طبق دانش ما، اولین گزارش کامل از “نانو مواد هوشمند” به‌عنوان “موادی که به تغییرات محیطی در بهینه‌ترین شرایط پاسخ داده و عملکردهای خود را باتوجه‌به این تغییرات نشان میدهند” تعریف شده است. محققان، با بهره‌گیری از نانو مواد هوشمند، به دنبال راه‌حل‌هایی نوین برای چالش‌های پیش روی بشر هستند. از کشاورزی پایدار و بهبود کیفیت خاک گرفته تا مدیریت بیماری‌ها، تولید انرژی پاک، حفاظت از محیط‌زیست، درمان‌های هدفمند و دارورسانی دقیق، نانومواد هوشمند نقش محوری ایفا می‌کنند. در حوزه‌های پزشکی، داروسازی، مهندسی، مواد غذایی، دامپروری و جنگلداری نیز، این مواد نوظهور نویدبخش آینده‌ای روشن هستند. ما در این مقاله به بررسی این مواد و کاربرد آنها می‌پردازیم.
در این مطلب موضوعات زیر را مطالعه خواهید کرد:
مقدمه ای بر نانو مواد هوشمند
نانوتکنولوژی و نانو مواد هوشمند، مرزهای دانش بشری را در سال‌های اخیر به‌شدت تحت‌تأثیر قرار دادند. با تمرکز بر ساخت و دست‌کاری مواد در مقیاس اتمی و مولکولی (۱ تا ۱۰۰ نانومتر)، این حوزه نوظهور، دریچه‌ای نو به‌سوی کاربردهای بی‌شماری در حوزه‌های مختلف گشوده است. نانومواد، به‌عنوان بلوک‌های سازنده این فناوری، خواص فیزیکی و شیمیایی منحصربه‌فردی از خود نشان میدهند که آنها را برای طیف گسترده‌ای از کاربردها، از جمله زیست‌شناسی، فیزیک و مهندسی، ایده‌آل می‌سازد. از سوی دیگر، مواد هوشمند توانایی پاسخ‌دهی به محرک‌های خارجی و تغییر خواص خود را دارا هستند. ترکیب این دو مفهوم، یعنی نانومواد و مواد هوشمند، به پیدایش نسل جدیدی از مواد با قابلیت‌های خیره‌کننده منجر شده است. نانومواد هوشمند، با تلفیق خواص منحصربه‌فرد نانومواد و پاسخ‌دهی هوشمندانه، پتانسیل بالایی برای تحول در صنایع مختلف دارند.
تاریخچه نانو مواد هوشمند
تاریخچه نانو مواد هوشمند به چند دهه اخیر بر می‌گردد. ریچارد فاینمن، برنده جایزه نوبل، اولین کسی بود که در سال ۱۹۵۹ مفهوم فناوری نانو را معرفی کرد. اصطلاح «نانوفناوری» در سال ۱۹۷۴ توسط نوریو تانیگوچی استفاده و تعریف شد. در سال‌های ۱۹۹۷-۱۹۹۸، درک نانوتکنولوژی بیشتر یک دیدگاه علمی تخیلی بود و هنوز از کاربردهای عملی فاصله داشت؛ اما در اوایل دهه ۲۰۰۰، نانو مواد به‌شدت موردمطالعه و در نهایت در عمل مورداستفاده قرار گرفتند. همان‌طور که حوزه مهندسی زیست‌پزشکی درحال‌توسعه بینش‌های جدید است، تقاضا برای مواد زیستی بسیار کاربردی در حال افزایش است. علی‌رغم تنوع و پیچیدگی شگفت‌انگیز سیستمهای زنده، همه آنها امکان واکنش به تغییرات محیطی را دارند که برای حفظ عملکرد طبیعی بسیار مهم است.
این نیاز به سازگاری منجر به توسعه نانو مواد هوشمند شده است که به‌عنوان موادی تعریف می‌شوند که می‌توانند با تطبیق ویژگی‌های خاص خود مانند شکل، مساحت سطح، اندازه، نفوذپذیری، حلالیت، خواص مکانیکی و غیره به طیف وسیعی از محرک‌ها واکنش نشان دهند. بسته به ظرفیت نانو مواد برای بازگرداندن حالت اولیه، پاسخ می‌تواند برگشت‌پذیر یا غیر برگشت‌پذیر باشد. انواع نانومواد هوشمند بر اساس مکانیسم پاسخ‌دهی به محرک‌ها، به‌طورکلی به دو دسته تقسیم می‌شوند که در ادامه به بررسی هر کدام از آنها می‌پردازیم.
نانو مواد هوشمند نوع اول یا مواد کرومیک
نانو مواد هوشمند نوع اول یا مواد کرومیک، دسته خاصی از نانومواد هستند که در پاسخ به محرک‌های خارجی مانند نور، دما، فشار، میدان‌های الکتریکی یا مغناطیسی، دچار تغییر رنگ یا تغییر در خواص فیزیکی دیگر می‌شوند. این تغییر رنگ ناشی از تغییر در ساختار شیمیایی یا فیزیکی ماده است که به نوبه خود بر نحوه جذب، بازتاب یا شکست نور توسط ماده تأثیر می‌گذارد. مواد کرومیک بر اساس نوع محرک خارجی که به آن پاسخ میدهند، به انواع مختلفی تقسیم می‌شوند:
مواد فتوکرومیک (Photochromic Materials): این مواد در پاسخ به نور، به‌ویژه نور ماورای‌بنفش، تغییر رنگ میدهند. مولکول‌های این مواد در حالت عادی بی‌رنگ هستند، اما با جذب انرژی نور، ساختار آن تغییر کرده و رنگ‌دار می‌شوند. با حذف منبع نور، ماده به حالت اولیه خود باز می‌گردد. کاربردهای این مواد شامل استفاده در عینک‌های آفتابی، پنجره‌های هوشمند، پوشش‌های محافظ در برابر نور خورشید است.
