مواد هوشمند

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو

مواد هوشمند یا مصالح هوشمند (به انگلیسی: Smart Materials) یا ساختارهای هوشمند، مجموعه (یا جزئی از مجموعه) دارای کارکرد مهندسی هستند که در آنها ساختار دارای توانایی درک و فعال‌شدن را به منظور انجام کار دارد. آلیاژهای حافظه‌دار نوعی از مواد هوشمند به شمار می‌آیند.[۱]

مصالح هوشمند مصالحی هستند که با عملکردی هوشمندانه در مقابل تغییرات محیط می‌توانند مانند موجودات زنده خود را با شرایط محیطی منطبق سازند. برخی از این مواد، هر نوع خدشه و خرابی در ساختار خود را پیش بینی کرده و نقایص خود را برطرف می‌سازند. یک یا چند ویژگی این مصالح مانند شکل، میزان سختی، فرکانس و رنگ آنها در یک حالت کنترل شده یا تحت اثر محرک نیروی الکتریسیته یا میدان‌های مغناطیسی به صورت قابل توجهی تغییر می‌کند. روند ،PH، خارجی مانند فشار، دما، رطوبت که بر مصالح بیولوژیکی نیز Hyper- Functional پیشرفت این مواد از مصالح سازه‌ای و عملکردی آغاز شده به سمت ساخت مصالح برتری دارند پیش می‌رود.[۲]

تعریف هوشمندی[ویرایش]

هوشمند(intelligent)، باهوش(Smart)، حساس(Adaptive) همه برای تعریف ساختارها ومصالحی به کارمی روند که شامل حسگرها ومحرک‌ها (Actuators) بوده وتوانایی سازگاری باتحریکات خارجی مانند بارها وتحریکات محیط رادارند.[۳] معماری هوشمند پویا است؛ بدین معنا که پارامترهای عملکردی اصلی، خود را با توجه به نیاز، تقاضا و شرایط متغیر و پویا تغییر می‌دهند. یک معماری هوشمند همچنین مانند سامانه زنده‌ای قادر به تجربه اندوزی و استفاده از تجارب در شرایط جدید است و بااین خصیصه پویایی و حود سازماندهی سامانه تضمین می‌گردد. ویژگی‌های اصلی معماری هوشمند عبارتند از:

  • پویایی و فعال بودن؛
  • انعطاف‌پذیری و سازگاری با محیط؛
  • واکنش پذیری و پاسخده بودن[۴]

ساختمان هوشمند[ویرایش]

امروزه ساختمانها خود گونه‌ای از تکنولوژی هستند. آنها خود را با تکنولوژی وفق می‌دهند و از آن بهره می‌گیرند. ساختمانها به عنوان یک سازه به محض اینکه توانایی کامپیوتر را در اختیار بگیرند، هوشمند خواهند شد. نخستین بنای هوشمند از تکنولوژی در جهت مهیا ساختن محیطی امن و راحت و انرژی زا بهره می‌برد. ایده یک ساختمان هوشمند، ارتباط و پیوستگی میان دسترسی، نوردهی، امنیت، نظارت، مدیریت و ارتباط راه دور را پیش رو قرار می‌دهد. یک بنای هوشمند، بنایی است که کارآیی و راندمان ساکنانش را افزایش داده و امکان مدیریت موثر را بر اساس مقتضیات خاص و با یک»: کمترین هزینه فراهم آورد.[۵]

خصوصیات[ویرایش]

مواد هوشمند و یا انطباق پذیر خود به دو گونه هوشمند و نیمه هوشمند قابل تقسیم می‌باشند. در مواد هوشمند در برابر محرک‌های فیزیکی یا شیمیایی تغییرات بازگشت پذیر فیزیکی و شیمیایی ایجاد می‌شود. این تغییرات در مواد کاملاً هوشمند به صورت نامتناهی بازگشت پذیر است. در صورتی که مواد نیمه هوشمند توانایی محدودی در تعداد دفعات تغییرات دارند، یک محرک می‌تواند چند تغییر در ماده ایجاد نماید و یا چند محرک مختلف می‌توانند موجب تغییر خاصی در ماده گردند. محرک‌های عمده عبارتند از: تغییر محیط شیمیایی، میدان مغناطیسی و الکتریکی، فشار، حرارت، نور و اشعه ماورا بنفش. تغییرات حاصل، بازده وسیعی را پوشش می‌دهد. برخی از این تغییرات عبارتند از:

