مرکز انجمنهای تخصصی

كشف خواص جديد نانولوله‌ها توسط يك محقق ايراني

نانولولههاي كربني و كاربردهاي آنها از موضوعاتي است كه حجم بالايي از مباحث نانوتكنولوژي را به خوداختصاص داده است. نظرات مختلفي در مورد آينده نانولولهها ابراز ميشود. مطلب زير به تلاشهاي دكتر علي يزداني, يك محقق ايراني در زمينة توسعه كاربردهاي نانولولههاي كربني ميپردازد:
خبر: (ماخذ: [External Link Removed for Guests]. wired. com/ )

با تنظيم خصوصيات الكتريكي و قابل تعديل نانولوله‌ها مي‌توان يك مدار جديد و قابل برنامه‌ريزي را توليد كرد كه نانولوله‌هاي معمولي را به ابزاري چندمنظوره تبديل مي‌كند.

علي يزداني از دانشگاه ايلينوي گفت: "ما اميدواريم علاوه بر جايگزين كردن سيمها با نانولوله‌ها، بتوانيم از اين مواد در الكترونيك مولكولي نيز بهره ببريم."

يزداني يكي از 8 نويسندة مقاله‌اي است كه براي اولين بار خصوصيات الكترونيكي نانولوله‌ها را مورد مطالعه قرار مي‌دهد. (اين مقاله در شماره ژانويه مجله Science به چاپ رسيده است.) وي مي‌گويد: "يكي از اهداف اصلي توليد ابزارهاي الكتريكي، تنظيم خصوصيات الكترونيكي يك ترانزيستور، براي كنترل ورود الكترونها به درون آن است."

ابزاري كه وي ساخته ‌است، يك نانولوله به نام "پوسته نخود" است (از اين جهت كه شبيه به پوستة نخود است) كه نخودهاي آن، مولكولهاي كروي‌شكل C60 هستند. وي با قراردادن يك مولكول C60 در اين نانولوله، دريافت كه خصوصيات الكتريكي سيستم، بسته به‌ جاي مولكولهاي C60، از يك ‌هادي به يك نيمه‌هادي و يا به يك عايق قابل تغيير مي‌باشد. وي دريافت كه اگر مولكولهاي C60 را به صورت متناوب و يا در فواصل معين قرار دهد، تشديد امواج كوانتومي الكترونها در سيستم قابل تنظيم خواهد بود. كشف اين خصوصيت، دريچه‌ا‌ي براي استفاده از اين "پوسته نخود"ها در محاسبات كوانتومي خواهدگشود.

"يزداني" مي‌گويد: "اغلب در استفاده از نقاط كوانتومي براي محاسبات كوانتومي، مطالب زيادي ‌گفته مي‌شود. با شناخت خصوصيات ساختاري C60 مي‌توان راه را براي مهندسي‌كردن حالتهاي شبيه به نقاط كوانتومي، هموار ساخت." وي معتقد است كه خواص قابل تنظيم نانولوله‌ها، راه را براي استفاده از ديگر مولكولها به‌جاي مولكول C60 باز خواهد نمود.

"ديِكِر" از دانشگاه دِلفت در هلند دربارة يزداني مي‌گويد: "نانولوله‌ها، ساختاري پيچيده دارند و آنچه تاكنون بدست آمده فقط تصاويري از اين مواد بوده ‌است. مطالعات يزداني، اولين تحقيق و بررسي در زمينة خصوصيات نانولوله‌ها مي‌باشد كه بسيار جالب و گرانبهاست. اما اگر از من پرسيده شود كه آيا چيز خاصي را ‌درباره پوسته نخودها پيش‌بيني مي‌كنم و يا آنها را مي‌توان جانشين نانولوله‌ها ‌كرد، مي‌گويم خير!"

"ديكر" كه ساخت مدارهاي نانولوله‌اي وي جز تيترهاي خبري ‌بوده، از اظهارنظر بيشتر در مورد اهميت پوسته نخودها خودداري كرده و آن را منوط به انجام تحقيقات بيشتر دانست.

