سیال‌های الکترو رئولوژیکی

سیال‌هایی وجود دارند که بر اثر اِعمال ولتاژ الکتریکی منجمد می‌شوند. به آن‌ها سیال‌های زرنگ گفته می‌شود. تا همین اواخر، این نام‌گذاری چندان با مسمّا به نظر نمی‌رسید. اما اکنون، برخی از مهندسان چنین نظر می‌دهند که سیال‌های زرنگ آغازگر عصر سوم ماشین خواهند بود. سیال‌های زرنگ، مواد جدیدی نیستند و زیاد هم زرنگ نیستند. بیش‌تر از هفتاد سال است که دانشمندان پی برده‌اند که بعضی از مایعات بر اثر اِعمال ولتاژ الکتریکی تبدیل به جامد می‌شوند. این پدیده «اثر الکترو رئولوژیکی» نامیده می‌شود. (رئولوژی، علم مطالعه‌ی تغییر شکل و جریان ماده است.) اما به رغم دوره‌های متعدد پژوهش در این زمینه، که عمدتاً در انگلستان، روسیه، و امریکا صورت گرفته است، هیچ کس عملاً نتوانسته است کاربرد مفیدی برای این پدیده پیدا کند. دو سه دهه‌ی پیش که پژوهش‌گران شناختی از محدودیت‌های سیال‌ها و چگونگی بهره‌گیری از مزایای آن‌ها به دست آوردند، متخصصان تکنولوژی اطمینانی کافی برای پیش بینی آینده‌ای موفقیت آمیز برای این سیال‌ها کسب کردند.

سیال‌های الکترورئولوژیکی (ER) از این لحاظ «زرنگ»‌اند که هرگاه ولتاژ زیادی بر آن‌ها اعمال شود به جامد ژلاتین مانندی تبدیل می‌شوند. به طور میانگین، میدان الکتریکی لازم برای این تیدیل در حدود سه میلیون ولت به ازای هر متر فاصله (یا ضخامت) است. یعنی سیالی در میان دو الکترودی که یک میلیمتر با یک‌دیگر فاصله دارند، حداقل به سه هزار ولت اختلاف پنانسیل نیاز دارد تا انجماد را آغاز کند. میزان سفت شدن سیال نسبت مستقیم با شدت میدان الکتریکی دارد و واکنشی برگشت‌پذبر است. این بدان معنی است که بنا به نیاز و به دل‌خواه می‌توان این اثر را ایجاد کرد و تا هر میزان که مورد نیاز باشد ادامه داد و پیش برد. دوگ بروکس، مدیر سابق شرکت ایر-لاگ، شرکتی انگلیسی که در زمینه‌ی تکنولوژی هیدرولیک فعالیت داشت، سه کاربرد اصلی برای این سیال‌ها برشمرد. ساده‌ترین کاربرد، استاتیکی است. ضامن‌ها و گیره‌های ایمنی، یا دیگر انواع مکانیسم‌های رها کننده را می‌توان به وسیله‌ی علامتی الکترونیکی تحریک کرد که میدان الکتریکی در یک مخزن حاوی نوعی سیال ER را کنترل می‌کند. البته درحال‌حاضر نمی‌توان سیستم‌های الکترومغناطیسی متداول را بهتر کرد، اما فقط یک اسباب رئولوژیکی می‌تواند آرایه‌های پیچیده‌ی مختلفی از نقاط اتصالی را تولید کند که برای آزمودن صفحه (تخته)ی مدارهای الکترونیکی استفاده می‌شوند. به این ترتیب می‌توان از قید مجموعه‌ی آرایه‌های ثابتی که درحال‌حاضر در خط تولید برای آزمودن یک گروه از صفحه مدارها لازم است رها شد. سازنده‌ی صفحه مدار می‌تواند یک سیستم آزمون رئولوژیکی را براساس جزئیات مدار هر صفحه‌ای که طراحی می‌کند برنامه‌ریزی کند. با استفاده از ولتاژی که به طور انتخابی در نقاط مختلف سیستم آزمون وارد می‌شود، کپسول‌های سیال جامد شده، آرایه‌ی خاصی از نقاط اتصال به صفحه‌ی مدار را ایجاد می‌کنند که از قبل تنظیم شده است.
