بررسی مطالعاتی زمینه های پژوهش و توسعه در حوزه پلیمرهای هوشمند با محوریت پلیمرهای حساس به نور

پلیمرهای هوشمند یا پلیمرهای حساس به محرک با دارا بودن ویژگی‌هایی مانند چقرمگی،‌ فرآیند پذیری آسان، انعطاف‌پذیری، قابلیت ارتجاعی و زیست‌سازگاری و همچنین به دلیل داشتن تغییرات شیمیایی و فیزیکی برگشت‌پذیر در پاسخ به شرایط متغییر محیط، اهمیت‌شان روز به روز در حال افزایش است. اصلی‌ترین ویژگی که سبب می‌شود آن‌ها را به عنوان پلیمرهای هوشمند بشناسیم، توانایی آن‌ها در پاسخ به تغییرات کوچک محیط است زیرا وقتی در معرض محرک‌های محیطی قرار می‌گیرند سریعا دچار تغییرات میکروسکوپی در ساختار خود شده و به همین صورت سریعا بعد از اینکه تاثیر محرک محیطی از بین رفت به حالت اولیه خود برمی‌گردند. این پلیمرها به به محرک‌های محیطی متعددی مانند نور، دما، عوامل مکانیکی، میدان الکتریکی و مغناطیسی، قطبیت و آنزیم‌ها و زیست مولکول‌ها پاسخ می‌دهند. پلیمرهای هوشمندی که در این نوشتار مورد بررسی قرار می گیرد شامل پلیمرهای پاسخگو به نور، پلیمرهای پاسخگو به گرما، پلیمرهای پاسخگو به عوامل مکانیکی، پلیمرهای پاسخگو به میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی، پلیمرهای پاسخگو به عامل قطبیت، پلیمرهای پاسخگو به عوامل زیستی و هیدروژل ها، پلیمرهای خودتمیز شونده و خودترمیم شونده، پلیمرهای یونی، پلیمرهای بلور مایع، پلیمرهای حاوی مواد تغییر فاز و همچنین بازار جهانی آنها می باشد. پلیمرهای پاسخگو به نور از جمله پلیمرهای هوشمند هستند که حاوی ترکیبات حساس به نور در ساختار خود هستند. از مهم‌ترین این ترکیبات می‌توان به اسپایروپیران ، اسپایرواکسازین، بنزنفتوپیران، فولجاید‌ها، هتروآریل‌اتن‌ها و دی‌آزو اشاره کرد. این ترکیبات با استفاده‌ روش‌های گوناگونی به ماتریس‌های پلیمری وارد می‌شوند که از این میان می‌توان به پیوند خوردن این ترکیبات به صورت کووالانسی یا شیمیایی به زنجیر اصلی پلیمر و حل‌شدن یا پخش‌شدن در ماتریس‌های پلیمری از طریق نیروهای بین‌مولکولی فیزیکی اشاره کرد. پلیمرها به دلیل داشتن ماهیت آب‌گریز از این ترکیبات در برابر تخریب‌های محیطی محافظت و پایداری و مقاومت نوری آنها را افزایش داده و از طرفی به صورت همزمان می توان از ویژگی های پلیمر و ترکیات پاسخگو به نور استفاده کرد. با استفاده از روش‌های مختلف پلیمریزاسیون مانند امولسیونی، مینی‌امولسیونی و محلولی می‌توان به نانو ذرات و یا توده‌های پلیمری پاسخگو به نور رسید. پلیمرهای پاسخگو به نور در صنایع مختلفی همچون سیستم‌های بیولوژیکی‌ (در علامت گذاری و عکس برداری از سلول‌های زنده، انتقال دارو، مطالعه ساختار و دینامیک پروتئین‌ها و نوکلیک اسیدها، شناسایی و تجسم ارتباط بین مولکولی)، حافظه های نوری، کاغذها و اسناد امنیتی، غشاهای سلولی، انتقالات یونی، عدسی‌های چشمی و سلولهای خورشیدی