آشنایی با نانوکامپوزیت‌ها (1)-ویرایش جدید

این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- مقدمه
2- مفاهیم اولیه
3- اجزاي کامپوزيت
4- نانوکامپوزيت
5- برتری نانوکامپوزيت‌ها نسبت به کامپوزیت‌ها
1-5- بهبود خواص مکانيکي
2-5- بهبود خواص فيزيکي
3-5- بهبود خواص زیستی

واژه کامپوزیت (composite) در زبان انگلیسی به معنی «مرکب» است و ماده مرکب نیز به ماده‌های گفته می‌شود که از ترکيب چند جزء مختلف تشکیل شده باشد. بنابراین مواد کامپوزيتي موادي هستند که از ترکيب دو یا چند نوع ماده به وجود آمده‌اند. هر جزء ویژگی‌های خاص خود را دارد اما مخلوط چند جزء دارای ویژگی‌های بینابین است. برای مثال، با مخلوط‌ کردن یک جزء نرم با یک جزء ترد، ماده‌ای کامپوزیتی به دست می‌آید که نه نرم است و نه ترد، بلکه چیزی مابین آن‌ دو است. شايد اولين کامپوزيتي که بشر ابداع کرد، کاه‌ گِل باشد. در زمان‌های قدیم براي ساختن خانه‌ها از گل استفاده مي‌شد ولی گل پس از خشک شدن در اثر تبخیر آب آن و کاهش حجم، ترک می‌خورد. بنابراین برای جلوگیری از ترک خوردگی مقداري کاه به آن اضافه می‌کردند تا حفره‌ها را پُر کرده و مانع از ترک خوردن گل شود. شايد هم مصري‌ها اولين کامپوزيت را ساخته باشند. آنها به بدنه چوبی قايق‌هايشان مقداري پارچه اضافه می‌کردند تا در اثر خيس شدن، بدنه چوبی قایق باد نکند. مواد مورد استفاده برای ساخت کامپوزیت و نیز روش‌‌های تولید آن در طی زمان، پیشرفت بسیاری کرده است به طوری که در سال‌هاي اخير مواد کامپوزيتي به عنوان مواد مهندسي پیشرفته گسترش پیدا کرده‌‌اند.

اصلی‌‌ترین ایده استفاده از کامپوزيت‌ها این است که یک یا چند خاصیت ضعیف از یک ماده را با اضافه کردن یک یا چند ماده دیگر به آن، تقویت کرد؛ همانطور که با ترکیب‌​کردن کاه با گل، مقاومت گل در برابر ترک خوردگی به دلیل خاصیت ارتجاعي کاه بهبود می‌یابد. ترکيب‌ شدن مواد می‌تواند به چند صورت انجام شود: شيميايي، مکانيکي و فيزيکي. در ترکيب شدن شيميايي، بین دو ماده که با هم مخلوط شده‌اند پيوند شيميايي (کووالانسي، يوني، واندروالسي و…) برقرار می‌شود و ماده حاصل از آن، محلول نامیده می‌شود. آلياژها (alloys) بارزترين و ملموس‌ترين مثال براي این دسته از محلول‌ها هستند. در ترکيب شدن مکانيکي، اجزای دو ماده با اعمال نيرو در کنار یکدیگر قرار مي‌گيرند و با حذف نيرو، اين ترکيب از بين مي‌رود. در ترکيب فيزيکي، يک يا چند ماده با مواد ديگر محاصره میشود به طوريکه نتواند از محاصرة آن فرار کند. براي درک بهتر اين نوع ترکيب، کسي را تصور کنيد که در يک باتلاق گير افتاده است. کامپوزيت‌ها جزء این دسته از ترکیب‌ها هستند؛ یعنی اجزای سازنده آنها یکدیگر را محاصره کرده‌اند. ما در زندگی روزمره، از مواد کامپوزیتی متنوعی استفاده می‌کنیم. از لباس و خودرو گرفته تا وسایل پزشکی و لوازم بهداشتی و ورزشی. شکل 1 ساختار لایه‌ لایه یک اسکیت‌ بورد کامپوزیتی را به عنوان نمونه‌ای از ساده‌ترین کامپوزیت‌ها نشان می‌دهد.

3- اجزاي کامپوزيت

کامپوزيت‌ها معمولاً از ترکيب فيزيکي دو ماده با خواص متفاوت تشکیل شده‌اند. ماده‌ای که بخش عمده کامپوزیت را شامل می‌شود، زمینه نامیده می‌شود و ماده دیگر که برای برطرف‌ کردن خواص ضعیف زمینه اضافه می‌شود، تقويت‌ کننده نام دارد. تقویت‌کننده می‌تواند به شکل‌های گوناگونی مورد استفاده قرار گیرد: ذره‌ای، لیفی و صفحه‌ای. همانطور که در شکل 2 مشاهده می‌شود، ذرات، الیاف و یا صفحات تقویت‌کننده به صورت ناپیوسته و جدا از هم در یک زمینه پیوسته پخش می‌شوند.

