برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۸/۱۹ تا ۱۳۹۷/۰۸/۲۵

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۴,۵۸۸
  • بازدید این ماه ۵۶
  • بازدید امروز ۱
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۱۶۵
  • قبول شدگان ۱۰۵
  • شرکت کنندگان یکتا ۷۳
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۶۳
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

مقدماتی

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

چرا نانوالیاف؟

در مقاله پیشین حوزه نانوالیاف در متون فناوری نانو به طور اجمالی معرفی گردید. فرایند الکتروریسی به عنوان شاخص‌ترین روش تولید نانوالیاف مرور شد و وضعیت تولید این الیاف و روش‌های اقتصادی تولید نانوالیاف بیان شد. در این مقاله مزایای استفاده از نانوالیاف که آن را پراهمیت کرده است بررسی می‌شود. مزیت‌هایی مثل استحکام و کاهش وزن الیاف نانو و تنوع در مواد اولیه از برتری‌های اصلی نانوالیاف هستند. الگوهای جذابی از نانوالیاف در طبیعت وجود دارد. ساختار چوب و استخوان هر دو رگه‌های منظمی از نانوالیاف طبیعی را در بر دارند. اما نانوالیاف ساخت انسان در تلاش برای رسیدن به شرایط استحکامی، فیزیکی و زیستی خاص هدفگذاری و ساخته شده و همواره تحقیقات به دنبال بهره گیری از سهم مساحت سطح بالا و کارایی غشایی مطلوب یا کارایی مکانیکی بالا یا کاهش وزن بوده است.
1- مقدمه
تولید الیاف امروزه یکی از راهکارهای مهم مهندسی در حل مسائل است و در بسیاری از کاربردهای مهم مورد استفاده قرار می‌گیرد و از موضوعات روز فناوری نانو، تولید الیاف نانومتری یا همان نانوالیاف است. در پاسخ به این سوال که چرا یکی از مسائل مهم تمام مراکز تحقیقاتی دنیا مساله الیاف است؟ باید گفت به دلیل اهمیت بالای وزن و استحکام به خصوص برای سازه‌های شناور در آب و پرواز پرنده‌ها در هوا و حساسیت استحکام در این کاربردها الیاف یک موضوع در هم آمیخته با فناوری‌های پیشرفته است.
الیاف از چندین وجه با فناوری نانو ارتباط پیدا می‌کنند، یک جنبه ابعاد نانومتری الیاف است که ما را به سمت نانوالیاف رایج این روزهای فناوری نانو می‌برد و دیگر کنترل نانوساختار در الیاف رایج برای بهبود یا مهندسی خواص آنها. با پیشرفت این حوزه مواد پیشرفته‌ای مانند الیاف کربنی مدول بالا، الیاف کولار، الیاف پلی اتیلن پیشرفته و نانوالیاف نانولوله به بازار وارد شده است[1]. در مقالات بعدی نمونه‌هایی از کنترل ساختار در نانوالیاف را خواهیم آورد.
در حوزه فناوری نانو با مواد بسیار متنوعی مواجه هستیم که می‌تواند با شیوه‌های ساخت اثبات شده، نانوالیاف بسازد. اما می‌خواهیم این حساسیت را هم ایجاد کنیم که با کنترل و مهندسی نانوساختار می‌توان خواص متنوعی را از یک ماده واحد به دست آورد.

