چرا از سلول های خورشیدی استفاده می کنیم؟

شرکت در آزمون

مقدمه
همه ی شما تا کنون عبارت صفحه های خورشیدی "Solar Panel" یا سلول خورشیدی "Solar Cell" را شنیده اید. این دو، وسایلی برای استفاده از انرژی خورشیدی هستند. برخی وسایلی که شما از آن ها استفاده می کنید، مانند ماشین حساب ها، چراغ های راهنمایی یا چراغ های روشن در اتوبان ها مثال هایی هستند که انرژی خود را از سلول خورشیدی تأمین می کنند. حتی امروزه، ایده هایی مبنی بر استفاده از این فناوری در سطح عمومی، مانند پشت بام خانه ها و تولید خانگی برق مورد توجه دولت ها و مردم قرار گرفته است. نمونه ای از این سلول ها را در شکل 1 مشاهده می کنید.
«سلول خورشیدی چیست و چگونه کار می کند؟» سوالی است که در این سری از مقالات می خواهیم به همراه هم پاسخ آن را دریابیم. همچنین توسعه فناوری سلول های خورشیدی به واسطه فناوری نانو را در این مقالات بررسی خواهیم نمود.

شکل1- برای تولید برق می توان سطوح مختلفی مانند پشت بام منازل را که در معرض تابش نور خورشید هستند، با استفاده از صفحات خورشیدی پوشاند.

آسانسور فضایی

شرکت در آزمونآسانسور فضایی فعلا یک ایده ی خیالی است که اولین بار در حدود 35 سال پیش توسط "سی کلارک" مطرح شد. این ایده این است که بتوانیم یک آسانسور بسازیم که ما را تا کیلومترها از سطح زمین دور کند. برای ساخت این طرح بهتر است اول یک آسانسور معمولی را تصور کنیم. این آسانسور از سه جزء اصلی تشکیل شده است: کابل، بالارونده و منبع تامین نیرو. آسانسور فضایی نیز دقیقاَ از همین اجزا تشکیل شده است.حتما بارها و بارها سوار آسانسور شده‌اید: طبقه اول، دوم، پنجم، دهم و ... . بلندترین آسانسور روی زمین در شهر دبی واقع شده است. این آسانسور می‌تواند شما را تا طبقه 160ام و به 818 متری زمین منتقل کند. اما آیا با کمک آسانسورها بیشتر از این هم می‌توان از زمین دور شد؟ چه می‌شد اگر آسانسورها می‌توانستند ما را تا جو زمین و یا حتی تا کره ماه بالا ببرند؟ آرزویی بسیار تخیلی و دور از دسترس است. آدم را یاد کتاب‌های ژول‌ورن می‌اندازد.
اما این بار ژول‌ورن نبود که در ذهنش با آسانسور به فضا رفت؛ بلکه آرتور سی کلارک بود که در سال 1975 و در کتاب "چشمه‌های بهشت" (یا فواره‌های بهشت) سوار بر یک آسانسور، به فضا سفر کرد. گویا پیش از اینکه کلارک این ایده را مطرح کند، در سال 1895 مهندسی روسی با الهام از برج ایفل، ساخت چنین وسیله‌ای را پیشنهاد کرده بود.



اما آیا دنیای واقعی و قوانین فیزیکی به ما اجازه می‌دهند که همانند دنیای خیالی، این پلکان فضایی را بسازیم؟
برای ساخت این پلکان فضایی لازم است بتوانیم محلی را در آسمان پیدا کنیم که اگر جسمی در آن قرار گیرد، نسبت به زمین ثابت باقی بماند. در این صورت شاید بتوان طنابی را از این نقطه آسمانی به سطح زمین انداخت و یک سیستم آسانسوری که زمین را به آسمان وصل می‌کند، راه‌اندازی کرد. بر اساس قوانین و محاسبات اختر فیزیکی، در ارتفاع 35600 کیلومتری زمین، می‌توان مداری ثابتی را تصور کرد که فضاپیماها با قراگیری در آن می‌توانند هر 23 ساعت و 56 دقیقه و 4 ثانیه، یک بار به دور زمین بگردند. این زمان، طول مدت یک شبانه‌روز زمینی است. یعنی فضاپیماها با قراگیری در این مدار، نسبت به زمین ثابت می‌مانند. برای اینکه تعادل این مجموعه حفظ شود،لازم است این طناب را 64 هزار کیلومتر دیگر نیز امتداد داد و آن‌را به یک وزنه تعادلی وصل کرد.
اکنون که می‌دانیم قوانین فیزیکی مانع ساخت آسانسور فضایی ما نمی‌شوند، می‌توانیم در مورد چگونگی ساخت و اجزای آن بهتر فکر کنیم. بهتر است اول یک آسانسور معمولی را تصور کنیم. این آسانسور از سه جزء اصلی تشکیل شده است: یک کابل، یک بالارونده و یک منبع تامین نیرو. آسانسور فضایی نیز دقیقاَ از همین اجزا تشکیل شده است. از نگاه دانشمندان گره اصلی ساخت این مجموعه، ساخت کابل آسانسور است. ریسمان بسیار محکم و سبکی که بتواند هزاران کیلومتر کشیده شود.اگر از یک ریسمان معمولی برای ساخت این کابل استفاده کنیم، با توجه به طول کابل و فشاری که در اثر وزن خود به بست‌های انتهای آن در ایستگاه فضایی وارد می‌شود، لازم است که قطر کابل با کاهش ارتفاع و نزدیک‌تر شدن به سطح زمین، کمتر شود و حالت مخروطی به خود بگیرد. یک کابل معمولی که ضخامتش در سطح زمین به اندازه یک ریسمان پهن است، در ارتفاع 36 هزار کیلومتری باید قطری به اندازه خود زمین داشته باشد! نباید نگران این مشکل و تحقق ایده آسانسور فضایی بود، فناوری نانو می‌تواند این مشکل را حل کند.


تقریباً تا 10سال پیش تمامی کابل‌هایی که برای آسانسور فضایی پیشنهاد می‌شد، از ورقه‌های استیل و فلزی ساخته شده بود. با کشف نانولوله‌های کربنی در سال 1991، دانشمندان فضایی متوجه این نانوساختار کربنی شدند. ماده‌ای که یکصد برابر محکم‌تر از استیل و 50 هزار برابر ریزتر از یک موی انسان است و تنها یک گرم از این ماده، برای ساخت نخی به طول 29 کیلومتر کافی است. این صفحه‌های گرافن لوله شده، ترکیبی استوانه‌ای از اتم‌های کربن هستند که به کمک آنها می‌توان کابلی به نازکی کاغذ و به محکمی الماس ساخت. با توجه به وزن بسیار کم نانولوله‌های کربنی، برای تنظیم فشار وارد بر بست‌های انتهای آسانسور کافی است که قطر کابل در ارتفاع 36 هزار کیلومتری تنها 9 برابر قطر آن در سطح زمین باشد. نکته قابل توجه در استفاده از نانولوله‌های کربنی این است که رشته‌های طولانی از این ماده، ساختار شکننده‌ای دارند. دانشمندان برای حل این مشکل، نانولوله‌های جدا از هم را در یک ساختار تارگونه در هم تنیده و آنها را به رشته‌های محکم‌تر و طولانی‌تری تبدیل کرده‌اند.


