نانوكامپوزيت تحولي بزرگ در مقياسي كوچك
چكيده
در اين مقاله مختصري در مورد نانو تكنولوژي همچنين تعاريف كامپوزيت، نانوكامپوزيت، ساختار كامپوزيتها، علت استفاده از نانوكامپوزيت به جاي كامپوزيت از ديد مهندسي خواص مواد، اهميت، طبقه بندي آنها و همچنين نانوكامپوزيتهاي توليد شده و جديدترين اخبار در مورد آنها آورده شده است.
واژه هاي كليدي:نانو،تكنولوژي،كامپوزيت،پليمر،نانولوله
مقدمه
نانوتکنولوژي، فناوري جديد است که تمام دنيا را فرا گرفته است و به تعبير دقيقتر "نانوتکنولوژي بخشي از آينده نيست بکله همه آينده است" . نانوتکنولوژی، توانمندي توليد مواد، ابزارها و سيستمهاي جديد با در دست گرفتن کنترل در سطوح ملکولي و اتمي و استفاده از خواص است که در آن سطوح ظاهر مي شود. مواد و توسعة آنها از پايههاي تمدن به شمار ميروند. به طوري که دورههاي تاريخي را با مواد نامگذاري کردهاند.عصر جديد با شناخت يک مادة جديد به وجود نميآيد، بلکه با بهينه کردن و ترکيب چند ماده ميتوان پا در عصر نوين گذاشت. دنياي نانومواد، فرصتي استثنايي براي انقلاب در مواد کامپوزيتي است.
نانوكامپوزيتهامواد جادويي
کامپوزيت ترکيبي است از چند مادة متمايز، به طوري که اجزاي آن بهآساني قابل تشخيص از يکديگر باشند. يکي از کامپوزيتهاي آشنا بتُن است که از دو جزء سيمان و ماسه ساخته ميشود.براي تغيير دادن و بهينه کردن خواص فيزيکي و شيميايي مواد، آنها را کامپوز يا ترکيب ميکنيم.كامپوزيت آشنا كاهگل است.افزودن كاه به گل مانع از ترك خوردن آن در نتيجه از دست دادن آب و خشك شدن آن مي شود.در مثالي ديگر، پُلي اتيلن که در ساخت چمنهاي مصنوعي از آن استفاده ميشود، رنگپذير نيست و بنابراين، رنگ اين چمنها اغلب مات به نظر ميرسد. براي رفع اين عيب، به اين پليمر وينيل استات ميافزايند تا خواص پلاستيکي، انعطافي و رنگپذيري آن اصلاح شوند. در واقع، هدف از ايجاد کامپوزيت، به دست آوردن مادهاي ترکيبي با خواص دلخواه است.کامپوزيتها از دو قسمت تشکيل شدهاند: قسمت زمينه (مادة اول که در يک سري از خواص نقص دارد) و قسمت تقويتکننده (مادة دومي که به مادة اول اضافه ميشود تا دستهاي از خواص آن را بهبود بخشد). زمينة يک مادة مرکب، مادهاي است پيوسته که مادة دوم را در برگرفته است.تقويتکنندهها موادي هستند که به صورت تکهتکه، در يک زمينة پيوسته وارد ميشوند تا خواص مادة زمينه را بهتر کنند. تقويتکنندهها ميتوانند به صورت يک صفحه(لايه)،يک رشته ( نخ)،يا يک ذره (پودر) وارد حجم زمينه شوند و خواص آن را بهبود بخشند. نانوکامپوزيت، همان کامپوزيت در مقياس نانومتر (9-10) است. براي اينکه يک کامپوزيت به نانوکامپوزيت تبديل شود، ميتوان روي هر دو قسمت آن کار کرد.زمينه: همانطور که بارها گفتهايم، اتمهاييک مادة منظمِ بلوري، در داخل دانه ها قرار دارنديعني همة آنها در يک جهت چيده نشدهاند، بلکه مثل سلولهاي روي پوست دست، دستهدسته اتمهاي داخل هر سلول در يک جهت خاص قرار دارند.ما براي اينکه کامپوزيت را به نانوکامپوزيت تبديل کنيم، بايد قطر دانهها را نانومتري کنيم.زمينه ممکن است از جنس پليمر، فلز يا سراميک باشد. تقويتکننده: گفتيم که سه نوع تقويتکننده داريم. اگر تقويتکنندة ما ذرهاي باشد، با ريزکردن ذرات در حدّ نانومتر، اگر تقويتکنندههاي ما رشتهاي باشند، با ريز کردن قطررشتهها در حدّ نانومتر (يعني توليد يکسري نخ نازک که قطر هر کدام بين يک تا صد نانومتر است) و اگر تقويتکنندة ما لايهاي باشد، با نازک کردن لايهها در حدّ نانومتر (ضخامت ورقهها در حدّ 1 تا 100 نانومتر باشد) و وارد كردن آنها در زمينه ميتوانيم نانوکامپوزيت بسازيم.با افزودن تقويت كننده استحکام، مقاومت، هدايت الکتريکي و... به فاز اول يا ماتريس افزوده ميشود.
