استقامت باور نکردنی پلاستیکهای نانو در دماهای متفاوت

[XMEHRDADX 7,514]

محققان ژاپني يك ماده جديد ويسكو الاستيك ساخته‌اند كه در بازه‌هاي دمايي بسيار متنوع و باور نكردني (از 196ـ سانتيگراد تا 1000 سانتيگراد) پايداري خود را حفظ مي‌كند. اين براي نخستين‌بار است كه ماده‌اي پلاستيكي با چنين مشخصه‌اي ساخته شده، زيرا مواد پلاستيكي به‌طور معمول در دماهاي بسيار بالا تجزيه شده و در دماهاي بسيار پايين، ترد و شكننده مي‌شوند.

 

محققان در 20 سال اخير تحقيقات خود را روي نانو لوله‌هاي كربني متمركز كرده‌اند، زيرا اين مواد خواص قابل‌توجهي دارد كه شامل استحكام كششي فوق‌العاده و هدايت الكتريكي مناسب اين مواد است. هم‌اكنون يك دانشمند ژاپني از دانشگاه AIST و همكارانش خواص استثنايي ديگري را در اين لوله‌هاي كربني كشف كرده‌اند كه آن خاصيت ويسكو الاستيسيته فراتر از يك محدوده وسيع دمايي است.

 

مواد ويسكوالاستيسيته همانند مايعات غليظ (بعنوان مثال عسل) رفتار مي‌كنند، اما قابليت كششي برگشت‌پذيري مانند يك نوار پلاستيكي را دارند. يك مثال واضح براي چنين موادي پليمرها است كه كاربردهاي وسيعي در گوش گيرها دارند و بايد خود را با شكل گوش كاملا تطبيق داده و بعد از برداشتن مجددا به شكل اصلي خود بازگردند. خاصيت ويسكو الاستيسيته در بسياري از مواد شامل مواد بي‌شكل (آمورف) و پليمرهاي چندبلوري، برخي از مواد زيستي، كريستال‌ها و حتي برخي از آلياژهاي فلزي ديده شده است.

 

 

شبكه‌هاي تصادفي

 

اين ماده پلاستيكي جديد از نانو لوله‌هاي كربني از جداره‌هاي متصل سه تايي، دوتايي و منفرد تشكيل شده و خاصيت ويسكوالاستيسيته آن معادل با مواد پلاستيكي سيليكوني مقاوم در برابر حرارت در دماي اتاق است. با توجه به اين‌كه مواد پلاستيكي سيليكوني تنها در بازه دمايي بين 55- و 300 درجه سانتيگراد مي‌توانند خاصيت ويسكو الاستيسيته خود را حفظ كنند، اما اين مواد جديد قادرند در دماهايي فراتر از اين بازه خاصيت كشساني خود را حفظ و بعد از تغيير شكل مكرر مجددا به شكل اوليه خود بازگردند و همچنين مقاومت در برابر خستگي فوق‌العاده‌اي را نيز از خود نشان دهند.

 

اين تيم محقق كار خود را با لايه نشاني كاتاليست‌هاي فلزي روي يك سطح سيليكوني آغاز كردند. اين كاتاليست‌ها همانند محلي براي رشد نانو لوله‌ها از يك سطح كربني مانند اتيلن عمل مي‌‌كنند. يك قطره آب نيز (به مقدار 100 تا 200 پي‌پي‌ام) به اين تركيب اضافه شده كه اين امر به مقدار قابل‌توجهي موجب تسريع در رشد نانو لوله شده و يك لوله طويل ايجاد مي‌كند.

 

نانو لوله‌هاي كربني به‌طور معمول با چنين تكنيك‌هايي رشد مي‌كنند، اما با آماده‌سازي كاتاليزور قبل از انجام اين روش، محققين موفق به كاهش چگالي لوله‌ها شدند و توانستند شبكه‌اي درهم تنيده از لوله‌هاي كربني طويل مانند شاخه‌هاي درخت تاك در تاكستان ايجاد كنند. نكته مهم اين است كه يك نانو لوله كربني منفرد نمي‌تواند به تنهايي پا برجا باقي بماند، از اين رو زماني كه يك نانو لوله از سطح شروع به رشد مي‌كند، توسط ديگر لوله‌ها حمايت شده و به دور آنها مي‌پيچد. اين امر منتج به ايجاد يك شبكه از لوله‌ها مي‌شود كه به واسطه نيروهاي واندروالس به يكديگر متصل شده‌اند.