«زمینه» يک کامپوزیت، ماده‌اي است پيوسته که اجزای جدا از یکدیگر، تقویت‌کننده را در برگرفته است. در مثال کاه‌ گِل، گِل «زمینه» بوده و در مثال باتلاق و آدم، محيط باتلاق «زمینه» است که به صورت یک محیط پيوسته، انسان را در برگرفته است. دومين ملاک براي تعيين زمينه اين است که مقدار ماده‌اي که به عنوان «زمینه» استفاده مي‌شود بيشتر از بخش «تقويت‌ کننده» است. در حیطه مواد مهندسی، زمینه می‌تواند فلز، سرامیک یا پلیمر باشد که با تقویت‌کننده‌های فلزی یا سرامیکی سخت تقویت شده است. ماده زمینه سه وظیفه عمده را بر عهده دارد:

شایان ذکر است که برای تولید یک ماده کامپوزیتی، لازم است اجزای فاز تقویت‌کننده به صورت یکنواخت در فاز زمینه پخش شوند. برای پخش یکنواخت این اجزا در زمینه، از روش‌های مکانیکی مانند هم‌زدن و یا روش‌های شیمیایی مانند اضافه‌ کردن عوامل جذب سطحی استفاده می‌شود. در این شرایط، ممکن است اجزای زمینه و تقویت‌کننده با یکدیگر پیوند شیمیایی و یا مکانیکی برقرار کنند. بنابراین، پیوند‌ میان زمینه و تقویت‌کننده می‌تواند به صورت‌های فیزیکی، مکانیکی و یا شیمیایی باشد. واضح است که به دلیل قوی‌تر بودن پیوند شیمیایی نسبت به پیوند‌های مکانیکی و فیزیکی، نیروی چسبندگی زمینه و تقویت‌کننده، در حالت پیوند شیمیایی بزرگ‌تر است و لذا فرایند انتقال نیرو از فاز زمینه به اجزای تقویت‌کننده بهبود یافته و استحکام کلی کامپوزیت بالاتر خواهد بود.

چنانچه بتوان در يک کامپوزيت، ابعاد هرکدام از دو جزء «زمینه» یا «تقویت‌کننده» را تا مقیاس نانومتری کاهش داد، کامپوزیت موردنظر، «نانوکامپوزيت» نامیده می‌شود. در مورد یک زمینه فلزی، بایستی ابعاد دانه‌های تشکیل‌ دهنده فلز به کمتر از 100 نانومتر برسند. لازم به توضیح است که ساختار داخلی فلزات همانند چین و چروک بسیار ریز روی پوست دست انسان، خانه‌ خانه است و اتم‌ها در داخل هر خانه (دانه) با نظم خاصی کنار یکدیگر قرار دارند؛ به‌طوریکه جهت نظم در هر دانه با دانه‌های مجاورش متفاوت است. جالب توجه است که بسیاری از ویژگی‌های فلزات به ابعاد این دانه‌ها حساس هستند. برای مثال، هرچه ابعاد دانه‌های تشکیل‌دهنده یک فلز کمتر باشد، ساختار فلز مستحکم‌تر خواهد بود. واژه نانو به عنوان معیاری از بزرگی یک واحد اندازه‌گیری (طول، زمان یا وزن) استفاده می‌شود. برای مثال، واژه «نانومتر» برای بیان طول اندازه‌گیری‌شده و «نانوثانیه» برای بیان مدت زمان سپری‌ شده استفاده می‌شود. یک نانومتر برابر یک میلیونم میلی‌متر یا یک میلیاردم متر است. برای درک بهتر اندازه یک نانومتر کافی است به این نکته توجه شود که ناخن انسان در هر ثانیه، به اندازه یک نانومتر و موی صورت مردان در هر ثانیه به اندازه 5 نانومتر رشد می‌کند. در مورد تقویت‌کننده با ابعاد نانومتری، بسته به شکل اجزای تقویت‌کننده تعریف متفاوتی ارائه می‌شود. برای تقويت‌ کننده‌های ذره‌اي، با ريزکردن قطر ذرات به کمتر از 100 نانومتر، برای تقويت‌ کننده‌های لیفی با ريزکردن قطر الیاف به کمتر از 100 نانومتر (يعني توليد الیافهای نازکی که قطر هر کدام بين يک تا صد نانومتر است) و در تقويت‌ کننده‌های صفحه‌ای، با نازک‌ کردن ضخامت صفحات در حد 1 تا 100 نانومتر و توزیع آنها در يک زمينه مي‌توان به ترتیب، نانوکامپوزيتهای تقویت‌ شده با نانوذرات، نانوالیاف و نانوصفحات تولید کرد. شکل 3 نانوکامپوزیت‌هایی با انواع مختلف تقويت‌ کننده را نشان می‌دهد.