بهتر شدن خواص مکانيکي با ترکيب مواد و توليد نانوکامپوزيت
خواص مکانيکي يعني خواص ماده در برابر اِعمال نيروهايي مثل کشيدن، فشردن، خم کردن، پيچاندن و....
وقتي يک لايه يا صفحه با ضخامت 1 ميليمتر را وارد زمينهاي نرم ميکنيم، اگر تقويتکننده محکمتر از زمينه باشد، مثلاً مقداري ورق فلزي را وارد يک زمينة پلاستيکي (پليمري) کنيم، مادة مرکبِ تشکيلشده در مقايسه با مادة اول، در برابر نيروي کششي، مقاومت بيشتري از خود نشان ميدهدحال اگر اين لايه بخواهد به لايهاي با ضخامت 1 نانومتر تبديل شود، يک ميليون لايه با ضخامت 1 نانومتر خواهيم داشت. واضح است که توزيع يک ميليون لاية نانومتري، ميتواند در تمام سطح زمينة پليمري به صورت يکنواخت توزيع شود. بنابراين، وقتي به زمينة پليمري نيروي مکانيکي وارد ميشود، اين نيرو را بهتر تحمل مي كند.
بهتر شدن خواص فيزيکي
خواص فيزيکيِ يک ماده، خواصي از قبيل هدايت، مقاومت الکتريکي و... هستند.جريان الکتريکي با حرکت الکترونها وارد يک ماده ميشود و اتمها با ارتعاش، به همديگر ميخورند و به اين ترتيب الکترون را دست به دست درون ماده منتقل ميکنند. حال اگر مادة ما يک پلاستيک (عايق الکتريسيته و حرارت) باشد و ما بتوانيم چند عدد ميلة مسي درون آن وارد کنيم (دقيقاً مثل سيم)، الکترونها از درون اين پلاستيک و با عبور از اتمهاي مس، ميتوانند هدايت شوند. يعني ما با قرار دادن يک ميلة مسي درون يک پلاستيک، آن را هادي جريان الکتريسيته کردهايم. اکنون فرض کنيد که سطح اين پلاستيک 1 متر در 1 متر باشد و قطر ميلة مسي 1 ميليمتر. در اين صورت، مقطعي دايرهاي به قطر 1 ميليمتر از پلاستيک هادي جريان ميشود. اين در حالي است که با ريز کردن ميلة مسي، به ميلههاي با قطر نانومتر ميتوان يک ميليون ميله با قطر 1 نانومتر را درون پلاستيک پخش کرد. بنابراين، يک ميليون قسمت پلاستيک، رساناي جريان الکتريکي ميشوند.بسته به اينکه زمينة نانوکامپوزيت از چه مادهاي تشکيل شده باشد، آن را به سه دستة پُليمري، فلزي و سراميکي تقسيم ميکنند. کامپوزيتهاي پليمري به علت خواصي مانند استحکام، سفتي و پايداري حرارتي و ابعادي، چندين سال است که در ساخت هواپيماها به کار ميروند. با رشد نانوتکنولوژي، کامپوزيتهاي پليمري بيش از پيش به کار گرفته خواهند شد تقويت پليمرها با استفاده از مواد آلي يا معدني بسيار مرسوم است. از نظر ساختاري، ذرات و الياف معمولاً باعث ايجاد استحکام ذاتي ميشوند و ماتريس پليمري ميتواند با چسبيدن به مواد معدني، نيروهاي اعمالشده به کامپوزيت را به نحو يکنواختي به پُرکن يا تقويتکننده منتقل کند. در اين حالت، خصوصياتي چون سختي، شفافيت و تخلخلِ مادة درون کامپوزيت تغيير ميکند. ماتريس پليمري همچنين ميتواند سطحِ پُرکن را از آسيب دور نمايد و ذرات را طوري جدا از هم نگه دارد که رشد تَرَک به تأخير افتد. گذشته از تمام اين خصوصيات فيزيکي، اجزاي مواد نانوکامپوزيتي ميتوانند بر اثر تعامل بين سطح ماتريس و ذرات پُرکن، ترکيبي از خواصّ هر دو جزء را داشته باشند و بهتر عمل کنند.