برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۵/۲۰ تا ۱۳۹۷/۰۵/۲۶

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۲,۳۲۵
  • بازدید این ماه ۴۱
  • بازدید امروز ۰
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 حرارتی نانولوله‌های کربنی

یکی از مهم‌ترین خواصی که درمورد یک ماده بررسی می‌شود، خواص حرارتی آن ماده است. خواص حرارتی نانولوله‏‌های کربنی از اهمیت بسیاری در زمینه‏‌های مختلف فناوری برخوردار است، به ویژه به دلیل رسانایی حرارتی بالای الماس و گرافیت و مشابهت‏‌های بین آنها، دانشمندان علاقه‏‌ی بسیاری برای بررسی این خصوصیات دارند. در صورت وجود این ویژگی در نانولوله‏‌های کربنی، می‏توان از آن به عنوان مکملی بر ویژگی‏های مکانیکی و الکتریکی بی‏نظیر نانولوله‏‌ها یاد کرد.
مقدمه:
یکی از مهم‌ترین خواصی که درمورد یک ماده بررسی می‌شود، خواص حرارتی آن ماده است. خواص حرارتی نانولوله‏‌های کربنی از اهمیت بسیاری در زمینه‏‌های مختلف فناوری برخوردار است، به ویژه به دلیل رسانایی حرارتی بالای الماس و گرافیت و مشابهت‏‌های بین آنها، دانشمندان علاقه‏‌ی بسیاری برای بررسی این خصوصیات دارند. در صورت وجود این ویژگی در نانولوله‏‌های کربنی، می‏توان از آن به عنوان مکملی بر ویژگی‏های مکانیکی و الکتریکی بی‏نظیر نانولوله‏‌ها یاد کرد.

1- هدایت حرارتی نانولوله‌‏های کربنی
دانشمندان در بررسی‏های تجربی و آزمایش‏های خود به نتایجی در زمینه‌ی هدایت حرارتی نانولوله‌ها کربنی دست یافته‏‌اند. آنها پیش بینی می‏ کنند 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 چند دیواره 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 200 W/mK 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.

خود را بیازمایید:
پرسش 1: آیا می‏توانید مقادیر متداول رسانایی حرارتی مواد مختلف از جمله گرافیت و الماس را بیابید؟ این کار را برای درک بهتر مطالب ارائه شده در این جلسه و مقایسه‌‏ی بین اعداد درج شده انجام دهید.

پرسش 2: به نظر شما آیا می‏توان میزان رسانایی حرارتی دسته‏های نانولوله‌‏های کربنی تک دیواره را به رسانایی حرارتی نانولوله‏‌های تک دیواره‏‌ی مجزا نسبت داد؟

پرسش 3: آیا می‌توانید دلیلی برای تفاوت مقدار رسانایی حرارتی نانولوله‏‌های کربنی تک دیواره و چند دیواره بیابید؟


همانگونه که می‌دانید برای تلفیق خواص مواد مختلف و بهبود ویژگی‏های محصولات، می‏توان از کامپوزیت‏ها و به شکل پیشرفته‌تر از نانوکامپوزیت‏ها استفاده نمود. طبق بررسی‌ های انجام شده، با افزودن تنها 1 درصد 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.

1-1- 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. شکل1 نتایج محاسبات را به ازای دما برحسب کلوین برای نانولوله‏‌های تک دیواره نشان می‏‌دهد.

filereader.php?p1=main_9f61408e3afb633e5
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 100 Kبه یک مقدار بیشینه برابر با 37000 W/mK 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 بررسی‏ های دانشمندان مشاهده شده است، مربوط به یک نمونه‏ی الماس خاص می‏باشد که در دمای104 K اندازه‏‌گیری شده است. این مقدار برابر با 41000 W/mk 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 6600 W/mK 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 ناهمخوان باشد.
برای درک بهتر رفتار حرارتی نانولوله‌های کربنی می‏توانیم مقایسه ‏ای بین نتایج حاصل از بررسی نانولوله‏‌ها 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 پایین‌تر از 270 K 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 برهم‏کنش‌های 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.


خود را بیازمایید:
پرسش 4: چگونه می‏توانیم با استفاده از پدیده‏ی کاهش رسانایی حرارتی صفحات گرافن در حالتی که در کنار هم قرار گرفته‏اند، پیش‏بینی کنیم که رسانایی حرارتی نانولوله‏‌های کربنی تک دیواره به صورت دسته‏ای از حالت مجزای آنها کم‌تر است؟

filereader.php?p1=main_72b32a1f754ba1c09
شکل 2: مقادیر محاسبه شده برای هدایت حرارتی نانولوله (نمودار خط ممتد) در مقایسه با هدایت حرارتی صفحه‌ی گرافن (نمودار خط و نقطه‌ای) و گرافیت (نمودار خط چین)؛ قسمت ترسیم شده داخلی، نشان دهنده‌ی تغییرات میزان هدایت بر اساس دما برای گرافیت است 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.
1-2-هدایت حرارتی از منظر نتایج آزمایشگاهی
گروهی از دانشمندان با استفاده از یک میدان مغناطیسی قوی، دسته‏‌هایی از نانولوله‌‏های تک ‏دیواره را تولید کردند که به مقدار زیادی منظم در کنار هم قرار گرفته بودند. سپس رسانایی حرارتی این نمونه را اندازه‌‏گیری نمودند.

خود را بیازمایید:
پرسش 5: در اینجا اشاره شد که می‏توان جهت قرارگیری نانولوله ‏های کربنی را با اعمال یک میدان مغناطیسی تنظیم کرد. به نظر شما این کار چگونه انجام می‏گیرد و اساسا دلیل این قابلیت نانولوله‌‏ها چیست؟

در نمونه‌هایی که قرارگیری نانولوله‌ها در کنار هم غیرمنظم 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 مقدار200 W/mK 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.
در جلسه‌ی بعدی برخی مثال‏های استفاده از این خاصیت نانولوله‌‏های کربنی را در نانوکامپوزیت‏ها بررسی می‏کنیم.








منابـــع و مراجــــع

مجموعه مقالات سایت باشگاه نانو