کاربردهای مکانیکی نانو

نانو لوله‌های کربنی
چکیده
با توجه به گسترش روز افزون فناوری نانو و ایجاد تحولات بزرگ در صنایع مختلف توسط این فناوری لازم است که هر کسی بسته به تخصص خود اطلاعی هر چند کلی از کاربردها و قابلیت‌های فناوری نانو داشته باشد. در این مقاله ابتدا توضیحی کلی راجع به فناوری نانو داده شده است و با توجه به اهمیت و نقش گسترده نانولوله‌کربنی در فناوری نانو این ماده معرفی و خواص آن ذکر شده‌است، در ادامه به توضیح برخی از کاربردهای نانولوله‌ها در صنایع مرتبط با مهندسی مکانیک چون کامپوزیت‌ها، محرک‌ها و فیلترها پرداخته شده است.

مقدمه
یک نانومتر يک ميليونيوم يک متر است بنابراین علم نانو آن بخش از است که ماده را در مقياسی بسيار کوچک بررسی می‌کند؛ و فناوری نانو به تولید و ساخت در مقیاس مولکولی و اتمی می‌پردازد، یا به عیارت دیگر با اجسام و ساختارها و سیستم‌هایی سر و کار دارد که حداقل در یک بعد اندازه‌ای کمتر از۱۰۰ نانومتر دارند. با پیشرفت و گسترشی که علم و فناوری نانو طی چند سال اخیر داشته است انتظار می‌رود که به زودی تمامی زمینه‌های علم و فناوری را تحت تاثیر خود قرار دهد.

نانوفناوری صنایع مرتبط به مهندسی مکانیک را نیز بی بهره نگذاشته است و تحولات زیادی را از تولید کامپوزیت‌ها با استفاده از نانومواد تا تولید شتاب‌سنج هایی در اندازه نانو، ایجاد نموده است. در صنایع خودروسازی در قسمت‌های مختلف ماشین کاربردهای نانوفناوری را می‌بینیم، از شیشه‌های خود تمیز شو و بدنه‌های ضدخش گرفته تا باتری‌هایی با طول عمر بیشتر و وزن کمتر. در این میان نانولوله‌هاي کربني یکی از مواد اولیه‌ای هستند که به علت ویژگی ساختمانی‌، دارای کاربردهای مکانیکی مختلف و ویژه‌ای هستند.
نانولوله‌های کربنی

نانولوله‌هاي کربني يکي ازمهم ترين ساختارها در مقياس نانو هستند.این مواد اولین بار در سال ۱۹۹۱ توسط دانشمندي ژاپني به نام ايجما در درون دوده‌هاي حاصل از تخليه الکتريکي کربن در يک محيط حاوي گاز نئون کشف شد.[ ] اين ترکيبات شيميايي ، با ساختار اتمي شبيه صفحات گرافیت، از استوانه‌هايي با قطر چند نانومتر و طولي تا صدها ميکرومتر تشکيل شده‌اند.
نانولوله‌ها داراي مدول يانگي تقريباً ۶ برابر فولاد ( ۱TPa) و چگالي برابر ۱٫۴ g/cm3 هستند. [

] اين مواد در جهت محوري مقاومت کششي بسيار زيادي دارند و اين مزيت بسيار خوبي براي ساخت سازه‌هايي با مقاومت بالا در جهت خاص است. دليل اين مقاومت بالا از يک طرف استحکام پيوند كربن-كربن در ساختار نانولوله‌کربنی و از طرف ديگر شکل شش ضلعی اين ساختار است که به خوبي بار را در میان پیوندها توزيع مي‌کند. از طرف دیگر پایداری حرارتی نانولوله‌ها نیز بسیار بالا است. این خواص منحصربه فرد مکانیکی در نانولوله‌‌ها امکان استفاده از آن‌ها را در کاربردهای

مختلف فراهم می‌کند. از جمله این کاربردها می توان از الکترونیک در مقیاس نانو، استفاده در کامپوزیت‌ها و نیز به عنوان وسایل ذخیره کننده گازها نام برد.
مقاومت نانولوله‌ها
رفتار مکانیکی نانولوله‌های کربنی به عنوان یکی از بهترین فیبرهای کربنی‌ای که تا کنون ساخته شده اند، بسیار شگفت انگیز است. فیبرهای کربنی معمول دارای مقاومتی تا ۵۰ برابر مقاومت مخصوص (نسبت مقاومت به چگالی) فولاد هستند و از طرف دیگر تقویت کننده‌های خوبی در برابر بار در کامپوزیت‌ها هستند. بنابراین نانولوله‌ها یکی از گزینه‌های ایده‌آل در کاربرد ساختمانی هستند.

