هدایت حرارتی ‌‌نانولوله‌های کربنی-قسمت اول

هدایت حرارتی نانولوله ‏های کربنی:
دانشمندان در بررسی‏های تجربی و آزمایش‏های خود به نتایجی در زمینه‏ی هدایت حرارتی ‌‌نانولوله‌ها کربنی دست یافته‏اند. آن‏ها پیش‏بینی می‏کنند که ‌‌نانولوله‌های کربنی در دمای اتاق رسانایی حرارتی بالاتری از گرافیت و الماس دارند. دانشمندان در این اندازه‏گیری‏ها، رسانایی حرارتی را برای دو دسته از ‌‌نانولوله‌ها به دست آوردند. یک دسته، ‌‌نانولوله‌های کربنی تک دیواره‏ای بودند که به صورت توده‏ای در کنار هم قرار گرفته بودند و مقدار رسانایی حرارتی مجموعه‏ی آنها به دست آمد. یک دسته نیز ‌‌نانولوله‌های کربنی چنددیواره بودند که به صورت جدا از هم قرار گرفته بودند. رسانایی حرارتی این دسته از ‌‌نانولوله‌ها به صورت جداگانه بررسی شد. این دانشمندان مقدار رسانایی حرارتی بیش از W/mK 200 را برای توده‏های ‌‌نانولوله‌های کربنی تک دیواره به دست آوردند. همچنین طبق این بررسی‏ها، مقدار رسانایی حرارتی ‌‌نانولوله‌های کربنی چند دیواره به صورت جداگانه بیشتر از W/mK 300 به دست آمد.

همانگونه که در دیگر مقالات موجود در وبگاه باشگاه دانش‏آموزی نانو اشاره شد، برای تلفیق خواص مواد مختلف و بهبود ویژگی‏های محصولات، می‏توان از کامپوزیت‏ها و به شکل پیشرفته تر از نانوکامپوزیت‏ها استفاده نمود. طبق بررسی‏های انجام شده، با افزودن تنها %1 از ‌‌نانولوله‌های کربنی به رزین اپوکسی، ممکن است رسانایی حرارتی کامپوزیت دو برابر زمینه شود. این موضوع بیانگر این است که کامپوزیت‏های ‌‌نانولوله‌های کربنی می‏توانند در کاربردهای مدیریت حرارتی به کار برده شوند.

هدایت حرارتی نانولوله‏‌های کربنی از منظر تئوری:
وجود رسانایی حرارتی بالا برای تک ‌‌نانولوله‌ها به شکل تئوری نشان داده شده است. نتایج حاصل از تجربیات آزمایشگاهی نیز بیانگر وجود این ویژگی در نمونه‏های توده‏ای از ‌‌نانولوله‌های کربنی تک دیواره و همچنین برای تک ‌‌نانولوله‌های چند دیواره می‏باشد.
گروهی از دانشمندان رسانایی حرارتی تک ‌‌نانولوله‌های کربنی را با روش‏های محاسباتی اندازه‏گیری کرده‏اند. شکل 1 نتایج محاسبات را به ازای دما برحسب کلوین برای ‌‌نانولوله‌های تک دیواره نشان می‏دهد.

شکل 1- مقادیر رسانایی حرارتی محاسبه شده برای یک نانولوله‏ی کربنی تک دیواره در دماهای مختلف

در این شکل مقدار رسانایی با λ نشان داده شده است. از آنجایی که این کمیت در دماهای مختلف، مقادیر مختلفی دارد، آن را به صورت تابعی از دما و به شکل λ(T) نشان داده‏ایم. با شروع ازدماهای کم و افزایش تدریجی دما، مشاهده می‏شود که مقدار λ(T) در نزدیکی دمای K100 به یک مقدار بیشینه برابر با W/mK37000 می‏رسد (این بیشینه به شکل یک قله در نمودار دیده می‏شود) و سپس با افزایش دما، کاهش می‏یابد. بیشترین مقدار λ(T) که تاکنون در بررسی‏های دانشمندان مشاهده شده است، مربوط به یک نمونه‏ی الماس خاص می‏باشد که در دمای K104 اندازه‏گیری شده است. این مقدار برابر با W/mk41000 است. بنابراین مقدار λ(T) نانولوله‏ی کربنی در بیشینه‏اش با بیشترین مقدار λ(T) که تاکنون اندازه‏گیری شده است، قابل مقایسه است. با توجه به نمودار ارائه شده، حتی در دمای اتاق نیز رسانایی حرارتی نانولوله‏ی کربنی بسیار بالا و برابر با W/mK6600 می‏باشد، این مقدار بسیار بیشتر از مقدار گزارش شده برای همان نمونه‏ی خالص الماس در دمای اتاق است. البته باید این نکته را در نظر گرفت که این نتایج تنها از طریق محاسبات به دست آمده‏اند و ممکن است با نتایج حاصله در شرایط آزمایشگاهی یا واقعی متضاد بوده و یا ناهم‏خوانی باشد.

