تبلیغات

نانو تکنولوژی و کاربرد آن در عمران (قسمت 2)

3- خواص CNT
کربن نانوتیوب ها Carbon Nano Technology (CNT)CNT ها (Carbon Nano Technology) خواص ویژه متعددی دارند. طیف رفتار الکترونیکی‌شان به کیرلیتی Chirality آنها بستگی دارد تیوب های مدل صندلی دسته دار، فلزی و انواع دیگر تیوب ها (Semiconductors) نیمه رساناها هستند. بلاوه درجه رسانائی یا نیمه رسانائی توسط doping قابل کنترل است.
بعنوان مثال تحقیق اخیر نشان داده است که حضور اکسیژن بتدریج روی رسانائی (Conductivity) همان CNT اثر می گذارد. تغییرات در اندازه یا تغییر شکل مکانیکی هم روی خواص الکترونیکی آنها موثر است. CNTها همچنین Field Emitters (دستگاه‌های نشر میدانی) با کیفیت بالا هستند.
قرار دادن کربن نانوتیوب در یک میدان الکترونیکی قوی باعث ساتع شدن الکترون‌ها با راندمان بالا بدون آسیب رساندن به تیوب ها می شود خلاصه‌ای از رفتار الکترونیکی کربن نانوتیوب‌ها در مرجع موجود است.
از دید مکانیکی، به نظر می رسد CNT قویترین ماده ای است که تابحال شناخته شده است نتایج عملی نشان داده است که آنها میزانی از الاستیسیتی (قابلیت ارتجاعی) دارند که به مقدار Tpa1 قابل افزایش است. اندازه گیری نهایی Strength & Strain (استحکام کرنش) بسیار مشکل است ولی اندازه گیری Yield Strength (نقطه تسلیم) نانو تیوپ تک جداره SWNT از 63Gpa گزارش شده، و Yield Strains از حدود 6% یا بیشتر. CNTها بشدت انعطاف پذیرند بطوریکه قابل خم شدن بشکل دایره یا حتی گره خوردن هستند مانند تیوب های میکروسکوپیک، می تواند تحت بارگذاری مناسب مسطح یا Buckle (پیچانده) شوند. مرجع رفتار مکانیکی CNT را خلاصه کرده است.

در مورد رفتار حرارتی CNT کار کمتری انجام شده ولی کار تئوری درست مثل اندازه‌گیری‌های عملی انجام شده روی سوسپانسیون CNT در مایعات اشاره دارد به اینکه ممکن است Thermal conductivity (هدایت حرارتی) آنها هم نزدیک شدن به حد Theoretical مو اد کربنی به نحو توجهی بالا باشد. اگر این تخمین و ارزیابی ها درست باشند، CNT ماده ای است که بیشترین رسانائی حرارتی Thermal conductivity را در دمای اتاق داراست که تابحال شناخته شده است. ویژگی دیگر این است که تصویر می‌رود رسانائی حرارتی CNT در طول تیوب‌ها بیش تر از عرض آنها باشد، در نتیجه پتانسیلی برای موارد ایجاد می شود که خواص هدایت حرارتی anisotropic (ناهمگن) داشته باشند. بهرحال، اندازه گیری‌های مستقیم روی CNT باید این حدسیات را تایید کنید.

4- کاربردهای CNT
زمینه های کلیدی کاربردهای بالقوه و بالفعل CNT شامل الکترونیک، حسگرها (Sensors)، مواد مصالح ساختمانی، پرکن‌ها (fillers) و مواد ذخیره ای (materials storage) می باشد. بیشترین طیف کاربرد تجاری برای این ماده استفاده از MWNT بعنوان ماده پرکن در کامپوزیت های پلاستیک و رنگ ها می باشد و گاهی بعنوان جایگزین بهبود و اصلاح یافته برای کربن سیاه (carbon black) این بازار به ارزش چندین میلیون دلار برآورد شده است.
توانائی CNT در فلز (Metallic) و نیمه هادی (Semi-Conductor) بودنش، با یک تغییر در ساختمانش بجای تغییر در ترکیباتش، امکانات قابل توجهی برای الکترونیک نانویی Nano-Scale Electronics ایجاد می کند. انواع مختلف ترانزیستورهای CNT و Logic Gates (دریچه های منطقی) قبلا شرح داده شده اند و IC (مدارهای مجتمع) (Integrated Circuits) در حال توسعه و پیشرفت هستند. طبیعت خطی CNT به این معنی است که آنها فایده دیگری نیز دارند و آن اینکه قادرند به عنوان leads (اتصال دهنده) برای دستگاه‌های الکترونیکی عمل کنند به همان نحوی که خود دستگاه ها به یکدیگر در اندازه نانو را تسهیل کند. مرجع پتانسیل کاربردهای الکترونیکی را با جزئیات بیشتر شرح می‌دهد.

