معرفی مولکول‌ها و نانومواد هوشمند
اصطلاح هوشمند به موادی اطلاق می شود که می توانند با درک (Sense) شرایط محیطی اطراف خود، نسبت به آن واکنش (Response) متناسب را نشان دهند. امروزه کاربرد این مواد (بویژه فلزات و کامپوزیت های هوشمند) در بسیاری از حوزه های صنعت گسترش یافته است. در فناوری نانو، واژه هوشمند به ماده ای گفته می شود که بر روی آن تغییراتی انجام گرفته است تا کارایی خاصی از آن بر آید. این مواد گاه به صورت پویا (Dynamic) عمل می کنند، به طوری که می توانند خواص یا ساختار خود را مبتنی بر یک الگوی خارجی تغییر دهد.
1-1- مقدمه
تلاش های فناوری نانو در جهت دستکاری اتم ها، مولکول ها واندازه ذرات با روش هایی دقیق و کنترل شده و با هدف ساخت مواد با ساختاری جدید و در نتیجه خصوصیات جدید می باشد. از جهت دیگر سازه های هوشمند، موادی هستند که شرایط و محرک هایی مانند محرک های مکانیکی، گرمایی، شیمیایی، الکتریکی، مغناطیسی را درک می کند و به آن ها عکس العمل نشان می دهند.
نانو ساختارهای مورد استفاده به عنوان مواد هوشمند، مواردی همچون نانوالیاف کربن، نانوالیاف گرافیت، نانولوله-های کربنی تک دیواره و چند دیواره، همچنین نانو الیاف پلی آمیدی (Polyamide Fibers) را شامل می شوند. چنین نانو موادی در حال حاضر به طور گسترده در منسوجات هوشمند، مورد استفاده قرار می گیرند. نانو مواد کربنی، نقشی کلیدی در صنعت مواد هوشمند برای حسگری (Sensor Industry) دارند. امروزه کاربرد عمده الیاف هوشمند در صنایع تولید پوشاک، عایق حرارتی، پزشکی و صنعت هواپیما سازی مشهود است. این مواد می توانند بسیاری از فناوری ها از جمله ارتباطات را نیز متحول نماید.حسگرها، محرک ها و واحد کنترل سه بخش معمول در نانوساختارهای هوشمند هستند. حسگر یک سیستم عصبی برای تشخیص سیگنال فراهم می کند.
1-2- مواد هوشمند وفناوری نانو
اگر بتوان چیدمان اتمی مواد آلی و معدنی را در حد نانومتر به طور دقیق تعریف نمود، در آن صورت ساخت مواد هوشمند امکان پذیر می شود. قابلیت کار در مقیاس نانو - یعنی سطح نهایی ظرافت - ما را به ایجاد موادی هوشمند با خواص بهتر وکارایی بیشتر از خواص مواد بزرگ مقیاس توانا می کند. حتی فناوری نانو می تواند تقلید از فرایندهای زیستی در ساخت مواد هوشمند را نیز فراهم می آورد.
واضح است که مواد هوشمند از طیف بسیار گسترده ساختارها و فعالیت ها تشکیل می شوند و بسیاری از آن ها در کانون توجه قرار دارند. کنترل ابعاد مواد در حد نانومتر، انتقال انرژی در ابعاد نانو و پردازش اطلاعات را امکان پذیر می سازد
1-3- انواع مولکول ها و نانو مواد هوشمند
با توجه به تعریف¬های ارائه شده برای مواد هوشمند و خصوصیات منحصر به فرد مواد، می توان آنها را به دو گروه مجزا تقسیم کرد:گروه اول را اصطلاحاً "مواد هوشمند نوع اول" یا مواد کرومیک (Chromic) می نامند. این دسته از مواد در پاسخ به محرک های محیط خارجی (خصوصیات شیمیایی، الکتریکی، مغناطیسی، مکانیکی و یا حرارتی) دچار تغییر رنگ می شوند.
این تغییر رنگ ناشی از تغییر خصوصیات نوری این مواد مانند ضریب جذب (کمیتی است بیانگر قدرت یک گونه ی شیمیایی در جذب نور در یک طول موج خاص)، قابلیت بازتاب و یا شکست نور است که در نتیجه تغییر در ساختار این مواد ایجاد می شوند. گروه دوم مواد هوشمند، قابلیت تبدیل انرژی را از حالتی به حالت دیگر دارا هستند. برای مثال ترکیبات فتوولتائیک (Photovoltaic) زیر مجموعه مواد هوشمند نوع دوم هستند که انرژی نوری را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. این ترکیبات امروزه به نحوی گسترده در فناوری های نوین همچون پیل های خورشیدی مورد استفاده اند.