از سیال‌های جامد شونده، در سیستم‌های متحرک نیز می‌توان استفاده کرد. کلاچ اتوموبیل معمولی شامل یک جفت صفحه‌ی چرخان است که وقتی با یک‌دیگر اصطکاک پیدا می‌کنند قدرت موتور را به چرخ‌ها منتقل می‌کنند. کلاچ الکترورئولوژیکی می‌تواند متشکل از دو صفحه‌ی موازی باشد که در فضای میان آن‌ها نوعی سیال ER وجود دارد. سیال الکترورئولوژیکی در حالت مایع، درحالی که کلاچ درگیر نیست و موتور خلاص کار می‌کند اجازه می‌دهد که یک صفحه به آسانی بر روی صفحه‌ی دیگر بچرخد. هنگامی که ولتاژ اعمال می‌شود، سیال ER در میان صفحه‌های کلاچ به حالت جامد درمی‌آید و توانایی آن برای انتقال دادن نیروی پیچشی یا گشتاور نیرو، بدون لغزش، افزایش می‌یابد. این توانایی در انتقال قدرت، معیاری از استحکام برشی سیال است. اگر سیال استحکام کافی برای تحمل تنش برشی زیادی را داشته باشد، هنگامی که مقدار گشتاور نیرو به اندازه‌ی کافی زیاد باشد، صفحه‌ی ساکن شروع به چرخش می‌کند و اتوموبیل را به حرکت درمی‌آورد. مزیت اصلی استفاده از سیال‌های ER در کلاچ‌های وسایل نقلیه، کاهش سایش، و رهایی از بعضی دقت‌های زیاد در ساخت قطعات است. در انواع دیگر از کلاچ‌ها، سیال‌های ER شاید تعداد قطعات متحرک را کاهش دهند، که این سبب ساده شدن طراحی و تولید قطعات می‌شود.
اما نویدبخش‌ترین کاربرد سیال‌های ER، ساخت اسباب‌هایی است که حرکت‌ها یا ارتعاش‌ها را کنترل، یا درصورت لزوم متوقف می‌کنند یا «میرا می‌کنند». ضربه‌گیر ساده شبیه لوله‌ی تلسکوپ است. وقتی ولتاژی برقرار نیست، یک محور می‌تواند آزادانه در داخل دیگری حرکت کند. وقتی ولتاژ برقرار می‌شود مقاومت بیش‌تری در برابر حرکت ایجاد می‌شود که متناسب با شدت میدان الکتریکی است. ضربه‌گیرهای الکترورئولوژیکی (ER) می‌توانند اجسام گوناگونی را، از ساختمان‌ها گرفته تا اتوموبیل‌ها، در برابر اثرهای زیان بار منابع خارجیِ ارتعاشات مصون نگه دارند.

هر جسمی به طور طبیعی گرایش دارد که با آهنگی خاص خود نوسان کند، که آن را بسامد یا فرکانس طبیعی جسم می‌نامند. این بسامد به میزان صُلب بودنِ جسم بستگی دارد. جسم صلب، جسمی است که در ضمن حرکت، مکان نسبی نقاط آن نسبت به یک‌دیگر تغییر نمی‌کند. اگر ارتعاش‌هایی که بر جسم اثر می‌کنند در انطباق با بسامد طبیعی جسم باشند، ارتعاش حالت تشدید پیدا می‌کند به طوری که حرکت جسم به جای آن که مستهلک شود و ازبین برود تقویت می‌شود. گاهی این پدیده در موقعی روی می‌دهد که گردباد یا زلزله‌ای در شهری حادث می‌شود و سبب تاب خوردن شدید ساختمان‌های بلند می‌شود. در یک آسمان‌خراش، سیال ER در پی (یا فونداسیون) ساختمان می‌تواند جامد شود و صلابت ساختمان و تحمل آن را در برابر بادهای پرسرعت افزایش دهد، یا می‌تواند مایع شود و در هنگام زلزله، ساختمان را «شناور» کند.
