ساخت مواد کامپوزیتی جدید از نانولوله‌های کربنی

به گزارش ایسنا و به نقل از فیز، نانولوله‌های کربنی فوق‌العاده سبک بوده، رسانایی الکتریکی بالایی دارند و نسبت به فولاد پایدارتر هستند. به خاطر ویژگی‌های منحصربفرد نانولوله‌ها، کاربردهای بی‌شماری از جمله در باتری‌های فوق سبک، پلاستیک‌های با کارایی بالا و ایمپلنت‌های پزشکی دارند.

با این‌ حال امروزه محققان و صنعتگران برای کاربردی کردن این ویژگی‌های فوق‌العاده در مقیاس نانو با مشکل مواجه هستند.

نانولوله‌های کربنی را نمی‌توان با مواد دیگر به راحتی ترکیب کرد، این مواد در صورت ترکیب شدن ویژگی مفید خود را از دست می‌دهند.

گروه تحقیقاتی نانو مواد کاربردی دانشگاه " کیل"(Kiel ) و دانشگاه "ترنتو"(Trento) در حال حاضر یک روش جایگزین را ابداع کردند که با کمک آن لوله‌های کوچک می‌توانند با مواد دیگر ترکیب شوند و در عین حال ویژگی‌های منحصربفرد خود را حفظ کنند.

پروفسور "راینر ادلانگ"(Rainer Adelung)، سرپرست گروه محققان نانو مواد کاربردی دانشگاه کیل، گفت: هرچند نانولوله‌های کربنی همانند رشته‌های فیبری انعطاف‌پذیری بالایی دارند، با این حال نسبت به تغییرات بسیار حساس هستند. در تلاش‌های قبلی برای اتصال شیمیایی نانو لوله‌ها به مواد دیگر، ساختار مولکولی این نانو لوله‌ها نیز تغییر می‌کرد. در نتیجه خواص آن‌ها را به شدت تحت تاثیر قرار می‌داد.

با این‌حال رویکرد تیم تحقیقاتی دانشگاه‌های کیل و ترنتو بر اساس فرایند ساده نفوذ شیمیایی است. در این فرایند نانو لوله‌های کربنی با آب مخلوط شده و به روی یک ماده سرامیکی بسیار متخلخل ساخته شده از اکسید روی ریخته می‌شوند. این سطح مانند یک اسفنج، مایع را جذب می‌کند.

نانولوله‌های کربنی خود را به یک داربست سرامیکی متصل می‌کنند و به طور خودکار با هم یک لایه پایدار را تشکیل می‌دهند. سپس داربست سرامیکی بوسیله نانو لوله‌های کربنی پوشیده می‌شود. این مسئله دارای اثرات جالبی برای داربست و پوشش نانولوله‌ای است.

از طرفی استقامت داربست سرامیکی به شدت افزایش پیدا می‌کند، به طوری که توانایی تحمل 100 هزار برابری وزن خود را خواهد داشت.

با پوشش CNT، ماده سرامیکی توانایی تحمل 7.5 کیلوگرم و بدون آن 50 گرم را دارد.

دانشمندان علم مواد موفق شدند یکی دیگر از مزیت‌های این فرایند را نشان دهند. در مرحله دوم این فرایند، داربست سرامیکی با استفاده از فرایند سونش(Etching) شیمیایی حل می‌شود.

سونش به فرایند پرداخت و لایه‌برداری از روی سطوح مواد آلی یا معدنی و ایجاد فرورفتگی در آن‌ها به کمک یک ماده خورنده می‌گویند.

این فرایند معمولا به دو صورت خشک یا خیس انجام می‌شود. در روش خشک اقدام به برداشتن لایه‌هایی از روی سطح ماده مورد نظر به صورت فیزیکی و مکانیکی می‌شود.

ابزار به کار گرفته شده بسته به ابعاد قطعه و ظرافت ساختار نهایی از سوهان تا شلیک یون متفاوت است.

در روش خیس معمولا از مواد خورنده شیمیایی برای این کار استفاده می‌شود. به همین دلیل این روش به اسم سونش شیمیایی شناخته می‌شود.

یک شبکه سه بعدی از لوله‌ها باقی می‌ماند که هر یک متشکل از یک لایه از نانولوله‌های کربنی کوچک است. به این ترتیب محققان توانستند سطح را تا حد زیادی افزایش دهند و در نتیجه امکان واکنش بیشتری را فراهم کنند.

"فابیان شوت"(Fabian Schütt)، عضو تیم تحقیقاتی گفت: با کمک این فرایند توانستیم سطح یک زمین والیبال ساحلی را به اندازه  یک مکعب یک سانتی‌متری محدود کنیم. فضاهای بزرگ توخالی درون ساختار سه‌بعدی می‌تواند بعدا با پلیمر پر شود. بدین ترتیب نانولوله‌های کربنی می‌توانند بدون تغییر ساختار مولکولی و خواص، به طور مکانیکی با پلاستیک متصل شوند.

"شوت" افزود: می‌توان نانولوله‌های کربنی را به طور خاص منظم کرد و یک ماده کامپوزیتی رسانای الکتریکی را تولید کرد. بدین منظور تنها به میزان خیلی کمی از نانولوله‌های کربنی نیاز داریم تا بتوانیم به همان میزان رسانایی دست یابیم.

این مواد در صنعت باتری و فیلتر به عنوان ماده پرکننده برای پلاستیک‌های رسانا، ایمپلنت‌های پزشکی احیا کننده، حسگرها و قطعات الکتریکی در مقیاس نانو کاربرد دارند.

استفاده از ویژگی رسانایی بالای الکتریکی مواد مقاوم به ازهم پاشیدگی، در برنامه‌های کاربردی الکترونیک از جمله لباس‌های کاربردی و یا در زمینه فناوری پزشکی جالب توجه است.

"ادلانگ" گفت: با کمک این نانولوله‌های کربنی، تولید پلاستیکی که سلول‌های استخوانی یا قلب را تحریک به رشد کند، امکان‌پذیر است.

به خاطر سادگی این روش، محققان توافق نظر دارند که این فرایند را می‌توان به ساختارهای شبکه متشکل از دیگر نانومواد منتقل کرد و در نتیجه طیف وسیعی از کاربردها را برای این مواد میسر می‌سازد.

نتایج این تحقیق در مجله Nature Communications به چاپ رسیده است.