1-3-1- مواد هوشمند نوع اول (ترکیبات کرومیک)
1-3-1-1- مواد فتوکرومیک (Photochromic)بر اثر جذب انرژی تابشی، در ساختار شیمیایی مواد فتوکرومیک تغییر ایجاد شده و از ساختاری با یک میزان مشخص از جذب نور به ساختاری متفاوت با جذب متفاوت تبدیل می شوند. این بدان معناست که ساختار جدید، می تواند جذب نور را با شدت و/یا در طول موجی متفاوت انجام دهد (در هر حالت طیف های مختلفی از نور می توانند با شدت متفاوتی جذب شوند).
به طور معمول از چنین موادی به صورت گسترده در ساخت عینک های طبی محافظ چشم که در مقابل شدت نور بالا تیره می شوند، استفاده می شود. به عنوان مثال، در شکل 1 نانو بلورهای دی آریل اتن (Diarylethene) و خواص فتوکرومیک آن ها نشان داده شده است [1]. تغییر ساختار این کریستال ها را در حضور نور UV مشاهده می کنید. بیشترین استفاده از این مواد در عینک ها و ساخت شیشه پنجره برخی از ساختمان ها می باشد.
شکل 1- تغییر ساختار یک نانوکریستال های دی آریل اتن در برابر اشعه ماوراء بنفش [1]
1-3-1-2- مواد ترموکرومیک (Thermochromic)
این مواد در نتیجه جذب گرما یا تغییرات شیمیایی با تغییر فاز مواجه می شوند. تغییرات ایجاد شده برگشت پذیر است و با از بین رفتن عامل ایجاد کننده تغییرات دمایی این مواد به حالت اولیه باز می گردند.
همان طور که در شکل 2 نشان داده شده است، بر اثر گرم شدن یا سرد شدن، تغییر ساختاری در این نانوذرات ایجاد شده که همین امر باعث تغییر رنگ در این ترکیبات می شود. [2].
شکل 2- تغییر ساختار نانوذرات نقره پوشیده شده با دودسیل تیول در برابرحرارت و
تغییر رنگ در این نانوذرات در اثر حرارت [2]
1-3-1-3- مواد مکانوکرومیک (Mechanochromic) و کموکرومیک (Chemochromic)در برخی از محصولاتی که از این مواد ساخته شده اند با تغییر فشار، نوشته های مخفی شده در سطح به نمایش در خواهند آمد. کاغذهای تورنسل که در محیط های اسیدی و بازی رنگ های متفاوتی دارند نمونه ای از محصولاتی هستند که براساس ویژگی مواد کموکرومیک (Chemochromic) ساخته شده اند.
در شکل 3 مثالی از ماده مکانوکرومیک آورده شده است که در اثر کشش دچار تغییر رنگ می شود [3]. از نانومواد دارای خاصیت مکانوکرمیک در ساخت نانوغشاهای و نانو ربات ها استفاده می شود.
شکل 3- تغییر ساختار یک ماده مکانوکرومیک در برابرکشش [3]
1-3-1-4- مواد الکتروکرومیک (Electrochromic)
این گروه از مواد هوشمند، موادی هستند که در نتیجه قرار گرفتن در یک جریان یا اختلاف پتانسیل الکتریکی رنگ آن ها به صورت بازگشت پذیر تغییر می کند. برای مثال در شکل 4 نانوذرات اکسید قلع ایندیم (Indium Tin Oxide- ITO) و 1، 1-دی دودسیل-4-4-بای پیریدینویم دی برمید قرار گرفته برروی شیشه پوشیده شده با ITOنشان داده شده و خواص الکتروکرومیک بررسی شده است[4].
شکل 4- تغییر رنک مواد الکتروکرومیک با عبور جریان الکتریسته [4]
1-3-2- مواد هوشمند نوع دومگروه دوم مواد هوشمند را گروهی از مواد تشکیل می دهند که دارای قابلیت تبدیل انرژی از حالتی به حالت دیگر هستند. این بدان معنی است که در این دسته از مواد، تحریک و پاسخ در قالب صورت های متفاوتی از انرژی صورت می گیرد. انواع مواد هوشمند دسته دوم در زیر آمده اند.1-3-2-1- مواد فتوولتائیک (Photovoltaic)این مواد در پاسخ به محرک نورمرئی جریان الکتریکی ایجاد می کنند. نانوذرات دی اکسیدتیتانیم در حضور نور فرابنفش این خاصیت را نشان می دهند [5].
1-3-2-2- مواد ترموالکتریک (Thermoelectric)این مواد در مقابل تغییرات دما توانایی تولید برق دارند. این خاصیت در نوع خاصی از نانو لوله کربنی بررسی شده است و مشاهده شده که در ترکیب شبکه کربن نانو لوله با پلی آنیلین نه تنها باعث بهبود خاصیت ترموالکتریک پلی آنیلین می شود بلکه ساختار انعطاف پذیری نانولوله حفظ می گردد [6].