برای درک بهتر رفتار حرارتی نانولوله‏ های کربنی می‏توانیم مقایسه‏ای بین نتایج حاصل از بررسی نانولوله‏ ها و دیگر مواد کربنی دارای ساختار مشابه داشته باشیم. شکل 2 نمایش دهنده‏ی مقایسه‏ای بین رسانایی حرارتی محاسبه شده برای نانولوله (ساختار یک بعدی)، تک صفحه‏ی گرافن (ساختار دو بعدی) و گرافیت (ساختار سه بعدی) است. همانگونه که مشاهده می‏شود، رسانایی حرارتی تک لایه‏ی گرافن بیشتر از یک نانولوله، و بیشتر از گرافیت است. گرچه مقدار رسانایی حرارتی گرافن در دماهای بالاتر از K270 بسیار نزدیک به رسانایی حرارتی نانولوله می‏باشد، این اختلاف در دماهای پایین تر از K270 بسیار بیشتر می‏شود. در هر صورت گرافیت رسانایی حرارتی کمتری از دو نمونه‏ی دیگر دارد.
همانطور که می‏دانید، گرافیت از روی هم قرار گرفتن منظم و متناوب لایه‏های گرافن ساخته می‏شود. بنابراین بین لایه‏های گرافن، برهم‏کنش‏هایی برقرار است، بنابراین در گرافیت، وجود بر هم‏کنش‏های بین لایه‏ای، مقدار هدایت حرارتی را به شدت کاهش می‏دهد. به نظر می‏رسد همین اتفاق در مورد دسته‏های ‌‌نانولوله‌های کربنی رخ خواهد داد و مقدار هدایت حرارتی دسته‏های ‌‌نانولوله‌های کربنی از مقدار هدایت حرارتی تک ‌‌نانولوله‌ها کمتر باشد.

شکل 2- مقادیر محاسبه شده برای هدایت حرارتی نانولوله (نمودار خط ممتد) در مقایسه با هدایت حرارتی صفحه ی گرافن (نمودار خط و نقطه ای) و گرافیت (نمودار خط چین)؛ قسمت ترسیم شده داخلی، نشان دهنده‏ی تغییرات میزان هدایت بر اساس دما برای گرافیت می‏باشد که با دقت بیشتری نسبت به نمودار اصلی رسم شده است. به تفاوت مقیاس اعداد روی محور عمودی نمودار داخلی و نمودار اصلی دقت نمایید.

هدایت حرارتی از منظر نتایج آزمایشگاهی:
گروهی از دانشمندان با استفاده از یک میدان مغناطیسی قوی، دسته‏ هایی از نانولوله ‏های تک‏دیواره را تولید کردند که به مقدار زیادی منظم در کنار هم قرار گرفته بودند. سپس رسانایی حرارتی این نمونه را اندازه‏گیری نمودند.

در نمونه‏‌هایی که قرارگیری ‌‌نانولوله‌ها در کنار هم غیر منظم بود، هدایت حرارتی در دمای اتاق در حدود W/mK 35 اندازه‏گیری شد. باید دقت داشت که ‌‌نانولوله‌ها در چنین نمونه‏ای به شدت در هم پیچ خورده‏اند، و مسیری که انتقال حرارت در آن رخ می‏دهد به مقدار قابل توجهی طولانی‏تر از فاصله‏ی مستقیم بین نقاط است. برای کاهش دخالت این اثر در نتایج آزمایش، می‏توان ‌‌نانولوله‌ها را توسط میدان مغناطیسی قوی آرایش داد. در این دسته نمونه‏ها، هدایت حرارتی بالاتر از مقدار W/mK200 می‏باشد که با مقدار مربوط به یک فلز خوب قابل مقایسه است. گرچه در همین دسته‏های منظم از ‌‌نانولوله‌ها نیز مواردی وجود دارند که بر هدایت حرارتی نمونه تاثیر منفی می‏گذارند. برای مثال ممکن است هدایت حرارتی از طریق اتصال‏هایی که در بین ‌‌نانولوله‌های مجاور یکدیگر در دسته وجود دارند، دچار محدودیت باشد. بنابراین مقدار هدایت حرارتی مربوط به تک ‌‌نانولوله‌ها باید بسیار بالاتر از این مقداری باشد که در اینجا برای دسته‏های ‌‌نانولوله‌ها به دست آمد.

این مقاله را در سایت باشگاه نانو هم می توانید مطالعه کنید