نانو کامپوزیت تحول بزرگ در مقیاس کوچک

کامپوزیت ترکیبی است از چند مادهٔ متمایز, به طوری که اجزای آن به آسانی قابل تشخیص از یکدیگر باشند یکی از کامپوزیت های آشنا بتُن است که از دو جزء سیمان و ماسه ساخته می شود

مواد و توسعهٔ آنها از پایه‌های تمدن به شمار می‌روند. به طوری که دوره‌های تاریخی را با مواد نامگذاری کرده‌اند: عصر سنگ، عصر برنز، عصر آهن، عصر فولاد، عصر سیلیکون و عصر کربن. ما اکنون در عصر کربن به سر می‌بریم. عصر جدید با شناخت یک مادهٔ جدید به وجود نمی‌آید، بلکه با بهینه کردن و ترکیب چند ماده می‌توان پا در عصر نوین گذاشت. دنیای نانومواد، فرصتی استثنایی برای انقلاب در مواد کامپوزیتی است.

کامپوزیت ترکیبی است از چند مادهٔ متمایز، به طوری که اجزای آن به‌آسانی قابل تشخیص از یکدیگر باشند. یکی از کامپوزیت‌های آشنا بتُن است که از دو جزء سیمان و ماسه ساخته می‌شود.

برای تغییر دادن و بهینه کردن خواص فیزیکی و شیمیایی مواد، آنها را کامپوز یا ترکیب می‌کنیم. به طور مثال، پُلی اتیلن{۱} که در ساخت چمن‌های مصنوعی از آن استفاده می‌شود، رنگ‌پذیر نیست و بنابراین، رنگ این چمن‌ها اغلب مات به نظر می‌رسد. برای رفع این عیب، به این پلیمر وینیل استات می‌افزایند تا خواص پلاستیکی، انعطافی‌ و رنگ‌پذیری آن اصلاح شوند. در واقع، هدف از ایجاد کامپوزیت، به دست آوردن ماده‌ای ترکیبی با خواص دلخواه است.

نانوکامپوزیت، همان کامپوزیت در مقیاس نانومتر (۹-۱۰) است. نانوکامپوزیت‌ها در دو فاز تشکیل می‌شوند. در فاز اول ساختاری بلوری در ابعاد نانو ساخته می‌شود که زمینه یا ماتریس کامپوزیت به شمار می‌رود. این زمینه ممکن است از جنس پلیمر، فلز یا سرامیک باشد. در فاز دوم ذراتی در مقیاس نانو به عنوان تقویت‌کننده{۲} برای استحکام، مقاومت، هدایت الکتریکی و... به فاز اول یا ماتریس افزوده می‌شود.

بسته به اینکه زمینهٔ نانوکامپوزیت از چه ماده‌ای تشکیل شده باشد، آن را به سه دستهٔ پُلیمری، فلزی و سرامیکی تقسیم می‌کنند. کامپوزیت‌های پلیمری به علت خواصی مانند استحکام، سفتی و پایداری حرارتی و ابعادی، چندین سال است که در ساخت هواپیماها به کار می‌روند. با رشد نانوتکنولوژی، کامپوزیت‌های پلیمری بیش از پیش به کار گرفته خواهند شد.

تقویت پلیمرها با استفاده از مواد آلی یا معدنی بسیار مرسوم است. از نظر ساختاری، ذرات و الیاف معمولاً باعث ایجاد استحکام ذاتی می‌شوند و ماتریس پلیمری می‌تواند با چسبیدن به مواد معدنی، نیروهای اعمال‌شده به کامپوزیت را به نحو یکنواختی به پُرکن یا تقویت‌کننده منتقل کند. در این حالت، خصوصیاتی چون سختی، شفافیت و تخلخلِ مادهٔ درون کامپوزیت تغییر می‌کند. ماتریس پلیمری همچنین می‌تواند سطحِ پُرکن را از آسیب دور نماید و ذرات را طوری جدا از هم نگه دارد که رشد تَرَک به تأخیر افتد. گذشته از تمام این خصوصیات فیزیکی، اجزای مواد نانوکامپوزیتی می‌توانند بر اثر تعامل بین سطح ماتریس و ذرات پُرکن، ترکیبی از خواصّ هر دو جزء را داشته باشند و بهتر عمل کنند.