یکی از کاربردهای وابسته و احتمالا یکی از اولین مواردی که به بازار راه خواهد یافت تحت عنوان Emitters in Field Displays می باشد. همانطور که قبلا ذکر شد CNT بسیار Effective Field Effect Emitters of Electrons می باشند.
در این کاربرد، الکترون های تولید شده توسط Emitters به طرف مواد فسفری موجود در سطح Display هدایت می شوند که در بازگشت فوتون های مرئی ساتع می کنند. انتظار می رود راندمان و Reliability (ضریب اطمینان) بالای Display, CNT field emitters های ارزانتر با عملکرد فوق العاده را ارائه دهند.

رفتار مکانیکی CNT علاقمندی زیادی جهت استفاده از آنها بعنوان مواد ساختمانی ایجاد کرده است. پتانسیل های استفاده از رشته های CNT هنوز قابل تامل و تعمق بوده در ادامه با جزئیات بیشتر در مورد امکانات کاربردی اش در صنعت ساختمان بحث و بررسی خواهد شد. به نظر می رسد توسعه کوتاه مدت برای کامپوزیت های نانوتیوب با توجه به پتانسیل فعلی آنها، عملی تر باشد، چون طول تیوبی که در حال حاضر ساخته می شود نیز برای این منظور مناسبتر است. CNT همچنین به علت استحکام و Aspect Ratios (نسبت طول به عرض) فوق العاده زیادشان بسیار به تقویت کننده های ایده ال نزدیک اند. در نتیجه، تحقیق در چنین کاربردی به نحو شایانی، بخصو ص با تاکید بر کامپیوزیت های پلیمری، مورد توجه قرار گرفته.
متاسفانه رفتار کامپوزیت تاکنون عملکرد مورد انتظار را نداشته است. دو مسئله مشترک و معمولی برای کلیه کاربردهای کامپیوزیت های CNT وجود دارد. ابتدا پراکندگی و تفرق CNT در Matrix (ماده زمینه ای) مواد مورد سوال است. Dispersion (پراکندگی) از همان ساده پودر نانوتیوب ها در Matrix مواد مایع بسیار پیچیده تر است.
کربن نانوتیوب ها بعد از خالص سازی بعلت وجود نیروهای واندروالس مایلند به یکدیگر بپیوندند، دستیابی و بوجود آوردن توزیع Even (درست و یکنواخت) از تیوب های تک آشکارا مشکل است. این تلاش به روش های مختلفی صورت گرفته است.
کارهای اولیه مستلزم وظیفه مند کردن (functionalizing) تیوب ها بوده در حالیکه تحقیقات بعدی فقط استفاده از سورفکتنت ها و sonication (همزدن صوتی) را نیاز دارد. (برای مثال استفاده از سیستم Pzeio Electric جهت دادن انرژی صوتی به نانوتیوب ها در محیط مایع).
انرژی صوتی دسته های نانوتیوب را تفکیک کرده تیوب ها را پراکنده می کند و سوفکتنت به جدا و پراکنده ماندن تیوب ها کمک و باعث ابقا آنها می شود. تیوبهای متفرق شده داخل matrix عموما تحت sonication مداوم همزده می شو ند مسئله دوم دستیابی به Bonding (پیوند) مناسب CNT-matrix می باشد. نمونه کامپوزیت های پلیمری CNT عقب نشینی Ffiber (رشته) را زیر بارهای کم نشان می دهد و در نهایت دوام و استحکام بالا قابل دستیابی نیست، تحقیقات جهت غلبه به این مورد ادامه دارد.
همچنین کوشش‌هائی جهت ا یجاد و توسعه کامپوزیت‌های فلز CNT و سرامیک CNT انجام گرفته است. علاوه بر مسائل مشابهی مانند آنچه کامپوزیت‌های پلیمری با آن مواجهند، متعاقبا به علت نیاز به دماهای بالاتر جهت Sinter کردن متریکس مواد به دشواری‌ها و پیچیدگی‌ها افزوده می شود. بهرحال، به نظر می‌رسد کامپوزیت‌های آلومینیوم formation carbide ،CNT دیده شده در کامپوزیت‌های Carbon Fiber را تجزیه و تحمل کنند. در مقاله ای جدید یک تکنیک موفق جهت تهیه سرامیک آلومینای تقویت شده توضیح داده شده است در این کار شربت (خمیر با ویسکوزیته کم slurry) آلومینا – اتانل به CNT متفرق (disperse) شده در اتانل افزوده می شود. پودر حاصله قبل از spark sintering (منعقد شدن و بهم چسبیدن توسط جرقه) الک و آسیاب (ball mill) می شود.
مراحل ابتدائی CNT درست و یکنواخت توزیع شده را تولید می کند، در حالیکه روش sintering یک ماده کاملا چگال را ارائه می دهد، همچنین ذرات نانومتریک در الومینا حفظ شده از آسیب رساندن به CNT ممانعت بعمل می‌اید. این روش برای توسعه کامپوزیت های سرامیکی آینده بسیار نوید بخش به نظر می رسد.