2- ویژگی‌های مهم نانوالیاف طبیعی
در مقاله رشته‌ها و الیاف در مورد الیاف نانومتری طبیعی بحث شده است. در ساختارهای طبیعی ابعاد نانومتری، ساختارنانومتری مهندسی شده و کانالهای توخالی میکرومتری در کنار کارایی بالای مکانیکی از ویژگی‌های کلیدی ساختارهای نانوالیاف است. مزایایی که نانوالیاف طبیعی در استحکام و عملکردهای ویژه مثل انعطاف، شیوه تولید و حسگری دارند مثال زدنی است.
- الیاف نانومتری در یک اتفاق روزمره توسط موجودات زنده تولید یا استفاده می‌شوند. این نانوالیاف گاه همراه با نمو گیاهان یا جانوران با سرعتی آرام و گاه توسط برخی موجودات با سرعت بالا و طی چند ثانیه تولید می‌شوند.
- بخش دیگری از نانوالیاف، رشته‌های نانومتری ماهیچه‌ای هستند که تبدیل انرژی را با بازدهی بسیار بالا انجام می‌دهند.
- نوع دیگری از نانوالیاف در یک نوع سوسک می‌تواند ابزاری برای روشن کردن رنگ پوست و تنظیم دمای بدن و حفظ آب بدن باشد!!.
در نانوالیاف طبیعی فقط یک رشته با قطر نانومتری ایجاد نشده، بلکه نانوساختار صد در صد هدفمندی داریم که دقیقاً برای یک کار خاص ساخته شده و دقت‌ها و اختلافات اتمی دارد. در ماهیچه‌ها پروتئین‌های مجزایی که این الیاف را ایجاد می‌کنند دارای یک تکرار آمینو-اسیدی خاص هستند که قابلیت تبدیل به یک شبکه سوپرمولکولی (مولکولی بزرگ) مانند الیاف ماکروسکوپی را دارند. الیاف سلولزی چوب هم ساختار ویژه‌ای دارند که در ابعاد نانومتری مهندسی شده است و ترکیب خوبی از خواص استحکامی و وزنی را شکل داده است. این امر اهمیت موضوع کنترل نانوساختار را در حوزه الیاف نشان می‌دهد.
ویژگی دیگر استفاده عموم ساختارهای طبیعی از کانال‌های توخالی نانومتری و میکرومتری است. این امر به طور مشخص علاوه بر وزن ویژگی‌های عایقی را در مناطق سرد به موجود زنده می‌دهد[2] و مسیری برای انتقال سیالاتی مثل آب هم است. در شکل زیر رشته‌های توخالی را در ریشه گیاهان، پر پرندگان و موی حیوانات مشاهده می‌کنید.

filereader.php?p1=main_96a3be3cf272e0170
شکل 1- الیاف چند کانالی در ریشه نیلوفر آبی(الف و ب)- در پر پرندگان (ج و د) و در موی خرس قطبی(ه تا ح)[3]

تارهای عنکبوت متنوعند. در تارهایی از نوع «فرود»، استحکام کششی 1100 مگاپاسکال است. در مقابل استحکام فولاد 5000 مگاپاسکال می‌باشد. اگر وزن را هم لحاظ کنیم نسبت استحکام به وزن تارهای عنکبوت بیشتر است. دو ماده مستحکم دیگر نانولوله‌ها و گرافن هستند که استحکام فوق بالای 63 و 130 گیگاپاسکال دارند. چقرمگی الیاف نانولوله‌های کربنی 570 J/g (ژول بر گرم) است. این مقدار چهار برابر تار عنکبوت و 17 برابر الیاف کولار و 20 برابر سیم فولادی با وزن مشابه است[1]. این مشخصات بالای نانولوله علاقه زیادی را برای گروه‌های تحقیقاتی برای نزدیک شدن به این خواص ایجاد کرده است که راهش ریسیدن نانولوله‌ها درون مواد پلیمری و یا ریسیدن آن به صورت نخ بوده است[2].
درست است که فاصله تحقیقات بشری با نانوالیاف طبیعی بسیار بالا است ولی نانوالیاف طبیعی و خواص زیستی آن‌ها به دانش نانوالیاف سمت و سوی بهتری خواهد داد و به نوآوری در این حوزه کمک خواهد کرد[2]. پس اولین محرک برای شناخت آینده این حوزه بررسی قابلیت‌هایی است که الیاف طبیعی به آن دست یافته‌اند.