يزداني در سال 1999 تيمي را در شركت NEC ايالت ميشيگان، تحت عنوان مدل‌سازيهاي رايانه‌اي تشكيل داده و تحقيقات گسترده‌ا‌ي را روي سيستم بستة پوسته نخود با يك نخود انجام داد. آنها دريافتند كه اين نخود فاصله ميان دو انتهاي لوله را در 10 پيكوثانيه (يك تريليونيم ثانيه) طي مي‌كند. اين يعني چيزي فراسوي سريع‌ترين تراشه‌هاي رايانه‌اي در بازار.

"يزداني" مي‌گويد: "اين مواد داراي كاربردهاي زيادي هستند، به همين دليل ساخت آنها مورد علاقة دانشمندان، محققين و حتي مردم واقعشده‌است."

يزداني اضافه ميكند: "پوسته نخودها نمي‌توانند جانشين نانولوله‌هاي معمولي شوند، بلكه عامل قدرتمندي در افزايش كارآيي نانولوله‌ها به شمار مي‌روند." وي اظهار داشت: "اكنون در بسياري از موارد، اقدام به استفاده از نانولوله‌ها مي‌شود. از جمله در ساخت ابزارآلات مولكولي و يا مدارهاي منطقي. اما كشف اخير حركتي تازه و مهم در تنظيم خصوصيات نانولوله‌ها از طريق پركردن آنهاست.

منبع
[External Link Removed for Guests]
به قلم حسن علمخواه

ده نوع كاربرد مختلف الياف كربن

الياف كربن بخاطر داشتن خصوصياتي چون مقاومت زياد، وزن كم و مقاومت در برابر خوردگي و حرارت، مادة بسيار مناسبي جهت تقويت ديگر مواد به حساب مي­آيد. متن زير كه از مجلة كامپوزيت نقل شده است، بيانگر ده نوع كاربرد مختلف الياف كربن در حال و آينده است:

در دنياي مواد، الياف كربن همانند آخرين اميد براي افزايش خواص مكانيكي عمل مي­كند؛ يعني در تقويت ديگر مواد و بهبود ويژگي­هاي آن­ها معجزه­وار عمل مي­كند. كامپوزيت­هاي تقويت شده با الياف كربن داراي ويژگي­هاي برجسته­اي مانند استحكام و چقرمگي بالا، سبكي، مقاومت در برابر خوردگي و حرارت و هدايت الكتريكي هستند. از ديگر ويژگي­هاي الياف كربن، قابليت استفاده همراه با مواد گوناگون همانند ديگر الياف، پلاستيك­ها، فلزات، چوب و سيمان است.

زولتك يكي از شركت­هاي توليد كننده الياف كربن است كه محصولات آن در صنايع گوناگون به كار گرفته مي­شوند. اين شركت الياف كربن را از يك فرايند كربنيزاسيون پيوسته توليد مي­كند و هم‌اكنون توجه خود را به توليد الياف كربن ارزان معطوف كرده است. زولتك بر روي ده گروه كاربردي تجاري مهم تمركز كرده است. اين ده گروه به صورت مشروح در ادامه آمده است:

1- پلاستيك­هاي رسانا و كاهش الكتريسيته ساكن

با توزيع الياف كربن كوتاه در ديگر مواد مي­توان الكتريسته ساكن توليد شده در رايانه­هاي لپ­تاپ، چاپ­گرها و ديگر وسايل مشابه را پخش كرد. انتظار مي­رود با افرودن الياف كربن كوتاه و آسياب شده به مواد گرماسخت، نياز به آغازگرهاي رسانا پيش از رنگ­آميزي قطعه از بين برود. الياف كربن با افزايش جاذبه بين رنگ الكترواستاتيك و قطعه باعث افزايش دقت در رنگ‌آميزي پاششي مي­شوند و در نتيجه هزينه و آلودگي كاهش مي­يابند.

