صدرا

مواد و توسعة آنها از پايه‌هاي تمدن به شمار مي‌روند. به طوري که دوره‌هاي تاريخي را با مواد نامگذاري کرده‌اند: عصر سنگ، عصر برنز، عصر آهن، عصر فولاد، عصر سيليکون و عصر کربن. ما اکنون در عصر کربن به سر مي‌بريم. عصر جديد با شناخت يک مادة جديد به وجود نمي‌آيد، بلکه با بهينه کردن و ترکيب چند ماده مي‌توان پا در عصر نوين گذاشت. دنياي نانومواد، فرصتي استثنايي براي انقلاب در مواد کامپوزيتي است.

کامپوزيت ترکيبي است از چند مادة متمايز، به طوري که اجزاي آن به‌آساني قابل تشخيص از يکديگر باشند. يکي از کامپوزيت‌هاي آشنا بتُن است که از دو جزء سيمان و ماسه ساخته مي‌شود.
براي تغيير دادن و بهينه کردن خواص فيزيکي و شيميايي مواد، آنها را کامپوز يا ترکيب مي‌کنيم. به طور مثال، پُلي اتيلن{1} که در ساخت چمن‌هاي مصنوعي از آن استفاده مي‌شود، رنگ‌پذير نيست و بنابراين، رنگ اين چمن‌ها اغلب مات به نظر مي‌رسد. براي رفع اين عيب، به اين پليمر وينيل استات مي‌افزايند تا خواص پلاستيکي، انعطافي‌ و رنگ‌پذيري آن اصلاح شوند. در واقع، هدف از ايجاد کامپوزيت، به دست آوردن ماده‌اي ترکيبي با خواص دلخواه است.
نانوکامپوزيت، همان کامپوزيت در مقياس نانومتر (9-10) است. نانوکامپوزيت‌ها در دو فاز تشکيل مي‌شوند. در فاز اول ساختاري بلوري در ابعاد نانو ساخته مي‌شود که زمينه يا ماتريس کامپوزيت به شمار مي‌رود. اين زمينه ممکن است از جنس پليمر، فلز يا سراميک باشد. در فاز دوم ذراتي در مقياس نانو به عنوان تقويت‌کننده{2} براي استحکام، مقاومت، هدايت الکتريکي و... به فاز اول يا ماتريس افزوده مي‌شود.
بسته به اينکه زمينة نانوکامپوزيت از چه ماده‌اي تشکيل شده باشد، آن را به سه دستة پُليمري، فلزي و سراميکي تقسيم مي‌کنند. کامپوزيت‌هاي پليمري به علت خواصي مانند استحکام، سفتي و پايداري حرارتي و ابعادي، چندين سال است که در ساخت هواپيماها به کار مي‌روند. با رشد نانوتکنولوژي، کامپوزيت‌هاي پليمري بيش از پيش به کار گرفته خواهند شد.
تقويت پليمرها با استفاده از مواد آلي يا معدني بسيار مرسوم است. از نظر ساختاري، ذرات و الياف معمولاً باعث ايجاد استحکام ذاتي مي‌شوند و ماتريس پليمري مي‌تواند با چسبيدن به مواد معدني، نيروهاي اعمال‌شده به کامپوزيت را به نحو يکنواختي به پُرکن يا تقويت‌کننده منتقل کند. در اين حالت، خصوصياتي چون سختي، شفافيت و تخلخلِ مادة درون کامپوزيت تغيير مي‌کند. ماتريس پليمري همچنين مي‌تواند سطحِ پُرکن را از آسيب دور نمايد و ذرات را طوري جدا از هم نگه دارد که رشد تَرَک به تأخير افتد. گذشته از تمام اين خصوصيات فيزيکي، اجزاي مواد نانوکامپوزيتي مي‌توانند بر اثر تعامل بين سطح ماتريس و ذرات پُرکن، ترکيبي از خواصّ هر دو جزء را داشته باشند و بهتر عمل کنند.
کامپوزيت‌هايي که بستر فلزي دارند، کم‌وزن و سبک‌اند و به علت استحکام و سختيِ بالا، کاربردهاي وسيعي در صنايع خودرو و هوا ـ فضا پيدا کرده‌اند. اما اين کاربردها به لحاظ ضعف در قابليت کشيده شدن در چنين کامپوزيت‌هايي، محدود شده‌اند. تبديل کامپوزيت به نانوکامپوزيت سبب افزايش بازده استحکامي و رفع ضعفِ بالا مي‌شود.

