مروری بر مواد هوشمند

مواد هوشمند به آن دسته از مواد گویند که می توانند محیط و شرایط اطراف خود را درک نمایند و به آن واکنش نشان دهند. هم اکنون فلزات و کامپوزیت های هوشمند در موارد بسیاری کاربرد و جایگاه خود را در صنعت پیدا کرده اند. برای مثال امروزه از فلزی به نام نیتینول (ترکیبی از نیکل و تیتانیوم) در ساخت فریم عینک ها استفاده می شود که بعد از خم شدن مجدد به شکل اولیه بر می گردد و سبب می شود که شکل فریم عینک همیشه مانند روز اولی باشد که خریداری شده است. این تنها یک مثال از این دسته مواد است که حاصل تحقیقات ناسا می باشد. در حال حاضر کامپوزیت های حافظه دار به دو دسته فلزی (آلیاژی) و پلیمری تقسیم می شوند. در اینجا به نحوه عملکرد نیتینول به عنوان یک آلیاژ حافظه دار و نیز کاربرد آن در زندگی روزمره اشاره می کنیم.
قبل از هر مطلب لازم است که متذکر شویم که آلیاژهای حافظه دار دو ویژگی دارند: یکی اینکه آنها تا حدودی الاستیک هستند و دیگر آنکه حافظه دار هستند یعنی قابلیت ذخیره سازی انرژی مکانیک و نیز آزاد سازی آن را دارا هستند. درست مانند آب که در دماهای مختلف از حالتی به حالت دیگر تبدیل می شود این دسته از فلزات نیز به علت اینکه مولکول ها در آنها قابلیت چیده مان مجدد دارد (البته آنچه که باعث می شود تا مولکول ها در کنار هم باقی بمانند و حالت جامد را حفظ کنند متفاوت است) قابلیت بازگشت به شکل اولیه را دارند. حال ببینیم این فلزات حافظه دار چگونه عمل می کنند: عاملی که سبب تغییر شکل فلز و یا بازگشت به شکل اولیه خود می شود، اختلاف ساختار مولکولی در هر فاز است. در شکل پایین سمت چپ، فلز حافظه دار را در حالتی که شکل اولیه خود را در دمای اتاق دارد را نشان می دهد. زمانی که بار اعمال می شود فلز تغییر شکل می دهد. سپس به محض برداشته شدن باز و کمی گرما مولکول ها به شکل یک ساختار سخت در می آیند به گونه ای که به یک ساختار با شبکه ای متفاوت مبدل می شوند. اما هنوز وضعیت قرارگیری مولکولی معمولی است و همان ساختار فیزیکی در مقیاس ماکرو وجود دارد.

با توجه به اینکه این دسته از فلزات زیست سازگار (سیستم ایمنی به آنها عکس العمل نشان نمی دهد) هستند و از ویژگیهای مکانیکی قابل قبولی (مقاوم در برابر خوردگی) برخوردار هستند در ساخت ایمپلنت ها و پلیت های (کاشتنی‌ها) ارتوپدی در موارد شکستگی ها قابل استفاده هستند. شاید بدانید که در شکستگی های استخوان های صورت از پلیت های ویژه ای استفاده می شود تا استخوانهای صورت را طی دوره شکستگی در کنار هم نگه دارد. در گذشته از پلیت هایی از جنس استیل برای این کار استفاده می شده است . در ابتدا ممکن است که استخوان درست لب به لب هم و در کنار هم قرار گیرند اما به مرور این وضعیت از دست می رود که در نهایت سبب به تاخیر افتادن جوش خوردن شکستگی می شود. با ظهور آلیاژ های حافظه دار و کاربرد آنها در ساخت پلیت ها این مشکل رفع شده است. امروزه جراحان از فلزهای حافظه‌دار به جای استیل استفاده می کنند به این طریق که ابتدا فلز را کمی سرد می کنند و سپس در محل نصب می کنند. در اثر دمای بدن مقداری فلز گرم می شود و به این طریق پلیت فشار لازم جهت در کنار هم نگهداشتن قطعات شکستگی را حفظ می کند و سبب می شود تا استخوان در حداقل زمان ترمیم شود.

مشکلی که در طراحی این نوع پلیت ها وجود داشت مربوط به تنظیم فشار مناسب و مطلوب است. برای مثال اینکه چه مقدار فلز باید تغییر شکل داده شود تا کشش لازم را ایجاد کند خود جای بررسی دارد. در اینجاست که فناوری نانو وارد عرصه شده تا به تغییر نحوه قرار گیری اتم ها در ترکیبات کمک کند. هم اکنون گروه های تحقیقاتی در حال انجام مطالعه بر روی این تنظیم این مکانیزم با کمک فناوری نانو می باشند.
منبع:nanoclub.ir
/س