به نظر می‌رسد که درک تفاوت دو مفهوم «نانوکامپوزیت» و «نانوساختار» بسیار حائز اهمیت است. چنانچه ابعاد دانه‌های یک فلز نانومتری باشد، این فلز را یک ماده نانوساختار می‌نامند. به عبارت دیگر، هر ماده خالص یا مرکب که اجزای آن در ابعاد نانومتر باشند، نانوساختار محسوب می‌شود. اما نانوکامپوزیت، به مواد مرکبی که حداقل یکی از اجزای تشکیل‌دهنده آن (تقویت‌کننده یا زمینه و یا هر دو) دارای ابعاد نانومتری باشد، اطلاق می‌گردد. بنابراین، هر نانوکامپوزیتی لزوماً نانوساختار نیست و هر نانوساختاری لزوماً نانوکامپوزیت. یک نانوکامپوزیت در صورتی نانوساختار است که در آن، اجزای فاز زمینه حداقل در یک بعد دارای ابعاد نانومتری باشند. همچنین، یک نانوساختار هنگامی نانوکامپوزیت خواهد بود که دارای یک تقویت‌کننده نانومتری باشد.

اساساً تولید نانوکامپوزیت به جای کامپوزیت با هدف بهبود ویژگی‌های آن انجام می‌گیرد. خواص مواد در کاربردهای مهندسی عبارتند از:
– خواص مکانيکي مانند سختی، استحکام کششی، فشاری، خمشی، و خستگی؛
– خواص فيزيکي مانند رسانایی الکتريکي و رسانایی گرمایی؛
– خواص شيميايي مانند مقاومت در برابر خوردگي و زنگ‌زدن؛
– خواص زیستی مانند میزان سازگاری با خون انسان، جلوگیری از ورود باکتری و گسترش عفونت.
با تبدیل کامپوزیت‌ها به نانوکامپوزیت‌ها، بسیاری از خواص یاد شده تغییر می‌کنند. برای مثال، در شکل 4 مشاهده می‌شود که کامپوزیت کاملاً می‌سوزد اما با تبدیل آن به نانوکامپوزیت، فرآیند سوختن به دلیل ایجاد زغال، ادامه نمی‌یابد و از گسترش آتش جلوگيري مي‌شود. این مثال نمونه‌اي از تغيير رفتار شیميايي ماده است که در اثر نانوکامپوزیت شدن بوجود آمده است.

خواص مکانيکي مواد، مقاومت به تغییرشکل ماده را در برابر اِعمال نيروهای کششی، فشاری، خمشی، و پیچشی بیان میکند. چنانچه يک ورق فلزی با ضخامت یک ميلي‌متر را در درون یک زمينه نرم پلاستیکی (پلیمری) قرار دهیم، در واقع کامپوزیتی ساختهایم که در مقايسه با پلاستیک خالص، مقاومت کششي بالاتری خواهد داشت. چنانچه همان ورق فلزی را به ورق‌های نازک با ضخامت یک نانومتر تبديل کنیم، يک ميليون ورق فلزی با ضخامت یک نانومتر خواهيم داشت که در همه‌جای زمينة پليمري به طور يکنواخت توزيع شده‌اند. نانوکامپوزیت به دست آمده نيروي کششی بزرگ‌تری را نسبت به کامپوزیت تحمل خواهد کرد. لذا نانو‌شدن ورق‌ها و تولید نانوکامپوزیت، خواص مکانیکی بهتری را به دنبال خواهد داشت. ریز‌شدن اجزای تقویت‌کننده تا حد نانومتری و ایجاد نانوکامپوزیت باعث افزایش قابل توجه در سطح تماس اجزای تقویت‌کننده و فاز زمینه می‌شود. مهم‌ترین پیامد افزایش سطح تماس، بهبود انتقال بار از زمینه به تقویت‌کننده است. بنابراین اندازه اجزای تقویت‌کننده مستقیماً بر استحکام کششی ماده کامپوزیتی تاثیر می‌گذارد.
پارامتر دیگری که مستقیماً بر روی خواص کششی نانوکامپوزیت تاثیر می‌گذارد، زاویه بین جهت اعمال نیروی کششی و جهت چینش الیاف در داخل زمینه است. در نانوکامپوزیت رشته‌ای که در آن، الیاف تقویت‌کننده به صورت موازی در یک جهت مشخص آرایش یافته‌اند، جهت اعمال نیرو، استحکام کششی نانوکامپوزیت را تعیین می‌کند؛ به‌طوریکه اگر بار وارده با راستای چینش الیاف هم‌جهت باشد، استحکام کششی به بیشینه مقدار خود می‌رسد و چنانچه جهت نیرو عمود بر جهت الیاف باشد، نمونه دارای کمترین استحکام کششی خواهد بود. در حالتی که خواص اندازه‌گیری‌ شده در جهات مختلف متفاوت باشد، گفته می‌شود که نمونه دارای خواص انیزوتروپ است. برای از بین بردن انیزوتروپی خواص و یکنواخت کردن آن، بایستی الیاف تقویت‌کننده به صورت نامنظم و تصادفی در جهات مختلف توزیع شوند.
شکل 5 تاثیر استفاده از نانوذرات به جای ذرات درشت‌تر میکرومتری در لایه‌های سطحی را در بهبود خواص مکانیکی و افزایش مقاومت آن در برابر ترک‌ خوردن نشان می‌دهد. این شکل دو کامپوزيت را نشان می‌دهد که سطح يکي از آنها با نانوذرات و ديگري با ذرات ميکروني پوشش داده شده است. همان‌طور که مشاهده می‌شود، لايه کامپوزیتی (تصوير سمت چپ) حین اعمال نیرو ترک خورده، اما لایه نانوکامپوزیتی در برابر اين نیرو مقاومت کرده است.

