تطبيقات على المواد الذكية

المواد الذكية هي مواد ذات طبيعة خاصة طورها مجموعة من الكيميائيين والفيزيائيين ومهندسين المواد ليستخدمها المصممين في تصنيع المنتجات الاستهلاكية.

يوجد اشكال عديدة لهذه المواد فمنها ما يتغير لونه او شكله او يحول الطاقة الى نوع اخر. سنستفيض في الحديث عن المواد التي يتغير لونها استجابة لمؤثر خارجي، كيف يتغير لون هذه المواد، وكيف يتم استخدامها في التطبيقات الصناعية.

يحدد ذكاء المادة من خلال العلاقة بين خصائص وحالة المادة والطاقة الواقعة عليها. فاذا كانت هذه العلاقة تؤثر على الطاقة الداخلية للمادة لتحدث تغيير في كلا من التركيب البلوري والبنية المجهرية Microstructure ينتج عنه تغيير في خصائص المادة.

لكن إذا خضعت المادة لتأثير خارجي جعل الطاقة الداخلية لها تتحول من صورة لأخرى دون ان يحدث تغيير للمادة نفسها، ففي هذه الحالة لا تعتبر المادة من المواد الذكية فالتغيير في التركيب الداخلي هو خاصية تتميز بها المواد الذكية.

عادة ما تستخدم المواد الذكية في الأجزاء الهامة للأنظمة الذكية. مثل هذه الأنظمة يحتوي على حساس ليراقب أي تغيير يحدث في المنظومة، ومتحكم ليصدر الأوامر لأجزاء النظام ويعالج البيانات، ومشغل ليؤدي الوظائف المطلوبة، ليس بالضرورة أن تحتوي الأنظمة الذكية على مواد ذكية ولكن تلك الأنظمة التي تحوي على هذه المواد تسمى بأنظمة المواد الذكية.

دمج المواد الذكية بالأشياء المختلفة في نواحي الحياة اليومية يمنحها أداء مميز من الحساسية والتفاعلية وإمكانية التواصل معها، ولكن ليس معنى ان هذه المواد ذكية ان تكون الأشياء المستخدمة فيها ذكية. فالأداء يعتمد على نوع الجهاز او الآلة ونظرة المطور.

توصف المواد الذكية بقدرتها على الإحساس او الاستجابة عند تعرضها لعامل بيئي (مثل الضغط والحرارة والرطوبة) بمقدار او شكل محدد قد يكون اللون او الشكل، ولكل نوع من هذه المواد كود جيني محدد يبين أداء المادة مع ردة فعلها او استجابتها البيولوجية.

تسمى المواد التي يتغير لونها عند خضوعها لتأثير خارجي بمواد كروموجينيك chromogenic. في بعض التطبيقات يفضل ان يظل لون المادة ثابت وهو ما يمكن تحقيقه باستخدام هذه المواد.

بدمج هذه المواد في أجزاء الأجهزة الصماء يمكن جعلها تنبض بالحياة.. فعندما يريد الجهاز ارسال رسالة او تنبيه للمستخدم، فإنه يعطي ردة فعل بلون معين يدل على ما يحدث بداخله او حتى يخبر المستخدم كيف يستخدمه.

تصنيف المواد الذكية

يوجد العديد من المواد التي تتفرع من تصنيف مواد chromogenic وتستمد اسمها من نوع الطاقة التي تؤثر عليها لتغير من خصائصها المرئية، ويجب ان نعي ان أسماء تلك المواد يختلف حسب الاستخدام العلمي، ففي صناعة التعبئة والتغليف يطلق عليها المبينات الكيميائية chemical indicator ونوع آخر يسمى بالمبينات الحرارية thermochromic.

وفي الصناعات الكيميائية والبيولوجية تسمى photobleaching في هذه المواد يتغير التركيب الكيميائي بسبب سقوط الضوء او ما يسمى بتأثير photochromic.

