آشنایی با مواد هوشمند نوع دوم

همه اجسام و محیطهای اطراف آنها مقدار مشخصی انرژی دارند. وقتی حالت (سطح) انرژی ماده با حالت انرژی محیط پیرامونش یکسان است می‌گوییم ماده در تعادل است و این به آن معناست که تغییر انرژی وجود نخواهد داشت. اما اگر ماده در حالت انرژی متفاوتی از حالت انرژی محیط قرار داشته باشد پتانسیلی برای تغییر حالت انرژی وجود دارد. تمام مواد مبدل انرژی این کار را از طریق سطوح انرژی اتمی انجام می‌دهند؛ به این صورت که انرژی ورودی سطح انرژی را بالا برده و انرژی خروجی موجب بازگشت به سطح اولیه می‌شود (شکل ۱). به عنوان مثال وقتی تابشهای خورشیدی به یک ماده فوتوولتائیک برخورد می‌کنند انرژی فوتونها توسط ماده -یا به طور دقیقتر، اتمهای ماده- جذب می‌شود و این انرژی باعث می‌شود که اتمها به سطح بالاتری از انرژی حرکت کنند. اتمها قادر نیستند که این شرایط جدید را حفظ کنند و باید انرژی خود را آزاد کنند که در مواد فوتوولتائیک این آزادسازی انرژی به صورت تولید الکتریسیته و به کمک مواد نیمه رسانا انجام می‌شود.
به این نکته دقت کنید که در تمامی مواد (هوشمند و غیر هوشمند) مقدار انرژی باید ثابت بماند و اینکه با اضافه کردن انرژی به مواد سطح انرژی آنها بالا می‌رود. در اکثر مواد این انرژی افزوده شده به صورت افزایش انرژی درونی جسم خود را آشکار می‌کند که معمولا هم به صورت گرما است؛ اما مواد هوشمند این قابلیت خود که می‌توانند انرژی را به حالتهای مفیدتر تبدیل کنند می‌دانند و این کار را انجام می‌دهند.
بسیاری ار مواد مبدل انرژی به صورت دو طرفه عمل می‌کنند و جای انرژی ورودی و خروجی می‌تواند عوض شود. استثنائات اصلی در این زمینه موادی هستند که انرژی تابشی را تبدیل می‌کنند و از آنجایی که این تبدیل انرژی بسیار کم بازده است این فرآیند بازگشت ناپذیر می‌شود. علاوه بر این، بر خلاف اکثر مواد هوشمند نوع اول –که خصوصیاتشان در برابر محرک خارجی تغییر می‌کرد- (البته نه همه آنها)، تقریبا همه مواد مبدل انرژی از مواد مرکب هستند که البته در اینجا هم استثنائاتی وجود دارد.
در ادامه با برخی از مواد این دسته آشنا می‌شویم:
● مواد نورتاب
لومینسانس به تابش نوری گویند که عامل ایجاد آن التهاب ماده (همانند لامپهای رشته‌ای) نیست و عواملی مانند واکنش شیمیایی موجب آن می‌شود. به طور دقیقتر می‌توان گفت که لومینسانس تابش نور بر اثر دریافت انرژی است. در واقع این مواد انرژی دریافت شده را در طول موجهای قابل رویت بازتاب می‌دهند. ماده بر اثر منبع محرک (مانند الکتریسیته، واکنش شیمیایی و یا حتی اصطکاک) تحریک شده و در بازگشت اتمها به حالت اولیه‌شان این تابش نور رخ می‌دهد. در واقع این مواد معکوس مواد فوتوولتائیک (که نور را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند) عمل می‌کنند. برای آشنایی بیشتر با مواد فوتوولتائیک (که احتمال دارد آن را با نام سلول خورشیدی بشناسید) یک پویانمایی زیبا در شکل ۲ نشان داده شده است.
از موادی که در اثر محرک الکتریسیته نور از خود ساطع می‌کنند می‌توان به دیودهای نوری (دیودهای ناشر نور) اشاره کرد. یک دیود نوری در واقع یک نیمه‌ رسانا است که با عبور جریان از آن از خود نور می‌تابد. به نظر می‌آید که دانش کلی در مورد نیمه رساناها ضروری است اما از آنجایی که ربط آن با دنیای نانو کمی کم رنگ است در اینجا در مورد آن بحث نمی‌کنیم ولی در صورت لزوم (که با ایمیلهای و درخواستهای شما مشخص می‌شود) در کنار مطالب جلسات آینده مختصری بیان می‌شود.
یکی دیگر از مواد نورتاب موادی هستند که در اثر اعمال فشار از خود نور ساطع می‌کنند. این دسته از مواد بسیار رایج شده‌اند و به راحتی و در اشکال مختلف قابل دسترسی هستند.
● پیزو الکتریک
در این قسمت با پیزوالکتریکها آشنا می‌شویم که در محصولات بسیاری نظیر میکروفونها، بلندگوها، فندکها و چاقوهای جراحی کاربرد دارند. در مواد پیزوالکتریک یک نیروی مکانیکی موجب تغییر شکل ماده و این تغییر شکل موجب تولید الکتریسیته می‌شود و همچنین اگر به این مواد انرژی الکتریکی وارد شود ماده از خود تغییر شکل نشان می‌دهد که این تغییر شکل نیز قابل تبدیل به یک نیروی مکانیکی است. شاید این نکته نیز برایتان جالب باشد که بدانید پیزو در زبان یونانی به معنای فشار است. همچنین برای آشنایی بیشتر باید بدانید که میزان الکتریسیته تولیدی به ازای یک میکرومتر تغییر شکل در مقیاس یک هزارم تا حدود یک دهم ولت و میزان تغییر شکل آن به ازای یک ولت در مقیاس پیکو متر تا حدود نانو می‌باشد. البته این اطلاعات تخمینی است و برای انواع و اقسام مواد پیزو متفاوت است.
تنوع مواد هوشمند و نحوه عملکرد آنها را نمی‌توان به راحتی در قالب یکی دو جلسه پوشش داد اما تلاش کردیم که در حد یک آشنایی اولیه با برخی از آنها مطالبی را بیان کنیم. در جلسه آینده مبحث کاربردهای این مواد را آغاز می‌کنیم. با توجه به اینکه مواد پیزو الکتریک کاربردهای گسترده‌ای در زندگی پیدا کرده‌اند پیشنهاد می‌کنم که شما هم سعی کنید کاربردهایی را ابداع کنید. البته این امتحان را می‌توانید با سایر مواد هوشمند نیز انجام دهید. مطمئنا تجربه خوبی خواهد بود.

منبع : باشگاه دانش‌آموزی نانو