در اتوموبیل، ارتعاش‌ها را غالباً می‌توان با سرعت دادن به اتوموبیل یا با کاستن از سرعت اتوموبیل از بین برد. آن چه در هر دو مورد اتفاق می‌افتد این است که بسامد ارتعاش‌ها از بسامد طبیعی اتوموبیل دور می‌شود. ضربه گیرهای الکترورئولوژیکی برخلاف این عمل می‌کنند. آن‌ها بسامد طبیعی سیستم تعلیق (فنربندی) اتوموبیل را به گونه‌ای تغییر می‌دهند که دیگر با آهنگ ارتعاش انطباق نداشته باشد. علامت‌های الکترونیکیِ رسیده از حس‌گرهای نصب شده در جسم، ضربه‌گیرهای الکترورئولوژیکی را به طور پیوسته در جریان بسامد متغیر ارتعاش قرار می‌دهند. ضربه‌گیرها نیز بسامد طبیعی جسم را تغییر می‌دهند.
درحال‌حاضر، سیال‌های الکترورئولوژیکی فراوان و متفاوتی وجود دارند. شرط لازم در هر سیال، تعلیق ذرات جامد، که قطر بعضی از آن‌ها حتی کم‌تر از یک میکرون است، در مایعی است که رسانای الکتریسیته نیست. مایع باید نارسانا باشد تا بتواند میدان الکتریکی پرقدرتی را تحمل کند. وجود چنین میدانی برای جامد کردن سیال بدون عبور جریان، که براثر آن توان الکتریکی زیادی مصرف خواهد شد، ضروری است (درعمل، جریان کوچکی از سیال نشت می‌کند. پژوهش‌گران تلاش دارند تا این جریان نشتی را به حداقل برسانند).
ترکیب‌های «لگن آشپزخانه» (کنایه از انواع موادی که به لگن آشپزخانه ریخته می‌شود)، مانند نشاسته در روغن ترانسفورماتور، از نخستین سیال‌های ER بودند. اما اکنون انواع گسترده‌ای از ذرات برای ساختن محلول تعلیق وجود دارند، از زئولیت‌ها که سیلیکات‌هایی هستند که مولکول‌ها را در سطح خود جذب می‌کنند گرفته تا فلزات پوشیده شده با اکسیدهایشان و پلیمرها. اعمال ولتاژ به سیال، این ذرات را قطبی می‌کند، به طوری که یک انتهای هر ذره دارای بار مثبت و انتهای دیگر آن دارای بار منفی الکتریکی می‌شود. به نظر پژوهش‌گرانی که در این زمینه فعالیت می‌کنند این قطبی شدن سبب سمت‌گیری ذرات در شبکه‌ای الکتروستاتیکی و سه بعدی در بین الکترودها می‌شود: بارِ مثبت روی یک ذره، بارِ منفی روی ذره‌ی دیگر را جذب می‌کند، و در سراسر سیال این واکنش رخ می‌دهد. به نظر می‌رسد که همین شبکه است که سیال را صلب می‌کند. اما پژوهش‌گرانِ آزمایش‌گاه‌های مختلف، هریک به گونه‌ای این نظریه‌ی اساسی را شاخ و برگ می‌دهند. جیمز استنگروم، مدیر یک شرکت انگلیسی مشاوره‌ی پژوهشی که در زمینه‌ی سیال‌های ER کار می‌کرد، سیالی ابداع کرد که ذرات معلق در آن حاوی یون‌های پایدار لیتیوم‌اند. او بیان داشت که این یون‌ها فقط وقتی به حرکت درمی‌آیند که مولکول‌های آب، اطراف آن‌ها را می‌گیرند. میدان الکتریکی، یون‌های (هیدراته‌ یا) آب‌دار متحرک را به سوی یکی از دو انتهای هر ذره می‌راند. جاذبه‌ی الکتروستاتیکی بین دو انتهای ذرات همسایه که دارای بارهای مخالف هستند سبب می‌شود که ذرات در شبکه‌ای صلب سازمان یابند.