مواد ترموکرومیک (Thermochromic Materials): این نانومواد با تغییر دما، تغییر رنگ میدهند. برخی از این مواد با افزایش دما رنگ تغییر میدهند و برخی دیگر با کاهش دما. کاربردها شامل استفاده در دماسنج‌های نواری، پوشش‌های عایق حرارتی و… .
مواد مکانوکرومیک (Mechanochromic Materials): این مواد در پاسخ به فشار یا تغییر شکل، تغییر رنگ میدهند و کاربرد آنها در سنسورهای فشار، پوشش‌های محافظ، مواد بسته‌بندی و… است.
مواد کموکرومیک (Chemo Chromic Materials): این مواد در پاسخ به تغییر در ترکیب شیمیایی محیط اطرافشان، تغییر رنگ میدهند. کاربردهای این دسته از مواد در کاغذهای pH و حسگرهای شیمیایی است.
مواد الکتروکرومیک (Electrochromic Materials): این مواد با اعمال ولتاژ، تغییر رنگ میدهند که کاربرد آنها در پنجره‌های هوشمند، آینه‌های هوشمند، نمایشگرهای الکترونیکی و… است.
نانومواد هوشمند نوع دوم، تبدیل کننده های انرژی
این دسته از مواد، به‌جای تغییر رنگ در پاسخ به محرک‌های خارجی، انرژی را از شکلی به شکل دیگر تبدیل می‌کنند. به‌عبارت‌دیگر، این مواد در پاسخ به یک نوع محرک، انرژی دیگری تولید می‌کنند. انواع مواد هوشمند نوع دوم شامل موارد زیر است:
مواد پیزوالکتریک (Piezoelectric Materials): این مواد خاصیت جالبی دارند: با اعمال فشار مکانیکی، ولتاژ الکتریکی تولید می‌کنند و برعکس، با اعمال ولتاژ تغییر شکل میدهند. به عبارت ساده‌تر این مواد می‌توانند انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی و بالعکس تبدیل کنند. کاربردشان ساخت سنسورها (مانند سنسورهای فشار، شتاب‌سنج‌ها)، محرک‌ها (مانند موتورهای اولتراسونیک)، تولید برق از ارتعاشات مکانیکی (مانند تولید برق از حرکت امواج دریا) است.
مواد ترموالکتریک (Thermoelectric Materials): این مواد قادرند اختلاف دما را به جریان الکتریکی تبدیل کنند و برعکس، با اعمال جریان الکتریکی، اختلاف دما ایجاد کنند. کاربردشان تولید برق از اختلاف دمای محیط، سیستمهای خنک‌کننده بدون نیاز به کمپرسور، مولدهای برق حرارتی است.
مواد فتوولتائیک (Photovoltaic Materials): این مواد با جذب نور، انرژی الکتریکی تولید می‌کنند. سلول‌های خورشیدی متداول‌ترین مثال از این نوع مواد هستند. کاربردهایشان تولید برق از انرژی خورشید، سلول‌های خورشیدی قابل‌حمل، پنجره‌های خورشیدی است.
سوالات متداول نانو مواد هوشمند
۱- مهمترین چالش در تجاریسازی گسترده نانو مواد هوشمند چیست؟
یکی از مهمترین چالشها، هزینه بالای تولید این مواد در مقیاس صنعتی است. همچنین، مسائل مربوط به ایمنی و زیستسازگاری این مواد، به‌ویژه در کاربردهای پزشکی، نیازمند بررسیهای دقیقتر است.
۲- آیا نانو مواد هوشمند می‌توانند در حوزه امنیت سایبری کاربرد داشته باشند؟
بله، می‌توان از نانو مواد هوشمند در ساخت سنسورهای بسیار حساس برای تشخیص تهدیدات سایبری استفاده کرد. همچنین، این مواد می‌توانند در ساخت دستگاههای رمزنگاری پیشرفته کاربرد داشته باشند.
۳- چه ارتباطی بین هوش مصنوعی و نانو مواد هوشمند وجود دارد؟
هوش مصنوعی می‌تواند در طراحی و شبیهسازی نانومواد هوشمند بسیار مفید باشد. همچنین، می‌توان از نانومواد هوشمند برای ساخت حسگرها و پردازنده‌های موردنیاز در سیستمهای هوش مصنوعی استفاده کرد.
۴- آیا نانو مواد هوشمند می‌توانند به حل بحران آب کمک کنند؟
بله، نانومواد هوشمند می‌توانند در تصفیه آب، ساخت غشاهای تصفیه با کارایی بالا و همچنین در توسعه روشهای جدید برای شیرین‌کردن آب دریا کاربرد داشته باشند.
۵- چه کشورهایی در زمینه تحقیقات نانو مواد هوشمند پیشرو هستند؟
آمریکا، ژاپن، کره جنوبی، چین و کشورهای اروپایی مانند آلمان و فرانسه از جمله پیشروترین کشورها در این حوزه هستند.