دانشمندان پیش‌بینی می‌کنند که با تکمیل هسته‌ی اولیه‌ی کابل، می‌توان وسایل مکانیکی‌ای با نام «بالارونده‌» را بر روی کابل سوار کرد. بالارونده‌ها، عمان طور که از نامشان برمی‌آید، به کمک غلطک‌هایی پلاستیکی بالا و پایین می‌روند. تابش نور لیزر یکی از گزینه‌های پیشنهادی برای تامین انرژی آسانسور است. لیزری که از روی سکوی مبدأ، بر صفحه‌های خورشیدی انتهای بالارونده‌ها متمرکز می‌شود و نیروی لازم برای حرکت موتورها را فراهم می‌کند.
ایده آسانسورهای فضایی تا پیاده‌سازی و تبدیل شدن به یک دستگاه واقعی هنوز راه زیادی را در پیش دارد و انتظار نمی‌رود که تا قبل از ده سال آینده، به حقیقت بپیوندد؛ اما مفهوم آن در حال گسترش است و روزبه‌روز علاقمندان بیشتری پیدا می‌کند.
ناسا نیز در راستای برنامه مسابقات صد سالگی خود، جایزه‌ای 5 میلیون دلاری را با اعتبار 5 ساله به نام مسابقه 2010 برای کار روی آسانسور فضایی تعیین کرده است.
تیم‌های شرکت‌کننده در این مسابقه باید بتوانند یک نمونه کوچک‌مقیاس از آسانسور خود را بسازند که بتواند فاصله‌ای به طول یک کیلومتر را عمودی و با حداقل سرعت متوسط 2 متر بر ثانیه بپیماید. بهترین نتیجه‌ای که تاکنون بدست آمده، رسیدن به ارتفاع 100 متری با سرعت 1.8 متر بر ثانیه بوده است.
دوره آموزشی آسانسور فضایی
معلم محترم: این دوره برای دانش آموزان استرالیایی سال هفتم طراحی شده است و می‌توان آن‌را در یک کلاس درس، یک باشگاه علمی و یا کارگاهی با موضوع فناوری‌های نو، پیاده کرد. در قالب این دوره می‌توان، موضوع نانولوله‌های کربنی را با کمک ایده جالبی همچون آسانسور فضایی باز کرد. در حقیقت، در این دوره آسانسور فضایی پوششی است برای معرفی کردن نانولوله‌های کربنی، بیان خواص منحصر به‌فرد این ساختار و ایجاد درک ملموسی از اهمیت این خواص. در طراحی این دوره، 5 فعالیت و 2 آزمایش پیش‌بینی شده است. ازاین‌رو در بسته آموزشی آسانسور فضایی، علاوه بر فایل ارائه و راهنمای معلم، 10 پوشه آموزشی دیگر نیز تهیه شده است. که در ادامه به آنها پرداخته می‌شود.
دانش‌آموز عزیز: این دوره به شکلی طراحی شده که تا حد زیادی می‌توان آن‌را به‌طور خودآموز دنبال کرد. شما با دیدن فایل ارائه و انجام فعالیت‌ها و آزمایش‌ها به ترتیبی که در این فایل آمده، می‌توانید این دوره را برای خود اجرا کنید. بعلاوه مقاله‌های مرتبط سایت نیز می‌توانند، به طی بهتر دوره به شما کمک نمایند. اگر سوالی داشتید، می‌توانید از طریق سایت (info@nanoclub.ir) با گروه نویسندگان مکاتبه کنید.

راهنمای معلم فایل ارائه

1- انیمیشن آسانسور فضایی
بهتر است این انیمیشن پس از دیدن 7 اسلاید اول فایل ارائه، نمایش داده شود. این انیمیشن باعث می‌شود که مخاطب درک بهتری از مفهوم آسانسور فضایی داشته باشند.


انیمیشن

2- نمودار-T
در این فعالیت کلاس می‌تواند مفهوم آسانسور فضایی را بیشتر ارزیابی کرده و اثر چنین ایده‌ای را بر اکتشافات فضایی بررسی نماید. با استفاده از نمودار-T، دانش‌آموزان می‌توانند فناوری‌های کنونی فضایی را با آسانسور فضایی مقایسه کنند.



شرح فعالیت راهنمای انجام فعالیت

3- نمودار کی.دبلیو.ال.اچ و الگوی جستجوی اینترنتی
این مرحله زمان شروع تحقیق و جستجو و آماده کردن مستندات لازم برای طراحی "نمایش آسانسور فضایی" (فعالیت بعدی) است. فعالیت‌های کی.دبلیو.ال.اچ و جستجوی اینترنتی، فعالیت‌هایی هستند که برای کمک به این فرآیند طراحی شده‌اند.



نمودار کی.دبلیو.ال.اچ الگوی جستجوی اینترنتی فردی الگوی جستجوی اینترنتی گروهی


4-آزمایش انواع کربن
گروهی از دانش آموزان می‌توانند خواص شیمیایی و فیزیکی نانولوله‌های کربنی را درک کنند، موادی که آسانسورهای فضایی از آنها ساخته می‌شود. این آزمایش برای کمک و تسریع این فرآیند، طراحی شده است. این آزمایش به دانش‌آموزان فرصت می‌دهد خواص نانو لوله‌های کربنی را بررسی کرده و آن‌را با دیگر آلوتروپ‌های کربن مقایسه کنند.


شرح آزمایش راهنمای انجام آزمایش

5- نمایش آسانسور فضایی
برای تقویت آموخته‌های دانش‌آموزان، در این فعالیت از آنها خواسته می‌شود یک نمایش اجرا کنند. نمایشی که به کمک آن بتوان مفهوم آسانسور فضایی و نانولوله‌های کربنی را به دیگران آموزش داد. این فعالیت بیشتر با این هدف ترتیب داده شده که همه دانش‌آموزان در انجام آن مشارکت کنند. برای ارزیابی عملکرد دانش آموزان در این فعالیت، یک فرم پیشنهادی تهیه شده است.




شرح فعالیت راهنمای انجام فعالیت

لباس مرد عنکبوتی با فناوری نانو

شرکت در آزمون

شاید با مشاهده فیلم مرد عنکبوتی همواره این سوال در ذهنتان شکل گرفته باشد که چگونه می شود که مرد عنکبوتی با کمک قابلیت لباس خود به در و دیوار بچسبد و از آنها آویزان شود؟ فیزیکدانان موفق به یافتن فرمولی برای ساخت لباس مرد عنکبوتی شده اند.
تحقیقات اخیر که در خصوص نیروهای واندرواس - نیروی ضعیفی که مولکول هایی که در نزدیکی هم قرار دارند نسبت یکدیگر دارند- بین مولکول ها و نقش آن در ایجاد این قدرت چسبندگی جادویی انجام گرفته است که جالب توجه است.

