نانو ورقهایی محکم تر از فولاد سخت تر از الماس

[XMEHRDADX 7514]

ماده‌اي که احتمالا خودروها و هواپيماهاي آينده از آن ساخته خواهند شد، buckypaper ناميده مي‌شوند و بسيار شبيه به ورق‌هاي کربني معمولي است اما نبايد هيچ گاه فريب نام جذاب و ظاهر ظريفش را خورد. اين ماده مي‌تواند پايه‌گذار انقلابي در صنايع گوناگوني از هوافضا گرفته تا تلويزيون باشد.

 

Buckypaper ورقي بسيار نازک است که از يک توده لوله‌هاي نانو کربن به‌وجود آمده، همان‌طور که مي‌دانيد لوله‌هاي نانو تقريبا در حدود 50 هزار بار نازکتر از يک رشته تار موي انسان هستند.

 

از اين رو هنگامي که ورق‌هاي Buckypaper فشرده شده و در يکديگر تنيده مي‌شوند، يک ماده کامپوزيت شکل مي‌گيرد که10 بار سبک‌تر و 500 بار مستحکم‌تر از فولاد است.

 

برخلاف مواد کامپوزيت متداول، خاصيت هدايت الکتريکي اين ماده همانند مس يا سيليسيوم بوده و به خوبي فولاد يا برنج گرما را از خود عبور مي‌دهد.

 

در حقيقت اين نانو لوله‌ها قوي‌ترين و سخت‌ترين فيبرهاي شناخته شده هستند و نيز آنها را‌ هادي‌‌ترين فيبر موجود مي‌نامند که مي‌توانند به‌عنوان نيمه‌هادي‌ها نيز مورد استفاده قرار گيرند.

 

Wade Adams يکي از محققين دانشگاه Rice مي‌گويد: اين همه آن چيزي است که مدت‌ها افراد بسياري در قالب علم نانو تکنولوژي در تلاش براي دستيابي به آن هستند.

 

در حال حاضر اين انديشه که آينده‌اي درخشان در انتظار باکي پيپر و ديگر مشتقات شناخته شده به‌وجود آمده از اين استوانه‌هاي فوق‌العاده کوچک مانند نانو لوله‌هاي کربن وجود دارد، سال‌هاست که به گوش مي‌رسد.

 

به هرحال محققين دانشگاه ايالت فلوريدا اظهار مي‌دارند که به پيشرفت‌هايي در اين زمينه دست يافته‌اند که ممکن است به‌زودي به تحقق بپيوندد.

 

همان‌طور که در بالا گفتيم باکي پيپر از مولکول‌هاي لوله‌اي شکل کربن که 50 هزار بار نازکتر از موي انسان هستند تشکيل شده است.

 

اين ماده براساس خواص منحصر به فردش مي‌تواند به‌عنوان يک ماده شگفت‌انگيز براي ساخت هواپيما و خودروهاي سبک با انرژي موثر، رايانه‌هاي پرقدرت‌تر، بهبود صفحه نمايش تلويزيون‌ها و نيز بسياري ديگر از کاربردها، استفاده شود.

 

تا اين زمان، باکي پيپر توانسته است تنها در بخشي از توان بالقوه‌اش به‌کار گرفته شود که مقياس آن کوچک بوده و هزينه بالايي نيز دربر داشته است.

 

محققين دانشگاه ايالت فلوريدا در حال توسعه تکنيک‌هاي ساخت در اين زمينه هستند که در آينده‌اي نه چندان دور اين ماده را به‌عنوان رقيب سرسختي براي بهترين مواد کامپوزيت موجود کنوني معرفي خواهند كرد.

 

Les Kramer مسئول فني و کارشناس صنايع موشکي و اطفاي حريق شرکت Lokheed Martin که يکي از حاميان مالي دانشگاه ايالت فلوريدا است، مي‌گويد: اگر اين تحقيقات به مرحله توليد برسند، مي‌تواند بسيار موثر بوده و منجر به تغييرات اساسي و انقلاب تکنولوژي در زمينه تجارت فضايي شود.

 

در حقيقت‌گويي اين اکتشافات که منتهي به توليد باکي پيپر شد از دنياي ديگري به‌دست آمده است.

 

در سال 1985، دانشمند انگليسي Harry Kroto براي انجام آزمايش شبيه‌سازي ايجاد همان شرايط مشابه در ستارگان، به محققين دانشگاه رايس ملحق شد.

