X
تبلیغات
رایتل

کِم سِنتر

در آمدی بر کاربردهای نانوالماس

نانوساختار الماس

چکیده      

الماس، مهمترین ساختار سرامیکی تک عنصری و یکی از سخت ترین عناصری است که از کربن خالص تشکیل شده و به طور طبیعی تحت فشارهای زیاد اعماق زمین و در زمانی طولانی شکل می گیرد. اما می توان آنرا به طور مصنوعی در زمانی بسیار کوتاه تر و به کمک فرآیند فشار بالا دما بالا که اساسا تقلیدی از فرآیند طبیعی شکل گیری الماس می باشد، تولید کرد. در سالهای اخیر پیشرفت های شگرفی در تولید الماس حاصل شده که نتیجه آن، تولید الماس هایی در ابعاد نانومتر بوده که به علت داشتن خصوصیات بسیار عالی مکانیکی، حرارتی، نوری و عایق بودن، کاربردهای متنوعی را در صنایع مختلف به خود اختصاص داده است. در این مقاله کاربردهای نانوالماس در صنعت لاستیک، ساخت ابزار برش، همچنین استفاده از آن به عنوان نیمه رسانا مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.

مقدمه:

الماس سخت ترین ترکیبی است که از کربن خالص تشکیل شده و تحت تاثیر فشار و حرارت بسیار زیاد متبلور می شود. در طبیعت چنین ماده ای فقط در عمق 150 یا 200 کیلومتری از سطح زمین یافت می شود. ساختار الماس را می توان به صورت شبکه مکعبی وجوه مرکز پر، به  طوریکه نیمی از حفرات چهار وجهی آن پر شده است مشاهده کرد. در این ساختار، اتم های کربن با یکدیگر پیوند کووالانسی داشته و هر اتم کربن با چهار اتم کربن دیگر احاطه شده است.  پیوند بسیار قوی کووالانسی اتم های مجاور کربن، سبب افزایش مدول الاستیک و دمای پایداری فوق العاد بالا شده و همچنین سخت ترین ماده طبیعی را ایجاد می نمایند. ویژگی اصلی الماس سختی بالای آن است که در مقیاس مورس بیشترین مقدار یعنی 10 و در مقیاس نوپ، گستره 5500 الی 7000 را به خود اختصاص داده است. رسانایی گرمایی الماس های زینتی در میان تمام عناصر شناخته شده بیشترین میزان را دارد. به همین دلیل الماس در سرعت های بسیار بالا بدون اینکه گرمای تولید شده به آن صدمه بزند، تراش داده می شود.

الماس در برابر مایعات معدنی و اسیدهای غیر معدنی در دمای اتاق مقاوم است و به وسیله برخی اکسید کننده های قوی از قبیل سدیم و پتاسیم نیترید در دمای بالای 500 درجه سانتیگراد به وسیله مخلوطی از سدیم، پتاسیم کلرید و هیدروکسیدهای مذاب از قبیل کمی NaoHحک کاری می شود. در دمای نزدیک به 1000درجه به آسانی با کاربید فلزات از قبیل Co،Ni،Al،Fe و Ta واکنش می دهد.