در پاهای عنکبوت تارهای مومانندی وجود دارد که به مولکول های سطوح مختلف حتی شیشه میچسبند و سبب می شوند تا عنکبوت محکم به آنها بچسبد و به راحتی روی آنها حرکت کند. پروفسور نیکولا پوگنو، مهندس و فیزیکدان دانشگاه پلی تکنیک در ایتالیا موفق به ساخت فرمول چسبی شده است که قدرت آن به حدی است که حتی می تواند وزن یک انسانی که از یک دیوار یا بام آویزان است را تحمل کند. قابل توجه اینکه قابلیت این چسب به گونه ای است که حتی فرد قادر است هر زمان که اراده کند خود را از این چسب رها کند.
در ساخت این چسب از فناوری نانولوله کربنی استفاده شده است تا با کمک آن قلاب ها و حلقه های نانومولکولی ساخته شود که دقیقا مانند چسب های نر و ماده (نرم و زبر) که در لباس و کیف استفاده میشوند عمل می کنند، البته در سطح میکروسکوپی.
این نیروی چسبنده و جداشونده در هنگام عمل بر اساس نیروهای واندرواس و چسبندگی مویرگی (جاذبه مویرگی) عمل می کنند. نکته قابل توجه در مورد تئوری ساخت این چسب این است که درست مانند پای عنکبوت ضد رطوبت است و به راحتی مواد دیگر به آن نمی چسبند (برخلاف چسب های نرم و زبر که پس از مدتی انواع پرز، مو و ... به آن می چسبند) . این ویژگی سبب می شود که خاصیت و قابلیت آنها در تمامی سطوح و در رطوبت (حتی در اعماق دریاها) نیز پایدار باقی بماند.
البته هنوز بر روی این کار تحقیقاتی در حال انجام است اما به نظر چندان دور نمی رسد که روزی را شاهد باشیم که انسانها با کمک کفش ها یا دستکش های ویژه ای به راحتی از برج ها و ساختمانهای بلند بالا میروند.

چالش‌هایCNTFET ها
با وجود توسعه و گسترش پژوهش‌ها درباره‌ی ترانزیستورهای نانو لوله‌ی کربنی، چالش‌های بسیاری فرا روی پژوهشگران الکترونیک به منظور جایگزینی ترانزیستورهای سیلیسیومی با این نانو ترانزیستورها وجود دارد. اولا هزینه‌ی ساخت نانو لوله‌های کربنی گران است و تولید آن در مقیاس زیاد هم به فناوری پیشرفته و هم به هزینه‌ی بسیار نیاز دارد. ثانیا خواص نانو لوله‌های کربنی بسیار وابسته به فرآیند ساخت است و تغییرات اندکی در فرآیند ساخت موجب تفاوت‌های بسیاری در خواص آن‌ها می‌شود. لذا اگر چه ترانزیستورهای نانو لوله‌ی کربنی به صورت منفرد ساخته شده‌اند، اما قرار گرفتن آن‌ها در مدارات الکترونیکی مستلزم تلاش‌ها و پژوهش‌های بسیاری است.

نتیجه و جمع‌بندی
نانو لوله‌های کربنی به دلیل خواص شگفت‌انگیز الکترونیکی، مکانیکی، نوری و شیمیایی که دارند، بسیار مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. هم اکنون یافتن روش‌های تجاری مقرون به صرفه برای ساخت، تولید و تصفیه‌ی نانو لوله‌های کربنی از ناخالصی‌هایی که هنگام فرآیند ساخت در آن ایجاد می‌شود، در مقیاس بزرگ و صنعتی، تلاش اصلی پژوهشگران است. همچنین بررسی خواص نانو لوله‌های کربنی و بهینه‌سازی فرآیند ساخت و تولید آن‌ها مورد توجه بسیاری از پژوهشگران است. با توجه به موارد ذکر شده، به نظر می‌رسد استفاده از نانو لوله‌های کربنی در صنعت الکترونیک به زودی مورد توجه جدی پژوهشگران و صنعت‌گران قرار خواهد گرفت.

جایگزینی نانو ترانزیستورها با ...؟
با وجود مشکلات و مسائلی که بیان شد، پژوهشگران به دنبال یافتن جایگزینی برای ابزارها و ترانزیستورهای سیلیکونی با ابعاد کوچک‌تر هستند. یک گام اساسی در انجام کوچک سازی مدارهای الکترونیکی، استفاده از مولکول‌های منفرد در ابزارهای الکترونیکی است. بدین منظور بررسی خواص الکترونیکی نانو لوله‌های کربنی، نتایج امیدوار کننده‌ای را به دنبال داشته است.
برای ساخت نانو لوله‌های کربنی نیازی به فرآیند لیتوگرافی نوری نیست. بنابراین مشکلات و مسائل لیتوگرافی نوری در این جا وجود نخواهد داشت. هم‌چنین نانو لوله‌های کربنی می‌توانند چگالی جریان بسیار بالایی را تحمل کنند و عبور دهند بدون آن که دمای آن‌ها به صورت غیر عادی بالا رود. علت این مسئله ساختار مولکولی خاص نانو لوله‌های کربنی است.
در سال 1998 برای اولین بار از نانو لوله‌های کربنی تک جداره و چند جداره که دارای خواص نیمه‌رسانایی بودند برای ساخت نانو ترانزیستور استفاده شد. برای ساخت این نانو ترانزیستورها که آن‌ها را CNTFET (که مخفف واژه‌ی Carbon Nano Tube Field Effect Transistor است و معنای آن ترانزیستور اثر میدانی با نانو لوله‌های کربنی می‌باشد) می‌گویند، نمی‌توان از نانو لوله‌های کربنی که خواص فلزی دارند استفاده کرد، چرا که این نانو لوله‌ها همواره رسانا هستند و ویژگی‌های عملکردی ترانزیستورها را ندارند (شکل 1).




شکل 1- نمای یک نانوترانزیستور واقعی

همان طور که در مقالات چهارم و پنجم نانو الکترونیک ملاحظه کردیم، ساختار ترانزیستورهای معمولی دارای دو پایانه‌ی سورس و درین است که در فناوری کنونی یک لایه‌ی سیلیسیومی اتصال بین آن را برقرار می‌کند. اما در ترانزیستورهایی که با نانو لوله‌های کربنی ساخته می‌شوند این اتصال توسط یک نانو لوله‌ی کربنی که خواص نیمه رسانایی دارد برقرار می‌شود. این ترانزیستور که با نانو لوله‌های کربنی ساخته شده، می‌تواند همانند همان ترانزیستور سیلیسیومی هم‌چون یک کلید عمل کند و مدارات الکترونیکی را بسازد (شکل 2).



شکل 2-پایانه های سورس و درین در ترانزیستورهایی که با نانو لوله‌های کربنی ساخته می‌شوند

چالش‌های نانو ترانزیستورها
همان طور که در مقاله‌ی قبل بیان کردیم با کوچک شدن ابعاد ترانزیستورهای سیلیکونی، مسئله‌ی نقص بلوری به یک چالش جدی تبدیل می‌شود. هم‌چنین با افزایش چگالی بار الکتریکی، ظهور پدیده‌های کوانتومی هم‌چون تخلیه‌ی بار الکتریکی و تونل‌زنی الکترونی و در نتیجه ایجاد جریان‌‌های مخرب و نشتی نیز مشکلاتی را می‌آفریند.
علاوه بر این با افزایش چگالی جریان الکتریکی، دمای ترانزیستورها به شدت افزایش می‌یابد و در ابعاد بسیار کوچک (ابعاد نانو متری) ممکن است دمای این نانو ترانزیستورها به چندین هزار درجه‌ی سلسیوس هم برسد! و بدین ترتیب این نانو ترانزیستورها در چند لحظه ذوب می‌شوند.

