در عصر حاضر، علم مواد یکی از سریعترین حوزههای پیشرفت تکنولوژیک محسوب میشود. این روزها از گرافین در کاربردهای مختلفی از ساخت بدنهی خودروها تا لامپهای خلا با استفاده از نانولولههای کربنی استفاده میکنند. اما در کنار گرافین که بسیار کاربردی است و میتوان از آن در کاربردهای مختلفی استفاده کرد، مواد دیگری نیز موجود هستند که قابلیتهای خارقالعادهای دارند.
این سوپرمواد یا مواد پیشرفته، نه تنها خواص فیزیکی و شیمیایی منحصربهفردی دارند، بلکه قابلیتهایی را ارائه میدهند که تا چند دهه پیش تنها در آثار علمی-تخیلی قابل تصور بود. از مواد خودترمیم گرفته تا موادی که میتوانند گرما را مستقیماً به الکتریسیته تبدیل کنند، این فناوریهای نوظهور در حال تغییر اساسی صنایع مختلف هستند.
مواد خود ترمیم: انقلابی در دنیای پلاستیکها
الهام از طبیعت: چگونه بدن انسان الهامبخش علم مواد شد
بدن ما انسانها قابلیت بسیار خوبی دارد و آن ترمیم سلولهای بدن در صورت آسیب دیدن است. این فرآیند طبیعی الهامبخش دانشمندان شده تا موادی با قابلیت خودترمیمی تولید کنند. دکتر اسکات وایت از دانشگاه ایلینوی، پیشگامی در این زمینه، پلاستیکهایی را با خواص برگرفته از موجودات زنده تولید کرده که میتوانند خود را ترمیم کنند.
نحوه عملکرد سیستم خودترمیمی
سال گذشته وی در آزمایشگاه موفق به ساخت پلیمری شد که بصورت آهسته و با تراوشاتی میتوانست سوراخ قابل مشاهدهای را در سطح خود ترمیم کند. پلیمر تولید شده از یک سیستم عروقی با محتویات مایعی همراه شده بود که در زمان آسیب دیدن، مایعی از آن خارج شده و همچون خون در محل آسیب دیده لخته میشد.
مکانیسم این فناوری بر اساس اصولی کار میکند که شامل موارد زیر است:
- تشخیص آسیب: سیستم بصورت خودکار شکاف یا آسیب را شناسایی میکند
- آزادسازی عامل ترمیم: مواد ترمیمکننده از کپسولهای میکروسکوپی آزاد میشوند
- پلیمریزاسیون: مواد آزاد شده با یکدیگر واکنش داده و شکاف را پر میکنند
پیشرفتهای چشمگیر در اندازه ترمیم
هرچند پیش از این نیز دانشمندان موفق به تولید مواد خود ترمیم در مقیاسهای بسیار پایین شدهاند، اما این پلیمر موفق شده تا شکافی به عرض چهار میلیمتر را که در اطراف آن ایجاد شده، بدون مشکلی ترمیم کند. این پیشرفت نسبت به نمونههای قبلی که تنها قادر به ترمیم شکافهای میکروسکوپی بودند، جهش بزرگی محسوب میشود.
شاید این موضوع برای پوست انسان چندان مهم نباشد، اما ترمیم شکافی به عرض چهار میلیمتر در پلاستیک بسیار مهم است. این اندازه به حدی است که میتواند در کاربردهای صنعتی واقعی مورد استفاده قرار گیرد.
کاربردهای آینده مواد خودترمیم
دانشمندان در تلاش هستند تا قابلیت خود ترمیمی را به موادی نظیر بتون، آسفالت و آهن اضافه کنند تا از این طریق در صورت شکافتن یا آسیب دیدن قسمتی از این ماده، محل آسیبدیده بصورت خودکار ترمیم شود. کاربردهای بالقوه این فناوری شامل موارد زیر است:
- ساخت و سازهای مقاوم که خودشان را تعمیر میکنند
- پوششهای محافظ برای لوازم الکترونیک
- قطعات خودرو با عمر مفید بالاتر
- تجهیزات فضایی با قابلیت خودنگهداری
اصلیترین مساله در تولید چنین موادی، کاهش قیمت مواد خود ترمیم به اندازهای است که بتوان آنها را بصورت تجاری و روزمره مورد استفاده قرار داد. محققان پیشبینی میکنند که با توسعه فناوری تولید انبوه، هزینههای این مواد در دهه آینده به شدت کاهش خواهد یافت.
مواد ترموالکتریک: تبدیل گرمای اتلافی به انرژی مفید
مشکل اتلاف انرژی در دستگاههای مدرن
مطمئناً تا به حال گرمای حاصل از کار کردن پردازنده و سایر ماژولهای لپتاپ یا خودروی خود را با لمس قسمت پشتی لپتاپ یا کاپوت خودرو از نزدیک دیدهاید. ایجاد گرما در تمام ابزارهایی که برای ارائهی سرویس از انرژی استفاده میکنند، پدیدار میشود.