2- كاربردهاي صنعتي

در صنعت كاغذ، غلتك­هاي سريعي كه سبكي وزن، چقرمگي و عمر بالا را با هم داشته باشند، كليد بهبود توليد و افزايش كيفيت هستند. بسياري از توليدكنندگان كاغذ و چاپخانه­ها در ايالات متحده و اروپا هم اكنون از نسل جديدي از غلتك­ها و ميله­هايي استفاده مي­كنند كه از الياف كربن ساخته شده­اند. هم­چنين در ساخت غلتك­هاي مورد استفاده در فرايند پيچش الياف (يكي از روش­هاي شكل­دهي كامپوزيت­ها) از اين فناروي استفاده مي­شود.

3- صنعت ساختمان و كاهش وزن سازه­ها

پيشرفت صنعت ساختمان بر استفاده از الياف كربن در كاربردهاي حساس و با حجم بالاي توليد تاكيد مي­كند. ظرفيت الياف كربن براي تقويت و كاهش وزن سازه­­هاي بتني مشخص شده است. يك شركت بين­المللي مصالح ساختماني، اين ايده را كه هر بدنة بتني بايد سنگين و ضخيم باشد، دگرگون كرد. اين شركت در نمايشگاه بزرگ بين­المللي هتل، متل و رستوران سال 1998 در نيويورك، يك اتاق مجزاي هتل را در اندازة واقعي به نمايش گذارد. اين اتاق از جنس بتن تقويت شده با كامپوزيت­هاي الياف كربن بوده كه كامپوزيكرت ناميده مي­شود (Composicrete). اين بازار همچنين شامل ديگر واحدهاي قابل حمل و سرهم كردن براي استفاده در هتل­ها، متل­ها، مدرسه­ها و غيره است.

4- لوازم ورزشي با بهاي باورنكردني

روزگاري تنها ثروتمندان توان استفاده از برخي لوازم ورزشي را داشتند. ولي امروزه با استفاده از الياف كربن، قيمت­ها به طرز چشمگيري كاهش يافته­اند، به گونه­اي كه شما به راحتي مي­­توانيد يك چوب گلف را به بهاي كمتر از 30 دلار تهيه كنيد. الياف كربن به طرز قابل توجهي، كارايي بسياري از لوازم ورزشي را بهبود داده­اند. ولي تا چندي پيش، راكت­هاي تنيس و چوب­هاي گلف معروف به گرافيتي از الياف كربن بسيار گران ساخته و فروخته مي­شدند. شركت زولتك الياف كربن ارزان‌قيمتي را عرضه كرده است كه تهية صفحات نازك پيش آغشته مورد نياز براي لوازم ورزشي از آن بسيار ساده است. اين صفحات در قطعاتي همچون اسكي، اسكيت، تخته برفي و غيره كاربرد دارند.

5- صنعت خودرو، كاهش وزن و افزايش استحكام

هنري فورد در سال 1923 گفته بود: "من نمي­توانم چنين خيال واهي را تصور كنم كه استحكام متناسب با وزن است. كاهش وزن خودرو حتي به ميزان جزيي مي­تواند منجر به افزايش سرعت و كاهش مصرف سوخت شود. با كاهش وزن، مواد كمتري نيز استفاده مي­شود كه به نوبه خود، افت قيمت را به همراه دارد".

نگرش هنري فورد درست بود. روز به روز مردم بيشتري در جهان، توانايي خريد خودروي شخصي را پيدا مي­كنند و خودروها سوخت بيشتري مصرف كرده و آلودگي بيشتري توليد مي­كنند. بنابراين رقابتي شديد براي ساخت خودروهاي ارزان­تر، سبك­تر و تميزتر درگرفته است. دو طرز فكر براي كاهش وزن خودروها وجود دارد. يكي از اين نگرش­ها بر جايگزيني جزء به جزء تمركز دارد. در اين نگرش سعي بر اين است طي پنج سال وزن خودرو 150 تا 200 كيلوگرم كاهش يابد. نگرش ديگر بر طراحي كلي سيستم­هاي نوين تمركز دارد تا ميزان كاهش وزن بيشتري به دست آيد. هر دوي اين نگرش­ها اكنون پيگيري مي­شوند.

در اروپا و ژاپن كه بهاي بنزين چند برابر ايالات متحده است، در دهة آينده تلاش بيشتري براي عرضه خودروهاي ابرسبك به بازار انجام مي­شود. امروزه پلاستيك­ها و كامپوزيت­ها نسبت به ديگر مواد به جز فولاد بيشترين سهم را در وزن خودرو دارند. در خودروهاي امروزي پليمرهاي گرمانرم­ عموماً در كابردهاي غيرسازه­اي استفاده مي­شوند و به جاي الياف كربن، الياف شيشه به كار گرفته مي­شود. زولتك با شركت­هاي سازنده خودرو همكاري مي­كند، تا فرايندهاي ساخت موجود را با الياف كربن سازگار كند. با توجه به اين كه الياف كربن در واحد حجم قوي­تر و سفت­تر از الياف شيشه هستند، يك خودروي تمام‌كامپوزيتي بيش از 60 درصد كاهش وزن خواهد داشت.

6- وسايل نقليه ديگر (هواپيماها، قطارها، اتوبوس­ها)

يك شركت صنعتي اروپايي روي برنامه جديدي براي بررسي امكان ساخت واگن­هاي تمام كامپوزيتي كار مي­كند. تيرهاي باربر اين واگن از الياف كربن ساخته خواهد شد. كاربرد الياف كربن در اتوبوس­ها، كاميون­ها و ديگر وسايل نقليه رو به افزايش است. كارايي نسل جديد هواپيما (نظامي يا تجاري) با استفاده از الياف كربن افزايش يافته و كاربرد الياف كربن در اين زمينه روز به روز بيشتر مي­شود. هم­زمان ما شاهد تاكيد بيشتر كاهش هزينه در صنعت هوا و فضا هستيم. هم اكنون شركت­هاي بويينگ و لاك‌هيد، الياف كربن رده تجاري را در برنامه­هاي طراحي خود گنجانده­اند.

7- الياف كربن در توربين­هاي بادي

يكي از قديمي­ترين و تميز­ترين روش­هاي توليد انرژي استفاده از نيروي باد است. در طول دهه گذشته ظرفيت توليد الكتريسته از توربين­هاي بادي به سرعت افزايش يافته است.

هم اكنون اگر توربين­هاي بادي در جاي مناسبي قرار داده شوند بهاي الكتريسته توليد شده حدود 5 سنت بر كيلو وات ساعت است. ولي براي همه­گيرشدن اين روش، اين بها بايد كاهش يابد تا الكتريسيته توليد شده توانايي رقابت با ديگر روش­ها را داشته باشد. يعني توربين­هاي بادي جديد بايد بزرگتر و كارآمدتر از توربين­هاي امروزي(كه طول بيشينه­ي پره­هاي آنها 30 متر است) باشند. امروزه پره­هاي توربيني به طول 55 متر طراحي شده است. اين امر مستلزم استفاده از الياف كربن به جاي الياف شيشه است تا استحكام و سفتي مورد نياز را تامين كند. هم چنين انتظار مي­رود الياف كربن در مخازن گاز طبيعي فشرده و پيل­هاي سوختي نقش مهمي داشته باشند و كاهش وزن، كليد عملي شدن اين فناوري­ها است.

8- الياف كربن در تقويت سازه­ها

صدها هزار پل، پاركينگ، ساختمان بلند و ديگر سازه­هاي بتني و چوبي در دنيا، به تقويت و ترميم نياز دارند. بازار محصولاتي كه بتوانند اين كار را انجام دهند بسيار گسترده­ است. بيش از 1500 سازه بتني تاكنون با كامپوزيت تقويت شده­اند. هنگامي كه از كامپوزيت­ها به جاي فولاد استفاده مي­شود، زمان ساخت‌و‌ساز كاهش يافته و وزن كلي سازه به مقدار قابل‌توجهي كم مي­شود و در اغلب موارد اختلال ايجاد شده در كارهاي ديگر كاهش مي­يابد. تقويت­كننده­هاي كامپوزيتي معمولاً از صفحات فولادي ارزان­تر نيستند ولي كارايي بهتري دارند.