در نانولوله‌های کربنی چندلایه مقاومت حقیقی در حالات واقعی بیشتر تحت تاثیر لغزیدن استوانه‌های گرافیتی نسبت به هم قرار دارد. در واقع آزمایشاتی که به تازگی با استفاده از میکروسکوپ الکترونی جهت اندازه گیری تنش‌های نانویی صورت گرفته است مقاومت کششی نانولوله‌های کربنی چندلایه مجزا را اندازه گیری کرده اند.[ ] نانولوله‌ها بر اثر شکست sword-in-sheath می‌شکنند. این نوع شکست مربوط به لغزش لایه‌ها در استوانه‌های هم محور نانولوله چندلایه ونیز شکست استوانه‌ها به طور مجزا است. مقاومت کششی دیده شده در نانولوله‌های چندلایه حدود <60GPa بوده‌ است.
اندازه‌گیری مقاومت یک نانولوله تک‌لایه مجزا مشکلات زیادی دارد. به تازگی روشی جهت این اندازه‌گیری پیشنهاد شده است: در این روش از یک میکروسکوپ نیروی اتمی استفاده می کنند تا خمشی را در نانولوله ایجاد کنند سپس با اندازه‌گیری مقدار جابجایی می توان ویژگی‌های مکانیکی آن را با مقادیر عددی بیان کرد.[ ] اکثریت آزمایشاتی که تاکنون صورت گرفته مقدار تئوری پیش‌بینی شده برای مدول یانگ نانولوله(۱TPa) را تایید می‌کنند؛ ولی در حالی که پیش‌بینی مقاومت

کششی در تئوری حدود ۳۰۰GPa بوده است، بهترین مقادیر تجربی نزدیک به ۵۰GPa می باشد. که اگرچه با تئوری فاصله‌ دارد اما هنوز هم تا ده برابر بیشتر از فیبرهای کربنی است.
شبیه سازی‌ها در نانولوله های تک لایه نشان می‌دهد که رفتار شکست و تغییر شکلی بسیار جالبی در آن‌ها وجود دارد. نانولوله‌ها در تغییر شکل‌های بسیار بالا با آزاد کردن ناگهانی انرژی به ساختار دیگری تبدیل می شوند. نانولوله‌ها تحت بار دچار کمانش و پیچش می شوند و به شکل مسطح تبدیل می‌گردند. آن‌ها بدون نشانی از کوچکترین شکست و خرابی دچار کرنش‌های خیلی بزرگی (تا ۴۰%) می شوند. بازگشت پذیریِ تغییر شکل‌ها، مثلا کمانش، مستقیما در نانولوله های چندلایه با استفاده از میکروسکوپ عبور الکترون ثبت شده است.[ ]

به تازگی نظریه جالبی برای رفتار پلاستیکی نانوتیوب‌ها ارائه شده است.[ ] طبق این نظر بسته‌های ۵و۷ تایی کربن( پنتاگون-هپتاگون) تحت کرنش زیاد دچار عیب در شبکه مولکولی می شوند و این ساختار ناقص در طول جسم حرکت می‌کند و این حرکت باعث کاهش قطر مقطعی خواهد شد. جدایش این نقصان‌ها گلویی شدن در نانولوله را به همراه خواهد داشت. علاوه بر گلویی شدن مقطعی، در آن مقطع آرایش شبکه کربنی نیز تغییر خواهد کرد. این تغییرات در آرایش باعث می شود که میزان رسانش نانولوله کربنی تغییر یابد، این ویژگی می‌تواند منجر به کاربردی منحصر به فرد از نانولوله شود: نوع جدیدی از پروب، که با تغییرات در ویژگی‌های الکتریکی اش به تنش‌های مکانیکی پاسخ می‌دهد.[ ]