نانوکامپوزيت¬‌هاي نانوذره‌اي
در اين کامپوزيت‌ها از نانوذراتي همچون (خاک رس، فلزات، و...) به عنوان تقويت‌کننده استفاده مي‌شود. براي مثال، در نانوکامپوزيت‌هاي پليمري، از مقادير کمّيِ (کمتر از 10درصدِ وزني) ذرات نانومتري استفاده مي‌شود. اين ذرات علاوه بر افزايش استحکام پليمرها، وزن آنها را نيز کاهش مي‌دهند. مهمترين کامپوزيت‌هاي نانوذره‌اي، سبک‌ترين آنها هستند.

نانوکامپوزيت‌هاي نانو‌لوله‌اي
نانولوله‌هاي کربني در دو گروه طبقه‌بندي مي‌شوند: نانولوله‌هاي تک‌ديواره و نانولوله‌هاي چندديواره. در اين نوع از کامپوزيت‌ها، اين دو گروه از نانولوله‌ها در بستري کامپوزيتي توزيع مي‌شوند. در صورتي که قيمت نانوله‌ها پايين بيايد و موانع اختلاط آنها رفع شود، کامپوزيت‌هاي نانولوله‌اي موجب رسانايي و استحکام فوق‌العاده‌اي در پليمرها مي‌شوند و کاربردهاي حيرت‌انگيزي همچون آسانسور فضايي براي آن قابل تصور است.
تحقيقات در زمينة توزيع نانولوله‌هاي کربني در پليمرها بسيار جديد هستند. علاقه به نانولوله‌هاي تک‌ديواره‌ و تلاش براي جايگزين کردن آنها در صنعت، به علت خصوصيات عاليِ مکانيکي و رسانايي الکتريکي آنها است. (رسانندگي الکتريکي اين نانولوله¬ها در حد فلزات است.)
اما در دسترس بودن و تجاري بودن نانولوله‌هاي چندديواره، باعث شده است که پيشرفت‌ بيشتري در اين زمينه صورت بگيرد. تا حدي که اکنون مي‌توان از محصولاتي نام برد که در آستانة تجاري شدنِ توليد هستند. براي نمونه، نانولوله‌هاي کربنيِ چندديواره در پودرهاي رنگ به کار رفته‌اند.
استفاده از اين نانولوله‌ها باعث مي‌شود که رسانايي الکتريکي در مقدار کمي از فاز تقويت‌کننده به دست آيد. از نظر نظامي نيز فراهم کردن هدايت الکتريکي فرصت‌هاي انقلابي به وجود خواهد آورد. به عنوان مثال، از پوسته‌هاي الکتريکي ـ مغناطيسي گرفته تا کامپوزيت‌هاي رساناي گرما و لباس‌هاي سربازان آينده‌!

