پلیمر های هوشمند

نویسنده: فاطمه حاجی محمدی

 

پلیمر های هوشمند:

 

پلیمرهای هوشمند دسته ای از پلیمرهای سنتزی با خواص منحصر به فرد فیزیکی-شیمیایی هستند که از زمان پیدایش، کاربردهای بسیاری را در زمینه های تخصصی و تجاری پیدا کرده اند.

پلیمر پاسخگو به محرک،پلیمر حساس به محیط و پلیمرهای هوشمند نام های دیگری از این دسته مواد است. ویژگی منحصر به فرد این پلیمرها در ایجاد تغییرات ساختاري ماکروسکوپی سريع، ابعادی یا فیزیکی اغلب برگشت پذیر در رنگ، نفوذپذیری، شکل و امثال آن در اثر قرارگیری در معرض کوچک ترین اثر یک محرک معین در آن ها است.

 

انواع پلیمر های هوشمند:

 

از بارزترین و شناخته شده ترین شاخه پلیمرهای هوشمند، که برخی کاربرد گسترده تجاری نیز پیدا کرده اند، می توان به عنوان نمونه به پلیمرهای حافظه شکلی، پلیمرهای الکتروفعال، پلیمرهای خودترمیم، یون مولکول ها، مواد تغییردهنده رنگ، ریزژل ها و پلیمرهای حامل مواد تغییر فاز اشاره کرد. در ادامه، انواع این پلیمرها بر اساس نوع محرک به سه دسته پلیمرهای پاسخگو به محرک های فیزیکی، پلیمرهای پاسخگو به محرک های شیمیایی و پلیمرهای پاسخگو به محرک های زیستی تقسیم بندی میشوند. در هر دسته، کاربرد و مثال هایی از این پلیمرها آورده شده است. لازم به ذکر است، برخی از این پلیمرهای هوشمند بسته به نوع پلیمر تشکیل دهنده آن ها ممکن است در بیش از یکی از این دسته ها قرار گیرند. مثال، پلیمری ممكن است گرمارنگ پذیر،نوررنگ پذیریا الکترورنگ پذیر باشد.

 

 

۱- پلیمر های حافظه شکلی یا حافظه دار:

 

پلیمرهای حافظه دار به دسته ای از مواد هوشمند پلیمری گفته می‌شود که قابلیت این را دارند که پس از ایجاد حالتی موقتی و یا تغییر شکل به حالت اصلی و دائمی خود بازگردند و این تغییر نیز توسط یک محرک خارجی همانند تغییرات دمایی صورت می‌گیرد.

پلیمر های حافظه دار قادرند تا دو و یا سه شکل را حفظ کنند و تغییر شکل بین این حالت ها نیز توسط دما به وجود می آید. دیگر محرک هایی که می‌توانند چنین تغییر شکلی را به وجود آورند میدان های مغناطیسی، الکتریکی، نور و یا محلول ها هستند. پلیمرهای حافظه دار همانند پلیمر های معمولی به صورت کلی می‌توانند دسته بزرگی از پلیمرهای پایدار تا تخریب پذیر، نرم تا سخت، انعطاف پذیر تا مستحکم را با توجه به واحدهای ساختاری و مواد تشکیل دهنده شامل شوند. پلیمرهای یادشده شامل ترموپلاستیک ها و ترموست ها می شوند که در واقع مواد پلیمری هستند که از طریق پیوندهای عرضی کووالانسی به یکدیگر متصل شدند. این پلیمرها قادرند تا شکلهای متفاوتی را در حافظه خود حفظ کنند و این قابلیت را دارند که پس از اعمال فشار زیاد تا بیش از ۸۰۰ درصد به حالت اولیه خود باز گردند.

 

۲-پلیمر های الکتروفعال:

 

پلیمرهای الکتروفعال که با نام اختصاری EAP نیز نشان داده می شوند دسته‌ای از بسپار ها می باشند که به محض قرارگیری در معرض یک میدان الکتریکی دچار تغییراتی در اندازه و شکل خواهند شد و معمول ترین مصارف این دسته از مواد در راه تولید سنسورها و عملگرها می باشد. یکی از بهترین ویژگی های این دسته از مواد پلیمری در این مورد خلاصه می شود که آن ها دچار تغییر شکل بسیار زیادی خواهند شد و این در حالی است که نیروهای بسیار بزرگی را همچنان تحمل می کنند. اکثر عملگرهای تاریخی از مواد پیزوالکتریک سرامیکی ساخته شده‌اند و این در حالی است که این مواد می توانند نیروهای بسیار بزرگ و قوی را تحمل کنند و ممکن است تغییر شکل مواد در اندازه‌ای باشد که فقط ترک بردارد. تحقیقات انجام گرفته نشان می‌دهند که تعدادی از انواع پلیمرهای الکتروفعال ممکن است دچار تغییر شکل سیصد و هشتاد درصدی شوند که این مقدار می‌تواند بسیار بیشتر از عملگرهای سرامیکی باشد. یکی از رایج‌ترین مصارف پلیمرهای الکتروفعال در حوزه رباتیک توسعه انواعی از عضلات مصنوعی می‌باشد. در‌واقع پلیمرهای الکتروفعال به صورت معمول با نام عضلات مصنوعی شناخته می‌شوند.

