|
چگونه خواص نانولولههای کربنی را
بررسی کنیم؟
|
در مقاله های قبلی از
سری مقالات با عنوان
«ساختار نانولوله های
کربنی» و دیگر مقالات
مرتبط با این نانومواد،
با ساختار اتمی نانولوله
های کربنی آشنا شدیم. روش
تجسم ساختار نانولوله
های کربنی از طریق لوله
کردن صفحات گرافن، به دست
آوردن مولفه های کایرال
نانولوله ها، محاسبات
ساختاری آنها و برخی
اطلاعات دیگر، از آموزه
های این مقالات بودند.
اکنون میدانیم که
نانولوله های کربنی
میتوانند به شکلهای
مختلف وجود داشته باشند
که در هر یک از آنها
ترتیب چیدمان اتمهای
کربنی با دیگری متفاوت
است. در ادامه، در سری
مقالات «ویژگی های
نانولولههای کربنی» به
بررسی خواص این نانومواد
جذاب میپردازیم. در
اولین مقاله از این سری،
به نوعی دسته بندی از
روشهای مختلف بررسی این
مواد اشاره میکنیم.
|
در
این مقاله صرف نظر از میزان
کارآیی روشها، تنها به کلیات
روشها اشاره شده است و تنها به
این نکته که این روشها بالقوه
امکان مطالعهی خواص نانولولههای
کربنی را دارند، بسنده میکنیم.
بدیهی است که در عمل، استفاده از
این روشها از پیچیدگیهای خاصی
برخوردار است و با چالشهای
بسیاری روبرو میشود. اشاره به
این نکته لازم است که لازمهی
مطالعهی این مقاله، صبر و
حوصلهی خواننده است. همچنین
توصیه میشود برای درک بهتر این
مطالب که چکیدهای از انبوه
اطلاعات موجود در این زمینه
میباشند، حتما به مراجع اشاره
شده در مقاله رجوع شود.
معرفی و طرح مسئله
همانگونه که میدانیم،
نانولولههای کربنی موجودات بسیار
کوچکی هستند که اگر آنها را روی
هم بریزیم، مانند یک تودهی پودری
سیاه رنگ و به شکل دوده در
میآیند (شکل 1). با توجه به
مقدار حد تفکیک چشم انسان،
نمیتوانیم نانولهها را به شکل
مجزا بینیم. از طرفی اینها آن
قدر کوچک هستند که نمیتوان آنها
را با استفاده از دستگاههای
متداول نگه داشت. این سوال پیش
میآید که با وجود این شرایط،
چگونه میتوانیم خواص این موجودات
جالب را بررسی کنیم؟
شکل 1- یک قوطی پلاستیکی حاوی
نانولوله های کربنی
برای روشنتر شدن موضوع، یک مثال
را بررسی میکنیم. یکی از خصوصیات
ماده که در دستهی خواص مکانیکی
قرار میگیرد، استحکام ماده یا
استحکام کششی آن است. به عبارتی،
میزان مقاومت یک جسم در برابر
نیروهایی که آن را از دو طرف
میکشند، از خواص مهم ماده است.
برای بررسی این ویژگی در موادی
مانند فلزات یا پلیمرها، نمونهای
از آن را از طریق روش استانداردی
تهیه میکنند (مثالهایی از این
نمونه در شکل 2 دیده میشود). سپس
دو انتهای این نمونه را داخل
گیرههایی قرار میدهند. پس از
محکم کردن، به این دو گیره نیرویی
در جهت دور کردن آنها از یکدیگر
وارد میشود. در نتیجه جسم تحت
نیروهای کششی قرار میگیرد و در
نهایت میشکند. از طریق محاسبهی
حداکثر نیروی وارد شده به جسم،
میتوان استحکام ماده را به دست
آورد.
شکل 2- نمونه های تست کشش که بر
اثر فرآیند کشش، شکسته شدهاند.
اما
همانطور که تاکنون متوجه
شدهاید، قطر نانولولههای کربنی
بسیار کمتر از آن است که بتوان آن
را توسط ابزارهای متداول نگه
داشت. گرچه در سالهای اخیر،
دانشمندان توانستهاند با استفاده
از روشهایی، نانولولهها را در
یک محل مشخص قرار دهند و خواص
آنها را بررسی نمایند (شکل 3).
شکل 3- یک نانولولهی چند دیواره
که به دو سوزن نوک تیز روبروی هم
متصل شده است.
1- شبیه سازی
مطمئنا در زمینهی شبیهسازی
مطالبی را مطالعه نمودهاید. یکی
از راههای بررسی خواص
نانولولههای کربنی، شبیهسازی
میباشد. بسیاری از این شبیهسازی
ها را میتوان با استفاده از
نرمافزارهای کامپیوتری و یا
استفاده از زبانهای برنامه نویسی
اجرا نمود. برای این کار روشهای
مختلفی وجود دارد که برخی از
آنها را به شکل مقدماتی بررسی
میکنیم.
1-1) دینامیک مولکولی
روش دینامیک مولکولی، روشی بسیار
سودمند در مطالعهی ساختار مواد و
بررسی فعل و انفعالات در ابعاد
مولکولی میباشد. در این روش،
اتمها را به عنوان اجسامی مجزا
از یکدیگر فرض میکنیم. طبق
اطلاعاتی که از این دنیای کوچک
داریم، میدانیم که بین این ذرات
روابطی وجود دارد و آنها بر
یکدیگر نیرو وارد میکنند. برای
مثال میتوان فرض کرد که بین این
اجسام، فنرهایی قرار گرفته اند
(شکل 4).