filereader.php?p1=main_a2ef406e2c2351e0b
شکل 2 نمونه‌ای از ساختار لیفی در سلولز شامل نانوکریستا‌ل‌های سلولز (CNC) و نانوفیبریل‌های سلولز (CNF)[4]

3- تحول در وزن و استحکام نانوالیاف ساخت انسان
هنگامی که قطر الیاف پلیمری از مقیاس میکرومتری (برای مثال 10 تا 100 میکرومتر) به زیرمیکرومتری و نانومتری(مثلاً یک صدم تا یک دهم میکرومتر) می‌رسد، مساحت سطح ویژه فوق العاده بالا و انعطاف پذیری و کارایی مکانیکی (سختی و استحکام کششی) می‌تواند چند برابر شود[5]. این خواص برجسته باعث شده است که الیاف نانو انتخاب مناسبی برای کاربردهای مهم در فناوری‌های پیشرفته تلقی شود. ضخامت الیاف متداول مصنوعی (ساخت بشر) مورد استفاده ما در محدوده‌های 10 تا 500 میکرومتر است. میکروالیاف هم به الیافی با قطر کمتر از 10 میکرومتر اطلاق می‌شود. گاهی اهداف بازاریابی شرکت‌ها در این نامگذاری‌ها موثر است.

filereader.php?p1=main_e45ee7ce7e88149af
شکل 3 مقایسه الیاف معمولی، میکرو و نانو [5]

بیشتر مواد با الیاف شدن افزایش استحکام می‌دهند. چرا؟ چون در مقطع کوچکتری از ماده، میزان عیوب و نقص‌های ساختاری که عامل شکست هستند کاهش پیدا می‌کنند. اتفاقاً به واسطه استفاده از مواد پلیمری الیاف در این افزایش استحکام یک مزیت وزنی هم نسبت به فلزات و فولاد و آلیاژهای دیگر دارند. برای اینکه مقایسه صحیحی صورت گیرد استحکام الیاف را بررسی می‌کنیم.
از دهه 80 میلادی الیاف کربن به لحاظ وزنی و استحکامی شیشه و کولار 49 را پشت سر گذاشته است. الیاف کربن T300 الیافی با قطر 7 میکرومتر هستند که حدود 3500 مگاپاسکال استحکام دارند، در حالی که این عدد برای الیاف IM7 با قطر حدود 5 و تغییرات دیگر فرایند ساخت به 5600 مگاپاسکال می‌رسد[6]. این استحکام می‌تواند عددی بسیار بزرگتر باشد.
الیاف نتیجه‌اش سبک شدن است. چرا؟ مواد ذاتاً پلیمری و طبیعی و کربنی در مقایسه با فلزات پایدارتر بوده و سبکترند. چگالی این مواد در محدوده 0.5 تا 2.5 گرم بر سانتیمتر مکعب متغیر است. چگالی عمده مواد کربنی مثل الیاف کربن بین 1.7 تا 2.1 گرم بر سانتیمتر مکعب است. چگالی حدود 7.6 گرم بر سانتیمتر مکعب فولاد در یک ماده پلیمری به زیر عدد 2.5 می‌رسد. یعنی وزن به شکل قابل توجهی کم هم خواهد شد. کولار 49 به لحاظ چگالی در بین الیاف پیشرفته کمترین چگالی( 1.44 گرم بر سانتیمتر مکعب ) را دارد و این امر توانست یک دهه این الیاف را پر کاربرد کند اما به جهت مزایای استحکامی از الیاف کربن خیلی زود عقب ماند.
سوالی که در ذهن باقی می‌ماند این است که استحکام الیاف چگونه اندازه‌گیری می‌شود؟ یکی از راه‌های ساده اندازه‌گیری استحکام الیاف اندازه‌گیری نیروی لازم برای پاره کردن نخ تقسیم بر سطح مقطع آن است. این عدد با عنوان تناسیتی (tenacity) برای الیاف استفاده می‌شود. سطح مقطع الیاف هم با میکروسکوپ قابل اندازه‌گیری است و هم با اندازه‌گیری وزن خطی(تکس یا گرم بر 1000 متر) نخ و چگالی قابل محاسبه است (یک هزارم تکس تقسیم بر چگالی(g/cm3)، مساحت الیاف را بر حسب mm2 می‌دهد). برای به دست آوردن وزن خطی، طول مشخصی از نخ را توزین می‌کنیم. بیان استحکام الیاف بدون بیان ظرافت نخ معنا ندارد. لذا معیارهایی مانند گرم بر دنیر(gpd) (دنیر مقدار گرم نخ در 9000 متر یا Tex9 است و گرم مقدار نیرو تقسیم بر عدد گرانش g معادل 9.81 m/s2 است) برای این مقایسه استفاده شده است[7]. واژه gpd برای الیاف تقویت شده با نانولوله یا نانوالیاف استفاده شده است. تناسیتی برای الیاف در محدوده زیر 8 gpd است.