نانو الکترونیک (13)

شرکت در آزمون

ویژگی‏ های نانولوله‏ های کربنی (4)

شرکت در آزمون

مقدمه
در مقاله‏ ی قبلی دو مثال از کاربرد نانولوله‏ های کربنی در بهبود خواص حرارتی نانوکامپوزیت‏ های زمینه‏ ی پلیمری و زمینه‏ ی سرامیکی ارائه دادیم. مشخص شد که نانولوله‏ های کربنی تاثیر چشمگیری بر بالا بردن نرخ هدایت حرارت در این مواد زمینه دارند. در این مقاله با یکی از چالش‏ های موجود در صنعت میکروالکترونیک آشنا می‏شویم و به توانایی‏ های نانولوله‏ های کربنی به عنوان موادی جدید در حل این معضل پی می‏بریم.
در یک مطالعه، محققین تاثیر حضور نانولوله‏ های کربنی را بر رسانایی حرارتی بین دو قطعه‏ ی جداگانه از یک نوع ماده بررسی کرده ‏اند. اما پیش از توضیح این کاربرد، ابتدا موضوع اصلی این کاربری را مطرح می‏کنیم. اتلاف حرارتی اساسی‏ ترین مشکلی است که کارایی، قدرت و قابلیت اطمینان و متعاقبا کوچک ‏سازی قطعات میکروالکترونیک را محدود می‏سازد. در این ادوات، فاصله ‏ای بین منبع تولید کننده‏ ی حرارت (قسمتی از ابزار که به دلیل اتلاف انرژی در آن و تبدیل شدن انرژی مصرفی آن به حرارت، مداوما در حال گرم شدن است) و ماده ‏ای که وظیفه‏ ی انتقال این حرارت به بیرون از ابزار را دارد، وجود دارد. از طرفی عملکرد حرارتی این ابزارها شدیدا تحت تاثیر مقاومت حرارتی مربوط به فاصله بین منبع حرارتی و ماده‏ ی تخلیه کننده ‏ی حرارت قرار دارد. برای درک بهتر ماهیت این فاصله، مشاهده ‏ی زیر را مطالعه کنید.

مشاهده: برای همگی ما پیش آمده است که ماده ‏ای گرم را در دستان خود بگیریم. می‏توانید هنگامی را در نظر بگیرید که برای خرید نان تازه به نانوائی رفته‏ اید. در این حالت اگر دستتان را کاملا در تماس با جسم داغ (نان) قرار دهید، و یا روی آن فشار دهید، شما داغی آن جسم را بر روی دستان خود احساس می‏ کنید، اما اگر در دستان خود احساس سوزش کنید، کمی دستتان را شل می‏ کنید و در نتیجه داغی جسم از روی دست شما برطرف می‏ شود. در واقع و به زبان فیزیک، انتقال حرارت از جسم گرم به دستان شما کاهش یافته است. می‏توان با ادبیاتی معادل، این طور گفت که در این حالت مقدار همبستگی بین کف دستان شما و جسم گرم کاهش یافته و در نتیجه فواصل کوچکی بین دستان شما و جسم گرم ایجاد شده و در نتیجه، مقاومت حرارتی فضای بین دست شما و جسم گرم افزایش یافته است.
با توجه به مشاهده‏ ی بالا و مطالب بیان شده می‏ توان چنین گفت که عملکرد حرارتی این ابزارها شدیدا تحت تاثیر مقاومت حرارتی مربوط به فاصله ‏ی بین منبع حرارتی و ماده‏ ی تخلیه کننده‏ ی حرارت قرار دارد. بهبود رسانایی حرارتی موجب کاهش مقاومت حرارتی ایجاد شده توسط این فاصله که مجرای شار حرارتی است، می‏شود. از آنجایی که هیچ سطحی هرگز کاملا صاف نیست، حد فاصل بین دو سطح شامل اتصالات نقطه ‏ای در قسمت‏های بر آمده و همچنین بسته‏ های هوایی (که به آن‏ها گاف هوایی می‏گوییم) در قسمت‏هایی که از یکدیگر دور هستند، می ‏باشد (شکل 1). کمی از حرارت از طریق نقاط تماس فیزیکی عبور کرده و مقدار بیشتر آن باید از گاف‏ های هوایی عبور کنند. همان‏گونه که می‏دانید، هوا رسانای بسیار ضعیفی برای گرماست، بنابراین باید آن را با یک ماده ‏ی دیگر جایگزین کنیم.

شکل 1- نمایی از فصل مشترک بین دو سطح که در تماس با یکدیگر هستند. این تصویر چند هزار برابر بزرگ‏تر از اندازه‏های واقعی رسم شده است.

موضوع اصلی مدیریت حرارتی در بسیاری از کاربردها، و در واقع موضوع مورد بحث ما در این قسمت، تخلیه ‏ی موثر حرارت از ابزار به محیط پیرامون می‏باشد. عموما این کار شامل چهار مرحله‏ ی زیر می‏باشد:

1. انتقال حرارت درون ابزار گرم شده (درون ماده)
2. نتقال حرارت از ابزار گرم شده به تخلیه کننده‏ ی حرارت (از محل اتصال دو ماده)
3. انتقال حرارت درون تخلیه کننده‏ ی گرما (درون ماده)
4. انتقال حرارت از تخلیه کننده‏ ی گرما به محیط پیرامون (از محل اتصال دو ماده)

پرسش 1: با توجه به آن‏چه در بالا گفته شد، کندترین مرحله‏ ی فرآیند، موجب محدود شدن سرعت فرآیند کلی می‏گردد. بنابراین دیگر مراحل هر چقدر هم سریع پیشروی کنند، تاثیری در سرعت کلی فرآیند ندارند. آیا می‏توانید این پدیده را توجیه کنید؟

هر یک از این چهار فرآیند، ویژگی‏های خاص خود را دارد. از جمله این‏که سرعت پیشروی هر یک از این مراحل بسته به عوامل مختلفی تعیین می‏شود و با سرعت فرآیند دیگری، متفاوت است. از طرفی این مراحل همگی به طور مستقل ولی با هم در حال رخ دادن بوده و در مجموع موجب انتقال حرارت از منبع ایجاد گرما به محیط پیرامون می‏شوند. بنابراین مرحله ‏ای که کندتر از بقیه پیش برود، در مجموع سرعت پیشروی تمام فرآیند را تحت تاثیر خود قرار خواهد داد.

