برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۵/۲۷ تا ۱۳۹۷/۰۶/۰۲

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۲,۶۳۲
  • بازدید این ماه ۴۲
  • بازدید امروز ۱
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۰
  • قبول شدگان ۰
  • شرکت کنندگان یکتا ۰
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۰
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

ویژه المپیاد دانش‌آموزی

طرح درس

منابع پیشنهادی نهمین المپیاد دانش آموزی نانو

امتیاز کاربران

خواص مکانیکی نانولوله‌های کربنی

در جلسات قبل با ساختار اتمی نانولوله‌های کربنی آشنا شدیم. روش تجسم ساختار نانولوله‌‏های کربنی از طریق لوله کردن صفحات گرافن، به دست آوردن مولفه‌‏های کایرال نانولوله‌ها، محاسبات ساختاری آنها و برخی اطلاعات دیگر، از آموزه‌های این جلسات بودند. اکنون می‏دانیم که نانولوله‏‌های کربنی می‏توانند به شکل‏های مختلف وجود داشته باشند که در هر یک از آنها ترتیب چیدمان اتم‏های کربنی با دیگری متفاوت است. در ادامه، به بررسی خواص این نانومواد جذاب می‏پردازیم.
یکی از ویژگی‌های مکانیکی مهم مواد، استحکام ماده است که توسط روش‌هایی می‌توان میزان این استحکام را سنجید. روش شبیه‌سازی یکی از این راه‌ها است که خود شامل چند روش دینامیک مولکولی، المان محدود و ... است.
نانولوله‌ها در تشکیل کامپوزیت‌ها نیز کاربرد دارند. از این مواد می‌توان به عنوان تقویت کننده در کامپوزیت‌ها استفاده کرد. خواص کامپوزیت حاصله، با خواص ماده‌ی زمینه و تقویت کننده تفاوت دارد. استحکام یکی از این خواص به شمار می‌آید که از طریق روابط ریاضی می‌توان با داشتن میزان استحکام زمینه و تقویت کننده، استحکام کامپوزیت حاصله را محاسبه کرد.
مقدمه:
در جلسات قبل با ساختار اتمی نانولوله‌های کربنی آشنا شدیم. روش تجسم ساختار نانولوله‌‏های کربنی از طریق لوله کردن صفحات گرافن، به دست آوردن مولفه‌‏های کایرال نانولوله‌ها، محاسبات ساختاری آنها و برخی اطلاعات دیگر، از آموزه‌های این جلسات بودند. اکنون می‏دانیم که نانولوله‏‌های کربنی می‏توانند به شکل‏های مختلف وجود داشته باشند که در هر یک از آنها ترتیب چیدمان اتم‏های کربنی با دیگری متفاوت است. در ادامه، به بررسی خواص این نانومواد جذاب می‏پردازیم.
یکی از ویژگی‌های مکانیکی مهم مواد، استحکام ماده است که توسط روش‌هایی می‌توان میزان این استحکام را سنجید. روش شبیه‌سازی یکی از این راه‌ها است که خود شامل چند روش دینامیک مولکولی، المان محدود و ... است.
نانولوله‌ها در تشکیل کامپوزیت‌ها نیز کاربرد دارند. از این مواد می‌توان به عنوان تقویت کننده در کامپوزیت‌ها استفاده کرد. خواص کامپوزیت حاصله، با خواص ماده‌ی زمینه و تقویت کننده تفاوت دارد. استحکام یکی از این خواص به شمار می‌آید که از طریق روابط ریاضی می‌توان با داشتن میزان استحکام زمینه و تقویت کننده، استحکام کامپوزیت حاصله را محاسبه کرد.

1- معرفی و طرح مساله
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 درمی‏آیند (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؟
filereader.php?p1=main_c0c7c76d30bd3dcae
شکل 1: یک قوطی پلاستیکی حاوی نانولوله‏‌های کربنی

برای روشن‏ تر شدن موضوع، یک مثال را بررسی می ‏کنیم. 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.
filereader.php?p1=main_2838023a778dfaecd
شکل 2: نمونه‏‌های تست کشش که بر اثر فرآیند کشش، شکسته شده ‏اند.


اما همان‏طور که تاکنون متوجه شده ‏اید، 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 روش‏ هایی، نانولوله‌ها را در یک محل مشخص قرار دهند و خواص آنها را بررسی نمایند (شکل 3).

filereader.php?p1=main_9a1158154dfa42cad
شکل 3: یک نانولوله‏ ی چند دیواره که به دو سوزن نوک تیز روبروی هم متصل شده است.

2- راه ‏های بررسی خواص نانولوله ‏های کربنی

2-1- شبیه‌سازی
مطمئنا در زمینه ‏ی شبیه ‏سازی مطالبی را مطالعه نموده ‏اید. یکی از راه‏ های بررسی خواص نانولوله‏‌های کربنی، شبیه‌سازی می‏باشد. بسیاری از این شبیه‏ سازی‌ها 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.

2-1-1- دینامیک مولکولی
روش دینامیک مولکولی، روشی بسیار سودمند در مطالعه‏‌ی ساختار مواد و بررسی فعل و انفعالات در ابعاد مولکولی است. 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).

filereader.php?p1=main_d82c8d1619ad8176d
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؟

2-1-2- روش المان محدود
در این روش که بیشتر مورد توجه مهندسین مکانیک می‏باشد، می‏توانیم پیوندهای بین اتم‌های کربن را به عنوان میله‏‌هایی (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 میله‏‌ها (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.
filereader.php?p1=main_a684eceee76fc5227
شکل 5: تصویری از یک نانولوله‏‌ی کربنی مدل شده برای آنالیز المان محدود

2-1-3- روش‏های دیگر
روش‏های مختلفی برای شبیه‏‌سازی وجود دارند که برخی از آنها بر پایه ‏ی 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.

2-2- بررسی جداگانه‏ی نانولوله‏ های کربنی
همان گونه که در شکل 3 مشاهده نمودید، دانشمندان توانسته‏ اند 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.

2-3- بررسی کامپوزیت‌های حاوی نانولوله‏‌های کربن
همان‏گونه که می‌دانید 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، توانسته‏ اند به ویژگی‏های بسیار جالبی دست پیدا کنند.
هنگامی‏که یک کامپوزیت تشکیل می‏شود، خواص آن با خواص هر دوی زمینه (ماده‏ ی 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 نماینده‏ ی کامپوزیت، تقویت کننده و زمینه می‏باشند.

رابطه‌ی (1) قانون اختلاط کامپوزیت‌ها

filereader.php?p1=main_b53b3a3d6ab90ce02
در این جلسه، بیشتر به خواص مکانیکی نانولوله‌‏های کربنی پرداخته شد. بررسی دیگر خواص نانولوله ‏ها نیز با روش‏های کم و بیش مشابه انجام می‏‌گیرد. در جلسات 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.




منابـــع و مراجــــع

مجموعه مقالات سایت باشگاه نانو