همچنين ماتريس محافظ ماده تقويت كننده در برابر عوامل شيميايي است.کامپوزيتهايي که بستر فلزي دارند، کموزن و سبکاند و به علت استحکام و سختيِ بالا، کاربردهاي وسيعي در صنايع خودرووهوا فضا پيدا کردهاند. اما اين کاربردها به لحاظ ضعف در قابليت کشيده شدن در چنين کامپوزيتهايي، محدود شدهاند. تبديل کامپوزيت به نانوکامپوزيت سبب افزايش بازده استحکامي و رفع ضعفِ بالا ميشود.
طبقه بندي نانوكامپوزيتها:
1-نانوکامپوزيتهاي 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.
2-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 رفتهانداستفاده 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.
نانوكامپوزيت هاي ايجاد شده
1-نانوکامپوزيتِ خاک رُس ـ پليمر
نانوکامپوزيت خاک رُس ـ پليمر يک مثال موردي از محصولات نانوتکنولوژي است. در اين نوع ماده، از خاک رُس به عنوان پُرکننده براي بهبود خواص پليمرها استفاده ميشود. خاک رُسهاي نوع اسمکتيت ،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 دهيممعلوم شده است که بسياري از خواص مهندسي، هنگامي که در ترکيب ما از ميزان کمي معمولا چيزي کمتر از 5 درصد وزني پُرکننده استفاده شود، بهبود قابل توجهي مييابدامتياز 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 سايش2- افزايش استحکام مکانيکي 3- افزايش مقاومت گرمايي4- کاهش قابليت اشتعال 5-کاهش وزن لاستيک
2-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 آمداين 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 شونداين 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؟
آخرين اخبار
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. 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. دستگاه توليد نانوالياف از محلول پليمري را طراحي و ساخته شده كه 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.
نانوكامپوزيت و فردا
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.
نتيجه گيري
نانوكامپوزيت ها تحول بزرگ در مقياس كوچك محسوب مي شود.بهبود خواص فيزيكي و خواص مكانيكي نانوكامپوزيتها نسبت به كامپوزيت هاي معمولي سبب شده كه نانو كامپوزيت ها در اقتصاد جهاني از جايگاه والايي برخوردار شوند.امروز مزيت ها و محدوديت هاي اين تكنولوژي روشن شده است.با اين حال،تا شناخت مكانيسم هاي افزايش كارايي و بهبود خواص مهندسي آنها راه طولاني در پيش داريم.
مراجع
1-نانو تكنولوژي،آيينه تكنولوژي آفرينش،انجمن علمي دانشجويي دانشكده فني دانشگاه تهران.
2-سياستگذاري علم و تكنولوژي(مطالعه موردي نانوتكنولوژي در ايران)،دكتر قاضي نوري.
3-مجموعه مقالات،اولين همايش نانوتكنولوژي،كميته مطالعات سياست نانوتكنولوژي.
5- سايت كميته مطالعات سياست نانوتكنولوژي www.irannano.org