حدود 45 سال پیش، در جولای 1963 میلادی، شوروی سابق و کشورهای بلوک شرق موفق به کشف روش انفجاری برای تولید نانوالماس شدند. هنوز عقیده بر این است که نانوالماس کاربردهای وسیعی در صنعت پیدا می کند و این امر سبب ادامه تحقیقات در این زمینه شده است. در بین سالهای 1988 تا 1998 میلادی، مطالعات گسترده ای جهت کاهش قیمت تمام شده نانوالماس با تمرکز بر روی واکنش تبدیل کربن به نانوالماس انجام شد. همچنین پارامترهای مختلف در تشکیل نانوالماس مورد مطالعه قرار گرفت. شاید به زودی تصور متداول درباره الماس ها، به کلی دگرگون شود. الماس هایی که به خاطر زیبایی، کمیاب بودن و زمان طولانی تولیدشان ارزش فوق العاده ای داشتند، امروزه در آزمایشگاه و در مدت زمانی حدود یک ساعت به وجود می آیند. اینکه این دگرگونی چه تاثیری در صنعت جواهر سازی یا قیمت الماس های طبیعی در بازار خواهد داشت هنوز در پرده ای از ابهام است. خصوصیات ویژه و منحصر به فرد پودر نانوالماس صنعتی باعث شده است تا امروزه کاربرد بسیار وسیعی در صنعت پیدا کند. قیمت ارزان آن نیز باعث کاربرد آسانتر آن شده است و هر روز به کاربران این ماده در صنایع مختلف افزوده می شود.

کاربردهای نانوالماس

هنری فورد نخستین کسی بود که پی برد با وجود هزینه زیاد اولیه، الماس در حقیقت ارزان ترین ساینده صنعتی برای استفاده دراز مدت است. صنایع تراش و ماشین ابزار، شیشه و عینک سازی ها از اولین صنایعی بودند که از الماس استفاده کردند. الماس های بزرگتر در مته های الماسی کاربرد دارند که در اکتشافات مواد معدنی، در استخراج کانی ها و در حفاری های چاه های نفتی و گازی استفاده می شوند. صنعت الکترونیک و برق هر دو از مصرف کنندگان الماس اند. چاپگرهای نساجی از الماس برای برش الگو و نیز دندانپزشکان و پزشکان برای برش ظریف استخوان و بافت ها استفاده می کنند.

از نظر کاربرد، می توان الماس را به انواع صنعتی جواهری و بالاس تقسیم کرد که نوع بالانس در حفاری صنعتی به کار می رود. ترکیبات و خصوصیات فیزیکی منحصر به فرد الماس، آنرا جز مواد با تحمل بالا قرار داده است.

ویفرهای الماس در پنجره های لیزر کاربرد دارد که نیازمند سطحی بسیار صاف و با ضریب جذب پایین است. الماس برای پنجره های لیزرهای با قدرت بالای Co2 به کار می رود. همچنین برای پنجره های عبور دهنده طول موج های کوچک الکترومغناطیسی برای ژیروترون و کلیسترون های قدرت بالا، پخش دی الکتریک برای طول موج های کوچک و موج های میلیمتری(CVD) و در استحکام چرخ ها و لاستیک ها استفاده می شوند.

برخی از موارد استفاده مواد نانو الماس در جدول زیر گزارش شده است.

کاربرد محل استفاده نمونه کاربرد
برش کاری و سنگزنی تیغه های برش، چاقوی جراحی دریل های پیچشی، سنگ چاقو تیزکن، صنایع چاقوسازی
قسمت های در معرض سایش قسمت های موتور، ابزار پزشکی،قاب کشش قالب اکستروژن، پوشش دیسک کامپیوتر، ماشین های بافتی
صوت
دیافراگم بلندگو
نفوذ و خوردگی پوشش الیاف،مخازن واکنش بوته ها، سدهای یونی
پوشش های نوری ضد انعکاس حمایت کننده لیزر، فیبرنوری
رفتار حرارتی چاپگرهای حرارتی دیودهای فروکش حرارت
نیمه هادی حسگرهای UV ترانزیستورهایی با نیروی بالا، میکروویو با توان بالا