زمینه های کاربردی متعدد و بسیار مهم دیگری نیز وجود دارد برای مثال بعنوان حسگرها (Sensors) برای ذخیره و کنترل کاتالیست ها و یا بعنوان نوک (tips) برای AFMها (Atomic force micsopes) در زمینه های ذخیره سازی هیدروژن پیشرفت موفقیت آمیز کمتری وجود داشته است. تحقیقات اخیر چنین نشان می دهد که بعید به نظر می رسد CNT ابراز موثری جهت ذخیره سازی باشد، در حالیکه کارهای اولیه نوید ذخیره سازی بسیار بالای وزنی را می داد.

وسعت کاربردها برای CNT بستگی به بهبود و پیشرفت روش های سنتر دارد. کاهش قیمت ها یک عامل بسیار مهم است، ولی توانائی تولید منظم و مداوم تیوب های با طول زیاد و Chirality مشخص، رشته ها یا تیوب‌های تک که بسیار متناسب و مطلوب باشند و تیوبهای با خواص الکترونیکی ویژه، تماما برای کاربردهای مختلف تجاری لازم خواهد بود. در حال حاضر به نظر می رسد displays field emission احتمالا اولین استفاده کننده گسترده از CNT ورای کاربرد جاری MWNT بعنوان مواد پرکن باشند. کاربردهای دیگر بستگی به تحقیقات بعدی در مورد خود کاربردها و پیشرفت های اساسی در روشهای سنتز CNT خواهد داشت.

5- کاربردهای کربن نانوتیوب ها در صنعت ساختمان
همانطور که بسیاری از کاربردهای CNT برای بیشتر صنایع بسط و توسعه یافته برای صنعت ساختمان نیز کاربردهایی خواهد یافت، حداقل سه عرصه گسترده تحقیقاتی وجود دارد که منجر به تولید محصولاتی منحصرا و مشخصا مورد نیاز ساختمان خواهد بود. این زمینه های تحقیقاتی شامل ساخت کامپوزیت های CNT با مواد و مصالح ساختمانی موجود، استفاده از رشته ها و ریسمان های CNT بعنوان اجزاء ساخت و سیستم های انتقال حرارت CNT بعلت دوام و استحکام فوق العاده، سختی و aspect ratio بسیار بالا تقویت کننده های بسیار عالی هستند. پلیمر، سیمان و شیشه همگی کاندیدهای بالقوه ای برای مواد ماتریکس CNT هستند. در مورد کامپوزیت های پلیمر – CNT صحبت شد. در ادامه کامپوزیت های سیمان – CNT با جزئیات بیشتر شرح داده خواهند شد.
شیشه تقویت شده با CNT یا نانوفایبرهای دیگر بعلت امکان توانائی نانو فایبرها یا نانو تیوب ها در جهت تقویت استحکام بدون مزاحمت در انتقال نور مورد توجه اند.
بهرحال، کار کمی روی رفتار اپتیکی (نوری) نانوفایبرها از این منظور انجام شده، موفقیت این دیدگاه درعمل مشخص خواهد شد.

تولید CNT های بلندتر که بتوانند به فرم ریسمان در آینده امکانات بدیهی و واضحی برای کاربردهای مثل پل های معلق (suspension bridges) ایجاد خواهد کرد. استحکام و الاستیسیتی CNT امکان طراحی Spans (طلق ها و پله ای) بطور قابل توجهی بلندتر از چیزی که تکنولوژی موجود ممکن می سازد را بوجود خواهد آورد.

همچنین استفاده از ریسمان های CNT در ساختمان های بتن بهسازی شده ممکن است عملی نباشد. کربن نانو تیوب ها همچنین بعنوان موادی برای ساخت ساختارهای خیلی بزرگ - space based مثل بالابرهای فضائی مورد بحث و بررسی قرار گرفته اند.
این سیستم های کابلی قابلیت تئوریکی رسیدن به ماوراء Geo Synchronous orbits از سطح زمین را دارند. اتاقک های بالابر همزمان بالا و پایین می روند و کابل امکان انتقال بار از فضا به زمین و بالعکس را با کمترین انرژی فراهم خواهد ساخت. باید دید چنین ساختارهایی امکان طراحی و ساخت خواهند یافت یا خیر، چنین به نظر می رسد که CNT تنها ماده ای است که تحمل کلان ساختمانی بارهای لازم را خواهد داشت.

هدایت حرارتی کربن نانو تیوب های کاربردهای دیگری نیز ارائه می دهد. از آنجائیکه دانسیته مناسب از کربن نانو تیوب ها می توانند قادر به هدایت سریع حرارت از سطح تماس به حفره های حرارتی (Heat Sinks) باشند امکان تحقق کامپوزیت مواد اصلاح شده از نظر مقاومت حرارتی مطرح می گردد. همچنین بعدها ممکن است توسعه مواد عایق کننده و لوله های حرارتی، بهره مندی از اختلاف هدایت حرارتی در طول و عرض لوله ها را تحقق بخشد. یکی از کاربردها می تواند گرم کردن ساختمان ها باشد که جایگزین سیستم های بر مبنای مایع موجود، برای گرما دهی طبقات خواهند شد.

ادامه قسمت 3 (پایانی)

مطالب نه چندان بی‌ربط


مسیر شما: مقالات مقالات نانو تکنولوژی و کاربرد آن در عمران (قسمت 2)