پرسش 2: با توجه به مطالب ارائه شده، آیا می‏توانید تعریف دقیقی از سطح تماس واقعی و اسمی و همچنین رابطه ‏ای ریاضی برای محاسبه‏ ی آن‏ها ارائه دهید؟

بنابراین انتقال حرارت از فصل مشترک بین ابزار و تخلیه کننده، از طریق اتصالات بسیار کوچک در برآمدگی‏ های سطح و همچنین گاف‏های پر شده از هوا صورت می‏گیرد. در واقع مرحله‏ ی محدود کننده‏ی سرعت (انتقال حرارت بین سطوح تماس ابزار گرم شده و تخلیه کننده‏ ی گرما)، همان مرحله‏ ای است که گرما باید از طریق گاف ‏ها هوایی که به طور ناخواسته وجود دارند، منتقل شود. و از آنجایی‏که این مرحله بسیار کند است، باید ماده‏ ای را در میان فصل مشترک دو سطح قرار دهیم تا از مقدار گاف‏ های هوایی بکاهد و از طرفی خود این ماده انتقال حرارت بالایی داشته باشد تا خود به عنوان سدی در برابر انتقال حرارت شناخته نشود.

پرسش 3: گفته شد که برای کارایی بهتر این ادوات میکروالکترونیک، باید تخلیه ‏ی حرارت به سرعت انجام پذیرد. آیا می‏توانید اهمیت و لزوم این موضوع را بیان نمایید؟

اکنون به تحقیق صورت گرفته می‏پردازیم. محققین در این تحقیق دو نوع ماده را انتخاب کردند. آلومینیوم و گرافیت، که هر دو از رساناهای بسیار خوب حرارت هستند. برای این بررسی، در یک حالت دو قطعه از ماده ‏ی مورد نظر روی هم قرار داده شد (بدون نانولوله) و در حالت دوم، بین دو قطعه مقداری نانولوله‏ ی کربنی قرار داده شد. حالت اول برای به دست آوردن معیار ارزیابی داده‏ های آزمایش در نظر گرفته شده است. شماتیک این دو حالت را در شکل 2 می‏بینید.

شکل 2- شماتیک الف) حالت اول، ب) حالت دوم

نتایج حاصل از این تحقیقات در جدول 1 گزارش داده شده است.

همان‏گونه که دیده می‏شود، بدون در نظر گرفتن ماده‏ ی حد واسط در فصل مشترک، هوای به دام افتاده در میان گاف ‏های هوایی موجب ایجاد مقاومت حرارتی می‏ شوند. با در نظر گرفتن ماده ‏ای مناسب مانند نانولوله ‏های کربنی، می ‏توان تا حد زیادی بر این مقاومت فائق آمد.

نانولوله ‏های کربنی و بهبود هدایت حرارتی کامپوزیت‏ها

1-کامپوزیت‏های زمینه ‏ی پلیمری
گروه‏های زیادی از دانشمندان خواص کامپوزیت‏های اپوکسی / نانولوله‏ ی کربنی را بررسی کرده ‏اند. اپوکسی دسته‏ای از مواد پلیمری هستند که کاربردهای زیادی در صنایع مختلف دارند. خواص حرارتی این مواد به تازگی مورد توجه ویژه قرار گرفته است. دانشمندی به نام بیرکوک و همکارانش توانستند نانولوله‏ های کربنی را داخل زمینه‏ ی اپوکسی پراکنده کنند و با موفقیت، کامپوزیت اپوکسی / نانولوله‏ ی کربنی را بسازند. آن‏ها سپس رسانایی حرارتی اپوکسی تقویت شده با نانولوله را اندازه‏ گیری کرده ‏اند و پس از مطالعه‏ ی نتایج آزمایش‏ هایشان، به این نتیجه رسیدند که افزودن نانولوله ‏های کربنی تا یک درصد از وزن کل ماده می‏تواند بهبود چشمگیری در هدایت حرارتی کامپوزیت حاصل ایجاد نماید. این دانشمندان هم‏چنین با ساختن کامپوزیت اپوکسی / الیاف کربنی و بررسی هدایت حرارتی آن، مقایس ه‏ای را بین نانولوله‏ های کربنی و الیاف کربنی انجام دادند. در شکل 1، تاثیر میزان تقویت کننده و نوع آن را بر هدایت حرارتی رزین اپوکسی مشاهده می‏ کنید.




شکل 1- مقادیر رسانایی حرارتی محاسبه شده برای یک نانولوله‏ ی کربنی تک دیواره در دماهای مختلف

شکل 2- تغییرات میزان هدایت حرارتی بر حسب دما، برای کامپوزیت آلومینا / نانولوله‏ ی کربنی و برای آلومینای خالص که هر دو به یک روش تولید شده‏اند.

ویژگی‏ های نانولوله ‏های کربنی (3)

شرکت در آزمون

ویژگی‏ های نانولوله‏ های کربنی (2)

شرکت در آزمون

مقدمه
در مقاله‏ی قبلی به برخی کلیات مربوط به روش‏های به دست آوردن خواص نانولوله‏ های کربنی پرداختیم. یکی از مهمترین خواصی که درمورد یک ماده بررسی می‌شود، خواص حرارتی آن ماده است. خواص حرارتی نانولوله‏ های کربنی از اهمیت بسیاری در زمینه‏ های مختلف فناوری برخوردار است، به ویژه به دلیل رسانایی حرارتی بالای الماس و گرافیت و مشابهت‏ های بین آن‏ها، دانشمندان علاقه‏ ی بسیاری برای بررسی این خصوصیات دارند. در صورت وجود این ویژگی در نانولوله‏ های کربنی، می‏توان از آن به عنوان مکملی بر ویژگی‏های مکانیکی و الکتریکی بی‏نظیر نانولوله‏ ها یاد کرد.

هدایت حرارتی نانولوله ‏های کربنی
دانشمندان در بررسی‏های تجربی و آزمایش‏های خود به نتایجی در زمینه‏ ی هدایت حرارتی نانولوله‏ ها کربنی دست یافته‏ اند. آن‏ها پیش بینی می‏ کنند که نانولوله‏ های کربنی در دمای اتاق رسانایی حرارتی بالاتری از گرافیت و الماس دارند. دانشمندان در این اندازه‏ گیری‏ها، رسانایی حرارتی را برای دو دسته از نانولوله‏ ها به دست آوردند. یک دسته، نانولوله‏ های کربنی تک دیواره‏ای بودند که به صورت توده‏ای در کنار هم قرار گرفته بودند و مقدار رسانایی حرارتی مجموعه‏ ی آنها به دست آمد. یک دسته نیز نانولوله ‏های کربنی چند دیواره بودند که به صورت جدا از هم قرار گرفته بودند. رسانایی حرارتی این دسته از نانولوله‏ ها به صورت جداگانه بررسی شد. این دانشمندان مقدار رسانایی حرارتی بیش از W/mK 200 را برای توده‏ های نانولوله‏ های کربنی تک دیواره به دست آوردند. همچنین طبق این بررسی‏ها، مقدار رسانایی حرارتی نانولوله‏ های کربنی چند دیواره به صورت جداگانه بیشتر از W/mK 300 به دست آمد.

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 مقاله و مقایسه ‏ی بین اعداد درج شده انجام دهید.

