۱۳۸۹-۱۲-۷، ۰۷:۵۰ صبح
نانو تکنولوژی و کاربرد آن در عمران (قسمت 1) پنجشنبه, 02 اردیبهشت 1389 ساعت 19:02 کالوندی، حیدریه، عارفی، عدالت خواه مقالات
چکیده
با توجه به رشد سریع تحقیقات علمی و عملی علوم و فنون نانو در کلیه علوم و صنایع توجه بسیاری کمی به کاربردهای این پدیده در صنعت ساختمان و بطور عام در ساخت و ساز شده است. ولی اخیرا با توجه به تقویت کننده ها و استحکام دهنده های نانویی در مصالح ساخت و ساز، موج جدیدی با شتاب فزاینده ای صنعت ساخت و ساز و مهندسی عمران را در برگرفته است.
کربن نانوتیوب ها، استوانه های تو خالی از تک ورقه های گرافیتی هستند که به شکل استوانه پیچیده شده اند، این مواد دارای خواص ساختاری مکانیکی و الکتریکی فوق العاده ای هستند که ناشی از خواص ویژه پیوندهای کربنی و تقارن استوانه ای آنهاست.
در مورد کربن، کربن نانوتیوب ها و کربن فایبرز، خواص، کاربردهای و روش های تولید انواع مختلف آنها و Modify کردن کربن نانوتیوب ها و کربن فایبرز، خواص، کاربردهای و روشهای تولید انواع مختلف آنها و آنها بر حسب نیاز، تحقیقات تاکنون انجام گرفته است و از آنجا که نانو لوله های کربن از کربن گرافیتی ساخته شده اند مقاومت بسیار خوبی در برابر حملات شیمیایی داشته و نیز پایداری حرارتی خیلی خوبی دارند.
در این مقاله سعی شده است تحقیقاتی جامع پیرامون نحوه تولید نانو تیوب ها صورت گیرد و همچنین استفاده کاربردی این علم را در صنعت ساختمان در حوزه سیمان و بتن مورد ارزیابی قرار دهیم.
1- مقدمه
کربن نانوتیوب ها Carbon Nano Technology (CNT) یکی از مهمترین زمینه های تحقیقاتی در نانوتکنولوژی می باشند. خواص و پتانسیل ویژه و انحصاری آنها برای کاربردهای ارزشمند تجاری، طیف وسیعی از الکترونیک تا کنترل فرایندهای شیمیایی را در برمی گیرد. این امر موجب تلاش بسیار عظیمی جهت تحقیق در مورد نانوتیوب ها در پنج سال اخیر شده است. با توجه به فعالیت های وسیع تحقیقاتی، به پتانسیل کار بردی این تحقیقات در صنعت ساختمان توجه بسیار کمی شده است.
مقاله حاضر سعی در پر کردن شکاف تحقیقاتی بین CNT ، مواد و مصالح ساختمانی دارد. ساختمان، خواص و چگونگی حصول کربن نانوتیوب ها در این مقاله بررسی شده، پتانسیل های کاربردی بطور عام و خاص برای صنعت ساختمان ا رائه شده است. میتوان کربن نانوتیوب ها و انواع اصلاح شده و تغییر شکل یافته گرافیت تصور کرد.
گرافیت از لایه های بسیار زیاد اتم های کربن که به فرم شش گوش بهم متصل و ورقه های مسطحی را تشکیل می دهند شکل گرفته است.
پیوند بین لایه های ضعیف و پیوند کربن اتم ها (داخل لایه ها) قوی می باشند. CNT را می توان ورقه یا ورقه هایی از گرافیت تصور کرد که لوله شده باشند.
CNT می تواند به شکل نانوتیوب های تک جداره (SWNT) مثل یک ورقه لوله شده و یا چند جداره (MWNT) شبیه به چند ورقه که با هم لوله شده باشند، موجود باشد.
CNT با انواع مختلف Chirality (کرلیتی) می تواند تولید شود.
کرلیتی آرایش شش گوشه اتم های کربن است که در جهت محور تیوب فرم گرفته اند. پس ممکن است دو تیوب با قطر یکسان ساختمان متفاوتی داشته باشند، اگرچه منحصرا از اتم های کربن تشکیل شده باشند.
