المواد الذكية: ذاكرة الشكل والشفاء الذاتي - منظور عالمي

المواد الذكية، والمعروفة أيضًا بالمواد المستجيبة أو الذكية، هي مواد مصممة للتفاعل مع المحفزات الخارجية، وتغيير خصائصها أو وظائفها بطريقة يمكن التنبؤ بها. يمكن أن تشمل هذه المحفزات درجة الحرارة، والضوء، والضغط، والمجالات الكهربائية أو المغناطيسية، والبيئات الكيميائية. هذه القدرة على التكيف تجعلها متعددة الاستخدامات بشكل لا يصدق، مع تطبيقات تمتد عبر صناعات متنوعة في جميع أنحاء العالم. سيتناول هذا المقال نوعين بارزين من المواد الذكية: مواد ذاكرة الشكل والمواد ذاتية الشفاء.

ما هي مواد ذاكرة الشكل؟

مواد ذاكرة الشكل (SMMs) هي مواد يمكنها "تذكر" شكلها الأصلي والعودة إليه عند تعرضها لمحفز معين، عادة ما يكون درجة الحرارة. تنشأ هذه الخاصية الرائعة من تحول طوري داخل البنية البلورية للمادة.

أنواع مواد ذاكرة الشكل

• سبائك ذاكرة الشكل (SMAs): هي سبائك معدنية، وأكثرها شيوعًا سبائك النيكل والتيتانيوم (NiTi)، والمعروفة أيضًا باسم نيتينول. تظهر سبائك ذاكرة الشكل تأثير ذاكرة الشكل (SME) والمرونة الفائقة.
• بوليمرات ذاكرة الشكل (SMPs): هي مواد بوليمرية تظهر سلوكًا مشابهًا لذاكرة الشكل. تكون بوليمرات ذاكرة الشكل بشكل عام أخف وزنًا وأقل تكلفة وأسهل في المعالجة من سبائك ذاكرة الشكل ولكنها عادة ما تتمتع بقوى استعادة أقل.

تأثير ذاكرة الشكل

يعتمد تأثير ذاكرة الشكل على تحول طوري في الحالة الصلبة بين بنيتين بلوريتين: المارتنسيت (درجة حرارة منخفضة) والأوستنيت (درجة حرارة عالية). عندما تكون سبائك أو بوليمرات ذاكرة الشكل في طور المارتنسيت، يمكن تشويهها بسهولة. ومع ذلك، عند تسخينها فوق درجة حرارة التحول، تعود إلى طور الأوستنيت، مستعيدة شكلها الأصلي المبرمج مسبقًا.

تخيل ثني مشبك ورق مصنوع من النيتينول. سيبقى مثنيًا في درجة حرارة الغرفة. الآن، إذا قمت بتسخين مشبك الورق بمجفف شعر، سيعود بطريقة سحرية إلى شكله المستقيم الأصلي. هذا هو تأثير ذاكرة الشكل قيد التنفيذ.

المرونة الفائقة

تظهر بعض سبائك ذاكرة الشكل، خاصة عند درجات حرارة أعلى قليلاً من درجة حرارة التحول، مرونة فائقة (تُعرف أيضًا بالمرونة الزائفة). في هذه الحالة، يمكن أن تتعرض المادة لتشوه كبير (يصل إلى 8٪ للنيتينول) وتعود تلقائيًا إلى شكلها الأصلي عند إزالة الضغط المطبق. يختلف هذا عن تأثير ذاكرة الشكل، الذي يتطلب تغيرًا في درجة الحرارة.