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

پرسش 3: آیا می‏ توانید دلیلی برای تفاوت مقدار رسانایی حرارتی نانولوله‏ های کربنی تک دیواره و چند دیواره بیابید؟


همانگونه که در دیگر مقالات موجود در وبگاه باشگاه دانش ‏آموزی نانو اشاره شد، برای تلفیق خواص مواد مختلف و بهبود ویژگی‏های محصولات، می‏توان از کامپوزیت‏ها و به شکل پیشرفته تر از نانوکامپوزیت‏ها استفاده نمود. طبق بررسی‏ های انجام شده، با افزودن تنها %1 از نانولوله‏ های کربنی به رزین اپوکسی، ممکن است رسانایی حرارتی کامپوزیت دو برابر زمینه شود. این موضوع بیانگر این است که کامپوزیت‏های نانولوله‏ های کربنی می‏توانند در کاربردهای مدیریت حرارتی به کار برده شوند.

هدایت حرارتی نانولوله‏ های کربنی از منظر تئوری
وجود رسانایی حرارتی بالا برای تک نانولوله‏ ها به شکل تئوری نشان داده شده است. نتایج حاصل از تجربیات آزمایشگاهی نیز بیانگر وجود این ویژگی در نمونه‏ های توده‏ای از نانولوله‏ های کربنی تک دیواره و همچنین برای تک نانولوله‏ های چند دیواره می‏باشد.
گروهی از دانشمندان رسانایی حرارتی تک نانولوله ‏های کربنی را با روش‏های محاسباتی اندازه‏ گیری کرده‏اند. شکل 1 نتایج محاسبات را به ازای دما برحسب کلوین برای نانولوله‏ های تک دیواره نشان می‏ دهد.



شکل 1- مقادیر رسانایی حرارتی محاسبه شده برای یک نانولوله‏ ی 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 K100 به یک مقدار بیشینه برابر با W/mK37000 می‏رسد (این بیشینه به شکل یک قله در نمودار دیده می‏شود) و سپس با افزایش دما، کاهش می ‏یابد. بیشترین مقدار (λ(T که تاکنون در بررسی‏ های دانشمندان مشاهده شده است، مربوط به یک نمونه‏ی الماس خاص می‏باشد که در دمای K104 اندازه‏ گیری شده است. این مقدار برابر با W/mk41000 است. بنابراین مقدار (λ(T نانولوله‏ ی کربنی در بیشینه‏ اش با بیشترین مقدار (λ(T که تاکنون اندازه ‏گیری شده است، قابل مقایسه است. با توجه به نمودار ارائه شده، حتی در دمای اتاق نیز رسانایی حرارتی نانولوله ی کربنی بسیار بالا و برابر با W/mK6600 می‏باشد، این مقدار بسیار بیشتر از مقدار گزارش شده برای همان نمونه‏ ی خالص الماس در دمای اتاق است. البته باید این نکته را در نظر گرفت که این نتایج تنها از طریق محاسبات به دست آمده‏ اند و ممکن است با نتایج حاصله در شرایط آزمایشگاهی یا واقعی متضاد بوده و یا ناهم‏خوان باشد.
برای درک بهتر رفتار حرارتی نانولوله‏ های کربنی می‏توانیم مقایسه ‏ای بین نتایج حاصل از بررسی نانولوله‏ ها و دیگر مواد کربنی دارای ساختار مشابه داشته باشیم. شکل 2 نمایش دهنده‏ی مقایس ه‏ای بین رسانایی حرارتی محاسبه شده برای نانولوله (ساختار یک بعدی)، تک صفحه‏ ی گرافن (ساختار دو بعدی) و گرافیت (ساختار سه بعدی) است. همانگونه که مشاهده می‏شود، رسانایی حرارتی تک لایه ‏ی 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 پایین تر از K270 بسیار بیشتر می‏شود. در هر صورت گرافیت رسانایی حرارتی کمتری از دو نمونه‏ ی دیگر دارد.
همانطور که می‏دانید، گرافیت از روی هم قرار گرفتن منظم و متناوب لایه‏ های گرافن ساخته می‏شود. بنابراین بین لایه ‏های گرافن، برهم‏کنش‏ هایی برقرار است، بنابراین در گرافیت، وجود بر هم‏کنش‏ های بین لایه‏ ای، مقدار هدایت حرارتی را به شدت کاهش می‏دهد. به نظر می‏رسد همین اتفاق در مورد دسته‏ های نانولوله ‏های کربنی رخ خواهد داد و مقدار هدایت حرارتی دسته‏ های نانولوله‏ های کربنی از مقدار هدایت حرارتی تک نانولوله ‏ها کمتر باشد.

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 نانولوله‏ های کربنی تک دیواره به صورت دسته‏ای از حالت مجزای آن‏ها کمتر است؟

شکل 2- مقادیر محاسبه شده برای هدایت حرارتی نانولوله (نمودار خط ممتد) در مقایسه با هدایت حرارتی صفحه ی گرافن (نمودار خط و نقطه ای) و گرافیت (نمودار خط چین)؛ قسمت ترسیم شده داخلی، نشان دهنده ‏ی تغییرات میزان هدایت بر اساس دما برای گرافیت می‏ باشد 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.

هدایت حرارتی از منظر نتایج آزمایشگاهی
گروهی از دانشمندان با استفاده از یک میدان مغناطیسی قوی، دسته‏ هایی از نانولوله ‏های تک ‏دیواره را تولید کردند که به مقدار زیادی منظم در کنار هم قرار گرفته بودند. سپس رسانایی حرارتی این نمونه را اندازه ‏گیری نمودند.

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 نانولوله ‏ها چیست؟

در نمونه‏ هایی که قرارگیری نانولوله ها در کنار هم غیر منظم بود، هدایت حرارتی در دمای اتاق در حدود W/mK 35 اندازه‏ گیری شد. باید دقت داشت که نانولوله‏ ها در چنین نمونه‏ ای به شدت در هم پیچ خورده ‏اند، و مسیری که انتقال حرارت در آن رخ می‏دهد به مقدار قابل توجهی طولانی ‏تر از فاصله‏ ی مستقیم بین نقاط است. برای کاهش دخالت این اثر در نتایج آزمایش، می‏توان نانولوله‏ ها را توسط میدان مغناطیسی قوی آرایش داد. در این دسته نمونه‏ ها، هدایت حرارتی بالاتر از مقدار W/mK200 می‏باشد که با مقدار مربوط به یک فلز خوب قابل مقایسه است. گرچه در همین دسته‏ های منظم از نانولوله‏ ها نیز مواردی وجود دارند که بر هدایت حرارتی نمونه تاثیر منفی می‏گذارند. برای مثال ممکن است هدایت حرارتی از طریق اتصال‏ هایی که در بین نانولوله‏ های مجاور یکدیگر در دسته وجود دارند، دچار محدودیت باشد. بنابراین مقدار هدایت حرارتی مربوط به تک نانولوله‏ ها باید بسیار بالاتر از این مقداری باشد که در اینجا برای دسته‏ های نانولوله‏ ها به دست آمد.
در مقاله‏ ی بعدی برخی مثال‏های استفاده از این خاصیت نانولوله ‏های کربنی را در نانوکامپوزیت‏ها بررسی می‏کنیم.

c1. شبیه سازی
مطمئنا در زمینه‏ی شبیه ‏سازی مطالبی را مطالعه نموده‏اید. یکی از راه‏های بررسی خواص نانولوله‏ های کربنی، شبیه‏ سازی می‏باشد. بسیاری از این شبیه‏ سازی ها را می‏توان با استفاده از نرم ‏افزارهای 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.

