نانومواد هوشمند

۱- مقدمه

مواد هوشمند موادی هستند که می‌توانند در اثر تغییر شرایط محیطی، تغییر شرایط را حس و پردازش کنند و نسبت به آن واکنش نشان دهند. به علت این خاصیت، از این مواد در کاربردهای گوناگونی استفاده می‌شود؛ از جمله آنها می‌توان به مواد کرومیک (فتوکرومیک، الکتروکرمیک و ...)، پیزوالکتریک، ترموالکتریک، فتوولتائیک، فلزات حافظه‌دار و نورتاب اشاره نمود. البته دایره این مواد بسیار وسیع‌تر است و شامل موارد دیگری همچون سطوح خودتمیزشونده یا مواد تغییرفازدهنده هم می‌شود. استفاده از نانومواد در مواد هوشمند باعث بهبود قابل توجه برخی از ویژگی‌های آنها و همین‌طور ایجاد ویژگی‌های جدید در آنها شده است. دسته‌بندی مواد هوشمند طبق مولفه‌های مختلفی می‌تواند باشد؛ در ادامه یکی از دسته‌بندی‌های مرسوم بیان شده است [۱].

۲- انواع مواد هوشمند و معرفی

عموما مواد هوشمند را به دو دسته تقسیم‌بندی می‌کنند. دسته اول، موادی هستند که در اثر تغییر شرایط محیطی تغییر خاصیت از خود نشان می‌دهند. این تغییر خاصیت می‌تواند الکتریکی، نوری، مکانیکی، گرمایی، شیمیایی و مغناطیسی باشد. از جمله این مواد می‌توان به مواد کرومیک اشاره کرد که در اثر موارد مختلفی همچون گرما، نور، الکتریسیته و ... تغییر رنگ می‌دهند[۱].

دسته دوم موادی هستند که انرژی را از نوعی به نوع دیگر تبدیل می‌کنند. برای مثال می‌توانند انرژی گرمایی را به انرژی الکتریکی تبدیل کنند (مواد ترموالکتریک). در ادامه توضیحات بیشتری راجع به هرکدام از این مواد آورده شده است.

۱-۲- مواد کرومیک

همان‌طور که گفته شد این دسته از مواد جزو دسته اول مواد هوشمند محسوب می‌شوند. باتوجه به اینکه تغییر رنگ در اثر چه عاملی باشد به انواع مختلفی همچون فوتوکرومیک (در اثر تغییر نور)، الکتروکرومیک (در اثر تغییر جریان الکتریکی)، ترموکرومیک (در اثر تغییر دما)، کموکرومیک (در اثر تغییر شرایط شیمیایی) و مکانوکرومیک (در اثر تغییر شکل مکانیکی) تقسیم می‌شوند.

۱-۱-۲- فتوکرومیک

این مواد در اثر تابش نور (که معمولا نور ماوراء بنفش است)، ساختار شیمیایی‌شان تغییر می‌کند و به ساختاری با جذب بیشتر تبدیل می‌شوند. در نتیجه این امر تیره‌تر دیده می‌شوند. نکته مهم در آنها این است که در صورتی‌که به آنها نور تابیده نشود، مجددا می‌توانند به حالت اول بازگردند و دوباره بی‌رنگ دیده شوند. همچنین این تغییر ساختار نباید به آهستگی انجام شود. یکی از کاربردهای رایج این مواد که احتمالا آن را مشاهده کردید، در عینک‌های فتوکرومیک است که در اثر تابش نور خورشید رنگشان تیره می‌شود. همچنین از آنها در پنجره‌های هوشمند برخی ساختمان‌ها استفاده می‌شود [۱].

از جمله نانومواد فتوکرومیک می‌توان به نانوبلورهای دی‌آریل اتن^[۱] اشاره نمود.

شکل۱- نمایش خاصیت فتوکرومیک؛ تغییر رنگ پس از ۱ ثانیه و بازگشت به حالت اول پس از ۳۰ ثانیه[۲]

۲-۱-۲- ترموکرومیک

این مواد در اثر جذب گرما تغییر ساختار شیمیایی یا تغییر فاز می‌دهند و رنگ دیگری از خود نمایش می‌دهند. از جمله کاربردهای آنها می‌توان به ماگ‌های حرارتی اشاره کرد که در اثر تغییر دما از خود طرح‌های متفاوتی نشان می‌دهند. همچنین از آنها می‌توان در دماسنج‌های نواری استفاده نمود و برای مثال طبق آن دمای بدن افراد را مشاهده نمود. همچنین در موارد دیگری مثل صندلی‌های گرمایی یا سایر کاربردهایی که بیشتر جنبه سرگرمی دارند می‌توانند استفاده شوند. در این موارد نیز بازگشت پذیر بودن این خاصیت و عملکرد سریع آن اهمیت فراوان دارد [۳].