نانولوله‌های کربنی و کامپوزیت‌های پلیمری
مهم‌ترین کاربرد نانولوله‌های کربنی، که بر اساس ویژگی‌های مکانیکی آن‌ها باشد، استفاده از آن‌ها به عنوان تقویت کننده در مواد کامپوزیتی است. اگرچه استفاده از کامپوزیت‌های پلیمری پرشده با نانولوله یک محدوده کاربردی مشخص از این مواد است، اما آزمایشات موفقیت آمیز زیادی در تایید مفیدتر بودن نانولوله‌های کربنی نسبت به فیبرهای معمول کربنی، وجود ندارد؛ مشکل اصلی برقرار نمودن یک ارتباط خوب بین نانولوله و شبکه پلیمری و رسیدن به انتقال بار مناسب از شبکه به

نانولوله‌ها در حین بارگذاری است. دلایل آن دو جنبه اساسی دارد: اول نانولوله‌ها صاف بوده و نسبت طولی‌ای (طول به قطر) برابر با رشته‌های پلیمری دارند. دوما نانولوله‌ها تقریبا همیشه به صورت توده‌های به هم پیوسته تشکیل می‌شوند که رفتار آن‌ها در مقابل بار، نسبت به نانولوله‌های مجزا، کاملا متفاوت است.

گزارشات متناقضی از مقاومت اتصال در کامپوزیت‌های پلیمر-نانولوله وجود دارد.[ , ] نسبت به پلیمر استفاده شده و شرایط عملکرد، مقاومت اندازه‌گیری شده متفاوت است. گاه گسست در لوله‌ها دیده شده است که نشانه‌ای از پیوند قوی در اتصال نانولوله-پلیمر است، و گاه لغزش لایه‌های

نانولوله‌های چند لایه و جدایش آسان آن‌ها دیده شده که دلیلی بر پیوند اتصال ضعیف است. در نانولوله‌های تک لایه سر خوردن لوله‌ها بر روی یکدیگر را عامل کاهش مقاومت ماده می‌دانند. برای ماکزیمم کردن اثر تقویت کنندگی نانولوله‌ها در کامپوزیت‌های با مقاومت بالا، بایستی که توده های نانولوله در هم شکسته شده و پخش شوند و یا اینکه به صورت شبکه مربعی درآیند تا از سرخوردن جلوگیری کنیم. علاوه برآن بایستی سطح نانولوله‌‌ها تغییر داده شود، ضابطه‌مند گردند، تا اتصال محکمی بین آن‌ها و رشته‌های پلیمری اطرافشان ایجاد شود.

استفاده از نانولوله‌های کربنی در کامپوزیت‌هایی با ساختار پلیمری فواید مشخص و روشنی دارد. تقویت کنندگی با نانولوله به خاطر جذب بالای انرژی طی رفتار انعطاف‌پذیر الاستیک آن‌ها میزان سفتی کامپوزیت را افزایش می دهد؛ این ویژگی مخصوصا در شبکه‌های سرامیکی کامپوزیتی برپایه نانو اهمیت می‌یابد. چگالی کم نانولوله‌ها ، در مقایسه با استفاده از فیبرهای کوچک کربنی، یک

ویژگی بسیار خوب دیگری در این کامپوزیت‌ها می‌باشد.نانولوله‌ها در مقایسه با فیبرهای کربنی معمول، تحت نیروهای فشاری کارایی بهتری ازخود نشان می‌دهند، که به خاطر انعطاف‌پذیری و عدم تمایل به شکست آن‌ها تحت نیروی فشاری است.تحقیقات تازه نشان داده اند که استفاده از کامپوزیت نانولوله‌کربنی چندلایه و پلیمر کاهنده زیستی (مانند PLA ) در رشد سلول‌های استخوانی ، بخصوص در تحریک الکتریکی کامپوزیت، بسیار کارآمدتر ازفیبرهای کربنی هستند.