1-1- دینامیک مولکول
روش دینامیک مولکولی، روشی بسیار سودمند در مطالعه‏ ی ساختار مواد و بررسی فعل و انفعالات در ابعاد مولکولی می‏باشد. 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).




شکل 4- در مواد جامد، می‏توان فرض کرد که پیوند بین اتم‏ها مانند یک فنر عمل می‏کند و آن‏ها را در یک فاصله‏ ی 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- روش المان محدود
در این روش که بیشتر مورد توجه مهندسین مکانیک می‏باشد، می‏توانیم پیوندهای بین اتم‏ های کربن را به عنوان میله‏ هایی (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 نانولوله ‏های کربنی پدید می ‏آید. ابتدا باید ویژگی‏های این میله را تنظیم کنیم. مهندسین مکانیک ویژگی‏های انواع میله‏ ها (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 سازه‏ ی مهندسی، برای بررسی آماده است (شکل 5) و می‏توان با وارد کردن نیروهایی بر آن، خواص این نانولوله را بررسی کرد.

شکل 5- تصویری از یک نانولوله‏ ی کربنی مدل شده برای آنالیز المان محدود

3-1- روش‏های دیگر
روش‏های مختلفی برای شبیه‏ سازی وجود دارند که برخی از آن‏ها بر پایه ‏ی اصول بسیار پیچیده‏ ی 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. بررسی جداگانه‏ی نانولوله‏های کربنی
همانگونه که در شکل 3 مشاهده نمودید، دانشمندان توانسته‏ اند نانولوله‏ های 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، نانولوله‏ ها را روی یک سطح پر از شکاف پراکنده کردند. یکی از این نانولوله‏ ها را که به طور جداگانه روی یک شکاف افتاده بود، در نظر گرفتند و با وارد کردن نیرویی بر میانه‏ ی آن (که روی شکاف قرار گرفته بود) و بررسی میزان خم شدن نانولوله، به محاسبه‏ ی استحکام آن پرداختند.

3. بررسی کامپوزیت ‏های حاوی نانولوله‏ های کربن
همان‏گونه که در مقالات قبلی در مورد کامپوزیت‏ ها و نانوکامپوزیت‏ ها مطالعه نموده ‏اید (مانند مقاله‏ ی«ک مثل کامپوزیت، کامپوزیت مثل کاهگل»)، می‏توانیم برای به دست آوردن خصوصیات بهتر از یک ماده، مواد دیگری را به آن اضافه کنیم. یکی از این مواد افزودنی، نانولوله ‏ی کربنی است. محققین با درست کردن کامپوزیت‏های حاوی نانولوله ‏ها و زمینه‏ های 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 (ماده‏ ی 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 اندازه‏ ی استحکام ماده‏ ی 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 ماده‏ ی افزودنی نسبت داد. برای مثال در مورد استحکام کامپوزیت حاصل می‏توان رابطه ‏ی 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.

رابطه‏ ی 1- قانون اختلاط کامپوزیت‏ ها

در این مقاله، بیشتر به خواص مکانیکی نانولوله ‏های کربنی پرداخته شد. بررسی دیگر خواص نانولوله ‏ها نیز با روش‏های کم و بیش مشابه انجام می‏ گیرد. در مقالات بعدی، به طور خاص به خواص مختلف نانولوله‏ های کربنی می‏پردازیم و در برخی موارد، روش به دست آوردن این خواص را نیز به طور مشروح بیان می‏کنیم.

 

معرفی و طرح مسئله
همان‏گونه که می‏دانیم، نانولوله ‏های کربنی موجودات بسیار کوچکی هستند که اگر آن‏ها را روی هم بریزیم، مانند یک توده‏ ی پودری سیاه رنگ و به شکل دوده در می‏آیند (شکل 1). با توجه به مقدار حد تفکیک چشم انسان، نمی‏ توانیم نانوله‏ ها 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؟




شکل 1- یک قوطی پلاستیکی حاوی نانولوله‏ های کربنی

برای روشن‏تر شدن موضوع، یک مثال را بررسی می‏کنیم. یکی از خصوصیات ماده که در دسته‏ ی 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 (مثال‏ هایی از این نمونه در شکل 2 دیده می‏شود). سپس دو انتهای این نمونه را داخل گیره‏ هایی 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 محاسبه‏ ی حداکثر نیروی وارد شده به جسم، می‏توان استحکام ماده را به دست آورد.




شکل 2- نمونه‏ های تست کشش که بر اثر فرآیند کشش، شکسته شده‏اند.

اما همان‏طور که تاکنون متوجه شده‏اید، قطر نانولوله‏ های کربنی بسیار کمتر از آن است که بتوان آن را توسط ابزارهای متداول نگه داشت. گرچه در سال‏های اخیر، دانشمندان توانسته‏ اند با استفاده از روش‏هایی، نانولوله‏ ها را در یک محل مشخص قرار دهند و خواص آن‏ها را بررسی نمایند (شکل 3).



شکل 3- یک نانولوله‏ی چند دیواره که به دو سوزن نوک تیز روبروی هم متصل شده است.

ویژگی‏ های نانولوله‏ های کربنی (1)

شرکت در آزمون

ساختار نانولوله ‏های کربنی (4)

شرکت در آزمون

مقدمه
در مقاله‏ های قبلی از سری مقالات «ساختار نانولوله‏ های کربنی»، شاخصی به نام کایرالیتی برای تمایز انواع نانولوله‏ ها از یکدیگر معرفی شد. همان‏گونه که گفته شد، این شاخص در تعیین خواص نانولوله‏ های کربنی نقشی تعیین کننده دارد. اصطلاح کایرالیتی تنها در مورد نانولوله‏ های کربنی مصداق ندارد و در علم شیمی، به عنوان یکی از مباحث فعال، مطرح می‏ باشد. در این مقاله به توضیح این اصطلاح، اهمیت آن در شیمی و توصیف مولکول‏ های کایرال خواهیم پرداخت.
کایرال و کایرالیتی
کایرال از لحاظ لغوی به معنای چیزی است که تصویر آن در آیینه بر خودش قابل انطباق نباشد. به شکل 1 نگاه کنید. این تصویر با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی تهیه شده است. الگویی که در این تصویر نشان داده شده است، بیانگر یک طرح کایرال است. زیرا نمی‏توان برای آن مرکز تقارنی پیدا کرد. بنابراین صفحه‏ ی تقارنی نیز برای این تصویر وجود ندارد و در تعریف کایرال می‏گنجد.




شکل 1- تصویری از یک الگوی کایرال

غالبا به جای کلمه‏ ی کایرال، کلمه‏ ی نامتقارن نیز به کار می‏ رود. کلمه‏ ی کایرال (chiral) از کلمه‏ ی یونانی ceir یا cheir به معنای دست، به وجود آمده است. چرا که هر یک از دو دست ما، تصویر آیینه‏ ای از دست دیگر ما است (شکل 2). همان‏گونه که می‏ توانیم برای بسیاری از مولکول‏ های موجود در طبیعت، مولکول‏ هایی را بیابیم (با همان ترکیب شیمیایی) که تصویر آیینه‏ ای آن‏ها باشند.