نانوکامپوزيتِ خاک رُس ـ پليمر
نانوکامپوزيت خاک رُس ـ پليمر يک مثال موردي از محصولات نانوتکنولوژي است. در اين نوع ماده، از خاک رُس {3} به عنوان پُرکننده براي بهبود خواص پليمرها استفاده مي‌شود. خاک رُس‌هاي نوع اسمکتيت {4}، ساختار لايه‌لايه دارند و هر لايه تقريباً يک نانومتر ضخامت دارد. صدها يا هزاران عدد از اين لايه‌ها به وسيلة يک نيروي واندروالسيِ ضعيف روي هم انباشته مي‌شوند تا يک جزء رُسي را تشکيل دهند. با يک پيکربندي مناسب، اين امکان وجود دارد که رُس‌ها را به اَشکال و ساختارهاي گوناگون، درون يک پليمر به شکل سازمان‌يافته قرار دهيم.
معلوم شده است که بسياري از خواص مهندسي، هنگامي که در ترکيب ما از ميزان کمي ــ معمولا ً چيزي کمتر از 5 درصد وزني ــ پُرکننده استفاده شود، بهبود قابل توجهي مي‌يابد.
امتياز ديگر نانوکامپوزيت‌هاي خاک رُس ـ پليمر اين است که تأثير قابل توجهي بر خواص اُپتيکي (نوري) پليمر ندارند. ضخامت يک لاية رُس منفرد، بسيار کمتر از طول موج نور مرئي است. بنابراين، نانوکامپوزيتي که خوب ورقه شده باشد، از نظر اُپتيکي شفاف است. از طرفي، با توجه به اينکه امروزه حجم وسيعي از کالاهاي مصرفي جامعه را پليمرهايي تشکيل مي‌دهند که به‌راحتي مي‌سوزند يا گاهي در مقابل شعله فاجعه مي‌آفرينند، لزوم تحقيق در خصوص مواد ديرسوز احساس مي‌شود. نتايج تحقيقات حاکي از آن است که ميزان آتش‌گيري در اين نانوکامپوزيت‌هاي پليمري حدود 70 درصد نسبت به پليمر خالص کمتر است. در عين حال، اغلب خواص کاربردي پليمر نيز تقويت مي‌شوند.
اولين کاربرد تجاري نانوکامپوزيت‌هاي خاک رُس ـ نايلون 6، به عنوان روکش نوار زمان‌سنج براي ماشين‌هاي تويوتا، در سال 1991 بود. در حال حاضر نيز از اين نانوکامپوزيت در صنعت لاستيک استفاده مي‌شود. با افزودن ذرات نانومتريِ خاک رُس به لاستيک، خواص آن به طور قابل ملاحظه‌اي بهبود پيدا مي‌کند که از جمله مي‌توان در آنها به موارد زير اشاره کرد:

1. افزايش مقاومت لاستيک در برابر سايش
2. افزايش استحکام مکانيکي
3. افزايش مقاومت گرمايي
4. کاهش قابليت اشتعال
5. کاهش وزن لاستيک

نانوکامپوزيت الماس ـ نانولوله
محققان توانسته‌اند سخت‌ترين مادة شناخته‌شده در جهان (الماس) را با نانولوله‌هاي کربني ترکيب کنند و کامپوزيتي با خصوصيات جديد به دست آورند. اگرچه الماس سختيِ زيادي دارد، ولي به طور عادي هادي جريان الکتريسيته نيست. از طرفي، نانولوله‌هاي کربن به شکلي باورنکردني سخت و نيز رساناي جريان الکتريسيته‌اند. با يکپارچه کردن اين دو فُرمِ کربن با يکديگر در مقياس نانومتر، کامپوزيتي با خصوصيات ويژه به دست خواهد آمد.
اين کامپوزيت مي‌تواند در نمايشگرهاي مسطح کاربرد داشته باشد. الماس مي‌تواند نانولوله‌هاي کربني را در مقابلِ ازهم‌گسيختگي حفظ کند. در حالي که به طور طبيعي، وقتي نمايشگر را فقط از نانولوله‌هاي کربني بسازند، ممکن است از هم گسيخته شوند.
اين کامپوزيت همچنين در رديابي‌هاي زيستي کاربرد دارد. نانولوله‌ها به مولکول‌هاي زيستي مي‌چسبند و به عنوان حسگر عمل مي‌کنند. الماس نيز به عنوان يک الکترود فوق‌العاده حساس رفتار مي‌کند.
تنها چيزي که در اين تحقيقات واضح نيست اين است که الماس و نانولوله‌هاي کربني چگونه محکم به هم مي‌چسبند؟

