|
نانوکامپوزيت هاي نانوذرهاي
در اين کامپوزيتها از نانوذراتي همچون (خاک رس، فلزات، و...) به عنوان تقويتکننده
استفاده ميشود. براي مثال، در نانوکامپوزيتهاي پليمري، از مقادير کمّيِ (کمتر از
10درصدِ وزني) ذرات نانومتري استفاده ميشود. اين ذرات علاوه بر افزايش استحکام
پليمرها، وزن آنها را نيز کاهش ميدهند. مهمترين کامپوزيتهاي نانوذرهاي، سبکترين
آنها هستند.
نانوکامپوزيتهاي نانولولهاي
نانولولههاي کربني در دو گروه طبقهبندي ميشوند: نانولولههاي تکديواره و
نانولولههاي چندديواره. در اين نوع از کامپوزيتها، اين دو گروه از نانولولهها در
بستري کامپوزيتي توزيع ميشوند. در صورتي که قيمت نانولهها پايين بيايد و موانع
اختلاط آنها رفع شود، کامپوزيتهاي نانولولهاي موجب رسانايي و استحکام
فوقالعادهاي در پليمرها ميشوند و کاربردهاي حيرتانگيزي همچون آسانسور فضايي
براي آن قابل تصور است.
تحقيقات در زمينة توزيع نانولولههاي کربني در پليمرها بسيار جديد هستند. علاقه به
نانولولههاي تکديواره و تلاش براي جايگزين کردن آنها در صنعت، به علت خصوصيات
عاليِ مکانيکي و رسانايي الکتريکي آنها است. (رسانندگي الکتريکي اين نانولوله¬ها در
حد فلزات است.)
اما در دسترس بودن و تجاري بودن نانولولههاي چندديواره، باعث شده است که پيشرفت
بيشتري در اين زمينه صورت بگيرد. تا حدي که اکنون ميتوان از محصولاتي نام برد که
در آستانة تجاري شدنِ توليد هستند. براي نمونه، نانولولههاي کربنيِ چندديواره در
پودرهاي رنگ به کار رفتهاند.
استفاده از اين نانولولهها باعث ميشود که رسانايي الکتريکي در مقدار کمي از فاز
تقويتکننده به دست آيد. از نظر نظامي نيز فراهم کردن هدايت الکتريکي فرصتهاي
انقلابي به وجود خواهد آورد. به عنوان مثال، از پوستههاي الکتريکي ـ مغناطيسي
گرفته تا کامپوزيتهاي رساناي گرما و لباسهاي سربازان آينده!
نانوکامپوزيتِ خاک رُس ـ پليمر
نانوکامپوزيت خاک رُس ـ پليمر يک مثال موردي از محصولات نانوتکنولوژي است. در اين
نوع ماده، از خاک رُس {3} به عنوان پُرکننده براي بهبود خواص پليمرها استفاده
ميشود. خاک رُسهاي نوع اسمکتيت {4}، ساختار لايهلايه دارند و هر لايه تقريباً يک
نانومتر ضخامت دارد. صدها يا هزاران عدد از اين لايهها به وسيلة يک نيروي
واندروالسيِ ضعيف روي هم انباشته ميشوند تا يک جزء رُسي را تشکيل دهند. با يک
پيکربندي مناسب، اين امکان وجود دارد که رُسها را به اَشکال و ساختارهاي گوناگون،
درون يک پليمر به شکل سازمانيافته قرار دهيم.
معلوم شده است که بسياري از خواص مهندسي، هنگامي که در ترکيب ما از ميزان کمي ــ
معمولا ً چيزي کمتر از 5 درصد وزني ــ پُرکننده استفاده شود، بهبود قابل توجهي
مييابد.
امتياز ديگر نانوکامپوزيتهاي خاک رُس ـ پليمر اين است که تأثير قابل توجهي بر خواص
اُپتيکي (نوري) پليمر ندارند. ضخامت يک لاية رُس منفرد، بسيار کمتر از طول موج نور
مرئي است. بنابراين، نانوکامپوزيتي که خوب ورقه شده باشد، از نظر اُپتيکي شفاف است.
از طرفي، با توجه به اينکه امروزه حجم وسيعي از کالاهاي مصرفي جامعه را پليمرهايي
تشکيل ميدهند که بهراحتي ميسوزند يا گاهي در مقابل شعله فاجعه ميآفرينند، لزوم
تحقيق در خصوص مواد ديرسوز احساس ميشود. نتايج تحقيقات حاکي از آن است که ميزان
آتشگيري در اين نانوکامپوزيتهاي پليمري حدود 70 درصد نسبت به پليمر خالص کمتر
است. در عين حال، اغلب خواص کاربردي پليمر نيز تقويت ميشوند.
اولين کاربرد تجاري نانوکامپوزيتهاي خاک رُس ـ نايلون 6، به عنوان روکش نوار
زمانسنج براي ماشينهاي تويوتا، در سال 1991 بود. در حال حاضر نيز از اين
نانوکامپوزيت در صنعت لاستيک استفاده ميشود. با افزودن ذرات نانومتريِ خاک رُس به
لاستيک، خواص آن به طور قابل ملاحظهاي بهبود پيدا ميکند که از جمله ميتوان در
آنها به موارد زير اشاره کرد:
1. افزايش مقاومت لاستيک در برابر سايش
2. افزايش استحکام مکانيکي
3. افزايش مقاومت گرمايي
4. کاهش قابليت اشتعال
5. کاهش وزن لاستيک
نانوکامپوزيت الماس ـ نانولوله
محققان توانستهاند سختترين مادة شناختهشده در جهان (الماس) را با نانولولههاي
کربني ترکيب کنند و کامپوزيتي با خصوصيات جديد به دست آورند. اگرچه الماس سختيِ
زيادي دارد، ولي به طور عادي هادي جريان الکتريسيته نيست. از طرفي، نانولولههاي
کربن به شکلي باورنکردني سخت و نيز رساناي جريان الکتريسيتهاند. با يکپارچه کردن
اين دو فُرمِ کربن با يکديگر در مقياس نانومتر، کامپوزيتي با خصوصيات ويژه به دست
خواهد آمد.
