ساخت الیاف نانولوله کربنی با خواص مکانیکی منحصربه‌فرد

 

محققان چینی دریافته‌اند نانولوله‌های کربنی می‌توانند با یک فرآیند پیچش کنترل شده، به ساختار مارپیچ دوگانه‌ی خودآرایی برسند که خواص مکانیکی منحصر به فردی دارد.

محققان چینی دریافته‌اند نانولوله‌های کربنی (CNT) می‌توانند با یک فرآیند پیچش کنترل شده، به ساختار مارپیچ دوگانه‌ی خودآرایی برسند که خواص مکانیکی منحصر به فردی دارد. آن‌ها نشان داده‌اند که یک روش کنترل شده و در عین حال ساده ریسندگی می‌تواند الیاف مارپیچ دوگانه‌ای تولید کند.

آنیوآن کااو، استاد دانشکده مهندسی مواد از دانشگاه پکن توضیح داد: «هدف ما این است که با بهبود ساختار الیاف، علاوه بر چند قابلیت کردن، دامنه‌های کاربردی آن‌ها را نیز گسترش دهیم. بنابراین راهبرد تاباندن حلقه‌های مارپیچ الیاف نانولوله برای رسیدن به خواص جدید و کارکردهای بیشتر شکل گرفت.»

این الیاف CNT بهم پیچیده شده، خواص جدید متعددی از جمله رفتار فوق‌کشسانی، فوق الاستیک و شبه‌فنری از خود نشان می‌دهد. به علاوه، آنها پتانسیل استفاده در زمینه‌های مختلف را نیز دارند. این ساختار مارپیچ دوگانه هم‌چنین ساختاری شبیه به مورفولوژی عضوهای طبیعی بیولوژیکی مانند DNA دارد. این خواص در الیاف غیرمارپیچی وجود ندارد.

این محققان الیاف مارپیچ دوگانه CNT را با تنیدن یک فیلم نانولوله تک دیواره، در دو مرحله پیچاندن، ساختند. کااو چالش‌های فرآیند ساخت را اینگونه شرح داد: «زمانی که ما الیاف مستقیم را به مارپیچ دوگانه تبدیل کردیم، خاصیت الاستیک ماده به شدت تقویت شده و به دلیل حلقه کردن و پیچاندن الیاف، تمرکز تنش در آنها به وجود آمد که منجر به استحکام پایین‌تر ماده و گاهی اوقات، پاره شدن مارپیچ دوگانه پیش از کشیدن کامل شد.»

تصویر میکروسکوپ الکترونی پیمایشگر از تشکیل مارپیچ ‏دوگانه با پیچش دو الیاف نانولوله کربنی مارپیچ.‏

روش‌های استفاده‌شده برای کاهش این مشکلات عبارت است از: ۱) بهبود کیفیت فیلم اولیه CNT برای ریسندگی به منظور رسیدن به الیاف یکنواخت‌تر و مستحکم‌تر؛ ۲) کنترل قطر الیاف و گام مارپیچ دوگانه به منظور بررسی تأثیر آن بر روی تمرکز تنش و ۳) انجام برخی عملیات ثانویه مانند آنیلینگ و تقویت پلیمر به منظور بهبود بیشتر خواص الیاف.

این محققان کاربردهای بالقوه این الیاف CNT را مانند حسگرهای تنش و کرنش (مقاومت مارپیچ دوگانه با اعمال کرنش به صورت خطی تغییر می‌کند)، آشکارسازهای تصویر و استفاده در تجهیزات شبیه به ترموکوپل (به علت پاسخ‌دهی این الیاف مارپیچ دوگانه به تغییرات دمای محیط) نشان دادند.

پیش‌بینی می‌شود این مواد در آینده کاربردهایی نظیر محرک‌های الکتروشیمیایی، طناب‌های جاذب انرژی یا مقاوم به ضربه، قطعات لیف‌مانند و الکترودهای الاستیک در دستگاه‌های مرتبط با انرژی مانند پیل‌های خورشیدی و ابرخازن‌ها خواهند داشت.

این گروه در آینده تصمیم دارد این فرآیند ساخت خودآرای ساختارهای چندگانه و پیچیده بر پایه مارپیچ دوگانه را بررسی کرده و بدین ترتیب خواص و کاربردهای جدید این مواد را تحقیق کند.

این محققان جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله‌ی ACS Nano منتشر کرده‌اند.