در دهه های اخیر، کشف و سنتز نوع جدیدی از پلیمرها که به الکترواکتیوپلیمرها (EAPs) موسومند و دارای خواص فیزیکی و شیمیایی جالبی هستند، توجه بسیاری از محققان را، به خصوص در زمینه های پزشکی، بیومواد، نانودارو و نانومواد، به خود جلب کرده است. اگرچه مواد دیگری از قبیل سرامیک های الکترواکتیو (EACs) دارای برخی از این خواص هستند، اما خصوصیاتی از قبیل سرعت پاسخ گویی سریعتر(نسبت به محرکهای الکتریکی و مکانیکی از قبیل اعمال ولتاژ و یا ایجاد فشار)، چگالی کمتر و حالت های ارتجاعی پیشرفته تر سبب شده EAPs در مقایسه با دیگر مواد الکترواکتیو کاربردهای وسیعتری پیدا کنند.

اگرچه عواملی از قبیل نیروهای پاسخ ضعیف(نیروهایی که پس از اعمال محرکهای الکتریکی و مکانیکی دریافت می کنیم) و مقاومت کم(نسبت به دیگر مواد الکترواکتیو، پلیمرها نمیتوانند تنشهای بزرگی را تحمل کنند) EAPs سبب محدودیت هایی در کاربرد آنها شده است، با این وجود، گزارشهای موفقیت آمیزی از کاربرد آنها در ساخت میله های هدایت کنندة جراحی، دست های ماشینی در مقیاس کوچک، جاروب کننده های گردوغبار، بازوهای رباتیک کوتاه و گیرنده ها منتشر شدهاست.

EAPs را براساس مکانیسم فعال سازی و تحریک آنها به دودسته «الکترونیکی»  و «یونی» تقسیم می کنند. عموما میدان الکتریکی و نیروهای کولنی، سبب تحریک EAPs الکتریکی می شوند، در صورتی که برای EAPs یونی حرکت و انتشار یون از عوامل اولیه تحریک هستند

•        EAPهای الکتریکی:

•         پلیمرهای فروالکتریکی

هنگامی که کریستالهای مشخصی از قبیل کواترز، کهربا و... را در طول یک محور معین فشرده می کنیم و یا می کشیم (یک تنش ایجاد کنیم) یک ولتاژ بر روی سطح کریستال تولید می شود. به طور عکس، هنگامی که یک جریان الکتریسیته در چنین کریستالهایی جاری شود یک کشیدگی یا یک فشردگی در کریستال رخ می دهد. این پدیده به پیزو-الکتریکی موسوم است و برای اولین بار در سال 1880 کشف شد.

پلیوینیلیدینفلوراید (PVDF) و کوپلیمرهای آن از مهم ترین پلیمرهای فروالکتریکی مورد استفاده هستند.آنها شامل اندکی ترکیب کریستالی که در یک فاز غیرکریستالی قرار دارد، هستند. میدان های AC بزرگ سبب کشش الکترواستریکی(همان کشش یا فشردگی که در پدیده پیزو­الکتریکی به آن اشاره شد)   در حدود 2% (میزان کشش یا فشردگی) می شوند. P(VDF-T,FE) (یک کوپلیمرPVDF، پلی(وینیلیدین فلوراید-تری فلوئورواتیلن)) که در معرض تابش الکترون(تابش الکترون نیز همانند اعمال ولتاژ عمل می کند و کاهش فرکانس همانند افزایش ولتاژ می باشد.) قرار گرفته است در فرکانس های کمتر از  یک کشش الکترواستریکی را به بزرگی 5%  نشان می دهد.

EAPs فروالکتریکی می توانند در هوا، خلاء و آب و در یک بازة دمایی وسیع عمل کنند. لذا مواد بسیار مطلوبی برای تولید سنسورهای مکانیکی و الکتریکی هستند.