پلیمر های فعال الکتریکی دارای اشکال متفاوتی می باشند اما به طور اصلی به دو گروه تقسیم می شوند که عبارتند از دی الکتریک و یونی

 

دی الکتریک

 

پلیمرهای الکتروفعال دی الکتریک به موادی گفته می‌شود که در آن ها نیروهای الکترواستاتیک بین دو الکترود می توانند واکنش هایی را به وجود بیاورند و فشاری را به ماده پلیمری وارد می کنند. پلیمرهای دی الکتریک می توانند دچار تغییر شکل بسیار زیادی شوند و به طور ذاتی نیز به عنوان خازنهایی شناخته می‌شوند که با اعمال ولتاژ بر ماده پلیمری و کاهش ضخامت آن و یا افزایش اندازه آن در مجاورت با میدان مغناطیسی ظرفیت متفاوتی خواهد داشت. الکتروفعال ها معمولاً به ولتاژ اولیه بسیار زیادی (۱۰۰ تا ۱۰۰۰ ولت) نیاز دارند تا بتوانند میدان‌های الکتریکی بزرگی را به وجود بیاورند اما میزان مصرف توان الکتریکی بسیار پایین خواهد بود. پلیمرهای الکتروفعال دی الکتریک به هیچگونه توانی برای حفظ خازن در موقعیت مورد نظر نیازی ندارد. نمونه‌هایی از این موارد پلیمرهای محدود کننده نیروی الکترونیکی و الاستومرهای دی الکتریک می باشد.

 

انواع یونی

 

پلیمرهای الکتروفعال که در آن ها جابه جای مواد یونی در ماده پلیمری صورت می‌گیرد به این روش فعالیت خود را آغاز می‌کنند. ولتاژ بسیار کمی برای آغازاین فعالیت نیاز می باشد اما جریان یونی به توان الکتریکی بالایی نیاز دارد تا بتواند فعالیت خود را آغاز کند و به انرژی معینی نیاز است تا بتوان این عملگر ها را در موقعیت های مناسب قرار داد. نمونه ای از پلیمرهای الکتروفعال یونی پلیمرهای رسانا و ترکیبات فلزات و پلیمر های یونی و ژل‌های واکنش گر می باشد.

 

۳-پلیمرهای خودترمیم:

 

یکی از مهم ترین ویژگی های برجسته این مواد، توانایی خود اصلاح شوندگی و بازیابی عملکرد به محض اعمال آسیب توسط بارهای مکانیکی خارجی است.

پلیمرهای خود ترمیم دونوع هستند:

نوع اول : خودترمیمی غیرذاتی که به کمک عامل ترمیم کننده ترمیم اتفاق می افتد.

نوع دوم : خودترمیمی ذاتی که بدون کمک عامل ترمیم کننده ترمیم انجام می شود.

 

 

 

۴- مواد تغییردهنده رنگ:

دسته ای از مواد هوشمند با تغییر محرک هایی همچون نور و حرارت تغییر رنگ می دهند که با عنوان مواد کروماتیک شناخته می شوند دسته بندی آن ها متفاوت بوده و کاربردهای مختلفی از پزشکی تا صنایع هوایی دارند. یکی از مهم ترین دسته های مواد هوشمند مواد تغییر رنگ دهنده هستند در واقع این مواد که در معرض شرایط مختلف تغییر رنگ میدهند، کروموژنیک یا کروموتروپیک هستند و پدیده تغییر رنگ در اثر محرک خارجی کروموتروپیزم خوانده می شوند. محرک تغییر رنگ می تواند نور، حرارت، تنش مکانیکی، ماده ی شیمیایی باشد. در برخی موارد تغییر رنگ موقت و بازگشت پذیر است و در برخی دیگر از این مواد، تغییر رنگ دائمی است.