کاربرد دارند. پلیمرهای بلور مایع دسته دیگری از پلیمرهای پاسخگو به نور می باشد که به دلیل نشان دادن همزمان ویژگی‌های مایعات و جامدات اهمیت بسیار زیادی دارند. بلور مایع‌ها به دو دسته تقسیم می‌شوند: 1) لیوتروپیک و 2) ترموتروپیک. اساس تقسیم بندی، چگونگی از بین رفتن نظم یا ایجاد آن می‌باشد. ساختار این ترکیبات به سه دسته تقسیم می‌شود از جمله‌، صابون مانند، نخ مانند و پیچ دار، که در ساختار صابون مانند واحدها در لایه‌هایی در دو بعد آرایش یافته‌اند. در ساختار نخ‌مانند، واحد‌ها به موازات یکدیگر آرایش یافته‌اند. در ساختار پیچ‌دار، مولکول‌ها در هر لایه نسبت به لایه مجاورش با زاویه معینی چرخیده اند. پلیمر بلور مایع باید ویژگی نسبت طول (یا قطر‌) به عرض (‌ضخامت‌) مولکول بزرگ باشدتا واحد‌های آن بتوانند به خوبی به موازات یکدیگر قرار گیرند. پلیمرهای بلور مایع دارای خواص مکانیکی، حرارتی و نوری قابل توجهی هستند. از جمله کاربردهای این ترکیبات می توان به ثبت و ذخیره اطلاعات توسط پرتو لیزر، غشاهای پلیمری با قابلیت نفوذپذیری بسیار عالی، چسب فشرده و فیلم های هوشمند در پنجره ها و استفاده به عنوان کمک کننده فرآیند پلیمرها اشاره کرد. از طرفی باتوجه به مقاومت مکانیکی و شیمیایی بالای این ترکیبات در دماهای بالا، از آن ها در تهیه الیاف کولار و کلاه ایمنی و جلیقه های ضد گلوله استفاده می‌شود. مواد پاسخگو به دما، به موادی اطلاق می شود که قابلیت پاسخگویی به تغییرات دمایی را از خود نشان می دهند. قابلیت پاسخگویی به دما کاربردهای جدید با پتانسیل اقتصادی بالایی به همراه داشته است. اخیرا توسعه سریع مواد هوشمند با خواص ترموکرومیک موجب رونق واقعی این پدیده شده است. گرچه پدیده ترموکرومیک به ندرت اتفاق می افتد ولی در مواد کاملا متفاوت مشاهده شده و منشاء آنها مختلف بوده است. ماده ترموکرومیک می تواند مونومرها یا پلیمرها، ترکیبات آلی یا معدنی و سیستم های تک یا چند جزئی باشد. ظاهر رنگی این ترکیبات می تواند به طور ناگهانی یا مداوم با توجه به دما به صورت برگشت پذیر یا برگشت ناپذیر تغییر کند که این پدیده می تواند به صورت تغییرات در بازتاب ، جذب یا پراکندگی نور نمایان شود. پلیمرهای دارای حافظه شکلی دسته ای از مواد پاسخگو به دما هستند که قابلیت حفظ شکل موقت خود را در دماهای سرویس دهی مورد نظر دارا بوده و می توانند با استفاده از یک محرک خارجی مانند نور، گرما و یا میدان های الکتریکی یا مغناطیسی به شکل اصلی خود باز گردند. در این بین، پلیمرهای هوشمندی که با استفاده از گرما برانگیخته می شوند دارای بیشترین کاربرد هستند. تغییر شکل که با استفاده از گرما رخ می دهد را اثر حافظه شکلی گویند. اثر حافظه شکلی در بسیاری از مواد از قبیل آلیاژها، سرامیک ها، پلیمرها و ژل ها مشاهده شده است که از این بین پلیمرها و آلیاژها از بیشترین اهمیت و کاربرد برخوردار