•         کاغذ الکترواستریکی

عموما، کاغذها از ترکیب ذرات و گروه های مجزا که اکثرا از الیاف طبیعی هستند و یک ساختار شبکه ای را شکل می دهند، تولید می شوند. برای مثال، یک لایه ورقه ای از نقره که دو تکه ورق نقره ای به وسیله الکترودهای نقره ای بر روی سطوح خارجی آن قرار گرفته اند را در نظر بگیرید. با اعمال ولتاژ الکتریکی بین الکترودها یک خمش را در صفحة نقره مشاهده می کنیم. حال اگر به جای صفحة نقره ای یک پلیمری الاستیک داشته باشیم که بتوان با اعمال ولتاژ در آن تنش ایجاد نمود، یک شرایط ایده آل برای تولید وسایلی داریم که اساس کار آنها تولید تنش است.

مزیت دیگر این مواد، سبک  بودن و آسانی ساخت آنها می باشد. همچنین برای کاربرد در مواردی از قبیل جاذب های فعال صدا، بلندگوهای تاشو و وسایل کنترلی «هوشمند» مطلوب هستند.

•       الاستومرهای الکترو- ویسکوالاستیک

این مواد از ترکیبات الاستومرهای سیلیکونی در یک فاز قطبی هستند. در این دسته از پلیمرها میتوان با ایجاد میدان الکتریکی در خواص فیزیکی آنها تغییر ایجاد نمود، که مهمترین آن "ویسکو الاستیسیته" می باشد(رفتاری از ماده که به صورت ترکیبی از رفتار الاستیک و جریان کاملا ویسکوز در نظر گرفته میشود. برای توضیح این رفتار یک سیستم فنر و ضربهگیر تصور میشود. به این ترتیب که وقتی بر ماده تنش اعمال می­شود می تواند هر تغییر غیرقابل برگشتی را تحمل کند. در این حالت ماده به صورت موثری به عنوان یک جامد الاستیک رفتار میکند. رهایی از این تنش مو جب یک برگشت سریع به حالتی با کرنش کمتر خواهد شد.(مطابق پاسخ جز فنر) اما قسمتی از تغییر شکل ناشی از جریان ویسکوز ناپدید خواهد شد. به این ترتیب تنش کلی اعمال شده با گذشت زمان به وسیله جز فنر مصرف میشود.)  با اعمال میدان الکتریکی مناسب ( <6) فاز قطبی در ماتریس الاستومر جهت گیری میکند و مو جب تغییر در مدول برشی میشود.

یک کاربرد پیش بینی شده برای این ترکیبات استفاده از آنها برای کاربرد به عنوان جاذب های اتلافی انرژی کنترل شده (damping) است.

•        EAPs یونی:

•   کامپوزیت های پلیمرهای یونی- فلز (IPMC):

این نوع EAPs، در پاسخ به یک فعال سازی الکتریکی، دچار خمیدگی می شوند. علت این امر حرکت کاتیون ها در شبکه پلیمری است. عمدتا دو نوع پلیمر نافیون (پرفلورو سولفونات محصول شرکت دوپونت*) و فلمیون (پرفلورو کربوکسیلات، محصول شرکت آساهی گلاس ژاپن) به عنوان پلیمر پایه برای تولید این کامپوزیت ها استفاده می شود. در یونومرهایی که به عنوان ماتریس استفاده میشود گروههای عاملی قابل یونیزه شدن( عموما سولفونات و کربوکسیلات) وجود دارد که تا 10 درصد واحد مونومری در پلیمر را تشکیل میدهند، و با یونهای فلزی نظیر سدیم یا روی خنثی میشوند. حضور این گروهها سبب استحکام مکانیکی و مقاومت شیمیایی بیشتر کامپوزیت میشوند. حضور یونها از یک جهت سبب ایجاد اتصال عرضی در شبکه میشود و از جهت دیگر به عنوان تقویت کننده عمل میکند و این دلیل دیگری برای استحکام مکانیکی کامپوزیت میباشد.

با اعمال میدان الکتریکی و حرکت کاتیونها در شبکه مولکولهای پلیمر ماتریس که دارای گروههای عاملی قابل یونیزه هستند، برای برقرار ساختن تعادل الکتریکی در شبکه مجبور به حرکت شده و یک خمیدگی را در کامپوزیت ایجاد میکنند.

برای برانگیختن کاتیون های شبکه IMPC و ایجاد یک خمیدگی نیاز به ولتاژهای پایین در محدود 1-10V و فرکانسهای پایین تر از 1Hz داریم.