 

هدف آنها از انجام اين آزمايش اين بود تا بفهمند که چگونه ستارگان، اين منابع بيکران کربن در سراسر عالم، مي‌توانند عناصري ايجاد کنند که يکي از مهمترين اجزاي سازنده زندگي بشر است.

 

همه چيز طبق برنامه پيش مي‌رفت به جز يک مورد:

 

Kroto که در حال حاضر مسئوليت يک پروژه براساس ترويج مطالعات رياضي، علمي و تکنولوژي در مدارس دولتي ايالت فلوريدا را برعهده دارد اظهار داشت که يک خصوصيت فوق‌العاده وجود داشت که کاملا نتيجه‌اي غيرمنتظره به همراه داشت و اکتشاف خارق‌العاده‌اي بود.

 

ميهمان ناخوانده و شگفت‌انگيز يک مولکول با 60 اتم کربن که به شکل يک توپ فوتبال در آمده بود. همچنين براي Kroto اين ماده شبيه به گنبدهايي متشکل از سطوح هندسي بود که نخستين‌بار توسط Buckminster Fuller (معمار، مخترع و پيشگو) مطرح شد و Kroto به افتخار ايشان اين ماده را buckminsterfullerence يا به‌طور اختصار buckyballs ناميد.

 

به واسطه کشف buckyball که سومين خويشاوند خانواده کربن بعد از گرافيت و الماس است، Kroto و همکاران وي از دانشگاه رايس مفتخر به دريافت جايزه نوبل شيمي در سال 1996 شدند.

 

همچنين يک فيزيکدان ژاپني به نام Sumio Iijima هنگامي که در دانشگاه آريزونا به تحقيق مشغول بود موفق به ايجاد يک گونه ديگري از لوله‌اي شکل آن شد.

 

محققين در يک آزمايشگاه کوچک و به‌طور اتفاقي دريافتند که اگر نانو لوله‌ها در يک مايع ريخته شده و معلق شوند و سپس توسط يک صافي با مش ريز صاف شوند به يکديگر مي‌چسبند و يک فيلم بسيار نازک باکي پيپر را ايجاد مي‌کنند.

 

Ben Wang مدير انجمن مواد با کارايي بالا در دانشگاه فلوريدا عقيده دارد که رمز اين توانايي در وسعت سطحي بيکران هر نانو لوله است.

 

وي مي‌افزايد: اگر شما يک گرم نانو لوله و فقط يک گرم را برداشته و اگر شما هر لوله را مانند يک ورق گرافيتي باز کنيد، آنگاه خواهيد توانست تا مساحتي به اندازه تقريبي دو سوم زمين فوتبال را پوشش دهيد.

 

در حال حاضر استفاده از نانولوله‌هاي کربني در استحکام بخشيدن به راکت‌هاي تنيس و دوچرخه‌ها آغاز شده اما در ميزان بسيار اندک.

 

رزين‌هاي اپوکسي که داراي مصارف گوناگوني در صنعت هستند حاوي يك تا 5 درصد نانولوله‌هاي کربني هستند که به‌صورت پودرهاي بسيار ريز اضافه مي‌شوند.

 

باکي پيپر که يک فيلم نازک است و نه يک پودر، داراي يک محتوي نانو لوله‌هاي بسيار بالاتر در حدود 50 درصد است.

 

نانو لوله‌هاي کربني تنوع بسيار زيادي از لحاظ شکل کاربرد دارند.

 

آنها مي‌توانند به صورت يک لايه يا دو لايه و در انواع طول‌ها و ضخامت‌ها و با چرخش مختلف در ساختارشان مورد استفاده قرار گيرند.

 

يکي از مشکلات موجود در باکي پيپر به هم پيچيدن لوله‌ها در يکديگر در زواياي نامشخص است که اين امر منجر به ايجاد محدوديت در استحکام آن مي‌شود.

 

Wang و محققين همراهش راه‌حلي براي اين مشکل يافته‌اند به اين صورت که نانولوله‌ها را در معرض ميدان مغناطيسي بالا قرار مي‌دهند که در نهايت منجر به اين مي‌شود که اکثر آنها در همان راستاي قبلي در يک امتداد قرار گرفته و در نهايت به افزايش مجموع استحکام آنها مي‌انجامد.

 

مشکل ديگر نانو لوله‌ها اين است که سطح اين لوله‌ها آنچنان صاف و صيقلي است که به سختي مي‌توان آنها را به‌وسيله اپوکسي در کنار يکديگر نگه داشت.

