پایان نامه رایگان درمورد تغییر، انرژی، میدهند.

دانلود پایان نامه

مصالح بکار رفته در طبیعت را جواب مناسبی برای حل مسائل معماری نمیداند. چنانچه اگر فرض کنیم درخت به عنوان یک موجود طبیعی تا به حال خلق نشده بود و یک معمار قرار بود آن را طراحی کند، استفاده از مصالح بکار رفته در بدن حیوانات، جواب مناسبی برای طراحی یک موجود طبیعی دیگر، مانند یک درخت نبود. بلکه شاید با تحلیل خاصیت مصالح بکار رفته دربدن دیگر موجودات زنده و تحلیل خاصیتهای درخت به عنوان یک صورت مسئله متفاوت، به جوابی برای طراحی مصالح دست خواهیم یافت که متفاوت از دیگر مصالح بوده ولی این جواب یک مصالح دیگر بوده که خود کاملاً جزیی از طبیعت را تشکیل میدهد.

4-4-2- نمونههایی از مصالح بیونیک
4-4-2-1- ساخت مصالح مقاوم به سایش بیونیکی چند لایه با الگوگیری از فلسهای شکم سوسمار (مارمولک صحرایی)

مارمولک صحرایی جهت تطبیق یافتن با محیط فرسایشی محدب یک پوست چندلایهای دارد که دقیقاً با فلسهای کاشی مانند و الماس شکل پوشش یافته است و میتواند به طور مؤثری سائیدگی را کاهش دهد. پوست این مارمولک صحرایی را میتوان به عنوان یک کامپوزیت بیولوژیکی با ساختار غیریکنواخت، تلقی کرد که شامل فاز نرم (بافت پیوندی) و فاز سخت (پوشش) میباشد.این کامپوزیت نرم و سخت هم ویژگیهای ساختاری انعطافپذیر و هم ویژگیهای ساختاری سخت دارد، که مقاومت زیادی را نسبت به فرسایش ارائه میدهد.
با الگوگیری از پوست چندلایهای این مارمولک صحرایی یک فلز مقاوم پوششی چند لایه تولید گردید و راجع به مواد تشکیل دهنده، ساختمان میکروسکوپی و مقاومت سایشی این کامپوزیت تحقیقاتی صورت گرفت. این فاز مقاوم به سایش از سه بخش تشکیل شده است. منطقه Ni-Tic، منطقه میانی و منطقه فلزی. منطقه Ni-Tic فقط شاملNiو Tic میباشد. منطقه میانی از مقدار زیادی FeNi3 و مقدار کمی Tic وTiFe2 تشکیل یافته است. (شکل 66)
آزمایشات نشان دادند که مقاومت سایشی این کامپوزیت بهتر از مصالح فلزی است و این برتری به اندازه 49% میباشد. (Y. Liang, H. Huang, X. Li & L.Ren, 2010)