برای مثال می‌توان به نانوذرات نقره با پوشش دودسیل تیول یا شبکه نانوذرات ایمیدازولیومی^[۲]کلرید مس اشاره نمود (شکل۲).

شکل۲- خاصیت ترموکرومیک شبکه نانوذرات ایمیدازولیومی کلرید مس [۴]

۳-۱-۲- کموکرومیک

در این مواد در اثر واکنش شیمیایی ساختارهایی با رنگ‌های متفاوت می‌تواند ایجاد شود. از جمله آنها می‌توان به کاغذ تورنسل اشاره نمود که باتوجه به اسیدی یا بازی بودن محیط از خود رنگ‌های متفاوتی را نشان می‌دهد (شکل۳).

شکل۳- خاصیت ترموکرومیک کاغذ تورنسل

۴-۱-۲- مکانوکرومیک

در این مواد در اثر فشار یا تغییرشکل مکانیکی، خصوصیات بازتابی یا جذبی تغییر می‌کند و ماده از خود رنگ‌های متفاوتی را نشان می‌دهد. از جمله آن می‌توان به موادی اشاره نمود که در اثر فشار یا کشش، متن پنهانی که بر روی آن نوشته شده بود را نشان می‌دهد. در شکل4 این خاصیت نمایش داده شده است. همان طور که مشاهده می‌کنید، با افزایش کرنش اعمالی از ۰% تا ۵۰% تغییر رنگ صورت پذیرفته است.

شکل۴- خاصیت مکانوکرومیک؛ تغییر رنگ در اثر وارد شدن کرنش‌های ۰ الی ۵۰ درصد به ماده [۵]

۵-۱-۲- الکتروکرومیک

در این مواد در اثر تغییر جریان الکتریکی، خصوصیات جذب و بازتاب ماده تغییر می‌کند و در اثر آن ماده می‌تواند به صورت بازگشت‌پذیر شفاف و یا تیره شود. یکی از کاربردهای مهم این مواد در پنجره‌های الکتروکرومیک است. در این پنجره‌ها می‌توان با تغییر ولتاژ، میزان تیره بودن پنجره و در اثر آن میزان عبور نور از خارج به داخل محیط را تنظیم نمود.برای مثال می‌توان به نانوذرات اکسید قلع ایندیوم و ۱، ۱- دی دودسیل-۴،۴- بای پیریدینیوم دی برمید^[۳] اشاره نمود [۶].

۲-۲- مواد حافظه دار

این مواد نیز جزو مواد هوشمند دسته اول محسوب می‌شوند. این مواد می‌توانند شکل اولیه خود را به خاطر بسپارند و در صورت تغییر آن، در شرایط خاصی به حالت اول خود برگردند. یکی از معروف‌ترین دسته آنها سیم‌های حافظه‌دار (مثل نایتینول که از نیکل و تیتانیوم ساخته شده است) هستند. این سیم‌ها را می‌توان به شکل دلخواه درآورد و سپس با گرم کردن آنها تا یک دمای مشخص، مجددا آنها را به شکل اولیه خود بازگرداند (شکل۵). مثال دیگر مربوط به سیم‌های ماهیچه‌ای است که در اثر عبور جریان الکتریکی می‌توانند تغییر طول بدهند و به اندازه قبلی خود برگردند. این سیم‌های حافظه‌دار کاربردهای مختلفی در سنسورها (حرکت و دما)، دستگاه‌های بالابر، اسباب‌بازی‌ها، کوپلینگ‌ها، موتورهای حرارتی و ایمپلنت‌ها و وسایل پزشکی (مثل استنت‌ها، کاترها، سیم‌های اتصال دندان و سوزن‌ها) به دلیل زیست‌سازگاری مناسب آنها با بدن انسان دارند[۱].

شکل۵- سیم‌های فلزی حافظه دار؛ تغییر شکل در اثر افزایش دما و برگشت به شکل اولیه

۳-۲- مواد نورتاب (فتولومینسانس^[۴])

این مواد جزو نوع دوم مواد هوشمند محسوب می‌شوند. این مواد در اثر دریافت انرژی از خود نور ساطع می‌کنند. منبع انرژی آنها می‌تواند موارد مختلفی همچون واکنش شیمیایی، الکتریسیته یا اصطکاک باشد. در این مواد، در اثر دریافت انرژی، اتم‌ها تحریک می‌شوند و به حالت برانگیخته قرار می‌گیرند. با بازگشت اتم‌ها به حالت اولیه‌شان نور ساطع می‌شود. از جمله آنها می‌توان به کرم‌ شب‌تاب (شکل۶) اشاره نمود که در اثر واکنش شیمیایی از خود نور ساطع می‌کند. یا می‌توان به دیودهای نشرکننده نور (شکل۷) اشاره نمود که در اثر انرژی الکتریسیته از خود نور ساطع می‌کند [۷].