 

بنابر اين گزارش، اين شبكه به كمك انرژي آزاد شده ناشي از در هم تنيدن و جدا شدن نانو لوله‌هاي منفرد در نقطه تماس، مي‌تواند در يك بازه دمايي بسيار وسيع پايداري خود را حفظ كند. نانو لوله‌هاي كربني خود به تنهايي مقاومت خوبي را در برابر حرارت (2000 تا 3000 درجه سانتيگراد) از خود نشان مي‌دهند، از اين رو مقاومت چنين مواد پلاستيكي حتي در دمايي فراتر از آن نيز قابل تصور خواهد بود.

 

با توجه به كاربردهاي وسيع اين مواد، محققان مي‌گويند كه هنوز مطمئن نيستند كه اين مواد خواص جديد و منحصر به فردي را كه سابق بر اين ديده نشده ارايه دهند، اما كماكان به دنبال كاربردهاي جديدي هستند كه اين ماده با خواص دمايي متغيير براي آن مفيد واقع شود.

 

اين نانو لوله‌هاي درهم تنيده نوعي از پلاستيك‌هاي چندمنظوره بوده كه مي‌توانند در فضاي بسيار سرد بين ستاره‌اي يا در درون يك كوره خلأ با دماي بسيار بالا مورد استفاده قرار گيرند. با توسعه بيشتر اين مواد، نه تنها در كاربردهاي فرازميني از قبيل فضاپيماها بلكه در كاربردهاي زميني نيز مانند پارچه‌هاي بدون چروك و كف كفش‌ها براي كاهش ضربات مكانيكي به بدن مورد استفاده قرار مي‌گيرند.

 

اين تيم محقق ژاپني كه شامل دانشمنداني از آژانس بين‌المللي علوم و تكنولوژي هستند، در حال حاضر براي ساخت مواد الاستيك نرم‌تر و مستحكم‌تر همانند خياط خواص متنوع نانولوله‌هاي كربني را در كنار يكديگر قرار مي‌دهند.

 

 

افزايش مقاومت در برابر خوردگي

 

محققان ژاپني با افزودن نانولوله‌هاي كربني تك جداره به آلياژهاي منيزيم، توانستند خواص خوردگي آن را به مقدار قابل‌توجهي بهبود بخشند. اين امر موجب بهبود خواص مكانيكي اين آلياژها شده و اين ماده جديد را بعنوان يك جايگزين مناسب براي آلياژهاي آلومينيومي و پلاستيك‌هاي مورد استفاده در صنايع مختلف مطرح كرده است.

 

به‌طور معمول بدليل وزن سبك آلياژهاي منيزيم از اين مواد در بدنه خودروها، تجهيزات الكترونيكي و وسايل ورزشي استفاده مي‌كنند، اما از مشكلات اين آلياژها مقاومت اندك آنها در برابر خوردگي بوده كه منتج به اندودكاري آنها در طي فرآيند توليد شده و اين امر محدوديت در كاربرد اين مواد را به همراه دارد. اين محققان دريافته‌اند كه افزودن حدود 5 درصد وزني از نانولوله‌هاي كربني چند‌جداره كوتاه در يك جهت و بسيار منظم، مي‌تواند مقاومت خوردگي اين آلياژها را بهبود بخشد، همچنين علاوه ‌بر اين نتيجه خيلي مهم، خواص مكانيكي اين آلياژها نيز به ميزان قابل‌توجهي بهبود يافته‌اند (افزايش 25 درصد و 11 درصد به‌ترتيب در مدول كشساني و استحكام كششي).

 

اين محققان با استفاده از روش تركيب پودر– پودر و استفاده از فرآيندهاي قالب‌گيري تحت فشار در خلأ، توانستند تركيبات آلياژ منيزيمي حاوي نانولوله‌هاي كربني چندجداره را تهيه‌ كنند. آنها با فرو بردن آلياژهاي مذكور به داخل آب شور و اندازه‌گيري جرم از دست‌رفته، موفق به تعيين خوردگي آنها شدند.

 

 

راز شكست‌ناپذيري سايشي الماس

 

الماس كماكان يكي از سخت‌ترين مواد موجود روي كره خاكي است. قرن‌هاست كه كسي نمي‌داند، چرا در ساييدن و صاف كردن الماس برخي از سطوح و جهت‌ها راحت‌تر ساييده مي‌شوند. اين مساله بصورت رازي باقي مانده‌ و در حال حاضر اين فرآيند سايشي مرموز الماس توسط دانشمندان آلماني با ايجاد يك مدل براي تشريح فعل و انفعالات سايشي در مقياس مولكولي، توصيف شده است.

