|
Bucky Paper
تاریخچه
از میان پنجره های آزمایشگاه دنیای نامحدودی از کاربردهای
صنعتی متریال های جدیدو شگفت انگیز، را می توان دید.
دنیای نانو یا همان نانوتکنولوژی از اوایل دهه 80 میلادی
شکل جدی تری به خود گرفت، و با تلاش دانشمندان و حمایت
مالی دولت ها و شرکت ها هر روز اشکال جدیدتری را به ما می
نمایاند.
نانوتیوپ ها شاخه ای از نانوتکنولوژی است که در آن سعی می
کنند اتم های کربن را با یک نظم خاص کنار هم بچینند و خواص
جدیدی را بدست بیاورند. در این حالت شکل این مواد بصورت
لوله هایی میکروسکوپی می باشد.
((Sumio Iijima)) از آزمایشگاه
NEC ژاپن در سال
1991 میلادی نانوتیوپ را کشف کرد. وی دروازه های جهانی طلایی را
به روی دانشکده ها، دانشمندان، محققان، دانشجویان، صاحبان
صنایع و دولت ها گشود، تا برای این مواد جدید کاربردهای بی
شماری پیدا کنند.
در این استوانه های ریز و میکروسکوپی از کربن، مهندسان
صدها خصوصیت بالفعل یافتند، که پیش از این دیده نشده بود.
پژوهشگران تلاش کردند در مورد نانوکربن ها و استعدادهای
خارق العاده اش بیشتر بیاموزند. آنان مسیر طلایی را آغاز
کردند و با استفاده از این مولکول های اسپاگتی شکل، سعی
کردند هواپیما و فضاپیما و اتومبیل ها و قطعات تشکیل دهنده
آنها را دوباره طراحی کنند اما اینبار قوی تر و بسیار سبک
تر.
از دیگر کارکردهای اولیه نانوتیوپ ها می توان به ساخت:
دستگاه های الکترونیکی کاملا جدید، پارچه هایی با خصوصیات
باورنکردنی، دستگاههای قابل حمل اشعه Xو ماهیچه مصنوعی –
اشاره کرد.
مشکلات اولیه:
اما مشکلاتی بر سر راه تحقیقات پیرامون مهم ترین مولکول
کشف شده، خود را نمایان کردند.
در ابتدا نانوتیوپ ها بسختی تولید می شدند .
پروسه تولید بطور باورنکردنی وقت گیر و هزینه بر بود. شاید
بتوان گفت یکی از گرانترین مواد بر روی زمین. هر گرم از
آنها اگر خلوص بالایی داشتند 2000 دلار و اگر خلوص معمولی
داشتند 1000 دلاز ارزش داشت.
کار کردن با این مواد هم بسیار سخت و پر مخاطره بود.
معمولا پودری ظریف و بسیار آتشزا بود. در هنگام کار هر ذره
ای که در اتمسفر آزمایشگاه معلق میشد، گران ترین گرد و
غبار دنیا بود.
با وجود این مشکلات نانوتیوپ در اواسط دهه 90 در پاره ای
از محصولات نمایش داده شد، مانند: راکت تنیس، راکت
بدمینتون، چوب بیسبال، بدنه دوچرخه ها و باطری تلفن های
سلولی و لپ تاپ.
د ر اکثر این موارد با وجود گرانی نانوتیوپ، اما با توجه
به قدرت و سبکی، از نانوتیوپ های کربن استفاده شد.
جبران عقب ماندگی:
بالاخره مهندسان و محققان توانستند تا حدودی بر مشکلاتشان
غلبه کنند.
یکی از سردمداران این رشته نوظهور ((Ben Wang)) بود، او
مدیر مرکز پیشرفته تکنولوژی کامپوزیت کالیفرنیا در دانشگاه
ایالتی فلوریدا (FAMU-FSU) می باشد.
Wang پژوهش های خود و گروهش را بر روی شاخه ای از نانوتیوپ
ها که بعدها بهBucky Paper معروف شد، معطوف کرد. ماده ای
که 95 % از نوعی نانوتیوپ خالص به نام علمیBPP15L520 تشکیل
شده است.
آنها دریافتند که اگر نانوتیوپ را در سیال خاصی معلق کنند
و سپس به سوی فیلتری عالی حرکتش دهند، در آن طرف فیلتر بعد
از خشک شدن، کاغذی باقی می ماند که ثبات دارد. به این فیلم
نازک لقب Bucky Paper دادند. در این فرم تیوپ های کربن به
یکدیگر ملحق می شوند.
اولین برخورد Wang با این ورقه های نازک در سال 2000 بود.
یکی از مهندسان همکارش در شرکت لاکهید مارتین به او یک
نمونه را نشان داد که توسط ((Richard Smalley)) برنده
جایزه نوبل ساخته شده بود.