کامپوزیت‌هایی که بستر فلزی دارند، کم‌وزن و سبک‌اند و به علت استحکام و سختیِ بالا، کاربردهای وسیعی در صنایع خودرو و هوا ـ فضا پیدا کرده‌اند. اما این کاربردها به لحاظ ضعف در قابلیت کشیده شدن در چنین کامپوزیت‌هایی، محدود شده‌اند. تبدیل کامپوزیت به نانوکامپوزیت سبب افزایش بازده استحکامی و رفع ضعفِ بالا می‌شود.

● نانوکامپوزیت¬‌های نانوذره‌ای

در این کامپوزیت‌ها از نانوذراتی همچون (خاک رس، فلزات، و...) به عنوان تقویت‌کننده استفاده می‌شود. برای مثال، در نانوکامپوزیت‌های پلیمری، از مقادیر کمّیِ (کمتر از ۱۰درصدِ وزنی) ذرات نانومتری استفاده می‌شود. این ذرات علاوه بر افزایش استحکام پلیمرها، وزن آنها را نیز کاهش می‌دهند. مهمترین کامپوزیت‌های نانوذره‌ای، سبک‌ترین آنها هستند.

● نانوکامپوزیت‌های نانو‌لوله‌ای

نانولوله‌های کربنی در دو گروه طبقه‌بندی می‌شوند: نانولوله‌های تک‌دیواره و نانولوله‌های چنددیواره. در این نوع از کامپوزیت‌ها، این دو گروه از نانولوله‌ها در بستری کامپوزیتی توزیع می‌شوند. در صورتی که قیمت نانوله‌ها پایین بیاید و موانع اختلاط آنها رفع شود، کامپوزیت‌های نانولوله‌ای موجب رسانایی و استحکام فوق‌العاده‌ای در پلیمرها می‌شوند و کاربردهای حیرت‌انگیزی همچون آسانسور فضایی برای آن قابل تصور است.

تحقیقات در زمینهٔ توزیع نانولوله‌های کربنی در پلیمرها بسیار جدید هستند. علاقه به نانولوله‌های تک‌دیواره‌ و تلاش برای جایگزین کردن آنها در صنعت، به علت خصوصیات عالیِ مکانیکی و رسانایی الکتریکی آنها است. (رسانندگی الکتریکی این نانولوله¬ها در حد فلزات است.)

اما در دسترس بودن و تجاری بودن نانولوله‌های چنددیواره، باعث شده است که پیشرفت‌ بیشتری در این زمینه صورت بگیرد. تا حدی که اکنون می‌توان از محصولاتی نام برد که در آستانهٔ تجاری شدنِ تولید هستند. برای نمونه، نانولوله‌های کربنیِ چنددیواره در پودرهای رنگ به کار رفته‌اند.

استفاده از این نانولوله‌ها باعث می‌شود که رسانایی الکتریکی در مقدار کمی از فاز تقویت‌کننده به دست آید. از نظر نظامی نیز فراهم کردن هدایت الکتریکی فرصت‌های انقلابی به وجود خواهد آورد. به عنوان مثال، از پوسته‌های الکتریکی ـ مغناطیسی گرفته تا کامپوزیت‌های رسانای گرما و لباس‌های سربازان آینده‌!

● نانوکامپوزیتِ خاک رُس ـ پلیمر

نانوکامپوزیت خاک رُس ـ پلیمر یک مثال موردی از محصولات نانوتکنولوژی است. در این نوع ماده، از خاک رُس {۳} به عنوان پُرکننده برای بهبود خواص پلیمرها استفاده می‌شود. خاک رُس‌های نوع اسمکتیت {۴}، ساختار لایه‌لایه دارند و هر لایه تقریباً یک نانومتر ضخامت دارد. صدها یا هزاران عدد از این لایه‌ها به وسیلهٔ یک نیروی واندروالسیِ ضعیف روی هم انباشته می‌شوند تا یک جزء رُسی را تشکیل دهند. با یک پیکربندی مناسب، این امکان وجود دارد که رُس‌ها را به اَشکال و ساختارهای گوناگون، درون یک پلیمر به شکل سازمان‌یافته قرار دهیم.