 

تا قرن‌ها سازندگان و فروشندگان سنگ‌هاي قيمتي الماس را به وسيله چرخ‌هايي از جنس چدن خاكستري كه سطح آن با تكه‌هاي خشن الماس پوشانده شده بود، سنگ‌زني مي‌كردند و صيقل مي‌دادند. براي چند قرن كسي نمي‌دانست كه چرا الماس، سخت‌ترين ماده طبيعت، را مي‌توان با خرده‌هايي از الماس ساييد و صاف كرد و چرا تنها بخشي از سطوح آن و در جهت‌هاي خاصي ساييده مي‌شوند. درك اين موضوع مي‌تواند فرآيند سايش و صاف كردن الماس را بهبود بخشيده، راهبردهاي جديدي را براي رسيدن به سطحي صاف در الماس‌هاي مصنوعي چندبلوري ارايه كند. چنين كاري منجر به افزايش كاربرد الماس در صنايع مختلف نظير الكترونيك مي‌شود، اما تجربه نشان داده كه زماني كه الماس با يك زاويه مشخص نسبت به چرخ سايشي ثابت مي‌شود، عمل صيقل كاري بهتر انجام مي‌شود. مشاهدات تجربي در طي قرن‌ها بر اين اساس استوار بوده كه سطوح از جنس الماس نسبت به سطوح ديگر آن نرم‌تر بوده و راحت تحت فرآيند سايش قرار مي‌گيرند. گمان‌ها بر اين بوده كه در سطوح الماس، اتم‌هاي كربن درون شبكه‌ي بلوري ماده به‌‌نحوي چيده شده‌اند كه برخي بسيار محكم‌تر از ديگر اتم‌ها كربن هستند، اما مدت‌ها روند علمي اين فرآيند همواره مبهم بوده و كسي از ساز و كار دقيق اين چيدمان‌ها اطلاعي نداشت تا اينكه اين بررسي‌هاي جديد در اين زمينه صورت پذيرفت.

اين عامل مستقيم در صيقل‌كاري الماس توسط يك دانشمند آلماني مورد بررسي قرار گرفته و بعد از تحقيقات روي اين پديده طبيعي با تيم دانشگاهي خود، موفق به ارايه يك مدل مكانيك كوانتوم براي مطالعه فعل و انفعالات اتمي در فيلم‌هاي نازك كربني الماس مانند كه معمولا در صنعت براي كاهش اصطكاك بين ماشين‌آلات به كار مي‌رود، شدند. يكي از محققان اظهار داشت كه در اين مرحله ما از اين اتفاق بسيار هيجان‌زده شديم و فرآيند شبيه‌سازي خود را براي يافتن جزئيات بيشتر در اين مورد به دقت مورد بررسي و تحليل قرار داديم.

اين گروه فرآيند شبيه‌سازي صيقل‌كاري الماس را با استفاده از 70 پردازنده كامپيوتري در مدت يك‌سال انجام دادند و در نهايت كشف كردند كه در در فرآيند سنگ‌زني سطوح الماس بصورت لايه‌هاي بي‌شكل و نرم تغيير شكل مي‌دهد، سپس اين فيلم بسيار نازك مي‌تواند براحتي به وسيله تراشه‌هاي ديگر يا از طريق پيوند مولكول‌هاي كربن با اكسيژن در هوا، از سطح جدا شده و بخش انتهايي سطح صيقل داده شده الماس خارج مي‌شود.

 

اتم‌هاي كربن در اين لايه‌، با شبكه‌ بلوري موجود در الماس كه در زير لايه‌ آمورف قرار دارد، پيوندهايي ايجاد مي‌كنند. با زدوده شدن لايه‌ آمورف دو حالت ممكن است اتفاق بيفتد، اگر پيوند ضعيف باشد، لايه‌ آمورف از سطح جدا مي‌شود و اگر پيوند قوي باشد و اين استحكام مانند صفحات درون شبكه باشد، آنگاه لايه روي سطح باقي مي‌ماند.

ايجاد اين لايه نازك بي‌شكل بدليل وجود عيوب در سطح الماس شامل تجمع آلودگي‌ها در طي زمان صيقل‌كاري است. از آنجا كه يك اتم الماس روي سطح مي‌لغزد، مكررا روي اتم‌هاي بلوري الماس كشيده مي‌شود و برخي اوقات موجب كندن اتم از سطح كريستال شده و جزيي از لايه بي‌شكل مي‌شود.

 

محققان اميدوارند كه با اصلاح لايه‌هاي آمورف، بخصوص در آن دسته نواحي كه اتم‌هاي لايه آمورف به سطوح الماس محكم‌تر چسبيده‌، بتوانند بخش‌هاي سخت الماس را ساييده و صاف كنند.

 

 

كمال‌الدين غفوري

منبع: physicsworld.com

نشریه معدن و توسعه شماره 400