بیگ بنگ: لايه‌اي از نانو‌لوله‌هاي كربن به ضخامت يك ورق كاغذ توسط گروهي از محققان در آمريكا ساخته شده است كه مي‌تواند مواد تركيبي به كار رفته در بال‌ها و بدنه‌ي هواپيما را بدون نياز به كوره‌هاي بزرگ صنعتي پخته و محكم كند.

به گزارش بیگ بنگ به نقل از انجمن فیزیک ایران، اين لايه را مي‌توان به صورت لوله شده درون قطعات صنعتي قرار داد تا به واسطه‌ي رسانايي‌، گرمايي يكنواخت، قابل كنترل و موثر را به آن انتقال دهد. وقتي لايه به منبع نيروي الكتريكي وصل شود، گرماي آن پليمر را تحريك به سفت شدن مي‌كند. به گفته‌ي محققان، اين تكنيك قاعدتاً بايد بتواند به طور سر راست‌تر و با صرف انرژي كمتر روشي براي ساخت هر تركيب صنعتي فراهم كند.

قطعات بزرگ صنعتي نظير بال‌هاي هواپيما اغلب از مواد تركيبي ساخته مي‌شوند كه شامل چندين لايه‌اند و بايد به هم متصل شوند. طريقه‌ي وصل قطعات نوعاً شامل پختن آن‌ها در دماهاي بالا در كوره‌هاي گران قيمت و غيرقابل حملي است كه به اتوكلاو مشهورند. حرارت دادن قطعات چند متري تا دماي چند صد درجه در اتوكلاو- دستگاه صنعتي بزرگي كه از فشار و دماي بالا براي پردازش مواد استفاده مي‌كند- فرآيندي است با بازده انرژي كم زيرا خود كوره‌ها قبل از انتقال حرارت به قطعات از طريق همرفت بايد گرم شوند و به اين ترتيب مقادير عظيمي از انرژي را تلف مي‌كنند.

فراتر از كوره

سيت كسلر رئيس شركت طراحي متيس در بوستون، يك شركت وابسته به مركز فناوري ماساچوست (MIT)، توضيح مي‌دهد كه انگيزه‌ي استفاده از نانو‌‌لوله‌هاي كربني (CNTها) به عنوان ميكرو‌ گرمكن‌هاي رسانا بر مبناي مطالعات پيشين بوده است. اين گروه با همراهي محققان دانشكده‌ي هوانوردي و كيهان‌نوردي در MIT، ميكرو‌ گرمكن‌هايي با پايه‌ي CNT ساخته است كه مي‌توان آنها را به طور موثري در هر سطح دلخواه لوله كرد تا گرمايش مستقيم به وجود آورد. كسلر مي‌گويد «ما از گرمايش پايدار بر مبناي نانولوله‌هاي كربني براي كاربردهاي ضديخ استفاده كرده و سپس به دنبال امكان استفاده از همين اصل براي پختن بوده‌ايم.

با روش «خارج-از- كوره‌ي» اين گروه استفاده از اتوكلاوها به كلي كنار گذاشته مي‌شود لذا اجازه مي‌دهد مواد تركيبي را بدون توجه به اندازه يا شكلشان و فارغ از دسترسي داشتن به يك اتوكلاو نزديك، به طور موثري حرارت داد. ميكرو گرمكن‌هاي مشابهي به طور تجاري موجود هستند اما پژوهشگران هشدار مي‌دهند كه «اين كار به سادگي خريدن ماده و فشردن آن بر روي سطح دلخواه نيست». بلكه براي هر پروژه‌ي پختن، مهندسي دقيقي لازم است تا مقاومت و مسيرهاي عبور جريان مناسب را تعيين كرد.

يك ميان‌ماده‌ي نازك

محققان به سرپرستي برايان واردل Brian Wardle، ابتدا شبكه‌اي(mesh) از CNT هاي به صف شده را ايجاد كردند كه در آن هر نانولوله حدوداً 400 ميكرون طول داشت. به صف كردن نانولوله‌ها پايداري الكتريكي بهتر را تضمين مي‌كرد. اين كار ضروري بود زيرا جريان بايد از درون شبكه مي‌گذشت تا در اثر مقاومت گرما ايجاد كند. آنگاه تيم تحقيقاتي يك شبكه مسي به آن اضافه كرد تا رابط‌هاي الكتريكي به وجود بيايد و همينطور لايه‌اي سطحي و تركيبي افزود تا از عايق بندي الكتريكي اطمينان حاصل كند. واردل و گروهش نمونه‌اي از اين لايه با اندازه‌اي در حدود تمبر پستي را روي يك تركيب تجاري ورقه شده كه در صنعت هوا‌ فضا به كار مي‌رفت امتحان كردند. آن‌ها يك منبع تغذيه v30 را مستقيماً به دو الكترود ميكرو گرمكن وصل كرده و ولتاژ ورودي را طوري تنظيم كردند كه با تغيير دماي لايه، منجر به پخت كامل شود.

«ما متوجه تفاوتي در حدود 1000 برابر در انرژي مصرف شده براي پختن شديم كه منجر به كاهش هزينه‌ي 50% در توليد نهايي قطعه مي‌شود»، اين را كسلر مي‌گويد. با وجود اينكه گروه تنها بخش كوچكي از شبكه را امتحان كرده است اما به عقيده‌ي پژوهشگران، بزرگ كردن اندازه‌ي شبكه براي پوشش كل بال هواپيما دشوار نخواهد بود. كسلر عنوان مي‌كند كه «هرچه قطعه بزرگتر باشد، جريان امكان بيشتري دارد تا به حالت يكنواخت برسد. تا زماني كه شار جريان هوشمندانه طراحي شده شود، اندازه‌ي قطعه تاثيري نخواهد داشت».

علاوه بر اين، چگالي سطحي فوق العاده كم اين لايه (5-10 gr/m2) بدان معناست كه مي‌توان آن‌ها را بعد از اتمام حرارت به سادگي روي ماده باقي گذاشت بدون اينكه نگران وزن اضافي باشيم. كسلر به physicsworld.com گفت كه با باقي گذاشتن لايه در محل، مي‌توان از قابليت‌هاي چندگانه ديگري مانند آشكار سازي آسيب ديدگي بر اساس تغييرات مقاومتي استفاده كرد.

از آنجايي كه تركيب‌هاي مختلف براي ذوب شدن به دماهاي مختلف نياز دارند، پژوهشگران همچنين اينكه لايه‌ي CNT در عمل تا چه حد بدون آسيب ديدگي مي‌تواند گرم شود را بررسي كردند. گروه متوجه شد كه نقطه‌ي تخريب اين لايه‌ در بيش از 537 درجه سانتي گراد است. به عنوان مقايسه بايد گفت كه بالاترين دماي لازم براي سخت شدن برخي از پليمرهاي هواپيما تا 399 درجه سانتي گراد است. واردل مي‌گويد «ما تا آن دماها مي‌توانيم فعاليت كنيم يعني تركيبي وجود ندارد كه قادر به پردازش آن نباشيم. اين موضوع حقيقتاً همه‌ي مواد پليمري را مشمول اين فناوري مي‌كند». محققان هم اكنون با همكاري صنعت درصددند تا راه‌هايي را براي گسترش فناوري مذكور به منظور توليد تركيب‌هاي به حد كافي بزرگ براي ساخت بال‌ها و بدنه‌ي هواپيما بيابند. اين پژوهش در Applied Materials Interfaces شرح داده شده است.

سایت علمی بیگ بنگ/ منبع: physicsworld