پلیمرهای الکتروفعال یا فعال الکترونیکی به چه موادی گفته می شود؟
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 آنها 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.
تاریخچه پلیمرهای الکتروفعال
حوزه پلیمرهای الکتروفعال در سال ۱۸۸۰ آغاز به کار کرد و این در حالی است که Wilhelm Röntgen توانست آزمایشی را ترتیب دهد که در طی آن میزان اثربخشی میدان الکترواستاتیک بر خواص مکانیکی نواری از لاستیک طبیعی مورد آزمایش قرار گرفت. در این آزمایش یک سر نوار لاستیکی بسته شد و سر دیگر آن نیز به یک وزنه متصل شده بود. بارهای الکتریکی سپس در داخل لاستیک اسپری شدند و مشخص شد که طول این ماده تغییر کرده است.در سال ۱۹۲۵ اولین پلیمر پیزوالکتریک اختراع شد و این ماده با استفاده از ترکیب وکس ساخته شده از روزین، عسل زنبور و وکس برزیلی تولید شد و پس از آن محلول به دست آمده خنک میشود. پس از نیز آن ترکیب به دست آمده حالت جامد پیدا کرده و به یک ماده پلیمری تبدیل میشود که می‌تواند ویژگیهای پیزو الکتریک داشته باشد. انواع پلیمرهایی که به جز جریان الکتریکی می توانند به شرایط محیطی نیز پاسخگو باشند در این دوره مورد مطالعه قرار گرفتند و در سال ۱۹۴۹ Katchalsky نشان داد که زمانی که رشته‌های کلاژن در داخل محلول قلیایی و اسیدی قرار می گیرند ممکن است دچار تغییر حجم شوند. رشته‌های کلاژنی به طور حقیقی در محلول های اسیدی دچار تغییر اندازه شده و بزرگ می‌شوند و در محلولهای قلیایی کوچک خواهند داشت. اگرچه وجود سایر محرک ها همانند pH نیز مورد تحقیق بسیار زیادی قرار گرفته است که این موضوع ناشی از سادگی و کاربری بالای آن می باشد و به همین دلیل در تعداد زیادی از تحقیقات تلاش کردند تا پلیمرهایی را به وجود آورند که به محرک های الکتریکی واکنش خوبی دارند تا در نهایت بتوانند خواصی همانند سیستم های بیولوژیکی داشته باشد. قدم بزرگ بعدی که در حوزه پلیمرهای الکتروفعال برداشته شد در اواخر دهه شصت بود و در سال ۱۹۶۹ کاوال نیز نشان داد که ماده‌ای با نام پلی وینیلیدین فلوراید از خواص پیزوالکتریک بسیار بالایی برخوردار است. همین موضوع باعث شد تا تحقیقات زیادی برای توسعه انواع سیستم های پلیمری به وجود آید که می‌توانند ویژگی ها و اثرات مشابهی داشته باشند. در سال ۱۹۷۷ اولین پلیمر رسانای الکتریکی توسط شیراکاوا و دیگران ساخته شد. وی به کمک عده دیگری نشان داد که پلی‌استیلن از لحاظ الکتریکی رسانا می باشد و با ایجاد جفتی بین این ماده و بخار یود می توان میزان رسانه‌ای این ماده را تا ۸ برابر افزایش داد. اگرچه میزان رسانش آن برابر با مواد فلزی بود. در اواخر دهه ۸۰ مشخص شد که انواع دیگر از مواد پلیمری وجود دارند و دارای خواص و ویژگی های پیزوالکتریک می باشند و یا می توانند رسانای الکتریکی خوبی باشد. در اواخر دهه نود ترکیبات فلزی با پلیمرهای یونی توسعه داده شدند و مشخص شد که آنها دارای خواص الکتروفعال می باشند و این خواص در این مواد بسیار بیشتر از پلیمرهای الکتروفعال میباشد. بزرگترین خاصیت این دسته از مواد ترکیبی در این موارد خلاصه می شود که آنها دچار فعالسازی و یا تغییر شکل در ولتاژی به کمی یک تا دو ولت خواهند شد. این مقدار در مقایسه با پلیمرهای الکتروفعال بسیار کمتر می باشد و می توان عنوان کرد که نه تنها میزان انرژی فعالسازی برای این دسته از ترکیبات در مقایسه با پلیمرهای الکتروفعال بسیار کمتر می باشد بلکه آنها می توانند دچار تغییر شکل بسیار بیشتری شوند.
انواع پلیمرهای فعال الکتریکی کدامند؟
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 آنها 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 آنها 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 واکنشگر می باشد.
مترجم: ف.آل احمد