  1. تغییر شکل، ابعاد، سطح و بافت به صورت همگن یا موضعی.
  2. تغییر در جریان الکتریکی و تولید جریان الکتریسیته که به عنوان مثال در کفسازی امکان پر رفت‌وآمد برای تولید جریان برق استفاده می‌شود.
  3. تغییر رنگ و شفافیت که در ایجاد محرمیت و بستن فضا کاربرد دارد.
  4. تغییر نوفه و کنترل نوفه مزاحم
  5. تولید بوی خوش بر اثر تحریکات خارجی
  6. قابلیت اصلاح، ترمیم، تقویت و خود تمیز کنندگی که امروزه کاربرد وسیعی در آسمان خراش‌ها یافته‌اند.
  7. قابلیت جذب یا انتشار نوعی مولکول، اتم یا ماده‌ای خاص که در سه حالت ماده که به ویژه برای کاهش آلودگی محیط و تولید مواد مطلوب و ضروری مانند تصفیه هوا و یا آب کاربرد دارد.
  8. امکان تبادل انرژی مانند مواد تغییر فاز دهنده که در پوسته بنا برای کنترل دمای محیط داخلی کاربرد دارند و این مواد حرارت را از محیط گرفته و با تغییر فاز به حالت مایع یا گاز، آن را به صورت نهان در خود ذخیره می‌کنند و در هنگام کاهش دمای محیط با تغییر فاز مجدد، حرارت را به محیط بازپس می‌دهند.[۶]

انواع مصالح هوشمند[ویرایش]

مصالح هوشمند از نظر کارکرد به انواع زیر تقسیم می‌شوند:

  • مواد کروموژنیک
  • مواد پیزوالکتریک
  • آلیاژهای دارای حافظه
  • .MR و مگنتاهستاتیک ER مصالح الکتروهوستاتیک

مصالح کروموژنیک[ویرایش]

مصالح کروموژنیک خاصیت نوری خود را در پاسخ به محرک‌های خارجی (میدان الکتریکی، تزریق یون، شدت نور و دما) تغییر می‌دهند. دامنه این تغییر از شفافیت کامل و انعکاس جزیی تا جذب یا پخش کل نور مریی گسترده است. به این ترتیب مصالح الکتروکرومیک، ترموکرومیک، فتوکرومیک، هالوکرومیک در زیر مجموعه این مواد قرار می‌گیرند. با در نظر گرفتن عامل محرک بین انواعAdaptive این مصالح (فتوکرومیک پاسخ گو به شدت نور و ترموکرومیک ترموتروپیک پاسخ گوبه دما) و مصالح Switchable کریستال‌های مایع(EC وGC) باید تفاوت قائل شد. به این ترتیب مزایای کنترل خودکار و کنترل انتخابی مصالح مشخص می‌شود. به عبارت دیگر برخی مصالح کرموژنیک قابلیت کنترل انتخابی داشته و از این نظر تفاوت عمده‌ای با مصالح فتوکرمیک و ترموکرومیک دارند. زیرا این تغییرات مصالح فتوکرومیک و ترموکرومیک هر چند ممکن است در برخی موارد مطلوب نباشد، به صورت خودکارانجام می‌شود. اما مصالح کروموژنیک Switchable توسط کاربر قابل کنترل هستند و به سیستم مدیریتی ساختمان BMS نیز می‌توانند متصل شوند. مصالح الکتروکرومیک موادی هستند که با استفاده از جریان الکتریکی تغییر رنگ یا شفافیت می‌دهند) مانند کریستال‌های مایع.) شاید این مصالح مناسب ترین نوع برای کنترل انرژی در ساختمان‌ها باشند. شیشه‌های ساخته شده با این مصالح سریعاً از حالت شفاف به کدر تغییر یافته و نور را پراکنده می‌سازند. عملکرد اولیه آنها ایجاد محرمیت وکنترل خیرگی است. تغیر رنگ مصالح تروکرومیک به تغییرات دما بستگی دارد. مصالح هالوکرومیک حساس به PH)) مصالحی هستند که در نتیجه تغییر میزان اسیدیته تغییر رنگ می‌دهند. یکی از موارد استفاده برای رنگ‌هایی است که می‌توانند برای تعیین خوردگی در فلز زیرین خود تغیر رنگ دهند.