شکل۶- نورتابی کرم شب‌تاب در اثر فعل و انفعالات شیمیایی

شکل۷- خاصیت نورتابی در دیود‌های منتشر کننده نور

۴-۲- مواد پیزوالکتریک^[۵]

این مواد نیز از نوع دوم مواد هوشمند محسوب می‌شوند. مواد پیزوالکتریک، حرکت مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند یا بالعکس. نانوسیم‌های روی (Zn) از معرف‌ترین نانومواد پیزوالکتریک است که به عنوان یک نانوژنراتور استفاده می‌شود. برای مثال با استفاده از این نانوسیم‌ها می‌توان انرژی الکتریکی موردنیاز برای حرکت یک نانوابزار در بدن انسان را تامین کرد. منبع ایجاد حرکت مکانیکی می‌تواند ضربان قلب، حرکت خون یا تنفس فرد باشد. همچنین از مواد پیزوالکتریک می‌توان در دست‌اندازها یا موارد این چنین استفاده نمود تا از حرکت مکانیکی ایجاد شده الکتریسیته تولید نمود (شکل۸). کاربرد معروف دیگر مواد پیزوالکتریک در میکروسکوپ‌های تونلی روبشی (STM) است (به مقاله مربوطه مراجعه کنید). علاوه بر کاربردهای مذکور، پیزوالکتریک‌ها در مواردی همچون بلندگوها، چاقوهای جراحی، سنسورها (فشار، صوت، ضخامت و غیره) و فندک‌ها نیز کاربرد دارند. علاوه بر نانوسیم‌های اکسید روی، ساختارهای دیگری همچون تیتانات زیرکونات سرب ($\mathrm{PZT}$)^[۶]، سولفید کادمیم، نیترید گالیوم، پلی‌وینیلیدن فلورید($\mathrm{PVDF}$)^[۷]، کوارتز و غیره نیز از خود خاصیت پیزوالکتریکی نشان می‌دهند [۸].

شکل۸- استفاده از نانوسیم‌های اکسید روی به عنوان نانوژنراتور برای تولید الکتریسیته از حرکت خودروها بر روی صفحه نانوژنراتور [۸]

۵-۲- مواد فتوولتائیک^[۸]

مواد فتوولتائیک، در اثر تابش نور جریان الکتریکی تولید می‌کنند. از این مواد در سلول‌های خورشیدی فتوولتائیکی استفاده می‌شود (شکل۹). از جمله این مواد می‌توان به نانومواد اکسیدی نیمه‌رسانا همچون دی اکسید تیتانیوم اشاره نمود. برای آشنایی بیشتر با این مواد به مقاله سلول‌های خورشیدی فتوولتائیک مراجعه کنید.

شکل۹- صفحات سلول‌های خورشیدی فتوولتائیک

۶-۲- مواد ترموالکتریک^[۹]

در این مواد در اثر تغییرات دمایی، انرژی الکتریکی تولید می‌شود یا بالعکس. در مقیاس اتمی، وجود اختلاف دما در ماده باعث می‌شود که حامل‌های بار از قسمت گرم‌تر ماده به قسمت سردتر آن حرکت کنند. از این پدیده می‌توان جهت تولید الکتریسیته استفاده نمود. همچنین این پدیده در کاربردهای دیگری همچون اندازه‌گیری دما یا خنک‌کننده‌ها نیز به کار می‌آید.

شکل۱۰- حرکت الکترون‌ها در اثر اختلاف دما از قیمت داغ به قسمت سرد و ایجاد اختلاف پتانسیل الکتریکی

همان‌طور که در شکل۱۰ نمایش داده شده است، در اثر اختلاف دما، الکترون‌ها از سمت داغ‌تر به سمت سردتر می‌روند. در نتیجه این امر، تمرکز بار منفی در قسمت راست بیشتر می‌شود و عملا سمت راست به صورت خالص منفی و سمت چپ به صورت مثبت دیده می‌شود. در نتیجه این امر یک اختلاف پتانسیل الکتریکی ایجاد می‌شود که به معنای امکان تولید انرژی الکتریکی است.

در مواد ترموالکتریک هم می‌توان از مواد فلزی استفاده نمود و هم از مواد نیمه‌هادی. در یک ماده ترموالکتریک خوب، هدایت الکتریکی باید بالا باشد تا الکتریسیته تولیدی به خوبی جمع آوری شود. از طرف دیگر رسانایی حرارتی باید پایین باشد تا از اتلاف انرژی حرارتی جلوگیری شود. به همین دلیل تحقیقات فراوانی در زمینه استفاده از نانوذرات نیمه‌هادی در حال انجام است (چراکه فلزات در این زمینه محدودیت دارند). قابل ذکر است که در حال حاضر بازده مواد ترموالکتریک پایین است و توجیه اقتصادی ندارند. از جمله نانومواد مورد استفاده در این حوزه می‌توان به ترکیب نانولوله‌کربنی و پلی‌آنیلین اشاره نمود [۹].