4- دیگر مزایای نانوالیاف
گاه کاربردهای الیاف، غیر استحکامی است. عملکردهای غشایی، زیست درمانی، عملکردهای فیلتری، عملکردهای عایقی (حرارتی و صوتی) و حتی اپتیکی نانوالیاف را به گزینه همیشه روی میز برای علوم مختلف تبدیل کرده است. از این‌رو تولید الیاف با استحکام بالا یا الیاف با عملکرد خاص یک شاخص مهم برای پیشرفت کشور در تمامی 7 فناوری پیشرفته هسته‌ای، کشتی‌سازی، هوافضا، ارتباطات، زیست فناوری، نانوفناوری و پزشکی است.

filereader.php?p1=main_7d0665438e81d8ece
شکل 4 - لایه الکتروریسی شده معمولی [3]

در یکی از نمونه کاربردهای پزشکی الیاف حسگر فناوری نانو را می‌توان مثال زد که شرکت بیوجنرال فایبر تکنولوژی برای عملکرد حسی درون رگی برای مؤلفه‌های خون مانند فشار، میزان اسیدی بودن، اکسیژن، دی‌اکسید کربن و دما تولید کرده است. این الیاف نقره‌ای یک پوشش الاستومری (ماده کشسان) دارد [8].
نانوالیاف با کانال‌های توخالی هم کاربردهای زیادی در ابزارهای میکرو و نانوفلوییدیک، دارورسانی، کاتالیست و سایر کاربردها دارند. الکتروریسی چندکاناله می‌تواند شکل‌های توخالی کنترل‌شده‌ای از نانوالیاف الکتروریسی را ایجاد کند. در شکل 6 تصویری از مراحل ساخت الیاف چند کانالی مشاهده می‌شود. ادغام پارافین در داخل نانوالیاف می‌تواند عملکرد هوشمند مواد تغییرفاز دهنده (PCM) را نیز ایجاد کند. این مواد با گرمای نهان ذوب دما را در محدوده مطلوب تا حد زیادی کنترل می‌کنند.

filereader.php?p1=main_751d31dd6b56b26b2
شکل 5- الکتروریسی هم مرکز دو کانالی و چند کانالی [3]

filereader.php?p1=main_faeac4e1eef307c2a
شکل 6- شکل نانوالیاف چند کانالی و فرایند آن [3]

نانوالیاف می‌توانند عملکرد کاهش نویز بالایی در هواپیماها داشته باشند. در مقایسه با مواد متداول مانند فوم‌ها، صفحات سوراخ‌دار و الیاف که در محدوده‌های فرکانس کم و متوسط (250 تا 2000 هرتز) جذب نویز کمی دارند، نانوالیاف ضریب جذب بالایی در همه محدوده‌های فرکانس دارند که این عملکرد، لایه‌های نانوالیاف را مواد مناسبی برای این کاربرد در هواپیماها کرده است. حضور درصدی نانولوله به کمک الکتروریسی این قابلیت را بالاتر نیز می‌برد [9].