هستند. پدیده ای که از طریق تغییر ویژگی های نوری به نیروهای مکانیکی پاسخ می دهند مکانوکرومیسم نامیده می شود. مکانوکرومیسم در پلیمرها برای نخستین بار در سال 2002 توسط Weder گزارش شد و در ادامه برای دامنه گسترده ای از مواد ترموپلاستیک با استفاده از کروموفورهای مختلف بررسی شد. به منظور تهیه مواد پلیمری که هر دو خواص پلیمرهای ترموپلاستیک معمول و پاسخگویی نوری را داشته باشند دو روش ممکن وجود دارد: رویکرد اول مبتنی بر اصولی است که مواد پلیمری رنگی می توانند از طریق پخش کردن ماده رنگی مناسب در ماتریس پلیمری خام بدست آید. برهمکنش های خاصی که بین ماکرومولکول و کروموفور (ماده حساس به نور) اتفاق می افتد به وسیله خودآرایی هندسی هدایت یافته به جفت های اکسایتون و خودسازمان، رفتار نوری سیستم را تعیین می کند. رفتار نوری حاصل توسط برهمکنش های هم افزا بین ساختار پلیمر و کروموفور، ویژگی های منحصر به فردی به پلیمر داده و قابلیت پاسخ گویی به محرک های خارجی را فراهم می کند. رویکرد دوم متشکل از واحد های کروموفوری است که به صورت کووالانسی به زنجیره های ماکرمولکولی وارد شده اند و همچنان زنجیر اصلی منعطف و پایدار می ماند. نوع کروموفور و مقدار کروموفور (غلظت کروموفور) تعیین کننده ویژگی ها و رنگ پلیمر حاصل هستند. این ماکرومولکول های رنگی حاصل می توانند ساختار کوپلیمری با توزیع تصادفی یا قطعه ای از مونومرهای رنگی و بی رنگ داشته باشند. ترکیب دانش و دانستنی های پایه و ایده های نوآورانه، آنها را به مواد ابتکاری و پاسخگو برای کاربردهای حسگر و شناسایی، ردیابی و تشخیص اهداف و همچنین ذخیره نوری اطلاعات تبدیل می سازد. محرک مغناطیسی یکی از قدیمی¬ترین انواع محرک¬ها است. امروزه مواد مغناطیسی کاربردهای بسیاری در صنعت پیدا کرده¬اند از جمله هسته ترانسفورماتورها، بسیاری از قطعات و تجهیزات کامپیوترها نظیر دیسک¬های نرم، سخت و فشرده، قطعات اتومبیل از جمله استارتر، حسگر پمپ¬های سوخت الکتریکی، تجهیزات پزشکی، رادیوها، نوارها، دوربین¬های عکاسی و بسیاری از تجهیزات موتوری همگی نیازمند مواد مغناطیسی هستند. حتی کاربردهای زیستی از قبیل هایپرترمیا، دارورسانی کنترل شده، تصویربرداری رزونانس مغناطیسی و موارد زیاد دیگری را می¬توان نام برد. در مواد مغناطیسی با اعمال میدان مغناطیسی خارجی، تقریبا همه ممان‌های مغناطیسی در جهت میدان جهت¬گیری کرده و منظم می‌شوند و نظم آنها مربوط به برهم¬کنش¬های الکترونی خیلی قوی بین ممان¬های مغناطیسی می باشد که همیشه حاضر هستند. نانوذرات مغناطیسی در پلیمرها کاربردهای بیشتری داشته است چرا که خواص مطلوب تری از خود نشان می¬دهند. از ویژگی‌های نانوذرات مغناطیسی می توان به پایداری شیمیایی کلوییدی در شرایط و محیط‌های متفاوت، اندازه کوچک ذرات، قابلیت جداسازی سریع وکامل، تولید آسان و کم هزینه، پاسخ مناسب به میدان مغناطیسی