CNT توسط بردار کردن شان تحت عنوان (m,n) شرح داده می شود که m و n اعداد صحیح هستند.
تیوپ (m,0) برای مثال (100) یک تیوپ مدل صندلی دسته دار (armchair) را توصیف می کند. که شش گوش ها در تیوپ مستقیما به موازات طولشان درست شبیه دسته های یک صندلی دسته دار امتداد پیدا می کنند. در حالیکه تیوپ با m=n برای مثال ( 5،5 ) تیوپ زیگزاگ خوانده می شود، که شش گوش ها به صورت زیگزاگ در طول لوله پایین می روند.
نانوتیوب نمایش داده شده در شکل 1 نیز یک نانوتیوپ زیگزاگ است. تیوب ها همچنین ممکن است بین این دو منتهی الیه کیرلیتی داشته باشند. مثل تیوپ (4و5) که می تواند توسط پیچیدن یک تیوب با بردارهای نشان داده شده در پایین شکل شماره 2 فرم بگیرد.
2- روشهای تولید نانوتیوپ (CNT)
سه مسیر مختلف جهت تولید CNT انتخاب شده است [1]. اولین روش یافته شده، تخلیه قوس الکتریکی (Electric Arc – discharge) را مورد استفاده قرار داده، به نحوی که یک جریان الکتریکی ولتاژ قوی از هوا (یا یک گاز خنثی یا گاز واکنشی) (reactive gas) عبور کرده به الکترود کربنی هدایت می شود.
روشهای دیگر:
Laser Ablation، قطع یا سائیدگی لیزری است که در این روش یک پرتو لیزری قوی مستقیما کربن را هدف قرار می دهد. CVD، Chemical Vapor Deposition)) نشاندن (Deposit) کردن بخارات شیمیایی می باشد، که گازی با پایه کربنی مانند متان را در درجه حرارت‌های بالا و گاهی فشارهای بالا مورد استفاده قرار می دهند.
در تمام سه مورد مختلف، اتم های کربن آزاد انرژی مورد نیاز جهت شکل گیری کربن نانوتیوب‌ها بجای گرافیت یا کربن آمفرف (کربن بی شکل و غیرمتبلور) را تامین می کنند. MWNT بدون حضور کاتالیست بتواند حاصل شود ولی SWNT عموما نیاز به حضور کاتالیست (Transition Metal Cat) فلز انتقالی جهت فرم گرفتن دارند.
کاتالیست ها نوعا بشکل ذرات نانوئی موجود می باشند. تصور می شود اتم های کربن منفرد داخل ذره شده به سطحش نفوذ می کنند جائیکه به تیوب یا تیوب های در حال رشد می پیوندند [2].
بسته به شکل و سایز ذره و شرایط محیطی موجود، SWNT یا MWNT شکل خواهد گرفت. همچنین طول نهایی CNT به شرایط رشد بستگی دارد. جزئیات بیشتر در مورد سنتز CNT در مرجع [1] یافت می شود.
حضور کاتالیست جهت تولید CNT منتج به تولید رشته های منظم [3] CNT یا کریستال‌های منفرد بزرگ متشکل از چندین تیوپ [4] می شود، البته با کنترل موقعیت کاتالیست بهرحال بیشتر نانوتیوب‌ها به فرم دسته ای یا رشته ای تولید شده، بشکلی که تیوب‌های متعدد با نیروهای واندروالس بهم چسبیده اند. بیشتر تصاویر CNT در واقع تصاویر رشته های CNT هستند، فقط AFMها "Atomic Force Microscopes" و میکروسکوپهای الکترونی با قدرت تفکیک پذیری بالا (High resolution) می توانند تصاویر لوله های منفرد را نمایش دهند.