4-1- نوع مواد
حوزه نانوالیاف مبتنی بر تکنیک الکتروریسی یک تکنیک خاص و جذاب و متفاوت با سایر روش‌های فناوری نانو است که می‌تواند گستره وسیعی از مواد پلیمری را به نانوالیاف تبدیل کند. این نانوالیاف می‌توانند در شکل دلخواه کاربردی به‌صورت نخ، پارچه و ساختار سه بعدی طراحی و ساخته شوند، دامنه وسیع کاربردهای این حوزه هم به همین انعطاف در مواد اولیه و شکل‌های تولیدی ارتباط دارد. گاه این مواد مناسب برای استفاده در حوزه درمان هستند و گاه برای حوزه انرژی کارایی دارند.

4-2- کاربردهای مهندسی بافت
در مهندسی بافت‌های مصنوعی در پزشکی کنترل اندازه حفره در یک داربست سه بعدی و ارتباط داخلی بین حفره‌ها، ملاحظات مهمی محسوب می‌شوند. حفره امکان انتقال خوب سلولی به نواحی درون داربست زیستی را فراهم می‌کند؛ تخلخل و استحکام مکانیکی ماده باید به مقدار بهینه‌ای برسد که ماده نه خیلی ترد باشد و نه خیلی فشرده. در کنار این ویژگی سلول‌ها باید ارتباط خود را با یکدیگر حفظ کنند و بتوانند درون داربست زیستی نفوذ کنند و به مغز آن برسند. این چیزی است که برای ایجاد یک بافت مناسب لازم است [2].
درسال‌های ابتدایی توسعه نانوالیاف الکتروریسی برخی از شرکت‌های صنعتی ماتریس‌های جذابی از پلیمرهایی مانند اسید پلی لاکتیک، پلی یورتان، ابریشم، کلاژن، سلولز و ...را ساختند که عمدتاً کاربرد مهندسی بافت دارند. اما یک محدودیت ویژه پیش روی الکتروریسی آن‌ها وجود دارد: «بازدهی تولید».
برای حل این مشکل سیستم‌های پیچیده و جدیدتری ظهور کرده است. ایجاد نمونه‌های نیمه‌صنعتی (پروتوتایپ‌های چند جتی) تا حدی این مشکل تولید را رفع کرده است و سیستم‌های تأمین پیچیده دیگر هم بازدهی بالایی پیدا کرده‌اند و اخیراً با ابزارهای صنعتی تجهیز شده‌اند [10].

4-3- کامپوزیت‌ها
دسته دیگر از مهمترین نانوالیاف، نانوالیاف نانولوله هستند که جایگاه کاربردی خود را پیدا کرده‌اند و قابلیت استفاده در کاربردهای استحکامی، الکترونیکی و حرارتی را دارند. یکی از این نانوالیاف با نام تجاری پیروگراف III در حجم انبوه و هزینه پایین‌تر از الیاف کربن قابل تولید است [11]. در تحقیقات صورت گرفته روی نانوالیاف نانولوله استفاده از این مواد در کامپوزیت منجر به کاهش وزن و به نسبت کاهش هزینه قطعه تولیدی می‌شود.
بعد از ارائه طرح ساخت یک آسانسور فضایی از نانولوله‌های کربنی بسیاری از محققان تلاش کردند تا مواد مناسبی را که به درد این کار می‌خورد شناسایی کنند. محدودیت الیاف کربن معمولی در استحکام، خیلی از دانشمندان را بر آن داشته است تا الیاف کربن ویژه تولید کنند. این امر مسیر را برای تولید نخ‌های کربنی از نانولوله‌ها یا مسیرهای دیگر نزدیک شدن به مدول تراپاسکالی قابل انتظار از گرافیت باز کرده است.