شكل(۱) a) تصوير SEM از صفحه نانولوله‌هاي كربني b) تصوير شماتيك از نحوه قرار گرفتن صفحه پيوسته‌ نانولوله‌ها‌ در محلول الكتروليت و چگونگي خنثي سازي بارها.[۱۰]

نانومحرک‌ها
یکی دیگر از ویژگی جالب نانولوله‌های کربنی قابلیت و کارآمدی آن‌ها در تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی (تحریک ) می‌باشدکاربرد نانو لوله‌ها در حسگرهای تعمیم یافته و قطعات محرک ، که از ویژگی منحصربه فرد الکتریکی و مکانیکی آن‌ها ناشی می‌شود، از یک طرف ونسبت طول به قطر بسیار بالای آن‌ها از طرف دیگر، امکان تولید وسایل ماکرو مقیاس از آن‌ها را به راحتی میسر کرده است.[ ] ترکیب حسگرها-محرک ها در «ماهیچه‌های مصنوعی» با مقاومت و سفتی منحصر به فرد آن‌ها و ولتاژ تحریک نسبتا پایین آن‌‌ها (~۱۰V) قابلیت‌های زیادی را به این محصولات می‌دهد.[ ]

تحریک نانولوله با جریان الکتریکی به دلیل انبساط هندسی پیوند کووالانسی کربن-کربن در اثر انتقال بار به درون نانولوله ایجاد می‌شود. محرک‌ها نیروی محرکه بسیاری از اجسام طبیعی و سازه‌های ساخت بشر را در مقیاس‌های مختلف تامین می‌کند. از سازه‌های فضایی و ربات‌ها در مقیاس ماکرو گرفته تا وسایل جراحی در مقیاس میکرو. محرک‌هایی که بر پایه مواد پیشرفته‌ای چون پیزو- و فرو- الکتریک‌ها و آلیاژهای حافظه‌دار کار می‌کنند، کاربردهای بسیاری در وسایل جدید بخصوص ابزاردقیق پیدا کرده‌اند[ ]

اولین کاربرد نانولوله‌ها به عنوان جزء تحریک شونده در سال ۱۹۹۹ توسط Baughman مطرح شد.[ ] او اولین کاربرد نانولوله‌ها را برای تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی گزارش کرد: محرک شامل صفحه‌هایی از نانولوله‌های کربنی تک‌لایه به عنوان دو الکترود درون الکترولیت یک فوق خازن است. ساختار ورقه‌ها به صورت بسته‌های درهم پیچیده نانولوله‌های کربنی است. تغییرات ولتاژ اعمالی باعث تزریق بارالکتریکی به نانولوله‌ها می‌شود[ ] که در محل تماس نانولوله‌-الکترولیت با جانشینی یون‌های الکترولیت جبران می‌شود. تغییرات اندازه در راستای پیوندهای کووالانسی است که در اثر تزریق بار ایجاد می‌شود.[ ](شکل۱)

شكل(۲) تصوير نوري از پنس نانومتري در ولتا‍‍‍ژهاي مختلف. هنگامي كه به ولتاژ آستانه مي‌رسد اثر الكترواستاتيك نانولوله‌ها را به هم مي‌بندد. با اعمال پتانسيل منفي نسبت به زمين نانولوله‌ها از يكديگر جدا خواهند شد..[۱۰]
اثرات تحریک لوله‌های مجزا را می‌توان جهت ساخت نانوپنس‌ها بکاربرد.(شکل ۲) استفاده از نانوپنسهایی که از نانولوله‌های کربنی مجزا ساخته شده‌اند می‌تواند منجر به کشف راه‌هایی حهت دستکاری در مقیاس نانو شود که راهی برای گسترش وسایل نانویی می‌باشد. نانولوله‌ها با لایه‌نشانی به الکترودهای فلزی چسبانده می‌شوند و با اعمال ولتاژ مستقیم دو الکترود مانند یک گیره به یکدیگر نزدیک می‌شوند.