این نمونه اولیه که برای سرگرمی ساخته شده بود، قرصی سیاه
رنگ و سبک به فطر یک اینچ بود.
اما Wang با کمک دیگر اساتید و دانشجویان از این سرگرمی،
یک پژوهش جاه طلبانه ساختند. آن مرکز اولین مرکزی بود که
بر روی خواص مکانیکی و الکتریکی Bucky Paper تحقیق کرد.
آنها همچنین روش های ساخت متریال را تا حد بسیاری توسعه
دادند.
در مرحله بعد آنها متوجه شدند اگر محلول اصلی سازنده Bucky
Paper را تحت تاثیر یک میدان مغناطیسی قوی تولید کنند،
رشته های نانوتیوپ با نظم عجیبی در کنار هم قرار می گیرند
و آنگاه خواص بسیار عالی بدست می آورند.
شانس با گروه همراه بود، آزمایشگاه ملی میدان های مغناطیسی
قوی درست در پایین خیابان لابراتوار قرار داشت. با کمک
گرفتن از میدان مغناطیسی نانوتیوپ ها در طول یکدیگر بودند
و دیگر با آرایشی کاتوره ای چیده نمی شدند. این عمل خواص
Bucky Paper برای کاربردهای خاص را، بطور چشمگیری افزایش
داد.
تفاوت های چشمگیری بین Bucky Paper های تصادفی و Bucky
Paper هایی که تحت تاثیر میدان مغناطیسی ساخته شده بودند،
نشان داده شده است. در اسکن های گرفته شده توسط میکروسکوپ
های الکترونیکی، لایه های نانوتیوپ یک توده هستند که به هم
پیجیده شده اند مانند یک بشقاب اسپاگتی. اما در کاغذهای
تحت اثر میدان مغناطیسی نانوتیوپ ها بطور موازی و نرمی
مانند موهای گربه خانگی در کنار یکدیگر چیده شده بودند.
این تفاوت ها منجر به تفاوت در خواص این دو دسته می شود،
بر خلاف عقیده اولیه محققان که تصور می کردند همواره Bucky
Paper های تحت تاثیر میدان مغناطیسی خواص بهتری دارند، اما
در بعضی کاربردهای خاص Bucky Paper کاتوره ای برتری خود را
به رخ می کشند و با توجه به هزینه ساخت کمتر، استفاده از
آنها معقول تر است.
تلاش ها منجر به ساخت دسته ای از کامپوزیت ها شد که فوق
العاده سبک، بسیار قوی و با خواص مکانیکی و الکتریکی و
حرارتی استثنایی بودند.
قدرت در تعداد:
کامپوزیت ها به موادی می گویند که ترکیبی از دو یا تعداد
بیشتری از متریال ها باشد، و یک ماده یکدست با خواص فوق
العاده می باشد. در این مواد معمولا یک ماده حکم پر کننده
را دارد و یک ماده هم نقش اسکلت و نگهدارنده را ایفا می
کند.
یکی از نمونه هایی که امروزه در صنعت بخصوص هوا و فضا
کاربرد پیدا کرده، کامپوزیت فیبرکربن است.
کامپوزیت ها را یکی از موادی است که نیروهای هوایی، دریایی
و ارتش هم به آنان توجه خاصی دارند تا از آنها در تجهیزات
جنگی خود استفاده کنند. این مواد می توانند جایگزین فلزات
باشند زیرا از فلزات سبک ترند و زنگ نمی زنند.
گروه Wang توانست یک کمک هزینه 8 میلیارد دلاری برای 3 سال
دریافت کند. از حامیان مالی این طرح می توان از : دفتر
تحقیقات علمی نیروی هوایی، آزمایشگاه پژوهشهای نیروی
هوایی، آزمایشگاه پژوهشی ارتش، کمپانی لاکهید مارتین و
کمپانی بوئینگ نام برد.
موفقیت های بیشتر
در سال 2003 تیم موفق شد بزرگترین برگه را بسازد، این برگه
4 در 15 اینچ بود. این ورقه هنوز رکورد دار بزرگترین برگه
Bucky Paper است.
پاره ای از کاربرد ها:
- یکی از کاربردهای عالی Bucky Paper ها حفاظت از هواپیما
ها در برابر برخورد صاعقه با بدنه آنهاست. این قبیل
برخوردها می تواند در سیستم های هدایتی اختلال های شدیدی
پدید بیاورد و شاید هم انفجار و آتش سوزی به بار بیاورد.
در حال حاضر برای کاهش اثرات مخرب برخورد صاعقه از مس
استفاده می کنند.
اشکال عمده مس وزن بالای آن است که در طراحی هواپیما ایجاد
مشکل می کند. حال می توان Bucky Paper را جایگزین مس کرد
در حالی تنها 15% مس وزن دارد. برای حفاظت از بدنه هواپیما
تنها کشیدن لایه نازکی از Bucky Paper کافی است. شنیدن این
خبر طراحان بدنه هواپیما را بسیار خوشحال کرد.
