بوليمر كهروفعال

المواد الكهروإجهادية العازلة هي مواد يتم فيها التشغيل بفعل قوى كهروستاتيكية بين قطبين كهربائيين يضغطان على البوليمر. تتميز هذه المواد بقدرتها على تحمل إجهادات عالية جدًا، وهي في الأساس مكثف يتغير حجمه عند تطبيق جهد كهربائي عليه، وذلك بضغط البوليمر في سمكه وتمدده في مساحته بفعل المجال الكهربائي. يتطلب هذا النوع من المواد الكهروإجهادية عادةً جهد تشغيل عالٍ لإنتاج مجالات كهربائية قوية (من مئات إلى آلاف الفولتات )، ولكنه يستهلك طاقة كهربائية منخفضة جدًا . لا تحتاج المواد الكهروإجهادية العازلة إلى طاقة للحفاظ على المُشغِّل في موضع معين. ومن أمثلتها البوليمرات الكهروإجهادية والمواد الكهروإجهادية.

البوليمرات الفيروكهربائية

البوليمرات الفيروكهربائية هي مجموعة من البوليمرات القطبية البلورية التي تتميز أيضاً بخاصية الفيروكهربائية ، أي أنها تحتفظ باستقطاب كهربائي دائم يمكن عكسه أو تغييره في مجال كهربائي خارجي . ^{[ 10 ] [ 11 ]} تُستخدم البوليمرات الفيروكهربائية، مثل بولي فينيليدين فلورايد (PVDF)، في محولات الطاقة الصوتية والمشغلات الكهروميكانيكية نظراً لاستجابتها الكهروإجهادية المتأصلة ، وفي مستشعرات الحرارة نظراً لاستجابتها الكهروحرارية المتأصلة . ^{[ 12 ]}

بوليمرات التطعيم الكهروستاتيكي

تتكون البوليمرات المطعمة الكهروإجهادية من سلاسل أساسية مرنة ذات سلاسل جانبية متفرعة. تتشابك السلاسل الجانبية على البوليمرات الأساسية المتجاورة لتشكل وحدات بلورية. يمكن للوحدات البلورية الأساسية والجانبية أن تشكل مونومرات مستقطبة، تحتوي على ذرات ذات شحنات جزئية وتولد عزم ثنائي القطب. ^{[ 13 ]}

عند تطبيق مجال كهربائي، تُطبَّق قوة على كل شحنة جزئية، مما يؤدي إلى دوران وحدة البوليمر بأكملها. ويتسبب هذا الدوران في إجهاد كهربائي وتشوه البوليمر.

تُعدّ البوليمرات الكهروإجهادية الأيونية بوليمراتٍ يتمّ فيها التنشيط عن طريق إزاحة الأيونات داخل البوليمر. لا يتطلّب التنشيط سوى بضعة فولتات، ولكنّ التدفق الأيوني يستلزم طاقةً كهربائيةً أعلى للتنشيط، بالإضافة إلى طاقةٍ للحفاظ على المُشغّل في موضعٍ مُحدّد.

من أمثلة المواد الكهروكيميائية الأيونية البوليمرات الموصلة ، ومركبات البوليمر الأيونية المعدنية ، والهلاميات المستجيبة. ومن الأمثلة الأخرى مُشغِّل هلام باكي، وهو عبارة عن طبقة مدعومة بالبوليمر من مادة البوليمر الإلكتروليتي ، تتكون من سائل أيوني محصور بين طبقتين من الأقطاب الكهربائية ، وهو عبارة عن هلام من السائل الأيوني يحتوي على أنابيب نانوية كربونية أحادية الجدار . ^{[ 15 ]} ويأتي الاسم من تشابه الهلام مع الورق الذي يُصنع بترشيح الأنابيب النانوية الكربونية، والمعروف باسم ورق باكي . ^{[ 16 ]}

مركب البوليمر الأيوني المعدني

تتكون مركبات البوليمر الأيوني المعدني من غشاء أيوني رقيق مطلي بأقطاب معدنية نبيلة على سطحه. كما يحتوي على كاتيونات لموازنة شحنة الأنيونات المرتبطة بسلسلة البوليمر. ^{[ 18 ]} وهي محركات فعالة للغاية تُظهر تشوهًا كبيرًا عند تطبيق جهد منخفض، وتتميز بمقاومة منخفضة. تعمل مركبات البوليمر الأيوني المعدني من خلال التجاذب الكهروستاتيكي بين الأيونات المضادة الموجبة ومهبط المجال الكهربائي المطبق. تُظهر هذه الأنواع من البوليمرات إمكانات واعدة للاستخدامات المحاكية للأنظمة الحيوية، حيث تتكون ألياف الكولاجين أساسًا من بوليمرات أيونية طبيعية مشحونة. ^{[ 19 ]} يُعد كل من نافيون وفليميون من مركبات البوليمر الأيوني المعدني الشائعة الاستخدام. ^{[ 20 ]}