تطبيقات مواد ذاكرة الشكل

لقد وجدت سبائك وبوليمرات ذاكرة الشكل مجموعة واسعة من التطبيقات في مختلف الصناعات على مستوى العالم:

التطبيقات الطبية

• الدعامات: تُستخدم الدعامات ذاتية التمدد المصنوعة من النيتينول لفتح الشرايين والأوعية الدموية الأخرى المسدودة. يتم ضغط هذه الدعامات إلى قطر صغير لإدخالها ثم تتمدد إلى شكلها المحدد مسبقًا داخل الجسم، مما يوفر الدعم ويعيد تدفق الدم. تقوم الشركات في جميع أنحاء العالم، بما في ذلك تلك الموجودة في الولايات المتحدة وأوروبا وآسيا، بتصنيع وتوزيع هذه الأجهزة المنقذة للحياة.
• أسلاك تقويم الأسنان: تُستخدم أسلاك سبائك ذاكرة الشكل في تقويم الأسنان لتطبيق قوة ثابتة على الأسنان، وتقويمها تدريجيًا. توفر هذه الأسلاك علاجًا أكثر اتساقًا وراحة مقارنة بأسلاك الفولاذ المقاوم للصدأ التقليدية.
• الأدوات الجراحية: تُستخدم سبائك ذاكرة الشكل في الأدوات الجراحية للإجراءات طفيفة التوغل، مما يسمح بالتحكم الدقيق والمضبوط داخل الجسم.
• الزرعات الطبية: يتم استكشاف سبائك ذاكرة الشكل لتثبيت العظام والأجهزة الأخرى القابلة للزرع.

تطبيقات الفضاء والطيران

• الأجنحة التكيفية: يمكن استخدام سبائك ذاكرة الشكل لإنشاء أجنحة تكيفية تغير شكلها أثناء الطيران لتحسين الأداء وكفاءة استهلاك الوقود. تعمل شركات مثل بوينغ وإيرباص وغيرها من شركات الطيران والفضاء بنشاط على البحث والتطوير في هذه التكنولوجيا.
• الهياكل القابلة للنشر: يمكن استخدام سبائك ذاكرة الشكل لنشر الهياكل في الفضاء، مثل الألواح الشمسية والهوائيات. يمكن نشر الهيكل المدمج والمطوي عند الوصول إلى الموقع المطلوب عن طريق إثارة تأثير ذاكرة الشكل.
• تخميد الاهتزازات: يمكن دمج سبائك ذاكرة الشكل في هياكل الطائرات لتخميد الاهتزازات وتقليل الضوضاء.

تطبيقات السيارات

• أنظمة التعليق النشطة: يمكن استخدام سبائك ذاكرة الشكل في أنظمة التعليق النشطة لتحسين راحة الركوب والتحكم.
• صمامات المحرك: يمكن استخدام سبائك ذاكرة الشكل للتحكم في صمامات المحرك، مما يحسن أداء المحرك وكفاءة استهلاك الوقود.
• صمامات التحكم في درجة الحرارة: تُستخدم سبائك ذاكرة الشكل في أنظمة التبريد لتنظيم تدفق سائل التبريد بناءً على درجة الحرارة.

الإلكترونيات الاستهلاكية

• إطارات النظارات: إطارات سبائك ذاكرة الشكل مرنة للغاية ويمكن أن تعود إلى شكلها الأصلي حتى بعد ثنيها أو ليّها.
• هوائيات الهواتف المحمولة: يمكن استخدام سبائك ذاكرة الشكل لإنشاء هوائيات قابلة للسحب تمتد تلقائيًا عند الحاجة.

الروبوتات

• المشغلات (Actuators): يمكن استخدام سبائك ذاكرة الشكل كمشغلات في الروبوتات، مما يوفر حركة دقيقة ومتحكم بها. حجمها الصغير ونسبة القوة إلى الوزن العالية تجعلها مناسبة للأنظمة الروبوتية المصغرة.
• الروبوتات اللينة: تعتبر بوليمرات ذاكرة الشكل مفيدة بشكل خاص في الروبوتات اللينة، حيث تكون الهياكل المرنة والقابلة للتشوه مطلوبة.

ما هي المواد ذاتية الشفاء؟

المواد ذاتية الشفاء هي فئة من المواد الذكية التي لديها القدرة على إصلاح الأضرار بشكل مستقل، مثل الشقوق أو الخدوش، وبالتالي إطالة عمرها الافتراضي وتحسين موثوقيتها. تحاكي قدرة الإصلاح الذاتي هذه عمليات الشفاء الطبيعية الموجودة في الكائنات الحية.

