مواد الاستوکالریک

[بندانگشتی|<ins>تغییر</ins> <ins>فاز [آستنیت-مارتنزیت تحت بارگذاری]]
موادِ الاستوکالریک گروهی از موادِ پیشرفته‌اند که در هنگام وارد شدنِ تنشِ مکانیکی و سپس برداشته شدنِ آن، تغییراتِ قابل‌توجهی در دمای خود نشان می‌دهند. این ویژگی آن‌ها را از بسیاری از موادِ معمولی متمایز می‌کند. پدیده‌ای که این رفتار را توضیح می‌دهد، **اثرِ الاستوکالریک** نام دارد. در این اثر، ماده در برابر بارگذاری و باربرداریِ مکانیکی واکنشی حرارتی و درعین‌حال برگشت‌پذیر از خود بروز می‌دهد. این واکنش معمولاً از تغییراتِ آنتروپی در ساختارِ ماده سرچشمه می‌گیرد؛ تغییراتی که می‌توانند حاصلِ دگرگونی‌های فازی یا بازآراییِ ساختار‌های بلوری باشند. به همین دلیل، این مواد قادرند تحتِ تنشِ مکانیکی، با تغییراتِ چشمگیرِ دما همراه شوند؛ قابلیتی که آن‌ها را به گزینه‌هایی جدی برای سامانه‌های سرمایش و گرمایشِ حالتِ جامد تبدیل می‌کند.

اهمیتِ موادِ الاستوکالریک از اینجا ناشی می‌شود که می‌توانند نقش مهمی در تحولِ فناوری‌های سرمایش و گرمایش ایفا کنند؛ فناوری‌هایی که زندگیِ روزمره‌ی ما به‌شدت به آن‌ها وابسته است. سامانه‌های سرمایشیِ متداول مانندِ سرمایش تراکمِ بخار به سردکننده‌هایی وابسته‌اند که علاوه بر مصرفِ انرژیِ بالا، برای محیطِ زیست نیز آسیب‌زا هستند و به گرم‌شدنِ کره‌ی زمین دامن می‌زنند. موادِ الاستوکالریک این ظرفیت را دارند که جایگزینی پاک‌تر و کم‌مصرف‌تر برای این سامانه‌های سنتی ارائه کنند و به کاهشِ انتشارِ گازهای گلخانه‌ای و مدیریتِ بهترِ مصرفِ انرژی کمک کنند.

## اثر الاستوکالریک

اثرِ الاستوکالریک یک پدیدهٔ پیچیدهٔ ترمودینامیکی-مکانیکی است که طی آن، یک ماده به‌دلیل وارد شدنِ تنشِ مکانیکی، دچار تغییرِ دما می‌شود. وقتی به یک مادهٔ الاستوکالریک تنشِ مکانیکی وارد می‌شود — چه از طریق کشش، فشار یا خمش — ماده می‌تواند گرما را از محیط اطراف خود جذب کند (که منجر به خنک‌شدن می‌شود) یا گرما آزاد کند (که منجر به گرم‌شدن می‌شود). علت اصلی این پدیده، تغییر در آنتروپی ماده است. این تغییر آنتروپی اغلب با یک **[[گذار فاز|دگرگونی فازی]]** یا بازآرایی ساختار بلوری ماده مرتبط است.بندانگشتی|چرخه سرمایش حالت جامد که با استفاده از اثر و مواد الاستوکالریک کار می‌کندبندانگشتی|مثال دیگه‌ای از یک چرخه سرمایشی بر پایه اثر و مواد الاستوکالریک|244x244پیکسل'''آلیاژهای حافظه‌دار''' **(SMAs)** نمونه‌ای از موادی هستند که اثر الاستوکالریک را نشان می‌دهند. این اثر ارتباط نزدیکی با دگرگونی فازی برگشت‌پذیر بین ساختارهای بلوری مختلف دارد، مانند گذار از آستنیت به مارتنزیت. در طول این گذار، آنتروپی سیستم تغییر می‌کند. این تغییر به دلیل جابجایی اتم‌ها و تغییرات انرژی داخلی رخ می‌دهد. تبدیل از فاز آستنیتی با تقارن بالا به فاز مارتنزیتی با تقارن پایین می‌تواند گرمای نهان جذب یا آزاد کند؛ این امر بستگی به این دارد که فرایند گرماگیر باشد یا گرماده. 