شکل 1 - طرحی از یک نانو تویپ تک جداره
شکل 2 - بردارهای کیرل نانو تیوپ و نمای شماتیک تیوپها از بالا (نقطه های سیاه اتم کربن هستند)
ادامه قسمت 2
واژه‌ها:CarbonCNTNanoTechnologyبتنسیمانصنعت ساختمانفنون نانومقاومتنانونانو تکنولوژینانو تیوب
چکیده
با توجه به رشد سریع تحقیقات علمی و عملی علوم و فنون نانو در کلیه علوم و صنایع توجه بسیاری کمی به کاربردهای این پدیده در صنعت ساختمان و بطور عام در ساخت و ساز شده است. ولی اخیرا با توجه به تقویت کننده ها و استحکام دهنده های نانویی در مصالح ساخت و ساز، موج جدیدی با شتاب فزاینده ای صنعت ساخت و ساز و مهندسی عمران را در برگرفته است.
کربن نانوتیوب ها، استوانه های تو خالی از تک ورقه های گرافیتی هستند که به شکل استوانه پیچیده شده اند، این مواد دارای خواص ساختاری مکانیکی و الکتریکی فوق العاده ای هستند که ناشی از خواص ویژه پیوندهای کربنی و تقارن استوانه ای آنهاست.
در مورد کربن، کربن نانوتیوب ها و کربن فایبرز، خواص، کاربردهای و روش های تولید انواع مختلف آنها و Modify کردن کربن نانوتیوب ها و کربن فایبرز، خواص، کاربردهای و روشهای تولید انواع مختلف آنها و آنها بر حسب نیاز، تحقیقات تاکنون انجام گرفته است و از آنجا که نانو لوله های کربن از کربن گرافیتی ساخته شده اند مقاومت بسیار خوبی در برابر حملات شیمیایی داشته و نیز پایداری حرارتی خیلی خوبی دارند.
در این مقاله سعی شده است تحقیقاتی جامع پیرامون نحوه تولید نانو تیوب ها صورت گیرد و همچنین استفاده کاربردی این علم را در صنعت ساختمان در حوزه سیمان و بتن مورد ارزیابی قرار دهیم.
1- مقدمه
کربن نانوتیوب ها Carbon Nano Technology (CNT) یکی از مهمترین زمینه های تحقیقاتی در نانوتکنولوژی می باشند. خواص و پتانسیل ویژه و انحصاری آنها برای کاربردهای ارزشمند تجاری، طیف وسیعی از الکترونیک تا کنترل فرایندهای شیمیایی را در برمی گیرد. این امر موجب تلاش بسیار عظیمی جهت تحقیق در مورد نانوتیوب ها در پنج سال اخیر شده است. با توجه به فعالیت های وسیع تحقیقاتی، به پتانسیل کار بردی این تحقیقات در صنعت ساختمان توجه بسیار کمی شده است.
مقاله حاضر سعی در پر کردن شکاف تحقیقاتی بین CNT ، مواد و مصالح ساختمانی دارد. ساختمان، خواص و چگونگی حصول کربن نانوتیوب ها در این مقاله بررسی شده، پتانسیل های کاربردی بطور عام و خاص برای صنعت ساختمان ا رائه شده است. میتوان کربن نانوتیوب ها و انواع اصلاح شده و تغییر شکل یافته گرافیت تصور کرد.
گرافیت از لایه های بسیار زیاد اتم های کربن که به فرم شش گوش بهم متصل و ورقه های مسطحی را تشکیل می دهند شکل گرفته است.
پیوند بین لایه های ضعیف و پیوند کربن اتم ها (داخل لایه ها) قوی می باشند. CNT را می توان ورقه یا ورقه هایی از گرافیت تصور کرد که لوله شده باشند.
CNT می تواند به شکل نانوتیوب های تک جداره (SWNT) مثل یک ورقه لوله شده و یا چند جداره (MWNT) شبیه به چند ورقه که با هم لوله شده باشند، موجود باشد.
CNT با انواع مختلف Chirality (کرلیتی) می تواند تولید شود.
کرلیتی آرایش شش گوشه اتم های کربن است که در جهت محور تیوب فرم گرفته اند. پس ممکن است دو تیوب با قطر یکسان ساختمان متفاوتی داشته باشند، اگرچه منحصرا از اتم های کربن تشکیل شده باشند.
CNT توسط بردار کردن شان تحت عنوان (m,n) شرح داده می شود که m و n اعداد صحیح هستند.
تیوپ (m,0) برای مثال (100) یک تیوپ مدل صندلی دسته دار (armchair) را توصیف می کند. که شش گوش ها در تیوپ مستقیما به موازات طولشان درست شبیه دسته های یک صندلی دسته دار امتداد پیدا می کنند. در حالیکه تیوپ با m=n برای مثال ( 5،5 ) تیوپ زیگزاگ خوانده می شود، که شش گوش ها به صورت زیگزاگ در طول لوله پایین می روند.
نانوتیوب نمایش داده شده در شکل 1 نیز یک نانوتیوپ زیگزاگ است. تیوب ها همچنین ممکن است بین این دو منتهی الیه کیرلیتی داشته باشند. مثل تیوپ (4و5) که می تواند توسط پیچیدن یک تیوب با بردارهای نشان داده شده در پایین شکل شماره 2 فرم بگیرد.
2- روشهای تولید نانوتیوپ (CNT)
سه مسیر مختلف جهت تولید CNT انتخاب شده است [1]. اولین روش یافته شده، تخلیه قوس الکتریکی (Electric Arc – discharge) را مورد استفاده قرار داده، به نحوی که یک جریان الکتریکی ولتاژ قوی از هوا (یا یک گاز خنثی یا گاز واکنشی) (reactive gas) عبور کرده به الکترود کربنی هدایت می شود.
روشهای دیگر:
Laser Ablation، قطع یا سائیدگی لیزری است که در این روش یک پرتو لیزری قوی مستقیما کربن را هدف قرار می دهد. CVD، Chemical Vapor Deposition)) نشاندن (Deposit) کردن بخارات شیمیایی می باشد، که گازی با پایه کربنی مانند متان را در درجه حرارت‌های بالا و گاهی فشارهای بالا مورد استفاده قرار می دهند.
در تمام سه مورد مختلف، اتم های کربن آزاد انرژی مورد نیاز جهت شکل گیری کربن نانوتیوب‌ها بجای گرافیت یا کربن آمفرف (کربن بی شکل و غیرمتبلور) را تامین می کنند. MWNT بدون حضور کاتالیست بتواند حاصل شود ولی SWNT عموما نیاز به حضور کاتالیست (Transition Metal Cat) فلز انتقالی جهت فرم گرفتن دارند.
کاتالیست ها نوعا بشکل ذرات نانوئی موجود می باشند. تصور می شود اتم های کربن منفرد داخل ذره شده به سطحش نفوذ می کنند جائیکه به تیوب یا تیوب های در حال رشد می پیوندند [2].
بسته به شکل و سایز ذره و شرایط محیطی موجود، SWNT یا MWNT شکل خواهد گرفت. همچنین طول نهایی CNT به شرایط رشد بستگی دارد. جزئیات بیشتر در مورد سنتز CNT در مرجع [1] یافت می شود.
حضور کاتالیست جهت تولید CNT منتج به تولید رشته های منظم [3] CNT یا کریستال‌های منفرد بزرگ متشکل از چندین تیوپ [4] می شود، البته با کنترل موقعیت کاتالیست بهرحال بیشتر نانوتیوب‌ها به فرم دسته ای یا رشته ای تولید شده، بشکلی که تیوب‌های متعدد با نیروهای واندروالس بهم چسبیده اند. بیشتر تصاویر CNT در واقع تصاویر رشته های CNT هستند، فقط AFMها "Atomic Force Microscopes" و میکروسکوپهای الکترونی با قدرت تفکیک پذیری بالا (High resolution) می توانند تصاویر لوله های منفرد را نمایش دهند.
شکل 1 - طرحی از یک نانو تویپ تک جداره
شکل 2 - بردارهای کیرل نانو تیوپ و نمای شماتیک تیوپها از بالا (نقطه های سیاه اتم کربن هستند)
ادامه قسمت 2
واژه‌ها:CarbonCNTNanoTechnologyبتنسیمانصنعت ساختمانفنون نانومقاومتنانونانو تکنولوژینانو تیوب