۷-۲- مواد تغییر فاز دهنده

مواد تغییر فاز دهنده ($\mathrm{PCM}$)^[۱۰] می‌توانند برای ذخیره انرژی مورداستفاده قرار گیرند. به این صورت که گرما را به صورت ذاتی در خود ذخیره کنند و در شرایط موردنظر آن را آزاد کنند. همین توضیحات به صورت عکس برای سرما نیز صدق می‌کند. از این مواد به عنوان تنظیم‌کننده دما نیز به وفور استفاده می‌شود. این مواد می‌توانند در اثر بلوری شدن، حالت خود را بین مایع و جامد تغییر دهند و میزان مشخصی از گرما را در خود ذخیره یا آزاد کنند. برای مثال می‌توان به امولسیون نانوذرات آلومینا در پارافین برای این کاربرد اشاره نمود [۱۰].

۳- جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

استفاده از نانومواد باعث ایجاد بهبودهای قابل توجه و ایجاد خواص جدیدی در مواد هوشمند شده است، برای مثال می‌توان به نانومواد نیمه‌رسانا در ترموالکتریک‌ها اشاره نمود که به صورت قابل توجهی بازده را افزایش داده اند. در سایر کاربردهایی همچون مواد کرومیک، نورتاب، ترموالکتریک، فتوولتائیک، پیزوالکتریک و سیم‌های حافظه دار نیز نانومواد توجه فراوانی را معطوف خود کرده اند. طبق یکی از دسته‌بندی‌های معمول، این مواد به دودسته تقسیم می‌شوند. دسته اول اختصاص به موادی دارد که در اثر تغییر شرایط محیطی یک یا چند ویژگی‌شان تغییر می‌کند. دسته دوم مربوط به موادی می‌شود که انرژی را از نوعی به نوع دیگر تبدیل می‌کنند. قابل ذکر است که دایره مواد هوشمند وسیع‌تر از این دسته‌بندی‌هاست و در اینجا به برخی از کاربردهای مهم‌تر و معمول‌تر آنها اشاره شد.

برای مطالعه مطالب علمی بیشتر به صفحه مقالات آموزشی سایت باشگاه نانو مراجعه نمایید.

۴- مراجع

[1].Gandhi, Mukesh V., and B. D. Thompson. Smart materials and structures. Springer Science & Business Media, 1992.

[2] Zhu, Ming-Qiang, et al. "Spiropyran-based photochromic polymer nanoparticles with optically switchable luminescence." Journal of the American Chemical Society 128.13 (2006): 4303-4309.

[3] Carotenuto, Gianfranco, and Francesca Nicolais. "Reversible thermochromicnanocomposites based on thiolate-capped silver nanoparticles embedded in amorphous polystyrene." Materials 2.3 (2009): 1323-1340.

[4] Kronstein, Martin, et al. "Irreversible thermochromism in copper chloride Imidazolium Nanoparticle Networks." Physical Chemistry Chemical Physics 15.30 (2013): 12717-12723.

[5] Wu, Pan, et al. "Mechanochromic and thermochromic shape memory photonic crystal films based on core/shell nanoparticles for smart monitoring." Nanoscale 11.42 (2019): 20015-20023.

[6] Nakajima, Ryota, et al. "Electrochromic properties of ITO nanoparticles/viologen composite film electrodes." RSC advances 2.10 (2012): 4377-4381.

[7] Wang, Shaopeng, Sarah Westcott, and Wei Chen. "Nanoparticle luminescence thermometry." The Journal of Physical Chemistry B 106.43 (2002): 11203-11209.

[8] Wang, Sihong, Long Lin, and Zhong Lin Wang. "Nanoscale triboelectric-effect-enabled energy conversion for sustainably powering portable electronics." Nano letters 12.12 (2012): 6339-6346.

[9] Liu, Weishu, et al. "Recent advances in thermoelectric nanocomposites." Nano Energy 1.1 (2012): 42-56.

[10] Ho, ChingJenq, and J. Y. Gao. "Preparation and thermophysical properties of nanoparticle-in-paraffin emulsion as phase change material." International Communications in Heat and Mass Transfer 36.5 (2009): 467-470.

۵- پاورقی

[1]Diarylethene

[2]Imidazolium

[3]1,1′-didodecyl-4,4′-bipyridinium dibromide

[4]Photoluminescence

[5] Piezoelectric

[6]Lead zirconatetitanate

[7]Polyvinylidene fluoride

[8]Photovoltaic

[9] Thermoelectric

[10]Phase change materials