میزان تغییر دما (ΔT) تحت تأثیر چند عامل اصلی قرار دارد:

* **ترکیب ماده:** نوع عناصر و غلظت آن‌ها در آلیاژ می‌تواند دمای گذار فازی و میزان تغییر آنتروپی را به‌طور قابل‌توجهی تحت تأثیر قرار دهد.
* **ریزساختار:** اندازه، توزیع و جهت‌گیری دانه‌ها در داخل ماده می‌تواند خواص مکانیکی و کارایی گذار فازی را تغییر دهد.
* **بار مکانیکی:** نوع و مقدار تنش واردشده، میزان گذار فازی و در نتیجه تغییر دما را تعیین می‌کند.

با کنترل این عوامل، می‌توان اثر الاستوکالریک را به دقت تنظیم کرد و موادی طراحی نمود که پاسخ‌های حرارتی ویژه و مناسب برای کاربردهای خاص ارائه دهند.

## مواد
مواد الاستوکالریک بسیار متنوع هستند و شامل طیف وسیعی از آلیاژهای حافظه‌دار (SMAs) می‌شوند که به دلیل ویژگی‌های برجستهٔ گذار فازی، از پرمطالعه‌ترین مواد در این حوزه‌اند. نمونه‌های برجسته عبارت‌اند از:

* **[[آلیاژ حافظه‌دار|آلیاژهای نیکل-تیتانیوم (NiTi)]]:** این آلیاژها به‌خاطر خواص مکانیکی عالی و تغییرات دمایی قابل‌توجه در طول گذار فازی آستنیت–مارتنزیت شناخته شده‌اند و از مواد الاستوکالریک بسیار کارآمد به شمار می‌آیند. 

* **[[آلیاژهای مس|آلیاژهای پایهٔ مس]]:** آلیاژهایی مانند Cu-Zn-Al و Cu-Al-Ni نیز خواص الاستوکالریک امیدوارکننده‌ای نشان داده‌اند و علاوه بر این، نسبت به NiTi هزینهٔ کمتری دارند.

* **[[آلیاژ آهنی|آلیاژهای پایهٔ آهن]]:** این مواد، از جمله Fe-Pd و Fe-Ni، پتانسیل قابل‌توجهی برای کاربردهای الاستوکالریک دارند، به‌ویژه در دماهای پایین‌تر.

* **[[الاستومر|الاستومرها]] و [[سرامیک|سرامیک‌ها]]:** برخی مواد پلیمری و سرامیکی نیز به دلیل تغییرات آنتروپی مرتبط با کشش یا خمش، اثر الاستوکالریک نشان می‌دهند. این مواد مزایای منحصربه‌فردی از جمله انعطاف‌پذیری و وزن کمتر ارائه می‌کنند.

انتخاب ماده برای کاربردهای الاستوکالریک به چند معیار بستگی دارد، از جمله: محدودهٔ دمای عملکرد مورد نظر، مقاومت مکانیکی لازم، دوام ماده تحت بارگذاری چرخه‌ای (مقاومت به خستگی) و ملاحظات هزینه‌ای.

## مقایسه با سایر اثرهای کالریک
اثرِ الاستوکالریک بخشی از یک دسته‌بندی بزرگ‌تر به نام «اثرهای کالریک» است که می‌توانند در فناوری‌های سرمایشِ حالتِ جامد مورد استفاده قرار گیرند. از جمله مهم‌ترین این اثرها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

* **[[یخچال مغناطیسی|اثر مگنتوکالریک (MCE)]]:** در این اثر، ماده به‌دلیل تغییرِ میدانِ مغناطیسی دچار تغییر دما می‌شود. وقتی میدان مغناطیسی اعمال می‌شود، حوزه‌های مغناطیسی هم‌راستا شده و آنتروپی کاهش می‌یابد؛ در نتیجه، بسته به شرایط، ماده گرم یا سرد می‌شود.
[بندانگشتی|234x234پیکسل|[گادولینیم گرما را در میدان مغناطیسی به بالا می‌راند و انرژی گرمایی در محیط منتشر می‌شود.]]
* **[[اثر الکتروکالریک|اثر الکتروکالریک (ECE)]]:** در این حالت، تغییر دما ناشی از اعمال یا حذفِ میدان الکتریکی است. مواد الکتروکالریک هنگام اعمال میدان الکتریکی دچار تغییر در قطبش و آنتروپی می‌شوند و این تغییرات باعث جذب یا آزادسازی گرما می‌گردد.