Photochromic materials

يتغير لون هذه المواد عندما تتعرض لشدة ضوء معينة. النظارات الشمسية من أبرز المنتجات التي تستغل ميزة هذه الخاصية، فعندما يزداد تركيز UV تقوم العدسات بضبط الضوء الداخل للعين بان تصبح مظلمة وتقلل من شدة الضوء، يمكن أيضا استخدامها في زجاج واجهات المباني فعندما ينخفض تركيز اشعة UV يصبح الزجاج أكثر شفافية ليسمح لمن بالداخل برؤية ما بالخارج بسهولة دون ان يؤذي عينيه.

Thermochromic materials

يتغير لون هذه المواد استجابة للتغيرات الحرارية المحيطة، ولعلك تمتلك الآن أحد المنتجات المصنوعة منها.. وهو المج الحراري الذي يتغير لونه عند ملؤه بمشروب ساخن. التأثير الواقع على مادة الكوب هو تأثير انعكاسي فلون المج يرجع مرة أخرى للونه الأصلي عندما يبرد لدرجة حرارة الغرفة.

Piezochromic materials

يتغير لون هذه المواد عند خضوعها لتأثير ميكانيكي كالضغط مثلا. تجرى دراسات مكثفة على تطبيقات هذه المواد لقدرتها على الإحساس بالضغوط والانهيارات التي قد تحدث بسبب الكلال او التآكل او الزحف او الكسر.

Electrochromic materials

تغير هذه المواد لونها عند تعرضها لمجال كهربي. لذلك تستخدم على نطاق واسع في المرايا الديناميكية التي تشعر بسطوع الضوء العالي وتقوم على الفور بالتقليل من شدته ذاتيا، وتستخدم تحديدا في مرايات السيارات اثناء القيادة ليلا حرصا على سلامة السائق.

Chemochromic materials

تستجيب هذه المواد للتغيرات الكيميائية بتغيير لونها. واحد تطبيقات هذه الميزة هي صناعة ستائر مدمجة ذاتيا مع النوافذ.. تتكون هذه النوافذ من لوحين زجاج بينهما غاز الهيدروجين، بالإضافة الى استخدام طبقة من الكالسيت مع مادة WO₃ لتجعل لون النافذة يتحول الى ازرق داكن يعيق من مرور الضوء خلال النافذة.

Halochromic materials

تقع هذه المواد ضمن فئة Chemochromic materials ويتغير لونها عند تغير الاس الهيدروجيني pH، بالإضافة لمواد Ionochromic التي يتغير لونها عند تغيير او تفاعل الوسط الايوني، ومواد hydrochromics التي توضح مستوى الرطوبة، ومواد solvatochromism التي توضح تفاعل المذيب والمذاب والكشف الأحماض والقواعد.

Magnetochromic materials

تستجيب هذه المواد للتغير في شدة المجال المغناطيسي، لا تزال هذه المواد قيد الدراسة وربما يستحدث منها تطبيقات واعدة كتطبيق الورقة المغناطيسية الملونة.

Biochromic materials

طورت هذه المواد للكشف عن التغيرات البيولوجية في المواد العضوية، ومن اهم تطبيقاتها هو مجال الأغذية حيث انها توضح ما اذا كان الطعام فاسد او صالح للأكل من خلال ملصق يوضع على علبة الطعام يتغير لونه.

Photochromic Materials

تستجيب هذه المواد لتركيز الضوء لتغير لونها عكسيا حسب الشدة، ويمكن تعريف هذه المواد على أنها ذرات عضوية غير مستقرة، وعند تعرضها لضوء ساطع فأن جزيئاتها تنشط لتعيق مرور الضوء، ويرجع سبب نشاط الجزيئات إلى التأثير الواقع من مجال الموجات الكهرومغناطيسية النابع من الفوتونات. تصبح شفافة عند تعرضها لضوء بسيط فعند زوال الضوء الساطع يختفي اللون لأن جزيئات المادة ترجع الى وضعها الأصلي.