مصالح فتوکرومیک به تغییرات نور پاسخ می‌دهند بر خلاف مصالح الکتروکرومیک Switchable وبه صورت دستی نمی‌توانند کنترل شوند. مثلاً در یک روز آفتابی سرد که کسب گرمای خورشیدی بیشتر محسوس است ممکن است یک پنجره فتوکرومیک تاریک شود. اگر عامل محرک تغییر رنگ، محرکی به صورت انرژی مکانیکی باشد، مواد تغییر رنگ دهنده را مکانوکرومیک و چنانچه این عامل محرک، به وسیله تغییر در محیط شیمیایی پیرامونی ایجاد شود، ماده تغییر رنگ دهنده راکموکرومیک می‌نامند.[۷]

کاربرد موادهوشمند[ویرایش]

اهمیت مواد هوشمند هنگامی مشخص می‌شود که نقش آنها را در ایجاد سیستم‌های سازگارتر در نظر آوریم. این مصالح اساس کار سایر سیستم‌های حسگر، سازگار و کنترل شده را تشکیل می‌دهند. هدف نهایی، ساخت موادی با هوشمندی مواد موجود در طبیعت است. با ایجاد خواص مورد نظر در سطح مولکولی، می‌توان مواد ابر هوشمند ساخت که قادرند نقش نظام‌های هوشمند موجود را ایفا، کنند. یک سیستم ساختمانی هوشمند پیشرفته می‌تواند علاوه بر کنترل سیستم ایمنی، انتقال بار، گرمایش، تهویه مطبوع و HVAC اثر بارهای باد و زلزله را اندازه‌گیری نموده و سیستم‌های ضد ارتعاش را در مقابل نیروهای محرک خارجی به کار اندازد. با عرضه مواد هوشمند توانمندی‌ها و امکانات نو در اختیار مهندسان و طراحان قرار خواهد داد. با پیشرفت‌های اخیر در این زمینه برای ایجاد سازه‌های هوشمند مناسب نیازهای امروز و رو به رشد آینده باید چشم دوخت. از مهمترین مصالح هوشمند موجود در صنعت ساختمان می‌توان به بتن و شیشه هوشمند مورد کاربرد در ساختمان‌ها اشاره کرد. در ادامه چند نمونه از مواد هوشمند رایج در نمای ساختمان به صورت موردی بررسی می‌گردد.[۸]

شیشه هوشمند[ویرایش]

در سه دهه آخر قرن ۲۰ تغییرات وسیعی در صنعت شیشه ایجاد شد. در دهه ۶۰ و ۷۰ افزودن رنگ‌هایی برای کاهش اتلاف حرارتی و خیرگی مرسوم شد. این روند در سال‌های بعد به ایجاد فیلم‌های شفاف شیشه از اکسید فلزات، فیبر شیشه، واحدهای رزینی، تیوب‌های اکرلیک، کریستال‌های مایع، ائروژل‌ها و شیشه کاری کرموژنیک منجر شد. این شیشه‌ها به صورت دینامیکی با شرایط اقلیمی متغیر خارجی و نیازهای ساکنین تطبیق داده می‌شود. ایجاد این سیستم‌ها گام بلندی به سمت طراحی پوسته پایدار ساختمان است که نور در آن فاکتور اساسی بوده و علاوه بر کاهش مصرف انرژی، شفافیت و آسایش را به همراه دارد.[۹]

شیشه‌های ترموکرومیک[ویرایش]

با استفاده از پوشش‌هایی از مصالح ترموکرومیک می‌توان نوعی شیشه هوشمند ساخت که بدون مسدود کردن نور، گرما را سد می‌کند. توانایی پوشش برای تغیر وضعیت بین جذب و انعکاس نور به معنی استفاده از مزایای گرمایش خورشید در شرایط زمستانی و انعکاس در دماهای بالاتر و جلوگیری از گداختگی فضاهاست. ضمن آنکه در هر دو حالت نور مریی مطلوب جهت روشنایی فضا وجود دارد.

شیشه‌های الکتروکرومیک Electrochromic[ویرایش]

در این سیستم (EC)، واحد شیشه با استفاده از فیلم‌های شفاف با ضخامت ۲۰۰ یا ۳۰۰ نانومتر با شدت‌های رنگی متفاوتی در طیف، مرئی از شفاف تا آبی تیره تغییر می‌کند. واحد شیشه برای تغییر میزان شفافیت مطلوب با توجه به مقادیر مختلف انتقال حرارتی به جریان برق متصل می‌شود. پس از قطع جریان، تغییر حالت نوری حفظ می‌شود و نیازی به جریان مداوم برق نیست. وقتی که رنگ شیشه تیره می‌شود تابش حرارتی کاهش یافته و بیشتر اشعه عبوری در طیف مادون قرمز فیلتر می‌شود.