أنواع آليات الشفاء الذاتي

تستخدم المواد ذاتية الشفاء آليات مختلفة لتحقيق الإصلاح الذاتي:

• الشفاء القائم على الكبسولات: يتضمن هذا النهج تضمين كبسولات دقيقة تحتوي على عامل شفاء داخل المادة. عندما ينتشر صدع ويمزق الكبسولات، يتم إطلاق عامل الشفاء ويملأ الصدع، متصلبًا ويصلح الضرر.
• الشبكات الوعائية: على غرار الأوعية الدموية في جسم الإنسان، يمكن دمج الشبكات الوعائية في المواد لنقل عوامل الشفاء إلى موقع الضرر.
• الشفاء الذاتي الكامن: يعتمد هذا النهج على قدرة المادة المتأصلة على إصلاح نفسها من خلال الروابط الكيميائية العكوسة أو التشابك الجزيئي. عند حدوث الضرر، تنكسر هذه الروابط، لكن يمكنها أن تتشكل من جديد تلقائيًا، لتغلق الصدع.
• شبكات البوليمر العكوسة: تشتمل هذه المواد على روابط كيميائية عكوسة يمكن أن تنكسر وتتكون من جديد تحت الضغط، مما يسمح للمادة بالتكيف مع الضرر والشفاء بمرور الوقت.
• الشفاء المستوحى من الطبيعة: يستلهم الباحثون من النظم البيولوجية، مثل قدرات الشفاء الذاتي للنباتات والحيوانات، لتطوير مواد جديدة ذاتية الشفاء.

تطبيقات المواد ذاتية الشفاء

تمتلك المواد ذاتية الشفاء القدرة على إحداث ثورة في مختلف الصناعات من خلال تعزيز متانة وسلامة واستدامة المنتجات:

الطلاءات والدهانات

• طلاءات السيارات: يمكن للطلاءات ذاتية الشفاء إصلاح الخدوش الطفيفة وعلامات الدوران، مما يحافظ على مظهر السيارات جديدًا لفترة أطول. تستكشف كبرى شركات تصنيع السيارات وتدمج طبقات الطلاء الشفافة ذاتية الشفاء في موديلات مختارة على مستوى العالم.
• الطلاءات الواقية: يمكن استخدام الطلاءات ذاتية الشفاء لحماية الهياكل من التآكل والتلف، مما يطيل عمرها الافتراضي ويقلل من تكاليف الصيانة.
• الطلاءات البحرية: يمكن للطلاءات ذاتية الشفاء منع نمو الكائنات البحرية على هياكل السفن، مما يقلل من السحب ويحسن كفاءة استهلاك الوقود.

مواد البناء

• الخرسانة ذاتية الشفاء: يتم دمج البكتيريا أو الكائنات الحية الدقيقة الأخرى في خلطات الخرسانة. عند تشكل الشقوق، يتم تنشيط هذه الكائنات الحية الدقيقة وتنتج كربونات الكالسيوم، التي تملأ الشقوق وتصلح الضرر. يتم البحث في هذه التكنولوجيا واختبارها في مشاريع بنية تحتية مختلفة في جميع أنحاء العالم لتعزيز المتانة وتقليل الصيانة.
• الأسفلت ذاتي الشفاء: يمكن إضافة كبسولات دقيقة تحتوي على مواد تجديد إلى الأسفلت لإصلاح الشقوق وإطالة عمر الطرق.

الإلكترونيات

• الإلكترونيات المرنة: يمكن استخدام البوليمرات ذاتية الشفاء لإنشاء أجهزة إلكترونية مرنة وقابلة للتمدد يمكنها إصلاح نفسها بعد تعرضها للتلف. هذا مهم بشكل خاص للإلكترونيات القابلة للارتداء وأجهزة الاستشعار.
• البطاريات: يمكن استخدام المواد ذاتية الشفاء لتحسين سلامة وعمر البطاريات عن طريق إصلاح الشقوق ومنع تسرب الإلكتروليت.