•    پلیمرهای هادی (CP):

CPs  از طریق جذب و دفع یون های مخالف که در یک چرخه اکسایش و کاهش رخ می دهد، فعال می شوند. در حقیقت وجود گروههای آزاد کننده الکترون(مانند باندهای مزدوج و فلزها و مولکولهایی نظیر ید) به عنوان عوامل هدایت الکتریکی عمل میکنند. همان طور که در یک سلول شیمیایی الکترونهای آزاد فلز به عنوان یک سیال عمل کرده، یعنی در قسمتی از فلز یون وارد(یا خارج) شده و از قسمت دیگری خارج میشود. در این مواد هم، این گروهها به عنوان عامل حرکت یون عمل میکنند.

در طول واکنشهای اکسایش-کاهش، الکترودها (که عمدتا از پلی آنیلین که به HCl آغشته شدهاست ساخته میشوند) دچار تغییر حجم میشوند.

CPs در محدوده ولتاژ V5-1 فعال میشوند و میتوان با تغییر ولتاژ فعالیت آنها را کنترل نمود. با وجود این که این مواد می توانند به یک چگالی انرژی مکانیکی بالا (بالاتر از  ) دست یابند، اما به علت ساختار مولکولی آنها(وجود پیوندهای مزدوج و حلقههای آروماتیک) و کمبود چرخش آزاد حول پیوندهای کربن-کربن بازده آنها در حدود 1% می باشد.

ترکیبات دیگری از قبیل پلی(پیرول)، پلی( اتیلندی اکسیتیوفین)، پلی(p- فنیل وینیل)، پلی(آنیلین) و پلی(تیوفین) هم از جمله پلیمرهای هادی هستند. بعضی از کاربردهایی که برای CPs گزارش شده اند بدین شرح هستند: جعبه های کوچکی که توانایی باز و بسته شدن دارند، میکروربات ها، وسایل جراحی، روبا ت های جراح که بر روی دیگر وسایل کوچک سوار می شوند.

 

•     نانوتیوب های کربنی (CNT)

در سال 1999، CNTs با خواص مکانیکی شبیه الماس و ساختار و شکل شبیه EAPs ظاهر شدند.

مکانیسم فعال سازی بدین ترتیب است که در یک محیط الکترولیتی، با تغییر طول باندهای پیوند از طریق تزریق بارهای الکتریکی که بر روی توازن بار یونی بین نانوتیوب و الکترولیت اثر می گذارد، انجام می شود. هر چه بار الکتریکی بیشتری به CNT تزریق شود، تغییر اندازة بیشتری دیده می شود.

به خاطر مقاومت مکانیکی CNTs و دست یابی به یک تغییرمکانی به وسیله محرک ها، این نوع از EAPs نسبت به دیگر اشکال EAPs می توانند بیشترین میزان کار را در یک چرخه انجام دهند و تنش های مکانیکی بزرگتری را ایجاد کنند.

•    کاربردها:

اگر چه هنوز کاربرد EAPs در مراحل اولیه و آزمایشگاهی است، اما کاربردهای آنها شامل ساخت قسمتهایی که توانایی تقلید کردن از نمو نه های طبیعی آنها در حشرات، حیوانات و حتی انسان را دارند. برای مثال ماهیچه های مصنوعی انسان، میله های هدایت کنندة جراحی، دست های ماشینی کوچک، جاروب کننده های گردوغبار، بازوهای روباتیک کوتاه، جعبه های کوچک، میکروروبات ها، وسایل جراحی و روبات های جراحی که بر روی دیگر وسایل کوچک سوار می شوند، از   نمونههای کاربرد این پلیمرها میباشند.

منابع: 1. Azom.com 2. شیمی پلیمر نیکلسون( ترجمه دکتر وحید حدادی اصل و ...)

ساختن یک بهشت از جنس پلیمر

چگونه می توان رابطه انسان را با طبیعت خوب کرد؟

این پرسشی بود که مدتها ذهن تی اسمیت، یک دانشمند و گیاه شناس انگلیسی را به خود مشغول کرده بود. وسرانجام پاسخ پرسشش را یافت.