در نوع دیگری از سیال‌ها، یون‌های فلز دیگری مانند آهن می‌توانند همین کار را انجام دهند. سیال‌هایی که غلظت آب در آن‌ها کم‌تر از پنج درصد است جامد نمی‌شوند، در حالی که سیال‌هایی با غلظت آب بیش‌تر از پانزده درصد سبب عبور جریان ناپذیرفتنی زیادی در بین الکترودها می‌شوند. به نظر می‌رسد که در غلظت زیاد، بخشی از آب در سیال پراکنده می‌شود و بار الکتریکی را نه تنها در خود ذرات بلکه در بین ذرات نیز جا به جا می‌کند. در فاصله‌ی میان این دو حد، سیال «اثر الکترورئولوژیکی» از خود نشان می‌دهد. اما این تمام مطلب نیست. فرانک فیلیسکو، استاد سابق مهندسی مواد در دانشگاه میشیگان امریکا، نوعی سیال ER ابداع کرد که غلظت آب آن بسیار کم‌تر از پنج درصد بود. این سیال متشکل از ذرات سیلیکات آلومینیم معلق در روغن سیلیکونی است. روغن‌های سیلیکونی متشکل از پُلیمرهای متیل سیلیکون‌اند و بیش‌تر در روان‌کاری کاربرد دارند. ترکیب‌های آلومینیم-سیلیکون ساختارهایی دارند که دارای یون‌هایی پایدار هستند. همه‌ی این‌ها به توزیع قطبش ذرات کمک می‌کنند، اما هیچ کس با اطمینان نمی‌داند که بارها در هنگام برقراری ولتاژ چه رفتاری دارند.
پژوهش گران مرکز الکترونیک مولکولی در انستیتوی تکنولوژی گرینفلند، سیال «خشک» دیگری ابداع کردند. ماده‌ی اصلی این سیال پٌلی تن کینون است که پلیمری نیم‌رساناست. به گفته‌ی هری بلاک، مدیر این مرکز پژوهشی، وقتی که ولتاژ اعمال می‌شود، الکترون‌ها به تنهایی بار الکتریکی را از یک سمت ذره به سمت دیگر آن می‌برند بدون آن که نیازی به حامل‌های متحرکی مانند یون‌های آب‌دار باشد.

بسیاری از ترکیب‌ها دارای معایبی هستند. سیال‌های مورد استفاده ممکن است سبب خوردگی درزبندها شوند. گاهی سیال‌ها سمی‌اند و نشت آن‌ها خطرناک است. با پلیمرهای بی فنیل کلردار می‌توان سیال‌های ER خوبی تهیه کرد. اما این‌ها از لحاظ زیست محیطی خطرهای غیر قابل قبولی دربردارند. بعضی از سیال‌های ER در دماهای غیرمعمول می‌جوشند یا منجمد می‌شوند. بیش‌تر سیال‌ها قادر نیستند در گستره‌ی وسیعی از دماها کار کنند، اگرچه بنا بر نظر استنگروم، با تغییر دادن ترکیب سیال می‌توان این گستره‌ی دما را وسیع‌تر کرد. او می‌گوید تأمین گستره‌ی کاری از صفر تا صد و پنجاه درجه‌ی سانتی‌گراد امکان‌پذیر است اما فقط با استفاده از دو ترکیب یا بیش‌تر – تقریباً شبیه به روغن موتورهای تابستانی و زمستانی اتوموبیل‌ها. فیلیسکو تنها پژوهش‌گری بود که ادعا کرد سیالی ابداع کرده که می‌تواند در گستره‌ی 60- تا 350 درجه‌ی سانتی‌گراد کار کند.