در مقایسه با اثرهای مگنتوکالریک و الکتروکالریک، اثر الاستوکالریک چند مزیتِ مهم دارد:

* **عدم نیاز به میدان‌های خارجی:** مواد الاستوکالریک به میدان‌های مغناطیسی یا الکتریکی نیاز ندارند؛ میدان‌هایی که تولید و کنترل آن‌ها می‌تواند انرژی‌بر و پرهزینه باشد. این موضوع، سامانه‌های الاستوکالریک را ساده‌تر و مقرون‌به‌صرفه‌تر می‌کند.

* **تغییرات دمایی بیشتر:** مواد الاستوکالریک هنگام اعمال تنشِ مکانیکی، تغییرات دمایی بزرگ‌تری نسبت به مواد مگنتوکالریک یا الکتروکالریک نشان می‌دهند. این موضوع می‌تواند منجر به بازدهیِ سرمایشیِ بالاتر شود.

* **تنوع بالای مواد:** دامنهٔ گسترده‌ای از مواد می‌توانند خواص الاستوکالریک از خود نشان دهند، که این تنوع امکان انتخاب دقیق‌تر برای کاربردهای خاص و همچنین کاهشِ بالقوهٔ هزینه‌های مواد را فراهم می‌کند.

این ویژگی‌های منحصربه‌فرد، موادِ الاستوکالریک را به گزینه‌ای بسیار امیدبخش برای توسعهٔ نسلِ آیندهٔ فناوری‌های سرمایشی تبدیل می‌کند؛ فناوری‌هایی که هم کارآمدترند و هم سازگارتر با محیط‌زیست نسبت به سامانه‌های کنونی.

## پیشینه تحقیقات
پدیده الاستوکالریک به‌تدریج از دل پژوهش‌هایی که روی مواد دارای گذار فازی انجام می‌شد سر برآورد. سال‌ها کسی آن را یک حوزه مستقل نمی‌دانست، تا اینکه محققان هنگام کار روی آلیاژهای حافظه‌دار مثل نیتینول متوجه شدند فقط با اعمال و برداشتن تنش مکانیکی می‌توان دمای ماده را بالا و پایین برد. همین مشاهده ساده نگاه‌ها را عوض کرد؛ چون نشان می‌داد می‌شود بدون میدان‌های مغناطیسی یا الکتریکی پیچیده و فقط با فشردن و آزادسازی، یک چرخه سرمایشی کامل ساخت.

از اوایل دهه ۲۰۰۰ آرام‌آرام این پدیده نام و جایگاه مشخصی پیدا کرد. اصطلاح الاستوکالریک وارد ادبیات علمی شد و اولین ایده‌های خنک‌کننده‌های حالت‌جامد مبتنی بر این مواد مطرح شدند. البته کسی فریب ظاهر ساده مفهوم را نخورد؛ همه می‌دانستند چالش‌هایی جدی مثل خستگی مکانیکی و عمر محدود آلیاژها جلوی راه قرار دارد.

در دهه ۲۰۱۰ پژوهش‌ها رنگ‌وبوی عملی‌تری گرفت. محققان تلاش کردند دوام مواد را بالا ببرند، طرح‌های هندسی بهتر پیدا کنند و آلیاژهایی بسازند که در تنش کمتر و با بازده بیشتر کار کنند. نمونه‌های آزمایشگاهی اولین خنک‌کننده‌های الاستوکالریک در همین دوره ساخته شدند.

امروزه این فناوری هنوز به نقطه بلوغ کامل نرسیده، اما حالا این حوزه بخشی جدی از مجموعه فناوری‌های سرمایشی نوآورانه محسوب می‌شود.

[بندانگشتی|484x484پیکسل|یک نمونه تحقیقاتی سیستم سرمایشی بر پایه [اثر الاستوکالریک مربوط به سال 2019]]

## جستارهای وابسته

* آستنیت
* مارتنزیت
* سرمایش تراکمِ بخار
* آلیاژهای حافظه‌دار
* اثر مگنتوکالریک (MCE)
* اثر الکتروکالریک (ECE)

## منابع
رده:گذارهای فاز
رده:سردسازها