4-4- نخ‌های نانوالیاف
الیاف کربن با قطر نانومتری می‌تواند با چند روش به نخ تبدیل شود. الیاف کربنی می‌توانند با الکتروریسی تولید شوند. در ادامه این فرایند نانوالیاف پلیمری بلند یا وب نانوالیاف آن‌ها برش می‎خورد و تاب می‌بیند، منظم می‌شوند و در نهایت با عملیات حرارتی به کربن تبدیل می‌شود یا کربونیزه می‌شود. فرایند ریسیدن نانوالیاف به‌صورت نخ شامل فرایندهایی است که در شکل زیر نشان داده شده است [1].

filereader.php?p1=main_d72d187df41e10ea7
شکل 7 تولید نخ پیوسته از نانوالیاف [1]

دسته دیگر نخ‌های کربن می‌توانند با نخ ریسی خشک یا تر نانولوله‌های کربنی تولید شوند. نانوالیاف تولید شده با این روش‌ها نتوانسته‌اند با قیمت مناسب تولید شوند و کارایی لازم را هم برای تبدیل شدن به الیاف کربن ویژه ندارند. با این حال برای کاربردهای ویژه که بحث هزینه برای آن‌ها مطرح نیست می‌توان الیاف کربن ویژه را با نخ ریسی خشک یا تر تولید کرد [1].

5-بحث و نتیجه‌گیری
نانوالیاف حوزه بسیار مهمی از فناوری نانو هستند که در موارد متعددی کاربردی شده‌اند و می‌توانند ظرفیت بالقوه‌ای برای تحقیقات و کاربردهای جدید و نوآوری داشته باشند. شباهت به نانوساختارهای طبیعی، استحکام بالا، مساحت سطح ویژه بالا و وزن کم از ویژگی‌های اصلی نانوالیاف است. نانوالیاف مطرح شامل نانوالیاف کربنی و نانوالیاف پلیمری است. ده‌ها کاربرد تجاری برای نانوالیاف وجود دارد که مهمترین آن‌ها داربست‌های زیستی، فیلترها و کاتالیست‌ها است. نانوالیاف کربنی کاربرد خاصی در هدایت حرارتی، الکتریکی و استحکام مکانیکی دارند. سالهاست که نانوالیاف پلیمری و کربنی در کشور ما نیز مورد تحقیقات قرار گرفته است و در سال‌های اخیر توسعه آن رشد سریع‌تری پیدا کرده است و امروزه به نقطه خوب و ارزشمندی در این زمینه‌ها رسیده است. در مقالاتی که در بخش نانوالیاف آمده است سعی می‌شود تا معرفی جامعی از این کارها صورت گیرد.

منابـــع و مراجــــع

Park, S.-J., Carbon Fibers. 2015, Inha University, Incheon, Korea: Springer

A. Lakhtakia, R.J.M.-P., Engineered Biomimicry. 2013: Elsevier

Kumar, A., Nanofibers. 2010: Intech.

Zhang, Y. and T. Nypelö, Cellulose Nanofibrils: From Strong Materials to Bioactive Surfaces. 2013.

شوشتری، ا ، ا. گزمه, مروری بر فناوری تولید نانوالیاف به روش الکتروریسی قسمت اول. فضای نانو, 1384.

HexTow Carbon Fiber ® IM7. 2015

Adanur, S., Wellington Sears Handbook of Industrial Textiles. 1995: CRC Press.

Gaberman, M. and V. Wild, Air Cylinder Allows Ultrafine Tension Control. PCIM, 1997: p. 90-92

https://www.asme.org/engineering-topics/articles/aerospace-defense/reducing-airplane-noise-with-nanofibers

Khenoussi, N., Contribution 'a l'etude et 'a la caract'erisation de nanofibres obtenues par electro-filage: Application aux domaines m'edical et composite. 2012

Koo, J., L. Pilato, and G. Wissler, Nanomodified Carbon/Carbon Composites for Intermediate Temperature. 2007, DTIC Document