این پدیده نه تنها در لوازم الکترونیکی بلکه در تمام صنایع انرژیبر مشاهده میشود. از موتورهای خودرو گرفته تا نیروگاههای بزرگ، بخش قابل توجهی از انرژی ورودی بصورت گرمای اتلافی از دست میرود. براساس اطلاعات حاصل از تحقیقات دانشمندان در حدود ۷۰ درصد از انرژی مورد استفاده در هر ابزاری در قالب گرما به هدر میرود.
راه حل: فناوری ترموالکتریک
اما آیا راهی برای ممانعت از اتلاف این میزان انرژی وجود دارد؟ پاسخ این سوال در مواد ترموالکتریک نهفته است که با استفاده از آن میتوان از طریق اختلاف دمای موجود، انرژی الکتریکی تولید کرد. این مواد بر اساس اثر زیبک عمل میکنند که در سال ۱۸۲۱ کشف شد.
اصل کار مواد ترموالکتریک بسیار ساده است: هنگامی که یک طرف ماده گرم و طرف دیگر سرد باشد، اختلاف دما باعث حرکت الکترونها و ایجاد جریان الکتریکی میشود. این فرآیند مستقیم و بدون نیاز به قطعات متحرک انجام میشود که آن را برای کاربردهای صنعتی بسیار جذاب میکند.
نمونههای عملی از کاربرد ترموالکتریک
سال گذشته کمپانی آمریکایی Alphabet Energy یک ژنراتور ترموالکتریک معرفی کرد که با قراردادن آن در مجاورت لولهی اگزوز یک ژنراتور که از سوختهای فسیلی برای تولید انرژی استفاده میکند، انرژی اتلاف شده بصورت گرما را به انرژی الکتریکی قابل استفاده تبدیل میکند.
براساس اطلاعات ارائه شده، الفابت انرژی از یک مادهی طبیعی ترموالکتریک در ژنراتور خود استفاده کرده است. این کمپانی اعلام کرده که با استفاده از این ماده، میتوان ۵ تا ۱۰ درصد به بهرهوری سیستم اضافه کرد. این میزان بهبود در مقیاس صنعتی معادل صرفهجویی میلیونها دلار در هزینههای انرژی است.
مواد پیشرفته: اسکوترودایت
گروه دیگری از دانشمندان در حال کار روی نوع دیگری از مادهی ترموالکتریک هستند که اسکوترودایت (Skutterudite) نام دارد. این مادهی ترموالکتریک حاوی کوبالت است و خواص منحصربهفردی در تبدیل گرما به الکتریسیته نشان میدهد.
ویژگیهای برجسته اسکوترودایت عبارتند از:
- راندمان بالای تبدیل گرما به الکتریسیته
- مقاومت در برابر دماهای بالا
- پایداری شیمیایی در محیطهای خورنده
- امکان تولید در مقیاس صنعتی
کاربردهای گسترده مواد ترموالکتریک
مواد ترموالکتریک پیش از استفاده در تولید ژنراتورها برای تولید الکتریسیته از گرما کاربردهای دیگری نیز دارند که از جملهی آن میتوان به استفاده از این مواد در فضاپیماها اشاره کرد. در فضا که دسترسی به منابع انرژی محدود است، این مواد میتوانند از گرمای خورشید یا حتی گرمای داخلی فضاپیما برای تولید برق استفاده کنند.
سایر کاربردهای مواد ترموالکتریک شامل:
- سیستمهای خنککننده بدون فریون در یخچالها
- تنظیم دمای صندلیهای خودرو
- ژنراتورهای قابل حمل برای مناطق دورافتاده
- سیستمهای بازیافت انرژی در کارخانجات
آینده سوپرمواد: تحولی بنیادین در صنعت
این دو نمونه از سوپرمواد تنها بخش کوچکی از انقلابی هستند که در علم مواد در حال وقوع است. با پیشرفت تکنولوژی نانو، هوش مصنوعی و شبیهسازیهای کامپیوتری، دانشمندان قادر به طراحی مواد با خواص دلخواه شدهاند.
چالشهای پیش روی توسعه سوپرمواد عبارتند از:
- کاهش هزینههای تولید برای استفاده تجاری
- افزایش مقیاس تولید از آزمایشگاه به کارخانه
- بررسی ایمنی و تأثیرات زیستمحیطی
- استانداردسازی و تنظیم قوانین مربوطه
با این حال، پیشبینی میشود که در دهههای آینده، این مواد پیشرفته نقش کلیدی در حل بسیاری از چالشهای بشری از جمله بحران انرژی، تغییرات آب و هوایی و نیاز به زیرساختهای پایدار ایفا خواهند کرد.
نظرات
0دیدگاه خود را ثبت کنید
برای ارسال نظر و مشارکت در گفتگو، لطفا وارد حساب کاربری خود شوید.