شکل 66- فلسهای شکم مامولک صحرایی

4-4-2-2-تولید مصالح رنگی ساختمانی با الگوگیری از پروانهها و سوسکهای جواهرنشان

رنگ بدن سوسکهای جواهرنشان با خصوصیات درخشش فلزی، یک “رنگ ساختاری” نامیده میشود. رنگهای ساختاری، رنگهای عجیب و خاصشان رانه به واسطه جذب نور از طریق رنگدانهها یا رنگریزهها توسعه میبخشند، بلکه از طریق ساختارهای ریزی با ابعاد قابل مقایسه یا کوتاهتر از طول موج نور، این کار را انجام میدهند. از این رو رنگهای ساختاری از مشکلاتی مانند رنگ پریدگی مبرا هستند. رنگهای ساختاری به غیر از سطح بدن موجودات زنده، در مواد معدنی (مثل عقیق) و کریستالهای کلوئیدی، یافت میشود. کاربردهای رنگ ساختاری، یک گونه از بخشهای صنعتی را مثل نقاشی و رنگ ساختمان، مواد آرایشی، جواهرات، پارچهها و کریستالهای رنگی و فیبررنگی ساختاری را در برمیگیرد.
پروفسور پارکر148 و دیگران در موزه تاریخ طبیعی لندن تحقیقی را که شامل بررسیهایی بر روی تنوع تکامل ساختارهای فوتونیک پروانه بود، منتشر نمودند.در کل رنگ بالهای پروانه میتواند ناشی از دو عامل باشد:
1- رنگها از تجمع رنگدانهها در بافتها حاصل شود که به آن رنگ شیمیایی میگویند.
2- رنگ ناشی از ساختارهای بال پروانه باشد که به آن رنگ فیزیکی یا ساختاری میگویند.
رنگهایی که از تجمع رنگدانهها در بافتها حاصل میشوند مانند ملانین149، پترین150 میتوانند به صورت رنگهای زرد، نارنجی، قرمز، سیاه یا قهوهای باشند در صورتی که رنگهای ساختاری، رنگهای آبی بنفش و سبز را تشکیل میدهند. دانشمندان توانستند پارچههایی را با ویژگیهای رنگ ساختاری بوجود آورند، همچنین از رنگ شیمیایی ساختار بال پروانه در رنگآمیزی ماشینها بهره بردند.(شکل 67)
( Masatsugu Shimomura, 2010 )

