه‌دار هستند به اين ترتيب که در اثر تغييرات دمايي از خود تغييرات ابعادي نشان مي‌دهند که علت آن تغيير در مورفولوژي زنجيره‌ها است. اين پليمرها در مواردي مثل جيگ و فيکسچرهاي ماشينکاري کاربرد دارند.

بررسي بازار

پليمرهاي هوشمند هنوز خيلي تجاري نشده‌اند، بنابراين بازار خيلي بزرگي را به خود اختصاص نمي‌دهند. البته 5 تا 15 سال آينده اين بازار رشد بسيار خوبي خواهد داشت زيرا کاربردهاي آينده اين مواد که در حوزه‌هاي مختلفي چون پزشکي، کامپيوتر، خودرو، تلويزيون، پول الکترونيکي، کنترلکننده‌هاي بهداشتي، هوافضا، بيوتکنولوژي، صنايع نظامي، الکترونيک و فناوري نانو خواهد بود، نويددهنده بازار بزرگي براي اين مواد است.

در بين سالهاي 2010-1992 بر اساس پيشبينيهاي انجام شده، در برخي از کاربردهاي اصلي اين مواد مثل غلافها و پوششهاي سيم و کابل، باطري‌هاي ذخيره انرژي با ظرفيت بالا و سپرهاي تجهيزات الکترونيک که در فضاپيماها و محافظ‌هاي الکترونيک كاربرد دارند، روند مصرف رو به افزايش است و بازار خوبي را به خود اختصاص خواهند داد. مثالهاي زير به صحت اين ادعاها اشاره دارد:

از سال 2000-1992 مصرف اين مواد رو به افزايش بوده بطوري که مصرف پليمرهاي هادي استفاده در باطري‌ها در سال 2000 معادل 500 هزار پوند بالغ بر 50 ميليون دلار بوده است.

بازار سپرهاي الکترونيک در سال 1988، 116 ميليون دلار و در سال 1993، 165 ميليون دلار بوده است و امروزه پوششهاي هادي و صفحات پليمري 75 درصد بازار مواد مشابه را به خود اختصاص دادهاند.

هزينه پوششهاي پلاستيکي نسبت به ساير مواد پايين‌تر است و 1.25 تا 2.5 دلار به ازاي هر فوت مربع ذکر شده است.

البته عمده بازار مواد هوشمند پليمري در کشورهاي پيشرفته است و بايد اين بازار را به کشورهاي در حال توسعه گسترش داد و اين نياز را براي اين کشورها به وجود آورد. پيش‌بيني انجامشده در مورد بازار اين مواد تا سال 2010 بالغ بر 457 ميليون دلار خواهد بود.

منبع
[External Link Removed for Guests]
به قلم حسین صالحی وزیری

آيا مي�دانيم مواد هوشمند چه كاربردهايي دارند؟

مواد هوشمند افق تازه­اي از علم را در برابر بشر گشوده­اند و توجه به آن­ها روياهاي ديرينه­اي از بشر را تحقق خواهد بخشيد. در متن زير به معرفي، كاربرد و افق آيندة بعضي از اين مواد، اشارة مختصري گرديده است:

معرفي:

انواع مختلفي از مواد همچون فروالكتريك­ها (كه در ميدان الكتريكي كرنش مي­كنند)، آلياژهاي حافظه­دار (كه در واكنش به تغييرات دما، دچار تغيير شكل ناشي از تبديل فاز مي­شوند) و مواد منعطف مغناطيسي (كه در ميدان مغناطيسي كرنش مي­كنند)، قابليت­هاي حسگري و تحريك­پذيري از خود نشان مي­دهند. اين پديده­ها برعكس يكديگر عمل مي­كنند و بنابراين مي­توان اين مواد را، جداگانه يا با هم، به كار برد و قابليت حسگري و تحريك پذيري را براي پاسخگويي به شرايط محيطي با يكديگر تركيب كرد. هم اكنون از مواد ياد شده در چاپگرهاي جوهرافشان، درايوهاي ديسك مغناطيسي و وسايل ضد لختگي خون استفاده بسيار گسترده مي­شود.