معلوم شده است که بسیاری از خواص مهندسی، هنگامی که در ترکیب ما از میزان کمی ــ معمولا ً چیزی کمتر از ۵ درصد وزنی ــ پُرکننده استفاده شود، بهبود قابل توجهی می‌یابد.

امتیاز دیگر نانوکامپوزیت‌های خاک رُس ـ پلیمر این است که تأثیر قابل توجهی بر خواص اُپتیکی (نوری) پلیمر ندارند. ضخامت یک لایهٔ رُس منفرد، بسیار کمتر از طول موج نور مرئی است. بنابراین، نانوکامپوزیتی که خوب ورقه شده باشد، از نظر اُپتیکی شفاف است. از طرفی، با توجه به اینکه امروزه حجم وسیعی از کالاهای مصرفی جامعه را پلیمرهایی تشکیل می‌دهند که به‌راحتی می‌سوزند یا گاهی در مقابل شعله فاجعه می‌آفرینند، لزوم تحقیق در خصوص مواد دیرسوز احساس می‌شود. نتایج تحقیقات حاکی از آن است که میزان آتش‌گیری در این نانوکامپوزیت‌های پلیمری حدود ۷۰ درصد نسبت به پلیمر خالص کمتر است. در عین حال، اغلب خواص کاربردی پلیمر نیز تقویت می‌شوند.

اولین کاربرد تجاری نانوکامپوزیت‌های خاک رُس ـ نایلون ۶، به عنوان روکش نوار زمان‌سنج برای ماشین‌های تویوتا، در سال ۱۹۹۱ بود. در حال حاضر نیز از این نانوکامپوزیت در صنعت لاستیک استفاده می‌شود. با افزودن ذرات نانومتریِ خاک رُس به لاستیک، خواص آن به طور قابل ملاحظه‌ای بهبود پیدا می‌کند که از جمله می‌توان در آنها به موارد زیر اشاره کرد:

۱. افزایش مقاومت لاستیک در برابر سایش

۲. افزایش استحکام مکانیکی

۳. افزایش مقاومت گرمایی

۴. کاهش قابلیت اشتعال

۵. کاهش وزن لاستیک

● نانوکامپوزیت الماس ـ نانولوله

محققان توانسته‌اند سخت‌ترین مادهٔ شناخته‌شده در جهان (الماس) را با نانولوله‌های کربنی ترکیب کنند و کامپوزیتی با خصوصیات جدید به دست آورند. اگرچه الماس سختیِ زیادی دارد، ولی به طور عادی هادی جریان الکتریسیته نیست. از طرفی، نانولوله‌های کربن به شکلی باورنکردنی سخت و نیز رسانای جریان الکتریسیته‌اند. با یکپارچه کردن این دو فُرمِ کربن با یکدیگر در مقیاس نانومتر، کامپوزیتی با خصوصیات ویژه به دست خواهد آمد.

این کامپوزیت می‌تواند در نمایشگرهای مسطح کاربرد داشته باشد. الماس می‌تواند نانولوله‌های کربنی را در مقابلِ ازهم‌گسیختگی حفظ کند. در حالی که به طور طبیعی، وقتی نمایشگر را فقط از نانولوله‌های کربنی بسازند، ممکن است از هم گسیخته شوند.

این کامپوزیت همچنین در ردیابی‌های زیستی کاربرد دارد. نانولوله‌ها به مولکول‌های زیستی می‌چسبند و به عنوان حسگر عمل می‌کنند. الماس نیز به عنوان یک الکترود فوق‌العاده حساس رفتار می‌کند.

تنها چیزی که در این تحقیقات واضح نیست این است که الماس و نانولوله‌های کربنی چگونه محکم به هم می‌چسبند؟

● جدیدترین خودرو نانوکامپوزیتی

این خودرو توسط شرکت جنرال‌موتورز طراحی شده و به علت استفاده از مواد نانوکامپوزیتی در قسمت‌های مختلف آن، حدود ۸ درصد سبک‌تر از نمونه‌های مشابه قبلی است و علاوه بر سبک بودن، در برابر تغییرات دمایی هم مقاومت می‌کند.