ذرات معلق در سیال هم‌چنین می‌توانند مشکلاتی ایجاد کنند. سختی پلیمرها به اندازه‌ی سختی ذرات فلزی یا معدنی نیست، و بنابراین آن‌ها ظرف را نمی‌خراشند، اما بسیاری از آن‌ها فقط در محدوده‌ی کوچکی از دما می‌توانند کار کنند. برای مثال، محدوده‌ی دمای کار سیالی که در انستیتوی کرینفلند ابداع شد 25- تا 80 درجه‌ی سانتی‌گراد است. سیلیکات‌ها ممکن است ویسکوزیته (لزجت) سیال را آن قدر زیاد کنند که دیگر قابل استفاده نباشد، یا این که ممکن است در محلول ته نشین شوند. شاید شرکت آلمانی بایر راهی برای حل این مسأله پیدا کرده باشد. این شرکت سیالی ابداع کرد که متشکل از ذرات سیلیکات آلومینیم در روغن سیلیکونی است و علاوه بر این، حاوی اجزای سیلیکونی دیگری نیز هست که به عنوان عامل‌های پراکنده‌ ساز عمل می‌کنند. با استفاده از این ترکیب، بایر توانست ذرات بیش‌تری به سیال بیافزاید بدون آن که ته‌نشین شوند. این شرکت درپی آن بود که ذرات بیش‌تری به محلول بیفزاید زیرا که هرچه سیال چگال‌تر باشد اثر الکترو رئولوژیکی آن قوی‌تر می‌شود.
درحال حاضر، استحکام برشی سیال‌ها بین پنج تا ده کیلو پاسکال است. اما در بسیاری از کاربردهای پیشنهادی به سیال‌هایی نیاز است که پنج برابر مستحکم‌تر از این باشند. استحکام برشی ماده، عبارت است از توانایی آن در تحمل تنش برشی بدون آن که گسیخته یا به اصطلاح قیچی شود. برای مثال، کلاچ اتوموبیل به سیالی نیاز دارد که در گستره‌ی وسیعی از دماهای هوای باز بسیار مستحکم باشد. هنوز هیچ ترکیبی پیدا نشده است که چنین خواصی داشته باشد.
سه شرکت بزرگ اتوموبیل‌سازی در امریکا، یعنی فورد، جنرال موتورز، و کرایسلر، و نیز شرکت‌های دیگری در اروپا و ژاپن، پی‌گیرانه در تلاش برای یافتن راه‌های استفاده از سیال‌های ER در کلاچ، ترمز، و فرمان اتوموبیل هستند. آن‌ها هم‌چنین می‌خواهند دستگاه‌های تعلیق (فنربندی) «اداره شده‌ای» طراحی کنند که قادر باشند به بسامد ارتعاش‌های تولید شده در جاده پاسخ دهند و خود را تنظیم کنند تا سواری با اتوموبیل ملایم‌تر و آسوده‌تر باشد. برخی از پژوهش‌گران بر رعایت احتیاط اصرار دارند. قطعات و اجزای الکترو رئولوژیکی پیشنهادی برای اتوموبیل هنوز بسیار گران‌تر از قطعات معمولی‌اند، اما غالباً این مزیتِ مهمِ اسباب‌های مبتنی بر سیال‌های ER که می‌توانند به سرعت واکنش نشان دهند و خاموش یا روشن شوند نادیده گرفته می‌شود. اما پرسش استنگتروم این بود: «چند تا از قطعات اتوموبیل قطعاً به پاسخ بسیار سریع نیاز دارند؟» شاید در کلاچ اتوموبیل به سرعتِ عملی که سیال ER می‌تواند تأمین کند نیازی نباشد.