كامپوزيت­ها با پايه سرب- تيتان- روي (PZT) و ساير مواد فروالكتريك كه داراي حساسيت زياد، واكنش چندگانه فركانسي و فركانس متغير هستند، بخش مهمي از مواد هوشمند به شمار مي­روند. مثلاً كامپوزيت PZT فرستنده- گيرنده­اي است كه در محفظه­اي به شكل هلال جاسازي مي­شود و پاسخ را به گونه­اي پايدار تقويت مي­كند. نمونه ديگر، كامپوزيت­هاي باريم- استرونتيم- تيتان و مواد غير فروالكتريك هستند كه واكنش­هاي پرس فركانسي و پرس ميداني نشان مي­دهند. مصرف اين كامپوزيت­ها در حسگرها و تحريك­كننده­هايي است كه مي­توانند براي­ هماهنگي با سيگنال يا رمزگشايي آن، فركانس خود را تغيير دهند. هم اكنون از فروالكتريك­ها در اجزاي حافظه­اي غير متغير، كارت­هاي هوشمند و اجزاي فعال اسكي­هاي هوشمند- كه در واكنش به تنش تغيير شكل مي­دهند- استفاده مي­شود.

بخش مهم ديگري از اين مواد، پليمرهاي هوشمند هستند (مثلاً ژل­هاي جديدي كه در واكنش به ميدان الكتريكي تغيير شكل مي­دهند). از پليمرهاي الكترواكتيو در ساخت "ماهيچه­هاي مصنوعي" نيز استفاده شده است.پليمرهاي موجود كنوني قدرت مكانيكي محدودي دارند، اما حوزه پليمرها حوزة تحقيقاتي بسيار پويايي است و كاربردهاي بالقوه­اي در روبات­هاي كاوشگر فضايي، ماموريت­هاي بسيار خطرناك و تجسس را نويد مي­دهد. همچنين مي­توان هيدروژل­هايي ساخت كه در واكنش به تغييرات ph و دما منبسط و منقبض شوند. اين هيدروژل­ها (به شكل كپسول) قادر خواهند بود در واكنش به تغييرات شيميايي، داروهايي در بدن ترشح كنند (مثلاً ترشح انسولين بر پايه تمركز گلوكز). روند ديگر در رهاسازي كنترل شده دارو در بدن، مواد با هسته­هاي هيدروفوبيك و پوسته هيدروفيليك است.

چشم انداز آينده:

جهاني كه از تحريك كننده­ها و حسگرهاي شبكه شده (مثلاً روي ديوارها، لباس­ها، لوازم منزل، وسايل نقليه و محيط پيراموني) اشباع باشد، نويد دهنده بهبود، بهينه­سازي و مشتري­گرايي سيستم­هاي حسگر از طريق دسترسي بيشتر به اطلاعات و تحريك­پذيري هر چه مستقيم­تر است. ارتباطات قابل دسترس مستمر، فهرست بندي و مكان­يابي اقلام شخصي برچسب­دار (برچسب­هاي الكترونيكي، شيميايي و غيره) و هماهنگي كاركردهاي پشتيبان، دستاوردهايي هستند كه تا سال 2015 به تدريج تحقق خواهند يافت.

توسعه مداوم حسگرهاي بيومتريك پنهان و ريز، همراه با تحقيق پيرامون شناسايي صدا و دست­خط و اثر انگشت، به اثربخشي سيستم­هاي ايمني فردي مي­انجامد. از اين سيستم­ها مي­توان براي مقاصد پليسي، نظامي، سازماني، شخصي و تفريحي استفاده كرد. با تركيب اين سيستم­ها و تكنولوژي­هاي اطلاعات امروزي، بسياري از دغدغه­ها پيرامون مسائل امنيتي و حريم خصوصي افراد مرتفع خواهد شد. همچنين كاربردهايي براي ايمن­سازي بهتر اسلحه كمري (با نصب قفل­هاي تشخيص هويت مالك واقعي) و دزدگير وسايل نقليه ايجاد خواهد شد.