پاسخ این بود:ساخت باغی جدید و بسیار عجیب که نظر همه مردم جهان را به خود جلب کند.کار ساخت این باغ اکتبر 1998 شروع شد و پس از 3 سال در مارس 2001 پروژه ساخت به اتمام رسید. نام این مجموعه دیدنی را که در 270 مایلی غرب لندن واقع شده است« بهشت عدن» گذاشتند.

این مجموعه با مساحتی بیش از 2000 هکتار؛ صد هزار گیاه شامل 5000 نوع مختلف از مناطق آب و هوایی گوناگون را در خود جای داده است.

فرم قطعاتی که این سازه با آنها ساخته شده است نوعی استیل لعابدار با لوله های گالوانیزه است . پوشش روی گلخانه که درون قابهای شش ضلعی با قطر 9متر قرار گرفته اند از جنس نوعی پلیمر به نام ETFE است که خواص جالبی دارد. این ماده می تواند روز گرما را بگیرد و در شب آن را پس بدهد. همچنین شفاف و قابل باز یافت است و حداقل 30 سال عمر می کند. هیچگونه گرد و غباری را هم جذب نمی کند و با وجود اینکه یک درصد شیشه وزن دارد بسیار محکم است به طوریکه اگر یک تیم فوتبال روی آن برود می تواند وزنشان را تحمل کند.

این پلیمر همچنین اشعه ماورا بنفشUV را که برای رشد گیاهان لازم است از خود عبور می دهد و نور آفتاب، خواص آن را تغییر نمی دهد. روی این فویلها لانه زنبور وچشم حشرات شبیه سازی شده است

هدف از ساخت این گلخانه نه تنها تحقیقات بلکه بازدید عموم و آموزش کودکان و والدین آنها برای رفتار صحیح با دوست قدیمی بشر، طبیعت و گیاهان است.

پیل سوختی با الکترولیت پلیمری(PEFC)

پیل‌های سوختی وسایل الکتروشیمیایی هستند که انرژی شیمیایی را مستقیماً به الکتریسیته و گرما تبدیل می‌کنند. در پیل سوختی پلیمری، از یک غشا پلیمری نازک به عنوان الکترولیت استفاده می‌شود. غشا پلیمری دارای رسانایی یونی است. الکترولیت جامد نسبت به الکترولیت‌های مایع دارای دانسیتة انرژی بالاتری است، همچنین میزان خوردگی در این نوع الکترولیت کمتر است. این نوع پیل سوختی در محدوده دمایی که آب بصورت مایع است کار می‌کند (زیر 100درجة سانتیگراد).

مهمترین مشکل پیل‌های سوختی قیمت بالای آنها می‌باشد. پیل‌های سوختی مزایایی دارند که کم و بیش برای همة انواع آن صادق است. این مزایا عبارتند از:

ü   بازدهی بالا: پیل‌های سوختی نسبت به موتورهای احتراق دارای بازدهی بالاتری می‌باشند.

ü   سادگی سیستم: ساختار پیل سوختی بسیار ساده است.

ü   آلایندگی کم: تنها ماده حاصل از و اکنش پیل، آب است.

ü  آلودگی صوتی کم: پیل‌های سوختی بسیار آرام کار می‌کنند که برای سیستم‌های قابل حمل از اهمیت زیادی برخوردار است.

ü   طول عمر بسیار بالا.

ü   عدم وجود قطعات و قسمتهای متحرک در سیستم.

استفاده از پیل‌های سوختی در سیستم‌های ترکیب‌کننده نیرو و گرما (در اندازه‌های کوچک و بزرگ) میسر است.  همچنین از آنها می‌توان در وسایط نقلیه، کامپیوترهای قابل حمل، گوشی‌های تلفن همراه و … استفاده کرد.

در حال حاضر بزرگترین صنعت فعال در زمینة پیل سوختی پلیمری، صنعت

خودروسازی می‌باشد. با توجه به کاهش میزان آلودگی در استفاده از سوخت هیدروژن به جای سوخت‌های فسیلی، استفاده از این پیل در وسایط نقلیه، بخصوص وسایط نقلیة عمومی نظیر اتوبوس‌ها،‌ ترن‌ها و … ارجحیت یافته است. با استفاده از این تکنولوژی، آلاینده‌هایی نظیر اکسید نیتروژن و یا گوگرد وجود نخواهد داشت. در واقع تنها عامل آلوده‌کننده در این تکنولوژی، دی‌اکسیدکربن است که بصورت محصول جانبی در فرآیند تولید هیدروژن از سوخت‌های هیدروکربنی حاصل می‌شود. می‌توان از پیل سوختی پلیمری برای تامین الکتریسیته و گرما در آپارتمان‌ها وخانه‌های شخصی نیز استفاده کرد. گوشیهای تلفن همراه میتواند از سایر زمینه­های کاربرد این پیل باشد.