اعمال شده و سطح زیست سازگار اشاره کرد. با توسعه صنعت الکترونیک و کاربرد روزافزون محصولات الکترونیکی در ارتباطات، محاسبات، اتوماسیون، زیست پزشکی و هوافضا مشکلاتی از جمله تداخل امواج الکترومغناطیسی با دستگاه¬های الکترونیکی و مشکلات بهداشتی ناشی از تشعشع این امواج پدید آمده است. از این‌رو، تقاضا برای حفاظت افراد و دستگاه¬های الکترونیکی دقیق در برابر اثرات ناخوشایند سیگنال¬های الکترومغناطیسی و مشکلات بار آزاد سطحی افزایش یافته است. ژل¬ها و الاستومرهای پلیمری پاسخگو به میدان مغناطیسی و الکتریکی، کامپوزیت¬هایی هستند که نانوذرات مغناطیسی در ماتریس پلیمری پراکنده شده است بنابراین میدان مغناطیسی خارجی به سرعت می تواند در این محصولات پلیمری تغییرات برگشت پذیر ایجاد نماید که این موضوع، پلیمرهای فوق را در زمره مواد هوشمند قرار می دهد. سیستم های پلیمری هوشمند پاسخگو به عامل قطبیت در دو دسته کلی پاسخگو به تغییرات pH و حلال جای می گیرند. پلیمرهای حساس بهpH می توانند به عنوان پلی الکترولیت هایی که در ساختارشان گروه های اسیدی یا بازی ضعیف دارند تعریف شوند و در پاسخ به تغییرات pH محیط می توانند پروتون بپذیرند یا از دست بدهند. pH مهم‌ترین پارامتر محیطی برای کاربردهای زیست‌پزشکی می‌باشد، در حالی که در بسیاری از قسمت‌های پاتولوژیکی یا معین بدن، تغییرات pH رخ می‌دهد. پلیمرهای هوشمند حساس به pH کاربردهای متعددی در زیست پزشکی دارند که از شاخص‌ترین آن ها می‌توان به سامانه‌های دارو رسانی، ژن رسانی، حسگرهای گلوکز و مهندسی بافت اشاره کرد. پلیمرهای پاسخگو به حلال در پاسخ به تغییر درقطبیت یا ترکیب درصد حلال، برهمکنش های متفاوتی نشان داده و متورم یا منقبض می شود. در مورد نانوذرات پلیمری در صورتی که این تغییرات در پوسته صورت گیرد نفوذپذیری به آسانی با تنظیم میزان متورم شدن کنترل می شود. کوپلیمرهای قطعه ای برس مانند و مخلوط دوتایی از پلیمرهای دوگانه دوست (آب دوست و آب گریز) در این طبقه بندی می باشند و قادرند قابلیت خیس شدن سطح را به طور برگشت پذیر تغییر دهند. از دیگر کاربردهای پلیمرهای پاسخگو به عامل قطبیت می توان به استفاده از ترکیبات فوتوکرومیک حساس به نور درآنها اشاره کرد که در محیط های با قطبیت مختلف رنگ های متفاوتی نشان می دهند. با استفاده از این سنسورها می توان مواد با قطبیت های مختلف را به راحتی و از روی رنگ ظاهری آنها از یکدیگر تشخیص داد. پلیمرهای پاسخگو و حساس به عوامل بیولوژیکی دسته دیگری از پلیمرهای هوشمند می‌باشند که نمونه‌ای از این پلیمرها، هیدروژل¬های پاسخگو به كاتالیزورهای آنزیمی و التهاب می‌باشند. این پلیمرها پاسخ برگشت‌پذیر و شاخصی نسبت به محرك از خود نشان می‌دهند كه در نتیجه گزینه‌ای مناسب برای فرمولاسیون بایومتریال های جدید مانند سیستمهای دارو رسانی هستند. هیدروژل های حساس به دما و pH از دسته های