شیشه‌های گازوکرومیک Gasochromic[ویرایش]

سیستم گازوکرومیک GC از سه قسمت اصلی تشکیل شده است: یک واحد شیشه عایق شده گازوکرومیک IGU یک فیلم ازWO3است. با قرارگرفتن فیلم GC در معرض فشار ضعیف هیدروژن به رنگ آبی درمی آید وانتقال مرئی رااز۶۷تا۱۶وبه طورمشابه انتقال انرژی خورشیدی ۶۰تا۱۲ کاهش می‌دهد.[۱۰]

شیشه‌های خود شو یا Self Cleaning[ویرایش]

پس از یک تحقیق ۴ ساله توسط محققان شرکت پیلینگتون و چندین شرکت بزرگ سازنده شیشه در نقاط مختلف دنیا ساخته شدند. شیشه‌های خود شستشو در سطوح پایین هوشمندی قرار می‌گیرند. در فرایند ساخت این شیشه بر روی سطوح آن پوششی شفاف از نوع سخت اعمال می‌شود که با انجام یک فرایند شیمیایی باعث عدم اتصال مواد آلی و ذرات آلودگی چسبنده به شیشه می‌شود. شیشه‌های خود شو با استفاده از دو فرایند همزمان باعث تمیز نگه داشتن سطح شیشه می‌شوند:

الف- به علت اینکه لایه روی سطح شیشه، خاصیت فوتوکاتالیک (استفاده از نور برای انجام واکنش (دارد، باعث از بین بردن اتصال آلودگی‌های موجود روی سطح شیشه با شیشه می‌شود.
ب- خاصیت دوم این روکش که همزمان با خاصیت فتوکاتالیک به وسیله نورUV فعال می‌شود. خاصیت هیدروفیلیک (آب دوستی) است. این ویژگی باعث می‌شود که آب روی سطح شیشه به صورت ورق پخش شود بنابراین به راحتی روی سطح شیشه جاری و پخش می‌شود و سطح شیشه را تمیز می‌کند.[۱۱]

پوشش خود تمیز شونده اتیلن تترافلوئور اتیلن(ETFE)[ویرایش]

بیش از بیست و پنج سال است که فویل‌ها برای مسقف کردن سازه‌ها مورد استفاده قرار گرفته‌اند. امروزه این سیستم ابتکاری که در آن شفافیت و وزنِ سبک با ویژگی‌های عایق کاری بسیار عالی و طول عمر زیاد ترکیب شده و در توسعهٔ معماری، پیشگام است.[۱۲]

منابع[ویرایش]

  1. A. Srinivasan, Smart biological systems as models for engineered structures, Materials Science and Engineering: C, vol. 4, no. 1, pp. 19–26, March 1996.
  2. جهانس، رافائل، "مواد و مصالح هوشمند"، معماری و ساختمان، شماره 14، 116-119، تهران1386
  3. جهانس، رافائل، "مواد و مصالح هوشمند"، معماری و ساختمان، شماره 14، 116-119، تهران1386
  4. مفیدی مجید، روشن ضمیر، شیما،1388"پوسته هوشمند"، آبادی، شماره63، ص 128-133، تهران، 1388
  5. افشاری بصیر، نفیسه، افشاری بصیر، محمد رضا، " ساختمان‌های هوشمند گامی بسوی فناوری نوین در ساخت "، دومین کنفرانس بین‌المللی معماری و سازه دانشگاه تهران،1390
  6. مفیدی مجید، روشن ضمیر، شیما،1388"پوسته هوشمند"، آبادی، شماره63، ص 128-133، تهران، 1388
  7. گلابچی، محمود؛ تقی‌زاده، کتایون،1390" نانو فناوری در معماری و مهندسی ساختمان"، انتشارات دانشگاه تهران، چاپ اول، تهران
  8. علیخانی، هادی، (1380) "پنجره‌های هوشمند"، اولین همایش بهینه‌سازی مصرف سوخت در بخش ساختمان، جلد دوم، ص 107-101، تهران 1384
  9. علیخانی، هادی، (1380) "پنجره‌های هوشمند"، اولین همایش بهینه‌سازی مصرف سوخت در بخش ساختمان، جلد دوم، ص 107-101، تهران 1384
  10. جهانس، رافائل، "مواد و مصالح هوشمند"، معماری و ساختمان، شماره 14، 116-119، تهران1386
  11. رضایی، رویا، "شیشه‌های خود شو"، معمار، شماره 47، ص 96-97، تهران، 1386
  12. "کاربرد پوشانه‌های ETFEدر ساخت پوسته‌های اقلیمی و هوشمند"،) 1390)، دسترسی از سایت: