برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۶/۲۴ تا ۱۳۹۷/۰۶/۳۰

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۶,۸۰۴
  • بازدید این ماه ۱۲۵
  • بازدید امروز ۱
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۱۵۰
  • قبول شدگان ۱۰۷
  • شرکت کنندگان یکتا ۷۳
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۶۷
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 1

طرح درس

منابع پیشنهادی هشتمین مسابقه ملی-عناوین کلی

نویسندگان
امتیاز کاربران

آبالون‌ها و مواد سخت خلقت

سختی و انعطاف پذیری از جمله ویژگی های مواد مهندسی محسوب می شوند که معمولا در جهت عکس یکدیگر عمل می کنند. مثلاً مواد پلیمری انعطاف و شکل پذیری مناسبی دارند اما سختی سرامیک ها را ندارند. یا مواد سرامیکی سخت اما شکننده اند. خصوصیت "چقرمگی" بیانگر مقاومت ماده در برابر ترک است. مواد با چقرمگی بالا ، قبل از تغییرشکل دادن و یا شکستن انرژی زیادی جذب می کنند. صدف آبالون از جمله موادی در طبیعت است که به خاطر ساختار ویژه اش چقرمگی بالایی دارد. این ماده و ساختار ویژه اش الهام بخش محققان و دانشمندان برای ترکیب مواد مهندسی و ساخت کامپوزیت هایی با چقرمگی بالا گردیده است.
آبالون ها و مواد سخت خلقت
امروزه کار محققان مواد و مکانیک ساخت موادی مطمئن تر و سبک تر برای سازه های هوایی، خودرو ها، کشتی ها و حتی ساختمان هاست که علاوه بر تمامی خواص مکانیکی، دچار خوردگی نشوند. گاهی گرمای بالا را تحمل کنند و از همه مهم تر چگالی کمی داشته باشند. در حال حاضر تحقیق برای ساخت مواد ساختاری به مسیرهای جدیدی وارد شده که به ترکیب جدید و جذابی از خواص مکانیکی برسند. برای نمونه، چقرمگی (مقاومت در برابر شروع و رشد ترک) و سختی هر دو خواص مطلوبی برای کاربردهای ساختاری هستند، اما تلفیق سختی زیاد و چقرمگی بالا، در مواد مهندسی مرسوم، کار دشواری است. فولاد نامیک دسته گسترده ای از فلزات با آلیاژهای مختلف می باشد که ماده ای مقاوم در برابر رشد ترک یا به عبارت دیگر چقرمه است، اما فولادها به اندازه ی سرامیک ها که نقطه ضعفشان چقرمگی کم است، سخت نیستند. در این راستا مواد کامپوزیت ترکیبی از مواد بسیار نرم و مواد بسیار سخت را برای دستیابی به موادی با خواص مطلوب توسعه داده ولی هنوز ماده ای به خواص و ترکیب مواد محکم طبیعی مانند آبالون، دندان و استخوان ها نرسیده است [1]. 
موادی مثل استخوان، دندان و صدف های دریایی مثل آبالون از موادی مثل کربنات کلسیم تشکیل شده اند که به خودی خود ضربه های سنگین ناشی از پرت شدن، برخورد یا فشار را تحمل نمی کنند. اما در آبالون این مواد با اندک حجمی از پروتئین های نرم همراه شده اند [5].
صدف پوسته نرم تنان ده ها برابر چقرمه تر از مواد شکننده سازنده آن می باشد. این سطح از تقویت چقرمگی تا الان توسط هیچ ماده  ای از مواد مهندسی ساخته نشده است. ساختار مستحکم صدف با طراحی در چند سطح مقیاسی (مقیاس عینی، میکرو و نانو) به وجود آمده است؛ اما چینش میکروسکوپی و آجری شکل مواد آن اهمیت بالایی در حصول خصوصیاتش دارد. سلسله مراتب ساختاری در صدف، رویکرد واحدی در مرتب سازی بلوک های سازنده سخت در حیات است که در استخوان و دندان هم دیده می شود [5]. 

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل1:ساختار آبالون و لایه صدفی که با رنگ سفید مشخص شده است. 

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل2: ساختارصدف آبالون درابعاد مختلف

مدل سازی های اخیر با نرم افزارها نشان می دهد که چطور تلفیق جذاب سختی، استحکام و چقرمگی می تواند با این ساختار پله پله ایجاد شود. البته ساخت مواد مهندسی که چنین ساختاری را با این مکانیک و خواص صدف داشته باشند، هنوز یک چالش دست نیافتنی تا به امروز بوده است [9].
برای رسیدن به تلفیق جدیدی از خواص، سه رویکرد اصلی وجود دارد. یکی از این روش ها دست کاری و جابجایی شیمی پایه مواد است. با این تغییر، آلیاژهای جدید یا پلیمرهای جدید ایجاد می شوند. راه دوم این است که با حفظ ترکیب شیمیایی، میکروساختار ماده را تغییر داد. مثلاً در انواع فولادها فازهای کریستالی را می توان کنترل و با فرایندهای مکانیکی و حرارتی خواص مطلوب را حاصل کرد. پلی اتیلن یک ماده سبک با استحکام کم است ولی همین ماده با تغییر در ساختار مولکولی به عنوان یک ماده پیشرفته در جلیقه های ضدگلوله به کار می رود. رویکرد سوم که حیات هم از آن بهره می برد شامل تلفیق دو یا چند ماده قابل امتزاج با خواص مکانیکی متفاوت و مکمل هم است که به تولید یک ماده تلفیقی می انجامد [1]. مفهوم مواد هیبریدی یا تلفیق شده یا کامپوزیت به شکل گویایی توسط رابطه اشبی شرح داده شده است: 
ماده کامپوزیت = ماده الف + ماده ب+ حالت فیزیکی+ مقیاس. یعنی تلفیق مواد الف و ب یا مواد بیشتر در یک شکل، حالت فیزیکی و مقیاس کنترل شده، الف و ب می توانند از نظر تئوری هر ماده ای شامل گاز، یا مایع باشند [4].
مواد کامپوزیت در طبیعت به وفور وجود دارند، علاوه بر صدف ها، استخوان، دندان، تاندون و اسکلت اسفنجی شیشه ای، پوست تمساح ها، و ماهیچه ها تنها نمونه هایی از این گونه مواد هستند. در صدف استحکام با سلسله مراتب ساختاری ایجاد شده است. صدف آبالون و استخوان چقرمه و نگهدارنده جریان ضربات هستند؛ به این معنا که استحکام شان با حضور جریان های محدود ضربه تکان نمی خورد. شکل زیر تافنس یا چقرمگی این مواد را با هم مقایسه کرده است [1].

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل 3: نمودارچقرمگی سختی برای موادزیستی(کلسیت<فسفات کلسیم<انامل< صدف<دنتین< استخوان<انتیر< پوست < پروتئین).

در آبالون پروتئین ها با بالاترین سطح انعطاف با موادی که در پایین ترین سطح قرار دارند ترکیب شده اند. سرامیک ها معمولاً چقرمگی کمی دارند و با ضربات می شکنند و در مقابل موادی مثل فلزات که جریان ضربات را تا حدی می گیرند، سختی بالایی ندارند [1]. 

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل4: محدوده سختی وچقرمگی برای مواد مهندسی (فلزات کامپوزیت های صنعتی، سرامیک ها و مواد طبیعی)

کامپوزیت های طبیعی مثل استخوان ها افزون بر تلفیق جذاب خواص ساختاری، قابلیت های قابل توجهی دارند، مانند: ترمیم، حس درد و اصلاح درونی. موضوعاتی که در استخوان ها به آن اشاره شد جذابیت بسیار بالایی برای مهندسان دارند و در مسیر الهام از حیات سعی شده موادی ساخته شود که ساختار و مکانیک این مواد طبیعی را کپی برداری کند [1].
کامپوزیت های طبیعی شامل مواد معدنی و پلیمرهایی هستند که ساختاری پیچیده و فشرده دارند. مواد معدنی سخت به شکل اجزایی با ابعاد کم در دریایی از مواد پلیمری آلی تلفیق شده اند. پلیمرهای آلی ماده مرزی بین مواد معدنی سخت هستند. برای درک این ساختار ده تکه چوب را در نظر بگیرید که با چسبی لاستیکی و نرم در کنار هم قرار دارند و یک مکعب مستطیل را ایجاد کرده اند [1]. 
ماده مرزی در کامپوزیت های طبیعی مثل آبالون کمک می کند که نیرو در کل ماده توزیع شود، یا اصطلاحاً دمپ شود. همچنین تحمل ماده در برابر خرد شدن را افزایش می دهد. ماده مرزی در نقش سوم خود، پل اتصال دو ماده بسیار متفاوت با خواص متضاد است. این ماده باید طوری باشد که بتواند بین چیزی مثل یک پروتئین نرم و یک ماده معدنی اتصال ایجاد کند. ماده مرزی خم و راست شدن و تغییر شکل بالا و مهار انرژی از این طریق را ممکن می سازد [1]. 
ماده مرزی در کامپوزیت های طبیعی یک نوع پلیمر ندارد، بلکه از چندین نوع پلیمر شکل گرفته که در کشش، افزایش طول متمایزی دارند. برای مثال ماده پروتئینی صدف از گروه های مختلفی تشکیل شده است. که عمدتاً شامل پروتئنی های سرشار از کیتین ، گلیسین و آلانین می باشند [1]. 
صدف الگوی مناسبی برای مطالعات تقلید از حیات است، زیرا: (الف) چقرمگی آن سه برابر از اجزای اصلی سازنده اش بالاتر است. (ب) ساختار ساده تری در مقایسه با مواد زیستی دیگر دارد و (ج) ساختار آن اساساً برای اهداف زیستی(مثل حس، تولید مثل و ...) ساخته نشده بلکه برای اهداف مکانیکی یعنی محافظت از یک موجود زنده بهینه شده است [8]. 
صدف (mother-of-pearl یا Nacre) یک نانوکامپوزیت لایه ای است که در پوشش نرم تنان یافت می شود، این ماده 95 درصد وزنی آراگونیت (شکلی کریستالی از کربنات کلسیم، CaCO3) و 5 درصد وزنی ماکرومولکول های آلی دارد. لایه های آراگونیت 500 نانومتر ضخامت دارند و در بین لایه های آلی با ضخامت های 20 تا 30 نانومتر محصور شده اند. کامپوزیت های زیستی سخت، مثل صدف مقدار زیادی مواد سخت معدنی را در فرایندی که کانی سازی زیستی نامیده می شود، همراه خود می کنند. در طبیعت این امکان فراهم شده است که ساختار صدف ها با زیبایی و نظم بالایی کریستالی شوند. در این فرایند مواد معدنی در داربستی از مواد آلی که از قبل خودآرایی پیدا کرده، وارد می شوند و هسته سازی و رشد می کنند. شیوه کانی سازی، سختی و استحکام فشاری را ارتقا می دهد. صدف خشک شبیه آراگونیت خالص، عملکردی سرامیکی شکل دارد و در افزایش طول اندک (تقریباً 0.1 درصد) به شکل ترد می شکند. پاسخ با مدول یانگ E حدود 90 گیگاپاسکال خطی است. اما رفتار صدف خیس ابتدا به صورت یک ماده الاستیک و خطی می باشد (E حدود 70 گیگاپاسکال)، اما در ادامه با یک تغییر شکل بالای پلاستیک، قبل از شکست دنبال می شود. صدف تر در یک درصد افزایش طول دچار شکستگی می شود. این مقدار برای ماده ای که 95 درصد وزنی آن را موادمعدنی تشکیل داده است، مقدار بالایی می باشد. این سطح بالای ازدیاد طول به خاطر این است که صدف توانسته تا حد بالایی تغییر شکل را در ساختار درونی خود توزیع کند. علت اصلی این اتفاق، خواص ساختاری صدف یعنی حالت توهم رفته و موج دار بلوک های سرامیکی آن می باشد. با این حال با وجود کارهای زیادی که در بیست ساله اخیر انجام شده هنوز طراحی دقیقی که بتواند همان رفتار را در محیط مصنوعی ایجاد کند به دست نیامده است [1]. 
چقرمگی چشمگیرترین خصوصیت مواد طبیعی سخت است و در صدف به عنوان یک نمونه عالی، چقرمگی 3000 برابر بزرگ تر از جزء سرامیکی آن یعنی آراگونیت است. چنین عددی تا به حال در هیچ ماده ی مهندسی گزارش نشده است. علت این خصوصیت افزون بر ماتریس آلی پروتئینی، در اثر چیدمان تو در توی قرص های میکرومتری است. در استخوان و صدف میکروساختار، قرص های مواد معدنی با نسبت منظر بالا (نسبت هندسی متوسط طول به ضخامت) تشکیل شده است که بین لایه هایی از مواد آلی قرار گرفته اند و به شکل یک دیوار آجری موج دار و تو در تو درآمده است. این تو در تویی قرص ها در دندان، الیاف کلاژن، و تار عنکبوت هم دیده می شود و با فراهم کردن تلفیق جذابی از سختی، استحکام و چقرمگی یک طرح جامع محسوب می شود [1]. 

filereader.php?p1=main_e4da3b7fbbce2345d
شکل5: چیدمان رگه رگه تکه های معدنی (الف) تصویر SEM صدف، (ب) استقرار فیبریل های کلاژن کانی شده در استخوان، (ج) تصویر SEM دنتین دندان.

مکانیزم های متعدد قدرتمندی در صدف وجود دارد که در برابر نفوذ ترک مقاومت می کند و چقرمگی را افزایش می دهد. انحراف ترک، بستن راه ترک، اتلاف انرژی با تغییر شکل در حجم ماده حول ترک مکانیزم های اصلی چقرمه سازی می باشند [1]. 
در کامپوزیت های طبیعی مثل صدف، سطوح مرزی صاف و ثابت نیستند و نوعی قفل شدگی بین لایه ها وجود دارد.
 
filereader.php?p1=main_1679091c5a880faf6
شکل6: سرخوردن رو به رشد قرص ها در کامپوزیت تو در تو

بار بین قرص های مسطح تنها با تنش های برشی منتقل می شود. اما در قرص های موج دار، سرخوردن قرص ها، کشش و تنش های فشاری جانبی ایجاد می کند که در انتقال بار و افزایش مقاومت در برابر سرخوردن و سخت شدن، موثر هستند [1]. 
استحکام مواد، وقتی کوچک تر ساخته می شوند، افزایش می یابد. به علت آن که مواد در ابعاد کوچک تر در مقطع خود، عیوب کمتری می توانند داشته باشند. مواد کوچک تر از اندازه 30 نانومتر استحکامی دارند که به استحکام مواد در تئوری آن نزدیک می شود. با بررسی ساختمان مواد مشاهده می شود که اندازه مواد معدنی در مواد طبیعی سخت؛ مثل استخوان و دندان، در همین حد و اندازه 30 نانومتر است. این حاکی از آن است که جزء نانومتری این مواد، مقاومت در برابر شکست آن ها را به بالاترین حد می رساند. هر چند قرص ها در صدف ، ابعادی میکرومتری دارند، اما همین اندازه کوچک آن ها، باز در استحکام صدف موثر است [5].
ساخت کامپوزیت های شبه صدفی مصنوعی که ساختار، مکانیسم و خواص آن را کپی برداری کنند، یک چالش انکارناپذیر بوده است. تا به امروز هیچ تکنولوژی ساختی وجود نداشته است که بتواند ساختار آجری و سیمانی بسیار منظم صدف را در مقیاس میکرو کپی برداری کند [1]. 
ماده کامپوزیتی لایه ای از صفحات کاربید سیلیکون با ابعاد μm20×mm20× mm20 با ماده مرزی گرافیت، سختی و استحکام بالاتری در مقایسه با کاربید سیلیکون نشان می دهد. مقادیر چقرمگی در این کامپوزیت 4 برابر است. کامپوزیت دیگری شبیه به صدف ساخته شده که تقریباً 90 درصد حجمی آن را قرص های آلومینا تشکیل داده است و با چسب به هم متصل شده اند. چقرمگی این ماده 6 برابر خود آلومینا می باشد. تکرار این تجربه با نظم های مختلف قرص ها، و چسب های مختلف در مواد مرزی و درصد حجمی های مختلف مواد معدنی به صورت زیر جمع بندی شده است:
(الف) استفاده از چسب های ضعیف تر در سطوح تماس چقرمگی ساختار را بهبود می دهد. این نکته به ظاهر عجیب به نظر می رسد، اما درست است. در دهه 70 که کامپوزیت های استحکام بالای کولار اپوکسی توسعه پیدا کرد، استحکام برشی کامپوزیت کم بود و راهکاری که اتخاذ شد، استفاده از یک واسطه سیلیکونی نرم بین کولار و اپوکسی بود که استحکام را بالاتر می برد.
(ب) کامپوزیت های ساخته شده از لایه های پیوسته یا جز جزء با 82 درصد حجمی سرامیک شکست ترد دارد، در حالی که کامپوزیت هایی با لایه های مجزا با 89 درصد حجمی سرامیک، قبل از شکست، از تغییر شکل(کرنش) چشمگیری برخوردار است.
(ج) افزایش چقرمگی نتیجه انحراف ترک ها در زمان اعمال بار خمشی می باشد [1]. 
طراحی مواد سخت زیست تقلیدانه با انتخاب مواد آغاز می شود که الزامی وجود ندارد از همان ترکیب شیمیایی مشابه مواد طبیعی باشند. برای مواد سخت و محکم قرصی شکل موادی مثل هیدروکسی آپاتیت، کربنات کلسیم، شیشه، گرافیت، مونت موریلونیت یا نانورس، کاربید سیلیکون، اکسید آلومینیوم، میکا، و تالک استفاده شده است. معیار انتخاب برای فازهای آلی پیچیده تر است. فاز آلی می بایست چسبندگی بالایی به فاز معدنی داشته باشد تا از جداشدگی لایه ها در سطوح پایین تنش جلوگیری کند. همزمان فاز آلی باید نرم باشد و قابلیت تغییر شکل داشته باشد، طوری که بتواند طول زیادی را تحمل کند. انواع مختلف پلیمرها شامل پلی الکترولیت ها (PE)، پلی وینیل الکل ها (PVC)، پلی کربنات (PC) و پلی متیل متاکریلات به عنوان فاز آلی در مواد زیست تقلیدانه استفاده شده اند [1]. 
اخیراً روش هایی برای ترکیب مواد انتخابی فوق داده شده است. این روش ها در قالب روش های ریخته گری سرد، چینش لایه به لایه، تکنیک های لایه نشانی مستقیم، سانتریفیوژ، رسوبدهی، اعمال نیروی برشی و ریخته گری ژل دنبال شده است. روش های دیگری هم توسعه داده شد تا مواد استخوان شکل ساخته شود، اما علی رغم تلاش های چشمگیر موفقیت های کمی در انجام این کار داشته اند. علت این امر با دو مورد زیر توجیه می شود [1]:
1) در مواد زیست تقلیدانه، قرص های معدنی به شکل منظمی در ماده پلیمری مستقر نمی شوند. 
2) اتصال بین مواد معدنی و فاز پلیمری به اندازه ای که در مواد کامپوزیتی طبیعی کاربرد دارد مورد استفاده نیست. 
ساختار استخوان و صدف آبالون و دندان ساختارهای ایده آلی در طبیعت هستند که می توانند پیشرفت های چشمگیری در توسعه مفاهیم کامپوزیت ایجاد کنند. بررسی آبالون نشان می دهد که استفاده از ساختار منظم نانومتری باید با ساختار بهینه در سطوح میکرو و ماکرو تلفیق شود. امید است که در آینده ی نزدیک شیوه صحیح ساخت چنین ساختارهایی به دست بیاید. 

منابـــع و مراجــــع

1. A. Lakhtakia, R. J. Martin-Palma, Engineered Biomimicry, Elsevier, 2013, p291

2.NatureTech Technology, video, part 1&2&3.

3. H. Yahya, Biomimetics, technology imitates Nature, Global Publishing, 1999

4. M.F. Ashby, Hybrids to fill holes in material property space, Phil Mag 85 (2005), 3235–3257.

5. F. Barthelat, Biomimetics for next-generation materials, Phil Trans R Soc Lond A 365 (2007), 2907–2919.

6. M.F. Ashby and Y.J.M. Bréchet, Designing hybrid mate¬rials, Acta Mater 51 (2003), 5801–5821.

7. A.P. Jackson, J.F.V. Vincent, and R.M. Turner, The mechanical design of nacre, Proc R Soc Lond B 234 (1988), 415–440.

8. J.W.C. Dunlop and P. Fratzl, Biological composites (D.R. Clarke, M. Ruhle, and F. Zok, eds.), Annu Rev Mater Res 40 (2010), 1–24.

9. F. Barthelat et al, On the mechanics of mother-of-pearl: A key feature in the material hierarchical structure, JMPS, Elsevier, 2007, 306-337.