1-3-2-3- مواد نورتاب (لومینسانس کننده)لومینسانس به تابش نوری گفته می شود که عامل ایجاد آن همانند لامپ های رشته ای، التهاب ماده نیست. در واقع این مواد انرژی دریافت شده را به صورت نشر نور آزاد می کنند [6]. از خاصیت لومینسانس برخی از نانو ذرات مانند CdTe و نانوذرات ترکیب شده از ZnS:Mn برای تعیین دما با استفاده از خاصیت لومینسانس استفاده می شود. در این روش ترمومتری (Thermometry) از موادی استفاده می شود که با تغییر دما تغییر لومینسانس می دهند. [7]
شکل 5-تغییر ساختار پلیمر بر اثر حرارت [8]
1-4-کاربرد نانو مواد هوشمنددر زیر مثال هایی پژوهشی از کاربرد نانومواد در ساخت حسگرها، مواد پزشکی هوشمند و منسوجات هوشمند آورده شده است. مثال های موردی دیگری از این قبیل را می توان در مجلات پژوهشی متعدد یافت.
1-1-4- کاربرد به عنوان حسگر گازدر گزارشی توسط هو [10] متوجه شدند که سیستم Ag/SiO2 یک سیستم هوشمند، برگشت پذیر است که در اتمسفرهای مختلف رنگ خاص (جذب خاص) از طیف نوری را از خود نشان می دهد. این تغییرات رنگ بر اساس پدیده تشدید سطحی پلاسمون (Surface Plasmon Resonance - SPR) صورت می گیرد. در شکل 6 تغییر رنگ نانوذرات نقره قرار گرفته شده در سطح سیلیکا را مشاهده می کنید. در حضور اکسیژن هوا نانوذرات Ag موجود در کامپوزیت Ag/SiO2 به یون های+Ag اکسید می شوند.
از آنجا که برخلاف نانوذرات فلزات نجیب، یون های آنها اثر SPR را نشان نمی دهند، رنگ کامپوزیت به طور کلی محو می شود. در صورت حرارت دادن کامپوزیت فوق در اتمسفرهای خنثی و کاهنده نظیر Ar و یا H2، رنگ SPR نانوذرات نقره باز ظاهر می شود. از آنجا که رنگ SPR نانوکامپوزیت کاهش یافته در حضور هوا سریعا (ظرف 10 ثانیه) مجددا بی رنگ می شود (بر اثر اکسیداسیون مجدد نانوذرات نقره)، این کامپوزیت می تواند به عنوان یک کلید (Switch) روشن و خاموش SPR به حساب بیاید.
همچنین گزارش شده است که در معرض گاز هیدروژن سولفید (H2S)، به دلیل تشکیل ترکیبات سولفید هیدروژن (AgS)، رنگ SPR به سمت طول موج هایی متناسب با گپ انرژی نیمه رسانای AgS سوق داده می شود. از آنجا که H2S گازی بی رنگ، آتش گیر و بسیار سمی است، تشخیص آن توسط حسگرهای گازی بسیار با اهمیت است. لذا به دلیل خاصیت تغییر رنگ سریع و برگشت پذیر نانوکامپوریت Ag/SiO2 در مجاورت اتمسفرهای مختلف (SPR Switch)، می توان از آن جهت ساخت حسگرهای گازی استفاده کرد.
شکل 6- سطح هوشمند برگشت پذیر نانو ذرات نقره قرار گرفته برروی سیلیکا حساس به اتمسفرهای مختلف [10]
1-5-2-استفاده از نانو مواد هوشمند در پزشکیدر گزارشی برای شناسایی تومورهای سرطانی و تصویربرداری و کنترل رهایشی دارویی به طور همزمان، از نانوژل پلی(N-ایزوپروپیل آکریل آمید-co-آکریلیک اسید) در نقش پوسته و نانوذره نقره به عنوان هسته (نانوساختار هیبریدی پوسته-هسته) استفاده شده است [11]. ماده تشکیل دهنده پوسته از دسته مواد هوشمندی می باشد که با تغییر اسیدیته محیط واکنش نشان می دهد.
شکل 7- نانوژل هیبریدی هسته-پوسته هوشمند [11]
در تماس با محیط اسیدی، پوسته ساخته شده از نانوژل اصطلاحا در خود جمع می شود (Shrinkage). همین امر به تغییر در فضای اطراف نانوذره Ag به عنوان هسته منجر شده که تغییر در طیف SPR نانوذره را به سمت مقادیر آبی تر نتیجه می دهد. همین تغییر جذب SPR می تواند در تشخیص انتخابی سلول های سرطانی کارآیی داشته باشد. از جهتی این نانوژل است که به نانوذره فلزی اجازه ورود به ساختارهای درون سلول و تغییر رنگ حساس به pH را می دهد. همچنین نانوژل می تواند مقادیر بالایی از دارو را در خود ذخیره نموده و در پاسخ به اسیدیته محیط (بر اثر خاصیت جمع شدگی)، دارو را همزمان و به صورت کنترل شده آزاد نماید. با توجه مکانیسم های ذکر شده در بالا، ساختار هیبریدی پوسته-هسته تشکیل شده از نانوژل و نانوذره نقره، می تواند به طور هوشمند و همزمان وظیفه تصویربرداری و همچنین رهایش کنترل شده دارو را در pH های اسیدی انجام دهد.