ساير كاربردهاي مواد هوشمند كه احتمالاً تا سال 2015 تحقق خواهند يافت عبارتند از:

- لباس­هايي كه به شرايط مختلف آب و هوايي حساس­اند، با سيستم­هاي اطلاعات تعامل دارند، علائم حياتي را كنترل مي­كنند، قادر به ترشح مواد دارويي هستند و جراحات را به طور خودكار محافظت مي­كنند.

- ايرفويل­هايي كه خود را با شرايط آب و هوايي سازگار مي­كنند.

- ساختمان­هايي كه خود را با شرايط آب و هوايي سازگار مي­كنند.

- پل­ها و جاده­هايي كه ترك را احساس و آن را مرمت مي­كنند.

- آشپزخانه­هايي كه با دستورات بي­سيم آشپزي مي­كنند.

- تلفن­ها و مراكز تفريحي كه از تكنيك­هاي "واقعيت مجازي" استفاده مي­كنند.

- تشخيص پزشكي شخصي ( احتمالاً در تعامل مستقيم با مراكز درماني)

البته سطح پيشرفت و عجين شدن اين تكنولوژي­ها با زندگي روزمره بيشتر به ميزان استقبال مشتريان بستگي دارد تا به توسعه­ها و پيشرفت­هاي فني.

علاوه بر عملكردهاي تجسس و شناسايي كه ذيل مواد هوشمند تشريح شد، توسعه روبات­ها منجر به حسگرهاي نو و قوي­تري براي كشف و تخريب مواد منفجره و قاچاق و عمليات در محيط­هاي بسيار خطرناك خواهد شد. افزايش عملكرد مواد، چه در منابع انرژي (مثل باتري­ها) و چه قابليت­هاي حسگري و تحريك­پذيري و همچنين يكپارچه­سازي اين عملكردها با قدرت محاسبات كامپيوتري، راه ظهور كاربردهاي ياد شده را هموارتر خواهد ساخت.

اين روندهاي بالقوه، دغدغه­ها و تنش­هايي نيز به همراه خواهد داشت. اطلاعات حسگري و دسترسي به پايگاه­هاي داده­اي، نگراني­هايي را پيرامون حريم خصوصي افراد ايجاد مي­كنند. سرانجام اينكه، آهنگ توسعه مواد هوشمند احتمالاً به سطوح سرمايه­گذاري و پيشران­هاي بازار بستگي خواهد داشت. در بسياري موارد منافع و صرفه­جويي­هاي آني ناشي از كاربرد مواد هوشمند، پيشران توسعه خواهند بود، اما نبايد ترديد داشت كه تحقيقات نامتعارف مواد، نيازمند حمايت افكار عمومي و ايمان به سرمايه­گذاري­هاي بلند مدت­تر است.

تحليل:

چنانكه ملاحظه مي­شود تكنولوژي مواد هوشمند، تكنولوژي كم اهميت و با كاربردهاي محدودي نيست. اين تكنولوژي، برحسب آنكه چه زماني به مراحل رشد سريع خود در بازار برسد، تحولات وسيعي را در كاربردهاي مختلف خود به همراه خواهد داشت. به عنوان نمونه در بعد نظامي مي­تواند بسياري از روش­ها و تاكتيك­هاي عملياتي را دست­خوش تحول كند.

سؤال مهم در اين رابطه آن است كه: "در كشور ما تا چه ميزان به اين تكنولوژي توجه شده و حتي شناخت لازم از آن وجود دارد؟"

اگر با همكاري كلية كارشناسان و تحليلگران كشور، به تدريج گزارش­هاي بيشتري راجع به اين تكنولوژي و وضعيت آن در كشور در شبكه ارائه شود، مي­توان پاسخ دقيقتري به اين سوال دارد.

منبع
[External Link Removed for Guests]
به قلم حسین صالحی وزیری

سلام
مطالب بسیار آموزنده ای بود
دلم نیومد تشکر نکنم