شکل 67- رنگ ساختاری بال پروانه

4-4-2-3- مصالح هوشمند

این بخش ابتدا مشخصههایی که مواد هوشمند را از دیگر مواد متمایز میسازند، تعیین کرده و سپس بسیاری از موارد پرکاربرد را بصورت سیتماتیک بررسی میکند. پنج مشخصهی اصلی که برای تشخیص یک ماده هوشمند از مواد سنتی تعیین شدهاند عبارتند از: ناپایداری، گزینشپذیری، بیواسطهگی، خودبکاراندازی و صراحت.اگر این مشخصهها در سازماندهی این مواد بکار گرفته شود آنگاه آنها بدین صورت قابل دستهبندی هستند:
1- قابلیت تغییر ویژگی 2- قابلیت مبادله انرژی
3- اندازه/ موقعیت مجزا 4- برگشتپذیری
1- تغییر ویژگی
دستهای از مواد هوشمند که دارای بیشترین تعداد کاربردهای بالقوه در رشتهی معماری میباشد، دستهی تغییر ویژگی است.این مواد تغییری را در خصوصیت یا خصوصیات شیمیایی، گرمایی، مکانیکی، مغناطیسی، نوری یا الکتریکی در واکنش به تغییر شرایط محیطشان ایجاد میکنند. شرایط محیط ممکن است فراگیر بوده یا از طریق یک انرژی ورودی مستقیم ایجاد شود. تمام مواد تغییردهنده رنگ همچون ترموکرومیکها، الکتروکرومیکها، فوتوکرومیکها و غیره در این دسته قرار میگیرند. دراین مواد سطح اصلی از طریق یک تغییر محیطی (تابش خورشیدی ضمنی، دمای سطح) یا یک ورودی مستقیم انرژی مانند (جریان، ولتاژ) تغییر مییابد.
2- مبادله انرژی
دومین دسته از موادی که انتظار میرود نفوذ زیادی در رشتهی معماری داشته باشد دستهی مبادلهی انرژی است. این مواد که میتوان آنها را مواد قانون اول نیز خواند، یک انرژی ورودی را به شکل دیگر تغییر داده تا انرژی خروجیای مطابق با ا
ولین قانون ترمودینامیک، تولید کنند.اگرچه اثربخشی تبدیل انرژی برای مواد هوشمندی همچون فتوولتائیک و ترموالکتریک نوعاً بسیار کمتر از فناوریهای متعارف میباشد، اما پتانسیلها و استعدادهای نهانی تبدیل انرژی برای آن بسیار بیشتر است. به عنوان مثال، رابطه مستقیم میان انرژی ورودی و انرژی خروجی، بسیاری از مواد هوشمند تبدیل انرژی همچون فیزوالکتریک، پیروالکتریک و فوتوولتائیک آنها را به عنوان حسگرهای محیطی عالی ارائه میدهد.
3- برگشتپذیری/ جهتپذیری
بسیاری از مواد درون دو دستهی بالا مشخصهی برگشتپذیری یا دو جهتی را نیز از خود نشان میدهند. بسیاری از مواد تبدیل کننده یا معکوس کننده الکتریسیته میتوانند شکل انرژی ورودی و خروجی خود را برعکس کنند. به عنوان مثال، برخی از مواد فیزوالکتریک میتوانند با اعمال یک حرکت یا کشش جریانی را ایجاد کردهو یا با ایجاد یک جریان الکتریسته تغییر شکل دهند. ویژگی جذب انرژی توسط مواد تغییر فاز با توجه به جهت روی دادن تغییر فاز، میتواند برای پایدار ساختن یک محیط یا برای آزاد ساختن انرژی در محیط بکار رود.
4- اندازه/ موقعیت
صرفنظر از نوع مواد هوشمند، یکی از مشخصههای اصلی که این مواد را از مواد سنتی متمایز میسازد اندازه و عملکرد مستقیم آنهاست. حذف یا کاهش شبکههای انتقال ثانویه، اجزاء اضافه ودر برخی از موارد حتی بستهبندی و اتصالات برق موجب کوچک شدن اندازه بخش فعال ماده خواهد شد. یک جزء یا عنصر تشکیل شده از یک مادهی هوشمند نه تنها بسیار کوچکتر از یک ساختمان مشابه که از مواد سنتی استفاده کرده است میباشد بلکه به تکیهگاه زیربنایی کمتری نیاز خواهد داشت در نتیجه جزء حاصل را میتوان در مؤثرترین مکان گسترش داد. اندازهی کوچکتر این مواد همراه با خصوصیات تغییر ویژگی یا تبدیل انرژی سبب میشود تا این مواد به حسگرهایی کارا تبدیل شوند آنها تمایل کمتری به دخالت در محیطی که در حال اندازهگیری آن هستند داشته و نیاز کمتری به تنظیمات کالیبراسیون خواهند داشت.
در بخش زیر، ویژگیهای دو دستهی اول از مواد هوشمند که به عنوان مواد نوع 1 و نوع 2 نامیده شده، مطرح میشود:
نوع1- (با قابلیت تغییر ویژگی): مادهای که یکی از ویژگیهای خود (شیمیایی، مکانیکی، نوری، الکتریکی، مغناطیسی یا حرارتی) را در واکنش به تغییر در شرایط محیط خود و بدون نیاز به کنترل خارجی، تغییر میدهد.
نوع 2-(با قابلیت تبدیل انرژی): ماده یا وسیلهای که انرژی را از یک شکل به شکلی دیگر تبدیل کرده تا یک حالت نهایی مطلوب را بوجود آورد.