الفضاء والطيران

• هياكل الطائرات: يمكن استخدام المواد ذاتية الشفاء لإصلاح الأضرار التي تلحق بهياكل الطائرات، مثل الشقوق في جسم الطائرة أو الأجنحة، مما يحسن السلامة ويقلل من تكاليف الصيانة.
• مكونات المركبات الفضائية: يمكن استخدام المواد ذاتية الشفاء لحماية مكونات المركبات الفضائية من الإشعاع وتأثيرات النيازك الدقيقة، مما يطيل عمرها في بيئة الفضاء القاسية.

المنسوجات

• الأقمشة ذاتية الشفاء: يمكن تطبيق الطلاءات ذاتية الشفاء على الأقمشة لإصلاح التمزقات والثقوب، مما يطيل عمر الملابس والمنسوجات الأخرى. هذا مفيد بشكل خاص في الملابس الواقية والملابس الرياضية.

التحديات والتوجهات المستقبلية

بينما توفر المواد الذكية إمكانات هائلة، لا تزال هناك العديد من التحديات التي يجب معالجتها قبل أن يتم اعتمادها على نطاق واسع:

• التكلفة: يمكن أن تكون تكلفة تصنيع المواد الذكية عالية، مما يحد من استخدامها في بعض التطبيقات.
• المتانة: يجب تحسين متانة بعض المواد الذكية، خاصة بوليمرات ذاكرة الشكل والمواد ذاتية الشفاء، لتحمل الظروف البيئية القاسية.
• قابلية التوسع: يمكن أن يكون توسيع نطاق إنتاج المواد الذكية لتلبية الطلب الصناعي تحديًا.
• التأثير البيئي: يجب دراسة التأثير البيئي لتصنيع المواد الذكية والتخلص منها بعناية.
• الأداء على المدى الطويل: هناك حاجة إلى مزيد من البحث لفهم الأداء والموثوقية على المدى الطويل للمواد الذكية.

على الرغم من هذه التحديات، فإن البحث والتطوير في مجال المواد الذكية يتقدمان بسرعة. تشمل التوجهات المستقبلية ما يلي:

• تطوير مواد ذكية جديدة ومحسنة ذات خصائص ووظائف معززة.
• استكشاف تطبيقات جديدة للمواد الذكية في المجالات الناشئة مثل الذكاء الاصطناعي والتكنولوجيا الحيوية.
• تحسين فعالية التكلفة وقابلية التوسع لتصنيع المواد الذكية.
• تطوير مواد ذكية مستدامة وصديقة للبيئة.
• دمج المواد الذكية في المنتجات اليومية لتحسين أدائها ومتانتها واستدامتها.

البحث والتطوير العالمي

يعد البحث والتطوير في المواد الذكية جهدًا عالميًا، مع مساهمات كبيرة من الجامعات والمؤسسات البحثية والشركات في جميع أنحاء العالم. تقود دول مثل الولايات المتحدة وألمانيا واليابان وكوريا الجنوبية والصين والمملكة المتحدة الطريق في هذا المجال. تعد التعاونات الدولية وتبادل المعرفة أمرًا بالغ الأهمية لتسريع تطوير واعتماد المواد الذكية.

الخاتمة

تمثل المواد الذكية، بما في ذلك مواد ذاكرة الشكل والمواد ذاتية الشفاء، نقلة نوعية في علم وهندسة المواد. إن قدرتها على الاستجابة للمحفزات الخارجية والتكيف مع الظروف المتغيرة تفتح عالمًا من الإمكانيات للابتكار والتقدم التكنولوجي. مع استمرار البحث والتطوير في دفع حدود الممكن، يمكننا أن نتوقع رؤية المزيد من التطبيقات الرائدة للمواد الذكية في السنوات القادمة، مما يؤثر على الصناعات ويحسن الحياة على مستوى العالم. من الأجهزة الطبية إلى هياكل الفضاء والطيران، تستعد المواد الذكية للعب دور حاسم في تشكيل المستقبل.