 

محققين به دنبال پيدا کردن راه‌هايي براي ايجاد برخي عيوب و ناهمواري سطحي در حد بسيار ناچيز هستند تا بتوانند اتصال بين آنها را بهبود بخشند.

 

تا اينجا انستيتو ايالتي فلوريدا قادر به توليد باکي پيپرهايي با استحکامي برابر با نصف بهترين ماده کامپوزيت موجود شناخته شده يعني IM7 شده است و Wang پيش‌بيني مي‌کند که اين فاصله به سرعت پر خواهد شد.

 

Wang گفت: تا پايان سال آينده ما بايد داراي يک کامپوزيت باکي پيپر به استحکام IM7 و 35 درصد سبک‌تر از آن باشيم.

 

در حال حاضر باکي پيپر در مقياس آزمايشگاهي توليد مي‌شود، اما ايالت فلوريدا در مرحله بررسي انعقاد قراردادي با يک شرکت براي توليد باکي پيپر در مقياس تجاري است.

 

آدامز مدير انجمن علم نانوذرات و تکنولوژي شرکت Rice مي‌گويد: در حقيقت اين مثال‌ها نشان از مواد تثبيت شده‌اي هستند که قادر خواهند بود تا در سيستم‌هاي پروازي مورد استفاده قرار گيرند.

 

وي افزود: چيزي که در حال حاضر شما مي‌توانيد آن را به‌راحتي در دستان خود بگيريد، دستاوردي از علم نانوتکنولوژي است.

 

بيش از 5 سال طول مي‌کشد تا يک ماده با ساختار جديد مجاز براي کاربردهاي هوانوردي به‌دست آيد، بنابراين Wang اظهار داشت که او پيش‌بيني مي‌کند اولين کاربرد باکي پيپر براي محافظت در برابر امواج الکترومغناطيس و برخورد صاعقه با فضاپيما خواهد بود.

 

ميدان‌هاي الکتريکي و هرگونه دلايل طبيعي از قبيل نور خورشيد يا سپيده شمالي مي‌تواند بر روي سيستم راديويي يا ديگر تجهيزات الکتريکي اخلال ايجاد كند.

 

به گفته Wang در قرارداد پيشنهادي اخير با نيروي هوايي باکي پيپر قادر است تا بيش از 4 برابر محافظت تصريح شده را تضمين کند.

 

به‌طور مثال، مواد کامپوزيت متداول داراي يک شبکه مسي اضافي براي محافظت در برابر صاعقه هستند. جايگزيني مي‌تواند منجر به کاهش وزن و مصرف سوخت شود.

 

Wang با استفاده از يک ماکت هواپيماي کامپوزيتي و يک تفنگ شوک الکتريکي به اثبات اين موضوع پرداخت. تخريب بخش محافظت نشده از صاعقه موجب ايجاد جرقه در حين پرواز مي‌شود.

 

به هرحال ضربه الکتريکي بدون آن که صدمه‌اي وارد كند به سرتاسر ديگر قسمت‌هاي محافظت شده توسط يک تسمه‌اي از باکي پيپر، انتقال مي‌يابد.

 

Wang مي‌گويد: يكي‌ديگر از کاربردهاي کوتاه‌مدت مي‌تواند استفاده به‌عنوان الکترود براي پيل‌هاي سوختي در خازن‌هاي عظيم و باطري‌ها باشد.

 

در مرحله بعدي، باکي پيپر مي‌تواند يک جايگزين بسيار موثرتر و سبک‌تر براي ورق‌هاي گرافيتي که در رايانه‌هاي لب‌تاپ به‌کار گرفته مي‌شوند، باشد و به‌خوبي گرمايي را که براي قطعات الکترونيکي مضر است، پراکنده كند.

 

هدف غايي و بلندمدت، ساخت هواپيماها، خودروها و ديگر تجهيزات با استفاده از باکي پيپر است.

 

همچنين سازمان‌هاي نظامي نيز نگاهي به اين ماده براي استفاده در پوشش‌هاي زرهي و تکنولوژي‌هاي اطلاعاتي دارند.

 

در نهايت Wang افزود : به احتمال زياد طرح ما در 12 ماه اول بهره‌برداري، در صورت امکان، ارائه چند محصول تجاري است. بديهي است که نانو لوله‌ها ديگر منحصر به يک کشف آزمايشگاهي نخواهد بود. آنها داراي پتانسيل حقيقي جهاني هستند و اين يک حقيقت است.

معدن و توسعه279(این مقاله مربوط به سال 1387 است)