 

انواع پلیمر های هوشمند براساس نوع محرک:

 

۱-پلیمرهای پاسخگو به محرک‌های فیزیکی

 

پلیمرهای حافظه شکلی، تغییردهنده رنگ، الکتروفعال و برخی ریزژل ها از جمله پلیمرهایی هستند که در این دسته بندی قرار میگیرند. پلیمرهای حافظه شکلی قابلیت به خاطر سپردن شکل اولیه و بازگشت به آن را حتی پس از تغییر شکل های نسبتا زیاد دارند.

در ابتدا این پلیمرها به طور معمول فراورش می شوند تا شکل دائمی آن ها مشخص شود. سپس با گرم کردن آن ها تا بیش از دمای انتقال در اثر کار مکانیکی، شکل جدید دل خواهی می‌یابند که با کاهش دما به زیر دمای انتقال، این شکل جدید یا موقت می تواند حفظ شود.

در این حالت، شکل دائمی در نمونه بالقوه ذخیره میشود، در حالی که شکل موقت نمونه به نمایش گذاشته شده است که این فرایند را برنامه ریزی می خوانند. گرم کردن مجدد پلیمر تا بیش از دمای انتقال باعث بازگشت آن به شکل دائمی ذخیره و ازبین رفتن شکل موقت می شود.

این سازوکار می تواند با توجه به دمای انتقال پلیمر استفاده شده، کاربردهای اختصاصی داشته باشد. از جمله کاربردهای آن، صنایع پزشکی است برای جلوگیری از تخریب بافت محل تزریق یا پروتزها، کاشتنی ها و استنت های زیست تخریب پذیر هستند که به عنوان مثال، برای رفع گرفتگی عروق به‌کار میروند. برای وارد کردن کمترین آسیب به بدن، استنت با رسیدن به محل مورد نظر افزایش حجم میدهد. تهیه نخ بخیه خودگره خور نیز دستاورد دیگری در صنایع پزشکی است.

 

۲-پلیمرهای پاسخگو به محرك های شیمیایی

 

همانطور که گفته شد، محرک های شیمیایی مانند تغییرحلال یا تغییر مقدار اسیدی و بازی بودن محیط میتواند منجر به واکنشی از طرف یک پلیمر هوشمند شود. برای مثال در یک پلیمر گرمارنگ پذیر، نوآرایی مولکولی که از توتومری شدن در نتیجه یک تعادل اسید-باز، کتو-انول، الکتیم-الکتام یا غیره به وجود می آید، می تواند منجر به افزایشی در زوج شدن ساختار مولکول و تشکیل شدن یک رنگ ساز جدید شود.

چنین نوآرایی مولکولی ممکن است با ایجاد تغییرات دمایی یا اعمال تغییرات در قطبیت حلال یا pH سامانه تحت تاثیر قرار گیرد. به دلیل اثر رنگ پذیری وابسته به pH ،وابستگی دمایی تعادل اسید-باز به معنای آن است که حساسیت به pH منجر به رفتارهای گرمارنگ پذیری می شود.

در برخی محلول های پلیمری حساس به pH ،ساختار شیمیایی گروه های عاملی با قابلیت یونش و گرفتن یا از دست دادن پروتون و حجم آبگریز در طول زنجیر پلیمر تحت تاثیر قرار میگیرد و ساختار منبسط شده یا فرومی پاشد. ریزژل ها با کاربردهایی نظیر دارورسانی یا ذخیره و آزادسازی دارو در بدن یا به عنوان بستر کاتالیزور برای واکنش هایی همچون اكسايش هوازی الکل ها استفاده میشوند. آن ها باعث بهبود چشم گیر در عملکرد به دلیل کنترل نفوذ و گزينش پذیری آن برای محل مورد نظر می شود.

 

۳-پلیمرهای پاسخگو به محرک های زیستی

 

پلیمرهای زیست تخریب پذیر در زیست پزشکی از جمله مهندسی بافت و سامانه های دارورسانی مورد توجه قرار گرفته اند. هیدروژل های حساس به آنزیم از جمله این پلیمرها است که می توانند به وسيله آنزیم های خاصی در بدن هضم شوند. این حساسیت آنزیمی برای تشخیص تغییرات فیزیولوژیکی يا دارورسانی محل گزین کاربرد پیدا کرده است.

برای مثال، آنزیم های میکروبی غالبی که در کولون وجود دارند، مانند دکستراناز كه می توانند منجر به تخریب ساختار پلی ساکاریدی هیدروژل های دکستران حامل دارو شود.