شکل 6 تغییرات سفتی نانوکامپوزيت زمینه اپوکسي تقویت‌ شده با مقادیر مختلف نانوذرات سیلیکا را نشان می‌دهد. مشاهده می‌شود که سفتی نانوکامپوزیت در تمامی درصد‌های وزنی نانوذرات تقویت‌کننده، بیشتر از سفتی کامپوزیت است.

رسانایی الکتريکي یکی از بارزترین خواص فيزيکيِ ماده است. چنانچه چند عدد ميلة مسي را در درون مادة عایقی (مانند یک پلاستيک) قرار دهیم و به آن، میدان الکتریکی اعمال کنیم، ماده به دلیل عبور الکترون‌ها از داخل میله‌های رسانا، رفتار رسانایی از خود نشان خواهد داد. فرض کنيد قطعه پلاستيکی دارای ابعاد یک متر در یک متر و قطر ميلة مسي یک ميلي‌متر و طول آن یک متر باشد. در اين صورت، الکترون‌ها برای عبور از قطعه تنها یک مسیر (طول لوله مسی) در اختیار دارند. چنانچه ميلة مسي را آنقدر ریز کنیم تا يک ميليون ميله با قطر یک نانومتر بدست آید و سپس آن‌ها را در زمینه پلاستیکی پخش کنیم، در این صورت الکترون‌ها يک ميليون مسیر عبور در سرتاسر قطعه پلاستيکی در اختیار دارند و لذا رسانايی الکتريکي نانوکامپوزیت تولید‌ شده، با نانو شدن ابعاد الیاف بهبود می‌یابد.

در حالت کلی، کاهش ابعاد اجزای مواد زیستی، تاثیر به سزایی در افزایش بازده و عملکرد آنها دارد. برای مثال، یک زخم‌ بند را در نظر بگیرید که برای پوشیدن محل سوختگی‌‌های پوست بدن انسان مورد استفاده قرار می‌گیرد. زخم‌ بند‌های متداول مورد استفاده، به صورت نخ‌های درهم‌تنیده ریسیده شده‌اند و در عمل تنها قادر به حفظ محیط پوست آسیب‌ دیده در برابر خطرات مکانیکی مانند تماس مستقیم آن با اجسام دیگر هستند. این زخم‌ بند‌ها به دلیل وجود منافذ بزرگ، قادر به حفاظت از زخم در برابر ورود باکتری‌ها و میکروب‌ها نیستند. برای ایجاد حفاظت میکروبی، لازم است منافذ به اندازه‌ای کوچک شوند که ابعاد منافذ کمتر از ابعاد باکتری باشد و این ممکن نیست مگر با ریسیدن الیاف بسیار نازک نانومتری با تراکم بالا که بتواند منافذ چند صد نانومتری فراهم کند. به این منظور، مواد پلیمری را به روش الکتروریسی (ریسندگی به کمک نیروی الکتریکی) به صورت نانوالیاف می‌ریسند. با افزودن نانوذرات تقویت‌کننده با ویژگی‌های مکانیکی و زیستی مناسب به پلیمر مورد استفاده، زخم‌ بند‌های نانوکامپوزیتی با ساختار نانوالیاف، ضد میکروب، و سازگار با بدن انسان تولید می‌شود. شکل 7 ساختار میکروسکوپی نمونه‌ای از این نانوکامپوزیت‌ها را نشان می‌دهد.