اين کامپوزيت ميتواند در نمايشگرهاي مسطح کاربرد داشته باشد. الماس ميتواند
نانولولههاي کربني را در مقابلِ ازهمگسيختگي حفظ کند. در حالي که به طور طبيعي،
وقتي نمايشگر را فقط از نانولولههاي کربني بسازند، ممکن است از هم گسيخته شوند.
اين کامپوزيت همچنين در رديابيهاي زيستي کاربرد دارد. نانولولهها به مولکولهاي
زيستي ميچسبند و به عنوان حسگر عمل ميکنند. الماس نيز به عنوان يک الکترود
فوقالعاده حساس رفتار ميکند.
تنها چيزي که در اين تحقيقات واضح نيست اين است که الماس و نانولولههاي کربني
چگونه محکم به هم ميچسبند؟
جديدترين خودرو نانوکامپوزيتي
اين خودرو توسط شرکت جنرالموتورز طراحي شده و به علت استفاده از مواد
نانوکامپوزيتي در قسمتهاي مختلف آن، حدود 8 درصد سبکتر از نمونههاي مشابه قبلي
است و علاوه بر سبک بودن، در برابر تغييرات دمايي هم مقاومت ميکند.
توپ تنيس نانوکامپوزيتي
شرکت ورزشي ويلسون، يک توپ تنيس دولايه به بازار عرضه کرده که عمر مفيد آن حدود
چهار هفته است ــ در حالي که توپهاي معمولي عمر مفيدشان در حدود دو هفته است ــ
ولي از نظر خاصيت ارتجاعي و وزن تفاوتي بين اين دو مشاهده نميشود. علت مهم و اصلي
دوام توپهاي نانوکامپوزيتي، وجود يک لاية پوشش نانوکامپوزيتي به ضخامت 20 ميکرون
به عنوان پوستة داخلي است که باعث ميشود هواي محبوس در داخل توپ ضمن ضربه خوردن
خارج نگردد، درحاليکه توپهاي معمولي از جنس لاستيک و در برابر هوا نفوذپذيرند.
الياف نانو، تحولي در صنعت
نساجي
امروزه ساخت کامپوزيتهاي تقويتشده به وسيلة نانوالياف پيشرفت چشمگيري کرده است.
ليفچههاي کربنيِ جامد و توخالي با چند ميکرون طول و دو تا بيش از صد نانومتر قطر
خارجي خلق شدهاند که مصارفي در مواد کامپوزيت و روکش دارند.
يکي از دانشجويان کارشناسي ارشد دانشکدة مهندسي نساجي دانشگاه اميرکبير، دستگاه
توليد نانوالياف از محلول پليمري را طراحي کرده و ساخته است. اين دستگاه در
فيلتراسيون مايعات، گازها و مولکولها، امور پزشکي مانند مواد آزادکنندة دارو در
بدن، پوشش زخم، ترميم پوست، نانوکامپوزيتها ، نانوحسگرها، لباسهاي محافظ نظامي
و... کاربرد دارد.
مهمترين تأثير نانوکامپوزيتها در آينده کاهش وزن محصولات خواهد بود. ابتدا
کامپوزيتهاي سبکوزن و بعد تجهيزات الکترونيکي کوچکتر و سبکتر در ماهوارههاي
فضايي.
سازمان فضايي آمريکا (ناسا) در حمايت از فناوري نانو بسيار فعال است. بزرگترين
تأثير فناوري نانو در فضاپيماها، هواپيماهاي تجاري و حتي فناوري موشک، کاهش وزن
مواد ساختمانيِ سازههاي بزرگ دروني و بيروني، جدارة سيستمهاي دروني، اجزاي موتور
راکتها يا صفحات خورشيدي خواهد بود.
در مصارف نظامي نيز کامپوزيتها
موجب ارتقا در نحوة حفاظت از قطعات الکترونيکي حساس در برابر تشعشع و خصوصيات ديگر
همچون ناپيدايي در رادار ميشوند.
کامپوزيتهاي نانوذرة سيليکاتي به بازار خودروها وارد شدهاند. در سال 2001 هم
جنرال موتورز و هم تويوتا شروع به توليد محصول با اين مواد را اعلام کردند. فايدة
آنها افزايش استحکام و کاهش وزن است که مورد آخر صرفهجويي در سوخت را به همراه
دارد.
علاوه بر اين، نانوکامپوزيتها به محصولاتي همچون بستهبندي غذاها راه يافتهاند تا
سدي بزرگتر در برابر نفوذ گازها باشند (مثلاً با حفظ نيتروژن درونِ بسته يا مقابله
با اکسيژن بيروني).
همچنين خواصّ تعويق آتشگيريِ کامپوزيتهاي سيليکات نانوذرهاي، ميتواند در رختِ
خواب، پردهها و غيره کاربردهاي بسياري پيدا کند.
1- Poly Ethylen
2- Filler
3- Clay
4- Smectite type
|