مهم هیدروژل می باشند که از حساسیت آنها درکاربردهای پزشکی استفاده می‌شود. در واقع هدف از طراحی این سامانه‌ها افزایش اثر دارو و کاهش عوارض جانبی آن است. یکی از زمینه‌های کاربرد این هیدروژل‌ها، سامانه‌های رهایش دارو است که در این راستا از میکروذرات، لیپوزوم‌ها و نانو ذرات استفاده می شود. کیتوسان و نانوذرات مبتنی بر آلژینات از دیگر هیدروژل های مورد استفاده در پزشکی می‌باشند که از آن ها برای انتقال انسولین، داروهای ضد سل و ضد قارچ و حتی در زمینه‏ انتقال ژن، نانوکپسوله کردن استفاده می‏شود. هدف از تهیه مواد خود ترمیم شونده، ترمیم اتوماتیک مواد پلیمری آسیب دیده و بهبود طول عمر سرویس دهی مواد، ساختار و سیستم های ساخته شده از آنها می باشد. مواد ترميم پذير به دو روش ذاتی و غیر ذاتی عملیات ترمیم و بازسازی را انجام می دهند. پلیمرهای ترميم پذير غيرذاتي پس از تخريب، بدون نياز به محرك خارجي به طور خودبخود ترميم مي شوند .به گونه ای متضاد، مواد ترميم پذير ذاتی، معمولا سامانه هاي غيرخودبخود هستند كه پس از تخريب تنها با محرك خارجي از پیش معین به کمک حالت غیرشبکه ای، الیگومری و یا مونومری خود ترمیم را انجام داده و به ساختار مورد نظر در می آیند. پوشش های خود تمیزشونده به دلیل استفاده در زمینه های مختلف مانند پنجره ها، پنل های خورشیدی، سیمان ها و رنگ ها بخش مهمی از زندگی روزمره ما را تشکیل داده و رشد قابل توجهی داشته اند. سطوح خود تمیز شونده شامل پوشش های آب دوست، آب گریز، چربی گریز و آمفی فوبیک می باشند. در سطوح آب گریز غلتیدن قطرات آب روی سطح موجب تمیزی می شود ولی در سطوح آب دوست عمل تمیز شوندگی با دو فرآیند فوتوکاتالیستی اکسید فلزی به کار رفته و تشکیل یک لایه آب روی سطح انجام می شود. پلیمرهای یونی یا یونومر، همان طور که ممکن است از نامش حدس زده شود، پلیمری حاوی یون است و نوع خاصی از پلی الکترولیت است. این پلیمرها رفتار رئولوژیکی غیر معمولی نشان میدهند که به دلیل برهمکنش های جاذبه کولمبی بین بارهای متضاد می باشد. یونومرها به صورت کوپلیمر و دارای واحدهای تکراری غیر یونی و مقدار کمی واحدهای تکراری یون دار که کمتر از %۱۵ هستند و پلیمرهای شبکه ای شده محسوب نمی‌شوند و در حقیقت نوعی ترموپلاستیک دارای عامل ایجاد اتصال عرضی برگشت پذیر هستند. با حرارت دادن، گروه های یونی جاذبه ی بین خود را از دست می دهند و زنجیره ها آزادانه به اطراف حرکت می کنند. کاربرد اصلی یونومرها در تهیه غشاها برای اعمال گوناگونی نظیر بسته بندی و پوشش، دیـالیز، اسمز معکوس و سلولهای الکترولیتی کلرو قلیا می باشد که خواص تعویض یونی مناسب یونومرها دلیل این کاربردهاست. همچنین از قابلیت خودترمیمی یونومر در کاربردهایی که در معرض ضربات متعدد قرار می گیرند و طول عمر بالایی لازم دارند استفاده می شود. امروزه تأمین انرژی مورد نیاز برای فعالیت‌های روزمره