شکل 2- همان‏گونه که مشاهده می‏ کنید، دست‏ها و پاهای ما کایرال هستند. یعنی هر یک از آن‏ها تصویر آیینه‏ای دیگری است به طوری که بر یک‏دیگر منطبق نیستند.

همان‏گونه که در شکل 3 مشاهده می‏ کنید، مولکول آلانین دارای دو شکل است که به هر یک از آن‏ها «انانتیومر» می‏ گوییم. این دو به نام‏ های -(r)آلانین و-(s) آلانین معروف هستند. در اینجا حرف s به کلمه‏ ی لاتین sinister به معنای چپ و r به کلمه‏ ی لاتین rectus به معنای راست اشاره دارد.




شکل 3: کایرالیتی آمینو اسید آلانین، در شکل بالا با استفاده از تصویر دست‏ ها، بر مفهوم کایرالیتی تاکید شده است.

هنگامی‏که آلانین تحت شرایط معمولی در آزمایشگاه تولید می‏ شود، مخلوطی از این دو انانتیومر به وجود می آید که نیمی از آن‏ها از نوع (s) و نیمی از نوع (r) هستند. در شرایط تولید نامتقارن، مقدار سنتز یکی از این دو نوع بیشتر خواهد بود. یکی از روش‏ های رسیدن به این هدف استفاده از کاتالیزگرهاست. در سال 2001 میلادی، دانشمندانی که روی این حوزه از شیمی کار کرده بودند، توانستند جایزه‏ی نوبل شیمی را از آن خود کنند. در عمل، در حضور یک کاتالیزگر غیرکایرال، یکی از دو نوع آلانین بیشتر تولید می‏ شود.
اهمیت این بحث در این است که عملگرهای سلول‏ ها کایرال نیستند، یا به عبارتی عملگرها تنها پذیرای یک انانتیومر هستند و نمی‏ توانند مولکول با تقارن آیینه‏ ای آن را بپذیرند. بنابراین برای این‏که یک ترکیب خاص شیمیایی مانند یک دارو بتواند عملیات مورد نظر را در بدن انجام دهد، باید از یک انانتیومر خاص آن استفاده شود.

پرسش 1: به نظر شما اگر از انانتیومر نامناسب یک ترکیب شیمیایی درون بدن استفاده شود، چه عوارضی ممکن است در فرد مصرف کننده ایجاد شود؟

هم‏چنین دیده می‏ شود که در برخی موارد برای انجام یک واکنش شیمیایی، یک نوع کاتالیزگر وجود دارد که تنها می‏ تواند یک انانتیومر را به خوبی کاتالیز کند. مانند این‏که ما نیاز داریم برای هر کدام از پاهای خود، یک کفش مجزا داشته باشیم. بنابراین برای تضمین بالا بودن نرخ واکنش، نیاز است تا آن انانتیومر در مقایسه با انانتیومر دیگر، در مقادیر بیشتری تولید شود. در شکل 4 این موضوع به شکل شماتیک نشان داده شده است.




شکل 4: دست‏های سمت راست، نشان‏دهنده‏ ی کاتالیزگر و دست‏ های سمت چپ نشان‏دهنده‏ ی محصول واکنش هستند. این دو در تصویر بالایی برهم‏کنش بهتری دارند. هنگامی‏که دو نفر به هم دست می‏ دهند، دو دست راست بهتر در هم جفت می‏ شوند تا یک دست راست و یک دست چپ.

نکته‏ ی قابل توجه این است که انانتیومر‏های مختلف می‏ توانند رفتارها و خواص مختلفی داشته باشند و توانایی تولید هر یک از آن‏ها به طور خالص از اهمیت بالایی برخوردار است. برای مثال، مولکول لایمونن را در نظر بگیرید. لایمونن یک مولکول کایرال است که دو انانتیومر آن شباهت بسیاری به یک‏دیگر دارند.




شکل 5: (r)-لایمونن بوی پرتقال و انانتیومر آن یعنی (s)-لایمونن بوی لیمو ایجاد می‏ کند.

با این‏که در نگاه اول تمیز دادن شکل این دو انانتیومر از یک‏دیگر بسیار دشوار است، اما گیرنده‏ های بینی ما بسیار دقیق‏ تر عمل می‏ کنند، چراکه یکی از این دو انانتیومر بوی لیمو و دیگری بوی پرتقال را به مشام می‏ رساند.
نانولوله‏ های کربنی کایرال
در مقالات قبلی با طرز تشکیل نانولوله‏ های کربنی با استفاده از یک لایه‏ ی گرافن آشنا شدید. هم‏چنین دانستید که هر یک از این نانولوله‏ های تک دیواره یک زاویه‏ ی کایرال مختص به خود دارد. بنابراین می‏ توانیم معیاری برای سنجش مقدار کایرالیتی آن داشته باشیم. در جدول زیر شکل نانولوله را با توجه به زاویه‏ ی کایرال و مولفه‏ های کایرال آن مشاهده می‏ کنید.

جدول 1: دسته‏ های مختلف نانولوله‏ های کربنی بر اساس کایرالیتی

مشاهده می‏ شود که شکل ظاهری این سه نوع نانولوله‏ ی کربنی تفاوت‏ های زیادی با هم دارند. این تفاوت در نوع چیده شدن اتم‏ های کربنی در راستای محور مرکزی نانولوله و همچنین در محیط آن دیده می‏ شود.

پرسش 2: با توجه به این شکل‏ ها، کدام یک از این سه دسته، در تعریف مولکول‏ های کایرال می‏ گنجد؟

با توجه به تعریفی که از مولکول‏ های کایرال ارائه شد، و با توجه به تصاویر بالا، مشخص می‏ شود که تصاویر آیینه‏ ای نانولوله‏ های نوع اول و نوع دوم بر خود آن‏ها منطبق است، اما در مورد نانولوله‏ های نوع سوم این انطباق وجود ندارد. بنابراین زوایای °0 و °30 زوایای خاصی هستند که نانولوله‏ های متقارن ایجاد می‏ کنند.

جدول 2: تصاویر آیینه‏ ای انواع نانولوله‏ های کربنی

با توجه به جدول بالا، مشخص است که تنها تصویر آیینه‏ ای نانولوله‏ ی نوع سوم بر خودش قابل انطباق نیست. بنابراین به این مدل نانولوله‏ ی کربنی، نانولوله‏ ی کایرال یا هلیکال، و در معنای فارسی آن، نامتقارن می‏گوییم. با توجه به شکل ظاهری نانولوله‏ های نوع اول و دوم، آن‏ها را به ترتیب آرمچیر (معادل نوع صندلی) و زیگزاگ می‏ نامیم.

پرسش 3: با توجه به آن‏چه تا کنون آموخته‏ اید، خواص نانولوله‏ های کربنی به کایرالیتی آن‏ها بستگی دارد. آیا می‏ توانید بگویید کدام خواص و هر کدام چگونه به کایرالیتی وابسته هستند؟