4-4-2-3-1- با قابلیت تغییر ویژگی

دستهای از مواد هوشمند که همواره برای هر طراح جذاب میباشد اصطلاحاً گروه مواد تغییر رنگ بوده که عبارت است از موارد زیر:
– فوتوکرومیکها- موادی که در صورت قرار گرفتن در معرض نور تغییر رنگ میدهند.
– ترموکرومیکها- موادی که بعلت تغییرات دما تغییر رنگ میدهند.
– مکانوکرومیکها- موادی که بدلیل فشارهای تحمیل شده و یاتغییر شکل تغییر رنگ میدهند.
– کموکرومیکها- موادی که در صورت قرار گرفتن در معرض محیطهای شیمیایی خاص تغییر رنگ میدهند.
-الکتروکرومیکها- موادی که با اعمال شدن یک ولتاژ تغییر رنگ میدهند.
که عبارتند از بلورهای مایع و عوامل ریز معلق که در هنگام فعلا شدن بوسیلهی الکتریسته تغییر رنگ یا شفافیت میدهند.
1- مواد فتوکرومیک:
مواد فتوکرومیک انرژی تابشی را جذب کرده و یک تغییر برگشتپذیر را از طریق یک فرآیند شیمیایی در دو وضعیت متفاوت انرژی ایجاد میکند. مواد فتوکرومیک انرژی الکترومغناطیسی درون ناحیه فرابنفش را جذب کرده تا یک تغییر ذاتی را بوجود آورند. بسته به انرژی تابشی، مواد فتوکرومیک بین بخشهای انتخابی منعکس شونده و جذب کنندهی طیف مریی تغییر جهت میدهند.مولکول مورد استفاده برای رنگهای فتوکرومیک در شکل غیرفعال خود بدون رنگ هستند. که با قرار گرفتن در معرض فوتونهای یک طول موج خاص، به یک حالت برانگیخته تغییر یافته و در طول موجهای بلندتر در یک طیف مریی بازتاب میشود. با برداشتن منبع فرابنفش (UV)، مولکول به حالت اصلی خود باز میگردد. به عنوان مثال یک نمونه فیلم فتوکرومیک تا قبل از قرار گرفتن در معرض نور خورشید شفاف و بیرنگ است و زمانی که در معرض آن قرار میگیرد شروع به بازتاب یا ارسال طول موجهای خاصی (همچون آبی شفاف) میکند. و شدت آن به میزان نوردهی مستقیم بستگی دارد. این فیلم در تاریکی و زمانی که هیچ نور خورشیدی وجود ندارد به حالت بیرنگ اصلی خود باز میگردد.
مواد فتوکرومیک در محدودهی وسیعی کاربرد دارند مانند عینکهای آفتابی که تغییر رنگ میدهند. در معماری، نیز این مواد در پنجرهها یا نمای خارجی، اگرچه با میزان مختلف موفقیت، برای کنترل بهرهبرداری از خورشید و کاهش درخشش بکار میروند.
2- مواد ترموکرومیک
مواد ترموکرومیک گرما را جذب کرده که این جذب گرما سبب یک واکنش شیمیایی میشود. که یک تغییر برگشتپذیر رادر پی دارد.
مواد ترموکرومیک دارای اشکال مختلفی هستند از جمله اشکال کریستال مایع که در فیلمهای ترموکرومیک بکار رفته و لکودیها که دارای کاربردهای زیادی هستند. فیلمها در دستگاههای آزمایش باتری، گرماسنجها و غیره بکار میروند. به عنوان مثال گرماسنجنواری که کاربرد گستردهای داشته و بر روی پیشانی یک فرد قرار میگیرد به گونهای طراحی شده است که نسبت به سطوح مشخصی از دما حساس میباشد. در مقابل لکودیها در رنگها و کاغذهای متفاوت ب
کار میروند.
در معماری و طراحی وسایل خانه، استفاده از این مواد جهت نشان دادن وجود قبلی یک فرد در یک مکان خاص یا برروی یک قطعه از وسایل، میباشد. به عنوان نمونه، بسیاری از وسایل خانهی جورجن میراچ اس نسبت به گرمای بدن حساس بوده و یک نقش رنگی از فردی که بر روی آن نشسته است را نشان میدهند. این تصویر باگذشت زمان محو میشود. (شکل 68)

شکل 68- نمونهای از بکارگیری مواد ترموکرومیک
مفهوم بکار بردن مواد ترموکرومیک بر روی سطح خارجی یک ساختمان نیز همیشه جالب توجه بوده است. (شکل 69) متأسفانه یک مشکل بزرگ درکاربرد رنگهای ترموکرومیک موجود کنونی بر روی سطح خارجی این است که قرارگرفتن در معرض طول موجهای فرابنفش در نور خورشید موجب میشود تا مواد تنزل یافته و قابلیت تغییر رنگ خود را از دست دهند.

شکل 69- بکارگیری مواد ترموکرومیک بر روی سطح خارجی یک ساختمان
3- مواد مکانوکرومیک و کموکرومیک
مواد مکانوکرومیک زمانی که در معرض فشارها و تغییر شکلهای وابسته به نیروهای خارجی قرار میگیرند

پاسخی بگذارید