-5-3- استفاده نانو مواد هوشمند در نساجی
چند رسانه ای2 :خاصیت ضد باکتری و کاربرد آن در صنعت نساجی
نانو مواد در حال حاضر به طور گسترده ای در منسوجات هوشمند، مورد استفاده قرار می گیرند. خواص منحصر به فرد نانوذرات به دلیل تغییر در خواص مواد در مقیاس نانو است. این امر باعث تمایل تولید کنندگان لباس به استفاده از مواد نانو شده است.
مواد فیبری نساجی شامل پلی اول ها با اتصالات متقاطع (Cross-linked) از این دسته اند. این مواد دارای خواص چند گانه می باشند که مهمترین آنها سازگاری حرارتی، جذب بالا، قابل انعطاف پذیری و خاصیت ضد میکروبی است. خواص سازگاری دمایی و برگشت پذیری به دلیل تغییر فاز پلی اول هاست که در الیاف مورد استفاده قرار می گیرند. در این راستا الیاف های اصلاح شده با فرمول جدید و وزن مولکولی سنگین با استفاده از کاتالیزورهای اسیدی تهیه می شوند.کاربرد الیاف هوشمند با قابلیت سازگاری حرارتی (Thermally Adaptable) در درجه اول در تولید پوشاک و عایق های حرارتی قابل توجه است. با این حال، بسیاری طرح های کاربردی بر پایه حافظه حرارتی هوشمند با استفاده از این الیاف بررسی شده است. لباس های استتار ساخته شده از این مواد برای ارتش مفید خواهد بود. دمای سطوح مختلف برروی این لباس توسط سنسورهای مادون قرمز تشخیص داده می شود و متعادل می گردد.باتغییر ظرفیت تحمل (ظرفیت بافری) حرارتی می توان پارچه هایی را ایجاد کرد که در پزشکی برای درمان سوختگی ها، بهبود گردش خون و تنظیم درجه حرارت در بیماران مبتلا به آرتریت و دیابت استفاده می شوند. تغییرات درجه حرارت سطح پارچه می تواند در ساخت دستگاه های سنجش از راه دور برای تشخیص تغیییر درجه حرارت در صنعت, کشاورزی و باغبانی استفاده می شود.نانو لوله های کربنی (CNT) یکی از نوید بخش ترین بلوک های ساختمانی هستند. قدرت و هدایت بالای الکتریکی آن ها در مقایسه با رسانش ضعیف نانوفیبرهای معمول مورد استفاده در منسوجات، قابل مقایسه نیست. نانو لوله های کربنی جهت ساخت حسگرها در پارچه های هوشمند استفاده می شوند. از آنجا که نانولوله ها توخالی می باشند، قطر آن ها تحت فشار خارجی تغییر می کند. با سنجش این فشار شعاعی می توان فشار وارد شده را تخمین زد [9]. همچنین از نانولوله های کربنی جهت ساخت حسگر حرارتی در پارچه های هوشمند استفاده شده است. با تغییر دما قطر و طول نانولوله تغییر می کند، همچنین ضریب انبساط حرارتی نانو لوله های کربنی تک دیواره در جهت محوری و شعای متفاوت هستند.
1-6- نتیجه گیریهمانطور که اشاره شد، مواد هوشمند، موادی هستند که شرایط و محرک هایی مانند تحریکات مکانیکی، گرمایی، شیمیایی، الکتریکی و مغناطیستی را درک می کند و به آن ها عکس العمل نشان می دهند. با توجه به نوع محرک و نوع عکس العمل، این مواد را به دودسته تقسیم میکنند.گروه اول را اصطلاحاً مواد هوشمند نوع اول یا مواد کرومیک می نامند،. این دسته از مواد در پاسخ به محرک های محیط خارجی (خصوصیات شیمیایی، الکتریکی، مغناطیسی، مکانیکی و یا حرارتی) دچار تغییر رنگ می شوند دسته دوم موادی هستند که می توانند یک حالت از انرژی را به حالتی دیگر تبدیل کنند. امروزه از ترکیبات هوشمند به طور گسترده در ساخت بسیاری از تجهیزات پیشرفته همچون حسگرها، منسوجات هوشمند، سامانه های رهایش دارو، تصویربرداری سلولی و ... استفاده می شود.