توفر منحنيات الإجهاد والانفعال معلومات حول الخصائص الميكانيكية للبوليمر، مثل الهشاشة والمرونة وقوة الخضوع. ويتم ذلك بتطبيق قوة على البوليمر بمعدل ثابت وقياس التشوه الناتج. ^{[ 24 ]} تُعد هذه التقنية مفيدة لتحديد نوع المادة (هشة، متينة، إلخ)، ولكنها تقنية مُتلفة حيث يزداد الإجهاد حتى ينكسر البوليمر.

التحليل الميكانيكي الديناميكي هو تقنية غير مدمرة تُفيد في فهم آلية التشوه على المستوى الجزيئي. في هذا التحليل، يُطبَّق إجهاد جيبي على البوليمر، وبناءً على تشوهه، تُحسب خصائص معامل المرونة والتخميد (بافتراض أن البوليمر مُذبذب توافقي مُخمَّد ). ^{[ 24 ]} تمتص المواد المرنة الطاقة الميكانيكية للإجهاد وتحولها إلى طاقة كامنة يمكن استعادتها لاحقًا. يستخدم النابض المثالي كامل الطاقة الكامنة لاستعادة شكله الأصلي (بدون تخميد)، بينما يستخدم السائل كامل الطاقة الكامنة للتدفق، ولا يعود أبدًا إلى موضعه أو شكله الأصلي (تخميد عالٍ). يُظهر البوليمر اللزج المرن مزيجًا من كلا النوعين من السلوك. ^{[ 24 ]}

تُشبه تقنية DETA تقنية DMTA، ولكن بدلاً من تطبيق قوة ميكانيكية متناوبة، يتم تطبيق مجال كهربائي متناوب. يُمكن أن يُؤدي هذا المجال إلى استقطاب العينة، وإذا احتوى البوليمر على مجموعات ذات ثنائيات أقطاب دائمة، فإنها ستصطف مع المجال الكهربائي. [24] يُمكن قياس السماحية ^{من خلال التغير} في السعة وتحليلها إلى مُركبات تخزين وفقد العازل. كما يُمكن قياس مجال الإزاحة الكهربائية بتتبع التيار. ^{[ 24 ]} بمجرد إزالة المجال، تعود ثنائيات الأقطاب إلى وضعها العشوائي.

باعتبارها أكثر اتجاهات البحث العملي الواعدة، استُخدمت المواد الكهروإجهادية في العضلات الاصطناعية . ^{[ 25 ]} إن قدرتها على محاكاة عمل العضلات البيولوجية، بما في ذلك مقاومتها العالية للكسر ، وإجهاد التشغيل الكبير، وتخميد الاهتزازات المتأصل، تجذب انتباه العلماء في هذا المجال. ^{[ 5 ]} وقد استُخدمت المواد الكهروإجهادية بنجاح في صناعة نوع من الأيدي الاصطناعية. ^{[ 25 ]}

في السنوات الأخيرة، برزت "البوليمرات النشطة كهربائيًا لشاشات برايل القابلة للتحديث " ^{[ 26 ]} لمساعدة ضعاف البصر على القراءة السريعة والتواصل بمساعدة الحاسوب. يعتمد هذا المفهوم على استخدام مُشغِّل EAP مُرتب على شكل مصفوفة. تعمل صفوف الأقطاب الكهربائية على أحد جانبي غشاء EAP والأعمدة على الجانب الآخر على تنشيط العناصر الفردية في المصفوفة. يُثبَّت كل عنصر بنقطة برايل، ويتم خفضه بتطبيق جهد كهربائي عبر سُمك العنصر المُختار، مما يُسبب انخفاضًا موضعيًا في السُمك. وبواسطة التحكم الحاسوبي، يتم تنشيط النقاط لإنشاء أنماط لمسية من النتوءات والانخفاضات التي تُمثل المعلومات المراد قراءتها.