کاربردهای ناسنجیده، یکی از دلایل عدم توفیق الکترو رئولوژی در گذشته بوده است. دلیل دیگر این است که پژوهش در زمینه‌ی سیال، به درستی و به طور کامل در هیچ رشته‌ای نمی‌گنجد: معدودند شرکت‌هایی که به تنهایی بضاعت تجربی برای ابداع و تکمیل کاربردهای سیال‌های ER را داشته باشند. یکی از پیش شرط‌های مهم، داشتن دانش و شناخت کافی از شیمی و رئولوژی ترکیب‌های گوناگون سیال است. اما علاوه بر این، دانشِ کار در زمینه‌ی تکنولوژی لازم برای اعمال ولتاژهای خبلی زیاد و توانایی طراحی، مهندسی، و تولید اسباب‌های عملی نیز ضروری است. فقط در ژاپن، نشانه‌هایی از پژوهش منظم و هماهنگ در مقیاس وسیع به چشم می‌خورد. وزارت صنایع و بازرگانی بین المللی ژاپن، اجرای برنامه‌ی پژوهشی عمده‌ای را در دستور کار داشت. در بین شرکت‌هایی که مورد توجه این برنامه قرار داشتند می‌توان به بریجستون، آیسین (شعبه‌ای از تویوتا)، و سومیتومو اشاره کرد، که همگی قطعات اتوموبیل می‌سازد. در انگلستان، فرانسه، و امریکا نیز چند سازمان بزرگ سرگرم پژوهش در زمینه‌ی سیال‌های ER و کاربردهای آن‌ها هستند. یکی از مشتاق‌ترین دانشمندان در این زمینه، بیل بالو بود که در دانشگاه شیفیلد کار می‌کرد. او بیان داشت که سیال‌های ER می‌توانند آغازگر عصر سوم ماشین باشند. دو عصر قبلی با مکانیزاسیون و الکترونیک شروع شده بود. با وجود این که تجهیزات میکروالکترونیکی امروزی قادرند با ظرفیت زیادی کار کنند (و هر سال نیز ظرفیت آن‌ها را بیش‌تر می‌کنند) دیگر هر چیزی که با قطعات مکانیکی متحرک کار کند به تدریج زمخت و انعطاف‌ناپذیر می‌شود. به بیان بولو، سیال‌های ER، در مقایسه با آهن‌رباهای الکتریکی و موتورهای کنترلی، فصل مشترک مناسب‌تری بین الکترونیک و قطعات مکانیکی وسایل تکنولوژیکی می‌توانند باشند.
اعضای مصنوعی، برای ربوت‌ها یا انسان‌، کاربرد جالبی هستند، چون دراین مواد لازم نیست که سیال ER به استحکام سیالی باشد که در کلاچ اتوموبیل به کار برده می‌شود. هم‌چنین، این وسایل در محیط‌هایی معمولی مانند اداره و انبار و خانه که در آن‌ها دما کنترل می‌شود (یا غالباً در حدود معمولی است)، مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این موارد، خطرِ عدم کارایی ناشی از خراب شدن سیال براثر سرما یا گرمای شدید، کاهش می‌یابد. وسایل اداری مانند دستگاه‌های فتوکپی برای درگیر کردن غلتک‌هایی که کاغذ را پیش می‌رانند تعداد زیادی کلاچ دارند. این دستگاه‌ها، منبع ولتاژ زیاد نیز دارند. از سوی دیگر، قطعات مکانیکی دیر یا زود فرسوده می‌شوند. با همه‌ی این‌ها به قول دوگ بروکس، هنوز هیچ کس کلاچ الکترو رئولوژیکی مناسبی برای دستگاه فتوکپی نساخته است.

از موارد استفاده‌ی دیگر، اسبابی است برای کنترل کردن کشش در سیم فولادی. قرقره‌هایی که سیم را می‌کشند و به دور خود می‌پیچند باید کشش ثابتی را در سیم حفظ کنند تا قطر سیمِ نهایی یک‌نواخت باشد. در فرایند سیم کِشی، سیمی کلفت‌تر را از درون روزنه‌ی قالب با قطر مورد نظر می‌کشند و به سیمی نازک‌تر تبدیل می‌کنند. این اسباب به وسیله‌ی کلاچ الکترو رئولوژیکی کنترل می‌شود. شرکت سازنده مدعی بود که این اسباب، تغییرات کشش را در کم‌تر از نیم درصد نگه می‌دارد. اسباب‌های مبتنی بر سیال ER می‌توانند جای‌گزین آهن‌رباهای مغناطیسی در ماشین‌های پرسرعت، مثلاً ماشین‌های فرش بافی، بشوند. سیال ER این مزیت را دارد که سرعت عمل (قطع و وصل) آن حداقل ده برابر آهن‌رباست. به گفته‌ی بولو، برای ماشین‌های پرسرعت، سیال‌های ER می‌توانند مهم‌تر از ابررساناها باشند.