9- الياف كربن و مقاومت در برابر سايش

زولتك مهم­ترين توليدكننده الياف كربن مورد استفاده در ترمزهاي هواپيما در جهان است. در دماهاي بالا فولاد و ديگر مواد ذوب مي­شوند ولي الياف كربن قوي­تر مي­شوند. الياف كربن به عنوان ماده اصلي تقريباً 50 درصد از ترمزهاي كامپوزيتي كربن/كربن در هواپيماهاي تجاري به كار مي­رود. برنامه­هايي براي به كاربري ترمزهاي كامپوزيتي قطارهاي پرسرعت اروپا در حال بررسي و گسترش است. اين ترمزها شبيه ترمزهاي هواپيما طراحي شده است. كاربرد الياف كربن در ديگر بخش­هاي سايشي خودور همانند كلاچ و جعبه دنده در حال گسترش است.

10- صنايع دريايي و قايق­هاي تقويت شده با الياف كربن

يكي ديگر از بازارهايي كه الياف كربن در آن كاربرد گسترده­اي دارد، صنايع دريايي است. اين كابردها عبارتند از ساخت دكل­ها، بادبان­ها، عرشه و بدنه­ي قايق­هاي بادباني، پارويي و موتوري تندرو.

آب­هاي عميق يكي از بزرگ­ترين مشكلات صنعت نفت هستند. براي غلبه بر اين مشكل نمي­توان به ابزار فولادي اعتماد كرد. محدوديت­هاي فولاد از پيش در لوله­ها و ديگر سازه­ها مشخص شده است. شركت زولتك به صورتي فعال مشغول مذاكره با شركت­هاي بزرگ نفتي، شركت­هاي حفاري و غيره است تا بر روي الياف كربن سرمايه­گذاري كنند. زولتك همچنين درگير آزمايش ميله­هاي كامپوزيتي است كه سكوهاي نفتي جديد را در عمق 3.7 كيلومتري اقيانوس مهار مي­­كنند. اين عمق، چهار برابر عميق­ترين سازه­هايي است كه با فولاد مهار شده­اند.

موارد ذكر شده از كاربردهاي نوين، تمام كاربردها را در برنمي­گيرد. به عنوان مثال، در زمينه پزشكي، علاقه­ي شديدي به استفاده از كامپوزيت­ها براي ساخت پروتزهاي سبك و مستحكم وجود دارد. (پايان نقل قول از مجلة كامپوزيت)

تحليل:

متن فوق نشان‌دهندة فراگير شدن استفاده از الياف كربن در كاربردهاي گوناگون است و جايگزيني گسترده­اي كه در آينده به نفع الياف كربن رخ خواهد داد. اين مساله ايجاد بازار بزرگي براي اين الياف و قطعات تقويت شده با اين مواد را نويد ميدهد. بازاري كه با توجه به زمينه­هايي كه در بالا براي كاربرد اين الياف بيان شده است ارزش زيادي خواهد داشت. علاوه بر اين با توجه به خصوصياتي كه كامپوزيت­هاي ساخته شده از اين الياف دارند مانند مقاومت بالا و عدم خوردگي، هزينه­هاي تعمير و نگهداري را به شدت كاهش مي­دهند. در كشور ما توانمندي­هايي در ساخت كامپوزيت­هاي تقويت شده با الياف كربن وجود دارد كه جاي اميدواري است ولي محدود مي­باشد و بايد گسترش يابد. در زمينة توليد اين الياف كاري صورت نگرفته است. در صورت توليد اين الياف در داخل كشور علاوه بر تامين نياز داخلي ما مي­توانيم در بازار آيندة اين الياف نيز سهم داشته باشيم.

منبع
[External Link Removed for Guests]
به قلم حسین صالحی وزیری