شکل 4- در مواد جامد، میتوان فرض
کرد که پیوند بین اتمها مانند یک
فنر عمل میکند و آنها را در یک
فاصلهی مشخص تعادلی از یکدیگر
قرار میدهد.
با
نوشتن روابط فیزیکی بین این ذرات
و به دست آوردن سرعت و جهت حرکت
آنها در هر لحظه، میتوانیم حرکت
تک تک آنها را بررسی کنیم. به
این ترتیب میتوانیم با استفاده
از قضایا و روابط حاکم بر فیزیک
نیوتنی، تا حدودی به ویژگیهای
دنیای نانومتری پی ببریم. آیا
میدانید این ویژگیها کدام
هستند؟
1-2) روش المان محدود
در این روش که بیشتر مورد توجه
مهندسین مکانیک میباشد،
میتوانیم پیوندهای بین اتم های
کربن را به عنوان میله هایی (در
اصطلاح به آن «تیر» میگویند که
معادل واژهی beam در انگلیسی
میباشد) در نظر بگیریم و اتمهای
کربن نیز نقش خود را به عنوان محل
اتصال آنها بازی میکنند. به این
ترتیب ساختاری شبیه به
نانولولههای کربنی پدید می آید.
ابتدا باید ویژگیهای این میله را
تنظیم کنیم. مهندسین مکانیک
ویژگیهای انواع میله ها (با
توجه به جنس، شکل و ضخامت) را به
خوبی میشناسند و میتوانند با
بررسیهای خود بهترین میله را
انتخاب نمایند. اکنون ساختار
نانولوله مانند یک سازهی مهندسی،
برای بررسی آماده است (شکل 5) و
میتوان با وارد کردن نیروهایی بر
آن، خواص این نانولوله را بررسی
کرد.
شکل 5- تصویری از یک نانولولهی
کربنی مدل شده برای آنالیز المان
محدود
1-3) روشهای دیگر
روشهای مختلفی برای شبیهسازی
وجود دارند که برخی از آنها بر
پایهی اصول بسیار پیچیدهی
فیزیکی استوار هستند. با استفاده
از محاسبات مخصوص به این علوم،
میتوان روابط بین اتمهای کربن
را در نانولوله و همچنین روابط
بین اتمهای کربن در یک نانولوله
و محیط پیرامون آن را بررسی نمود.
2- بررسی جداگانهی نانولولههای
کربنی
همانگونه که در شکل 3 مشاهده
نمودید، دانشمندان توانستهاند
نانولولههای کربنی را بین دو
کاوند یا نوک میکروسکوپ AFM قرار
متصل کنند و با کشش آنها از دو
طرف، استحکام نانولوله را به دست
آورند. همچنین برخی محققین در یک
روش بسیار جالب، نانولولهها را
روی یک سطح پر از شکاف پراکنده
کردند. یکی از این نانولولهها را
که به طور جداگانه روی یک شکاف
افتاده بود، در نظر گرفتند و با
وارد کردن نیرویی بر میانهی آن
(که روی شکاف قرار گرفته بود) و
بررسی میزان خم شدن نانولوله، به
محاسبهی استحکام آن پرداختند.
3- بررسی کامپوزیت های حاوی
نانولوله های کربنی
همانگونه که در مقالات قبلی در
مورد کامپوزیت ها و
نانوکامپوزیت ها مطالعه
نمودهاید (مانند مقالهی «ک
مثل کامپوزیت، کامپوزیت مثل کاهگل»)،
میتوانیم برای به دست آوردن
خصوصیات بهتر از یک ماده، مواد
دیگری را به آن اضافه کنیم. یکی
از این مواد افزودنی، نانولولهی
کربنی است. محققین با درست کردن
کامپوزیتهای حاوی نانولولهها و
زمینههای مختلف سرامیکی، پلیمری
و فلزی، توانستهاند به ویژگیهای
بسیار جالبی دست پیدا کنند.
هنگامیکه یک کامپوزیت تشکیل
میشود، خواص آن با خواص هر دوی
زمینه (مادهی اصلی)، و تقویت
کننده (مادهی افزودنی یا پر
کننده) متفاوت است. برای افزایش
استحکام یک زمینه مثل آلومینیوم،
باید موادی سخت و با استحکام زیاد
را به آن اضافه کرد. اما مطمئنا
استحکام کامپوزیت به دست آمده به
اندازهی استحکام مادهی افزودنی
زیاد نشده است. به هر حال در
صورتی که ساخت کامپوزیت به درستی
انجام گیرد، افزایش استحکام اتفاق
میافتد. بنابراین میتوان این
افزایش خواص را به حضور مادهی
افزودنی نسبت داد. برای مثال در
مورد استحکام کامپوزیت حاصل
میتوان رابطهی 1 را نوشت. در
این رابطه f نماد کسر حجمی و σ
نمایانگر استحکام است. اندیسهای
c، r و m نیز به ترتیب نمایندهی
کامپوزیت، تقویت کننده و زمینه
میباشند.
رابطه ی 1- قانون اختلاط
کامپوزیت ها
در
این مقاله، بیشتر به خواص مکانیکی
نانولولههای کربنی پرداخته شد.
بررسی دیگر خواص نانولولهها نیز
با روشهای کم و بیش مشابه انجام
میگیرد. در مقالات بعدی، به طور
خاص به خواص مختلف نانولولههای
کربنی میپردازیم و در برخی
موارد، روش به دست آوردن این خواص
را نیز به طور مشروح بیان
میکنیم. |