جديدترين خودرو نانوکامپوزيتي
اين خودرو توسط شرکت جنرال‌موتورز طراحي شده و به علت استفاده از مواد نانوکامپوزيتي در قسمت‌هاي مختلف آن، حدود 8 درصد سبک‌تر از نمونه‌هاي مشابه قبلي است و علاوه بر سبک بودن، در برابر تغييرات دمايي هم مقاومت مي‌کند.

توپ تنيس نانوکامپوزيتي
شرکت ورزشي ويلسون، يک توپ تنيس دولايه به بازار عرضه کرده که عمر مفيد آن حدود چهار هفته است ــ در حالي که توپ‌هاي معمولي عمر مفيدشان در حدود دو هفته است ــ ولي از نظر خاصيت ارتجاعي و وزن تفاوتي بين اين دو مشاهده نمي‌شود. علت مهم و اصلي دوام توپ‌هاي نانوکامپوزيتي، وجود يک لاية پوشش نانوکامپوزيتي به ضخامت 20 ميکرون به عنوان پوستة داخلي است که باعث مي‌شود هواي محبوس در داخل توپ ضمن ضربه خوردن خارج نگردد، درحالي‌که توپ‌هاي معمولي از جنس لاستيک و در برابر هوا نفوذپذيرند.

الياف نانو، تحولي در صنعت نساجي
امروزه ساخت کامپوزيت‌هاي تقويت‌شده به وسيلة نانوالياف پيشرفت چشمگيري کرده است. ليفچه‌هاي کربنيِ جامد و توخالي با چند ميکرون طول و دو تا بيش از صد نانومتر قطر خارجي خلق شده‌اند که مصارفي در مواد کامپوزيت و روکش دارند.
يکي از دانشجويان کارشناسي ارشد دانشکدة مهندسي نساجي دانشگاه اميرکبير، دستگاه توليد نانوالياف از محلول پليمري را طراحي کرده و ساخته است. اين دستگاه در فيلتراسيون مايعات، گازها و مولکول‌ها، امور پزشکي مانند مواد آزادکنندة دارو در بدن، پوشش زخم، ترميم پوست، نانوکامپوزيت‌ها ، نانوحسگرها، لباس‌هاي محافظ نظامي و... کاربرد دارد.

مهمترين تأثير نانوکامپوزيت‌ها در آينده کاهش وزن محصولات خواهد بود. ابتدا کامپوزيت‌هاي سبک‌وزن و بعد تجهيزات الکترونيکي کوچکتر و سبکتر در ماهواره‌هاي فضايي.
سازمان فضايي آمريکا (ناسا) در حمايت از فناوري نانو بسيار فعال است. بزرگترين تأثير فناوري نانو در فضاپيماها، هواپيماهاي تجاري و حتي فناوري موشک، کاهش وزن مواد ساختمانيِ سازه‌هاي بزرگ دروني و بيروني، جدارة سيستم‌هاي دروني، اجزاي موتور راکت‌ها يا صفحات خورشيدي خواهد بود.

در مصارف نظامي نيز کامپوزيت‌ها موجب ارتقا در نحوة حفاظت از قطعات الکترونيکي حساس در برابر تشعشع و خصوصيات ديگر همچون ناپيدايي در رادار مي‌شوند.
کامپوزيت‌هاي نانوذرة سيليکاتي به بازار خودروها وارد شده‌اند. در سال 2001 هم جنرال موتورز و هم تويوتا شروع به توليد محصول با اين مواد را اعلام کردند. فايدة آنها افزايش استحکام و کاهش وزن است که مورد آخر صرفه‌جويي در سوخت را به همراه دارد.