تُعرض الانطباعات البصرية واللمسية لسطح افتراضي بواسطة شاشة لمسية عالية الدقة، تُعرف باسم "الجلد الاصطناعي". ^{[ 28 ]} تتكون هذه الأجهزة المتكاملة من مصفوفة تضم آلاف المُعدِّلات متعددة الوسائط (بكسلات التشغيل) القائمة على هيدروجيلات مُستجيبة للمؤثرات. كل مُعدِّل قادر على تغيير نفاذيته وارتفاعه وملمسه بشكل فردي. إلى جانب إمكانية استخدامها كشاشات عرض رسومية للمكفوفين وضعاف البصر، تُعد هذه الشاشات مثيرة للاهتمام كمفاتيح قابلة للبرمجة مجانًا في لوحات اللمس ووحدات التحكم.

تتمتع مواد البوليمرات الكهروكيميائية (EAP) بإمكانيات هائلة في مجال الموائع الدقيقة، مثل أنظمة توصيل الأدوية ، وأجهزة الموائع الدقيقة ، والمختبرات على رقاقة . وتعتمد أولى تقنيات منصات الموائع الدقيقة المذكورة في الأدبيات العلمية على الهلاميات المستجيبة للمؤثرات الخارجية. ولتجنب التحليل الكهربائي للماء، تعتمد أجهزة الموائع الدقيقة القائمة على الهلاميات المائية بشكل أساسي على بوليمرات حساسة لدرجة الحرارة ذات خصائص درجة حرارة المحلول الحرجة الدنيا (LCST)، والتي يتم التحكم بها بواسطة واجهة كهروحرارية. ويُعرف نوعان من المضخات الدقيقة: مضخة الانتشار الدقيقة ومضخة الإزاحة الدقيقة. ^{[ 29 ]} وتُظهر الصمامات الدقيقة القائمة على الهلاميات المائية المستجيبة للمؤثرات الخارجية بعض الخصائص المفيدة، مثل تحمل الجسيمات، وعدم التسرب، ومقاومة الضغط العالية. ^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]}

إلى جانب هذه المكونات القياسية للتقنية الميكروفلويدية، توفر منصة الهيدروجيل أيضًا مستشعرات كيميائية ^{[ 33 ]} ونوعًا جديدًا من مكونات الميكروفلويد، وهي الترانزستورات الكيميائية (المعروفة أيضًا بصمامات الكيموستات) ^{[ 34 ]} . تنظم هذه الأجهزة تدفق السائل عند بلوغ تركيز عتبة معينة لمادة كيميائية محددة. تشكل الترانزستورات الكيميائية أساس الدوائر المتكاملة الميكروكيميائية الميكانيكية. تعالج "الدوائر المتكاملة الكيميائية" المعلومات الكيميائية حصريًا، وتعتمد على الطاقة الذاتية، وتعمل تلقائيًا، وهي مناسبة للتكامل واسع النطاق ^{[ 35 ] .}

تعتمد منصة أخرى للموائع الدقيقة على مواد أيونومرية . يمكن للمضخات المصنوعة من هذه المادة أن توفر تشغيلًا بجهد منخفض ( بطارية )، ومستوى ضوضاء منخفض للغاية، وكفاءة عالية للنظام، وتحكمًا دقيقًا للغاية في معدل التدفق. ^{[ 36 ]}

تُعدّ الأغشية البصرية تقنية أخرى تستفيد من الخصائص الفريدة لمشغلات EAP. فبفضل معامل مرونتها المنخفض، تُصبح هذه المشغلات متوافقة تمامًا مع مواد الأغشية البصرية الشائعة . كما أن مشغل EAP واحد قادر على توليد إزاحات تتراوح من الميكرومترات إلى السنتيمترات. ولذلك، يُمكن استخدام هذه المواد لتصحيح الشكل الثابت وكبح الارتعاش. كما يُمكن استخدام هذه المشغلات لتصحيح الانحرافات البصرية الناتجة عن التداخل الجوي. ^{[ 37 ]}

نظراً لما تتمتع به هذه المواد من خصائص كهروفعالية ممتازة، فإنها تُظهر إمكانات واعدة في أبحاث الروبوتات المحاكية للأنظمة الحيوية ، وأجهزة استشعار الإجهاد، ومجال الصوتيات ، مما سيجعلها موضوعاً بحثياً أكثر جاذبية في المستقبل القريب. وقد استُخدمت بالفعل في العديد من المحركات، مثل عضلات الوجه والذراع في الروبوتات الشبيهة بالبشر. ^{[ 38 ]}