آشنايي با مواد هوشمند نوع دوم

به عنوان مثال وقتي تابشهاي خورشيدي به يک ماده فوتوولتائيک برخورد مي‌کنند انرژي فوتونها توسط ماده -يا به طور دقيقتر، اتمهاي ماده- جذب مي‌شود و اين انرژي باعث مي‌شود که اتمها به سطح بالاتري از انرژي حرکت کنند. اتمها قادر نيستند که اين شرايط جديد را حفظ کنند و بايد انرژي خود را آزاد کنند که در مواد فوتوولتائيک اين آزادسازي انرژي به صورت توليد الکتريسيته و به کمک مواد نيمه رسانا انجام مي‌شود.

شکل 1: چگونگي تغيير سطوح انرژي در اثر تابش نور

به اين نکته دقت کنيد که در تمامي مواد (هوشمند و غير هوشمند) مقدار انرژي بايد ثابت بماند و اينکه با اضافه کردن انرژي به مواد سطح انرژي آنها بالا مي‌رود. در اکثر مواد اين انرژي افزوده شده به صورت افزايش انرژي دروني جسم خود را آشکار مي‌کند که معمولا هم به صورت گرما است؛ اما مواد هوشمند اين قابليت خود که مي‌توانند انرژي را به حالتهاي مفيدتر تبديل کنند مي‌دانند و اين کار را انجام مي‌دهند.
بسياري ار مواد مبدل انرژي به صورت دو طرفه عمل مي‌کنند و جاي انرژي ورودي و خروجي مي‌تواند عوض شود. استثنائات اصلي در اين زمينه موادي هستند که انرژي تابشي را تبديل مي‌کنند و از آنجايي که اين تبديل انرژي بسيار کم بازده است اين فرآيند بازگشت ناپذير مي‌شود. علاوه بر اين، بر خلاف اکثر مواد هوشمند نوع اول –که خصوصياتشان در برابر محرک خارجي تغيير مي‌کرد- (البته نه همه آنها)، تقريبا همه مواد مبدل انرژي از مواد مرکب هستند که البته در اينجا هم استثنائاتي وجود دارد.
در ادامه با برخي از مواد اين دسته آشنا مي‌شويم:


مواد نورتاب
لومينسانس به تابش نوري گويند که عامل ايجاد آن التهاب ماده (همانند لامپهاي رشته‌اي) نيست و عواملي مانند واکنش شيميايي موجب آن مي‌شود. به طور دقيقتر مي‌توان گفت که لومينسانس تابش نور بر اثر دريافت انرژي است. در واقع اين مواد انرژي دريافت شده را در طول موجهاي قابل رويت بازتاب مي‌دهند. ماده بر اثر منبع محرک (مانند الکتريسيته، واکنش شيميايي و يا حتي اصطکاک) تحريک شده و در بازگشت اتمها به حالت اوليه‌شان اين تابش نور رخ مي‌دهد. در واقع اين مواد معکوس مواد فوتوولتائيک (که نور را به الکتريسيته تبديل مي‌کنند) عمل مي‌کنند.

از موادي که در اثر محرک الکتريسيته نور از خود ساطع مي‌کنند مي‌توان به ديودهاي نوري (ديودهاي ناشر نور) اشاره کرد. يک ديود نوري در واقع يک نيمه‌ رسانا است که با عبور جريان از آن از خود نور مي‌تابد. به نظر مي‌آيد که دانش کلي در مورد نيمه رساناها ضروري است اما از آنجايي که ربط آن با دنياي نانو کمي کم رنگ است در اينجا در مورد آن بحث نمي‌کنيم ولي در صورت لزوم (که با ايميلهاي و درخواستهاي شما مشخص مي‌شود) در کنار مطالب جلسات آينده مختصري بيان مي‌شود.
يکي ديگر از مواد نورتاب موادي هستند که در اثر اعمال فشار از خود نور ساطع مي‌کنند. اين دسته از مواد بسيار رايج شده‌اند و به راحتي و در اشکال مختلف قابل دسترسي هستند. در شکل 3 يک نمونه آن ديده مي‌شود.

شکل 3: يک قورباغه که با فشار دادن روشن مي‌شود!

پيزو الکتريک
در اين قسمت با پيزوالکتريکها آشنا مي‌شويم که در محصولات بسياري نظير ميکروفونها، بلندگوها، فندکها و چاقوهاي جراحي کاربرد دارند. در مواد پيزوالکتريک يک نيروي مکانيکي موجب تغيير شکل ماده و اين تغيير شکل موجب توليد الکتريسيته مي‌شود و همچنين اگر به اين مواد انرژي الکتريکي وارد شود ماده از خود تغيير شکل نشان مي‌دهد که اين تغيير شکل نيز قابل تبديل به يک نيروي مکانيکي است (شکل 4). شايد اين نکته نيز برايتان جالب باشد که بدانيد پيزو در زبان يوناني به معناي فشار است. همچنين براي آشنايي بيشتر بايد بدانيد که ميزان الکتريسيته توليدي به ازاي يک ميکرومتر تغيير شکل در مقياس يک هزارم تا حدود يک دهم ولت و ميزان تغيير شکل آن به ازاي يک ولت در مقياس پيکو متر تا حدود نانو مي‌باشد. البته اين اطلاعات تخميني است و براي انواع و اقسام مواد پيزو متفاوت است.

شکل 4: نحوه عملکرد يک ماده پيزوالکتريک

تنوع مواد هوشمند و نحوه عملکرد آنها را نمي‌توان به راحتي در قالب يکي دو جلسه پوشش داد اما تلاش کرديم که در حد يک آشنايي اوليه با برخي از آنها مطالبي را بيان کنيم. در جلسه آينده مبحث کاربردهاي اين مواد را آغاز مي‌کنيم. با توجه به اينکه مواد پيزو الکتريک کاربردهاي گسترده‌اي در زندگي پيدا کرده‌اند پيشنهاد مي‌کنم که شما هم سعي کنيد کاربردهايي را ابداع کنيد. البته اين امتحان را مي‌توانيد با ساير مواد هوشمند نيز انجام دهيد. مطمئنا تجربه خوبي خواهد بود.

این مقاله را در سایت باشگاه نانو هم می توانید مطالعه کنید