در پیل سوختی پلیمری از هیدروژن یا گاز غنی از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می‌شود. اکسیژن خالص یا هوا، وابسته به نوع کاربرد پیل، به عنوان اکسید کننده مورد استفاده قرار می‌گیرد. مولکول‌های هیدروژن در آند (قطب مثبت) به پروتون و الکترون تبدیل شده و پروتون‌ها از طریق الکترولیت به کاتد (قطب منفی) منتقل می‌شوند. این در حالی است که الکترون‌ها از طریق یک جریان خارجی به کاتد منتقل میشوند. در کاتد اکسیژن، پروتون و الکترون‌ها با هم ترکیب شده، آب و حرارت تولید می‌شود(شکل1). آند و کاتد هر دو دارای کاتالیست‌هایی (از جنس پلاتینیم) هستند که فرآیندهای الکتروشیمیایی را تسریع می‌کنند. واکنش‌های اصلی پیل بصورت زیر است:

انرژی الکتریکی و حرارتی از طریق واکنش‌ کاتد حاصل می‌شود. انرژی گیبس واکنش بصورت انرژی الکتریکی ظاهر می‌شود و آنتالپی واکنش بصورت حرارت آزاد می‌گردد. در عمل، مقداری از انرژی گیبس نیز به حرارت تبدیل می‌شود.

یک پیل سوختی واحد، ولتاژ محدودی تولید می‌کند (کمتر از یک ولت). بنابراین برای دستیابی به ولتاژ مورد نیاز برای کاربردهای عملی، چند پیل واحد را بصورت سری به هم متصل می‌کنند تا یک مجموعه پیل سوختی بدست آید. اجزا سازنده یک پیل سوختی پلیمری در شکل 2 نشان داده شده است.

یکی از اجزای مهم هر پیل سوختی، الکترولیت آن می باشد که در مجاورت الکترودها و دیگر اجزای پیل، مورد استفاده قرار می گیرد. الکترولیت مورد استفاده در PEFC، از جنس پلیمر می باشد که این پلیمر همراه با رطوبتی که در خلل و فرج پلیمر وجود دارد، وظیفه انتقال پروتون از آند به کاتد را بر عهده دارد، ولی باید از عبور مولکول‌های هیدروژن و اکسیژن ممانعت نماید. غشا الکترولیت همچنین به عنوان یک عایق بین صفحات دو قطبی عمل می‌کند.

غشا الکترولیت (غشا رسانای پروتون)، پلیمری است که زنجیر اصلی آن تفلون بوده و شامل گروههای اسیدسولفونیک می‌باشد. گروههای اسیدی بر روی زنجیر پلیمر ثابت هستند، ولی پروتون‌ها می‌توانند آزادانه در غشا حرکت کنند. معمولترین غشا مورد استفاده نیفیون است. این غشا‌ برای اینکه رسانای پروتون باشد، بایستی مرطوب بماند. این مسئله دمای عملیاتی پیل پلیمری را در زیر نقطة جوش آب محدود می‌کند. به این ‌ترتیب آب به عنوان یک مسئلة حیاتی در سیستم پیل پلیمری مطرح می‌شود. در حال حاضر تحقیقات زیادی برای ساخت غشاهایی که بتوانند در دمای بالای 100 درجة سانتیگراد رسانایی داشته باشند، انجام می‌گیرد. همچنین رسانایی یونی غشا نسبت به ناخالصی‌های موجود در آن حساس است. مثلاً اگر غشا در معرض ترکیبات فلزی قرار گیرد، یون‌های فلز داخل غشا نفوذ کرده و جایگزین پروتون‌ها می‌شوند. به این‌ترتیب رسانایی غشا کاهش می‌یابد .