برای اجرای این ماموریت Bucky Paper های مرتب شده بهتر عمل
می کنند. Bucky Paper می تواند جریان را بر روی بدنه پخش
کند و به هیچ وجه آنرا به داخل بدنه منتفل نمی کند.
- یک کاربرد دیگر Bucky Paper محافظت در برابر تداخلات
الکترومغناطیسی است. تمامی تجهیزات الکترونیکی امواج
الکترومغناطیسی ایجاد می کنند که در همه جهات تابیده می
شوند. این امواج می تواند دستگاههای حساس الکترونیکی را
مانند کامپیوتر های سرور را دچار مشکلات عدیده ای کند.
تاکنون تولید کنندگان این قبیل دستگاهها را درون قفسی از
جنس مس نازک می گذاشتند، اینبار نیز
Bucky Paper می تواند
جایگزین خوبی برای مس باشد، اما اینبار Bucky Paper های
تصادفی بهتر نتیجه می دهند.
- Bucky Paper می تواند جلوی خروج امواج الکترومغناطیسی را
نیز بگیرد. این خصوصیت مهمی در طراحی هواپیماهای رادار
گریز و دیگر سیستم های نظامی است که می خواهند در میادین
نبرد پنهان بمانند.
مدیرت این گونه امواج یکی از مباحث مهم در پنهان ماندن از
دید دشمن است. Bucky Paper ها می توانند حتی امواجی را که
از سمت رادارها پرتاب می شود را جذب کنند و رادارها را
گمراه کنند. با کمک این مواد قدم بزرگی در ساخت تجهیزات و
بخصوص هواپیماهای رادارگریز برداشته می شود.
- کنترل حرارت در هواپیماهای نظامی اهمیت بسزایی دارد،
زیرا یکی از اصلی ترین دسته از تسلیحات ضد هوایی، برای
شناسایی و تعقیب هدف از جستجوگرهای حرارتی سود می برند.
بطور مثال موشک ها بعد از شناسایی هدف بر روی مرکز انتشار
دهنده حرارت که در هواپیما معمولا خروجی موتورهای جت است،
تمرکز می کند، آنرا تعقیب می کند تا زمانی که به هدف اصابت
کند.
Bucky Paper های مرتب سازی شده هدایت گرمایی بسیار بالایی
دارند. و به خوبی می توانند بازتاب های حرارتی هواپیما را
تا حد بالایی از بین ببرند.
- با توجه به خصوصیات گفته شده Bucky Paper می تواند یکی
از بهترین مواد برای ساخت بال موشک ها باشد.
- از هدایت گرمایی بالای Bucky Paper می توان بزودی در
ساخت heatsink ها استفاده کرد، بخصوص آنجایی که از بین
بردن حرارت بالا بر هزینه ارجحیت داشته باشد مانند سیستم
های سرور.
- Bucky Paper می تواند رقیب جدی برای نمایشگرهای
LCD و
CRT باشد. زیرا انرژی کمتری می خواهد و شفافیت یکنواختی را
اینجاد می کند.
آینده نزدیک:
- خانه های سبک تر: از
Bucky Paper می توان به عنوان
جایگزین فولاد در اسکلت ساختمان استفاده کرد و یا حتی روی
فولاد را با آن روکش کرد و وزن سازه را تا حد بسیاری پایین
آورد.
- فیلتر : Bucky Paper ذرات بالای 50 نانومتر را از خود
عبور نمی دهد. می توان برای ساخت فیلترهای قوی برای نقاط
خاص مانند آزمایشگاههای الکترونیکی پیشرفته، بیمارستان ها
و حتی فیلتر برای تمیز کردن هوای ورودی ساختمان ها استفاده
کرد. البته هم اکنون نیز بسیاری از کولرهای گازی موجود در
بازار از تکنولوژی نانو برای تصفیه هوای محیط استفاده می
کنند.
- پارچه های عجیب: هم اکنون نیز پارچه هایی تحت تکنولوژی
نانو ساخته می شوند بخصوص برای امور نظامی. اما می توان
انواع جدید تر و ارزان تری نیز در آینده نزدیک ابداع کرد.
- مکانهای عاری از امواج الکترومغناطیسی: هم اکنون ثابت
شده است که امواج می تواند تاثیر نامطلوبی بر کودکان زیر 5
سال بگذارد. در آینده می توان اماکنی که کودک بیشتر وقت
خود را در آن سپری می کند توسط Bucky Paper ها ایزوله کرد.
Wang بسیار به آینده
Bucky Paper امیدوار است. به عقیده او
می توان هزینه ساخت را تا حد بسیار زیادی کاهش داد. البته
راه درازی پیش رو می باشد که تنها کافیست پلک بزنید تا این
موانع نیز برطرف شود.
|