یکی از عوامل اقتصادی بسیار مهم محسوب می‌شود. به همین دلیل یافتن راه‌های پیشرفته‌ تولید انرژی‌های تجدیدپذیر و پاک، اهمیت بالایی دارد. پلیمرهای حاوی مواد تغییر فاز (PCMs)، می¬توانند به عنوان یک منبع انرژی تجدیدپذیر و پاک محسوب گردند و به همین دلیل از اهمیت بالایی برخوردارند. مواد تغییر فاز، موادی هستند که می‌توانند طی تغییر فاز، انرژی را جذب، ذخیره و یا دفع کنند. استفاده این مواد بیشترین کاربرد را در صنعت ساختمان‌ در مقایسه با سایر کاربردهای آنها دارند. PCMها با توجه به دمای تغییر حالتشان کاربردهای متنوعی پیدا کرده¬اند. موادی که زیر دمای C°15 ذوب می¬شوند، برای خنک کردن و تهویه هوای اتاق قابلیت استفاده دارند. موادی که بالای دمای C°90 ذوب می¬شوند، برای کاهش دما در جاهایی که دما ممکن است به طور ناگهانی بالا رود کاربرد دارند و مانع آتش¬سوزی می¬شوند. سایر PCMها که دمای ذوبشان بین این دو مقدار است برای ذخیره¬سازی انرژی خورشیدی کاربرد دارند. PCMها برای سرد و گرم کردن در مقیاس کوچک نیز کاربردهای ویژه ای دارند. در فصل بازار پلیمرهای هوشمند، طبقه بندی بر اساس محرک‌، نوع، کاربردها و مناطق جغرافیایی انجام شده است. بازار پلیمرهای هوشمند پاسخگو به محرک‌ها به سه بخش پلیمرهای پاسخگو به محرک‌های فیزیکی، شیمیایی و زیستی (بیولوژیکی) تقسیم بندی شده و بر اساس نوع، ‌به پلیمرهای حافظه حرارتی، پلیمرهای الکتروفعال، پلیمرهای خود ترمیم شونده و بخش "انواع دیگر" دسته بندی شده است. بازار این پلیمرها بر اساس کاربردها به زیست‌پزشکی و زیست فن‌آوری، نساجی، برق و الکترونیک، اتومبیل‌سازی، انرژی هسته‌ای و همچنین بر اساس موقعیت جغرافیایی به آمریکای شمالی، اروپا، آسیا-اقیانوسیه، LAMEA (آمریکای لاتین، خاورمیانه و آفریقا) دسته بندی شده است. تجزیه و تحلیل گسترده ای از روند و پویایی بازار فعلی و بازار در حال ظهور پلیمرهای هوشمند ارائه شده است. همچنین تجزیه و تحلیل عمیق ودقیق از تمام مناطق با تخمین های بازار برای بخش های کلیدی بین سال 2014 تا 2022 انجام شده است که به شناسایی فرصت‌های غالب بر بازار کمک می‌کند. در عین حال ارزش بازار جهانی پلیمرهای هوشمند از سال 2015 تا سال 2022 و نرخ رشد ترکیبی سالیانه برای دسته بندی های مختلف بیان شده است. در بخش دیگر تعداد کل ثبت اختراعات مربوط به پلیمرهای هوشمند بر اساس سال، منطقه جغرافیایی و شرکت ها بیان شده است. نهایتا نمایه شرکت ها، عملکرد بخش های تجاری، سبد محصولات، بررسی‌های جامع رقابتی و شرح حال اعضای اصلی بازار به منظور کمک به فهم راهبردهایی که شرکت‌ها برای رشد بازار در پیش گرفته اند آورده شده است. وضعیت این شرکت ها امکان بررسی و ارزشیابی مکان‌های رقابتی به منظور فهم محیط‌های رقابتی در مناطق جغرافیایی گوناگون، زیر نظر گرفتن موقعیت اعضا و رقبای اصلی در چارچوب بازار را فراهم می نماید.