فیلترهای نانولوله‌های کربنی
با استفاده از روش تجزیه حرارتی پیوسته (شکل۳) می‌توان استوانه‌های توخالی با قطر یک سانتی‌متر و طولی تا چندین سانتی‌متر تولید کرد که دیواره های آن از نانولوله‌های چندلایه (با طول ۳۰۰µm تا ۵۰۰µm) که به طور منظم به صورت شعاعی در کنار هم قرار گرفته‌اند، تشکیل شده است.[ ] این ماکرولوله‌های ساخته شده از نانولوله‌‌های کربنی پایداری مکانیکی بالایی دارند. در آزمایش کشش که در جهت محور ماکرولوله انجام شد مدول الاستیسیته‌ ۵۰MPa و مقاومت کششی‌ ۲٫۲ MPa برای این لوله بدست آمد. ماکرولوله می‌تواند اختلاف فشار درون و بیرون قابل قبولی را نیز تحمل کند( فشار درونی ۰٫۰۱ mbar تا فشار خارجی ۱atm)
این لوله را می‌توان در جدا کردن هیدروکربن‌های سنگین CmHn (m>12) از هی

دروکربن‌های سبک‌ترمثل نفت CmHn (n=2m+2, m=1-12) استفاده کرد. یکی دیگر از کاربردهای این فیلتر استفاده از آن در جداسازی باکتری‌ها از آب آشامیدنی است. یکی از معمول‌ترین باکتری آلوده کننده آب آشامیدنی Escherichia coli است که طولی بین ۲۰۰۰nm تا ۵۰۰۰nm و عرضی از۴۰۰nm تا ۶۰۰nm دارد. آزمایشات نشان می‌دهد که فیلتر نانولوله‌ می‌تواند باکتری را کاملا از آب

جدا نماید.[ ] برای اطمینان از فیلتر شدن کامل باکتری آب فیلتر شده و فیلتر نشده یک شب در دمای ۳۷ درجه سانتی‌گراد نگهداری می‌شوند و در نهایت دیده می‌شود که باکتری‌‌ها در آب فیلتر نشده رشد کرده‌اند ولی چنین رشدی در آب فیلترشده دیده نمی‌شود.( شکل(۴) روش و نتایج آن را نشان می‌دهد) در این روش سرعت سیال ۱,۱ ml min-1 cm-2 است.

شکل(۳) ساخت لوله ماکرو مقیاس از نانولوله‌‌های کنار هم مرتب شده. a) شکل شماتیک دستگاه تولید نانولوله‌های مرتب شده به صورت شعاعی. مخلوط بنزن و فروسین با گاز آرگون به عنوان حامل توسط یک نازل به درون لوله کواترز اسپری می‌شود. دمای کوره ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد است. نحوه

چیده شدن نانولوله‌ها در کنار هم کاملا به سایز نازل و سرعت جریان سیال وابسته است. با نفوذ دادن دقیق اسید به لایه درونی لوله کوارتز لوله ماکرو تولید شده را خارج می‌کنند. b) عکس لوله ماکرو تولید شده و اندازه تقریبی آن. c) عکس SEM از ماکرولوله که در آن نانولوله‌هایی که به صورت شعاعی در کنار هم منظم شده‌اند دیده می‌شود.( مقیاس ۱mm) [15]

یکی از مهم‌ترین برتری‌های فیلترهای نانولوله نسبت به فیلترهای غشایی معمولی این است که آن‌ها را می‌توان به سادگی و بارها بعد از استفاده تمیزکرده و با یک تمیزکاری مافوق صوتی ساده (در دمای ۱۲۰ درجه سانتی‌گراد به مدت ۳۰ دقیقه) این فیلترها را به شرایط و کارایی فیلترکننده‌گی اولیه‌شان بازگرداند.

این میزان دقت در جداسازی را می‌توان از یک طرف به دلیل تخلخل نانومتری در این فیلتر و از طرف دیگر رفتار جذب گزینشی نانولوله‌ها، دانست. جداسازی بیشتر در منفذ داخلی نانولوله رخ می‌دهد هرچند که منافذ خالی بین لوله‌ها را نیز نباید از یاد برد. یکی دیگر از برتری‌های فیلترهای نانولوله‌ای پایداری حرارتی آن‌هاست که این امکان را به ما می‌دهد تا حتی در دمای ۴۰۰ºC نیز از آن‌ها استفاده کرد در صورتی که فیلتر‌های پوسته‌ای معمولی حداکثر تا دمای ۵۲ºC می‌توانند کارایی داشته باشند.