● توپ تنیس نانوکامپوزیتی

شرکت ورزشی ویلسون، یک توپ تنیس دولایه به بازار عرضه کرده که عمر مفید آن حدود چهار هفته است ــ در حالی که توپ‌های معمولی عمر مفیدشان در حدود دو هفته است ــ ولی از نظر خاصیت ارتجاعی و وزن تفاوتی بین این دو مشاهده نمی‌شود. علت مهم و اصلی دوام توپ‌های نانوکامپوزیتی، وجود یک لایهٔ پوشش نانوکامپوزیتی به ضخامت ۲۰ میکرون به عنوان پوستهٔ داخلی است که باعث می‌شود هوای محبوس در داخل توپ ضمن ضربه خوردن خارج نگردد، درحالی‌که توپ‌های معمولی از جنس لاستیک و در برابر هوا نفوذپذیرند.

● الیاف نانو، تحولی در صنعت نساجی

امروزه ساخت کامپوزیت‌های تقویت‌شده به وسیلهٔ نانوالیاف پیشرفت چشمگیری کرده است. لیفچه‌های کربنیِ جامد و توخالی با چند میکرون طول و دو تا بیش از صد نانومتر قطر خارجی خلق شده‌اند که مصارفی در مواد کامپوزیت و روکش دارند.

یکی از دانشجویان کارشناسی ارشد دانشکدهٔ مهندسی نساجی دانشگاه امیرکبیر، دستگاه تولید نانوالیاف از محلول پلیمری را طراحی کرده و ساخته است. این دستگاه در فیلتراسیون مایعات، گازها و مولکول‌ها، امور پزشکی مانند مواد آزادکنندهٔ دارو در بدن، پوشش زخم، ترمیم پوست، نانوکامپوزیت‌ها ، نانوحسگرها، لباس‌های محافظ نظامی و... کاربرد دارد.

مهمترین تأثیر نانوکامپوزیت‌ها در آینده کاهش وزن محصولات خواهد بود. ابتدا کامپوزیت‌های سبک‌وزن و بعد تجهیزات الکترونیکی کوچکتر و سبکتر در ماهواره‌های فضایی.

سازمان فضایی آمریکا (ناسا) در حمایت از فناوری نانو بسیار فعال است. بزرگترین تأثیر فناوری نانو در فضاپیماها، هواپیماهای تجاری و حتی فناوری موشک، کاهش وزن مواد ساختمانیِ سازه‌های بزرگ درونی و بیرونی، جدارهٔ سیستم‌های درونی، اجزای موتور راکت‌ها یا صفحات خورشیدی خواهد بود.

در مصارف نظامی نیز کامپوزیت‌ها موجب ارتقا در نحوهٔ حفاظت از قطعات الکترونیکی حساس در برابر تشعشع و خصوصیات دیگر همچون ناپیدایی در رادار می‌شوند.

کامپوزیت‌های نانوذرهٔ سیلیکاتی به بازار خودروها وارد شده‌اند. در سال ۲۰۰۱ هم جنرال موتورز و هم تویوتا شروع به تولید محصول با این مواد را اعلام کردند. فایدهٔ آنها افزایش استحکام و کاهش وزن است که مورد آخر صرفه‌جویی در سوخت را به همراه دارد.

علاوه بر این، نانوکامپوزیت‌ها به محصولاتی همچون بسته‌بندی غذاها راه یافته‌اند تا سدی بزرگتر در برابر نفوذ گازها باشند (مثلاً با حفظ نیتروژن درونِ بسته یا مقابله با اکسیژن بیرونی).

همچنین خواصّ تعویق آتش‌گیریِ کامپوزیت‌های سیلیکات نانوذره‌ای، می‌تواند در رختِ خواب‌، پرده‌ها و غیره کاربردهای بسیاری پیدا کند.

۱- Poly Ethylen

۲- Filler

۳- Clay

۴- Smectite type

منابع:

www.irannano.org

www.autnano.org

www.azonano.com

نویسنده: مریم ملک‌دار