استفاده از نانوالماس به عنوان نیمه رسانا

استفاده از الماس به عنوان نیمه رسانا نیز نیازمند شرایط ویژه ای مثل درجه خلوص فوق العاده بالا و جایگزینی فعال اتم ها به لحاظ الکتریکی برای ایجاد گذرگاه الکتریکی در وسیله مورد نظر است. اما الماس های طبیعی با اینکه دارای کیفیت جواهری بسیار ارزشمند هستند، به خاطر نقص ها، ناخالصی ها و ساختار ضعیفشان برای مصارف الکترونیکی نامناسبند. البته با کنترل شرایط سنتز می توان الماس ها ی مصنوعی با شرایط کاملا دلخواه تولید کرد که در کاربردهای الکترونیکی پرقدرت از سلفون ها گرفته تا کامپیوترهای شخصی وخطوط ارتباطی قابل استفاده هستند. به گفته جیمز باتلر یکی از شیمیدانان آزمایشگاه تحقیقات نیروی دریایی آمریکا، سه مشکل عمده بر سر راه استفاده از الماس های طبیعی در کاربردهای الکترونیکی وجود دارد، قیمت گران و عدم خلوص الماس های طبیعی. افزون بر این هیچ دو سنگی دقیقا شبیه هم نیستند و خواص منحصر به فرد در هریک می تواند مشکلاتی را در مدارهای الکترونیکی به بار آورد. آخرین مشکل در استفاده از الماس برای کاربردهای الکترونیکی و کامپیوتری، نیاز به دو نوع الماس یعنی سنگهای نوع n و p برای هدایت الکترونیکی است. در مدارهای مجتمع باید از هر دو نوع الماس نیمه رسانای n و p استفاده کرد اما الماس های نوع n به طور طبیعی وجود ندارد و الماس های نوع p، به قدری نادرند که هیچ راه مقرون به صرفه ای برای استفاده از آنها پیدا نشده است. به هر حال الماسهای مصنوعی این مشکلات را برطرف می کنند. به گفته رابرت لینارس بنیانگذار کمپانی آپولو دیاموند،(برای مثال) می توان با افزودن ناخالصی فلز بور به الماس، نیمه رسانای نوع p را تولید کرد. به طور مشابه دانشمندان می توانند با افزودن فسفر به الماس بیرنگ، الماس نوع nرا نیز تولید کنند. برای استفاده از الماس نیمه رسانا در دستگاه های الکترونیکی پر قدرت نیاز به ترکیبی لایه ای از این دو نوع الماس است. امروزه نیمه رساناهای بسیاری مثل سیلیکون در گستره وسیعی از دستگاه های الکترونیکی به کار می روند. اما الماس با توجه به دامنه تغییرات حرارتی و سرعت فوق العاده اش، عنوان دومین نیمه رسانای برتر جهان را به خود اختصاص می دهد. الماس با داشتن چنین ویژگیهایی و به خصوص امروز که آزمایشگاه ها قادر به تولید سنگ های خالص و ناخالص کنترل شده هستند، می تواند پایه گذار انواع بسیار جدیدی از دستگاه های الکترونیکی پرقدرت باشد.

به عنوان برخی از کاربردهای عملی الماس می توان به موارد زیر اشاره کرد:

- لوازم الکترونیکی ولتاژ و توان بالا مثل ترن های سریع

- دستگاه های فرکانس بالا مثل رادارهای پرقدرت و ایستگاه های مخابراتی سیار

- دستگاه های میکرو و نانوالکترومکانیکی مانند ساعتها و فیلترهای تلفن همراه

- آشکارساز پرتوهای پر انرژی مثل پرتوسنج های پزشکی

- اپتیک و لیزرهای پرقدرت مانند آنچه در کابل و خطوط تلفن یا پنجره شاتل های فضایی به کار می رود.

- الکترودهای الماسی مقاوم به خوردگی که می تواند محیط های آلوده را پاک کند.

 کاربرد ساختارهای نانومتری الماس در لاستیک

الماس نانومتری به طور گسترده ای در کامپوزیت ها از جمله لاستیک در مواد ضد اصطکاک و مواد روانکار به کار می رود. این ساختارهای نانومتری الماس، دارای خواص برجسته ای هستند. از جمله این خواص می توان به موارد زیر اشاره کرد:

1.ساختار کریستالی

2.شکل کاملا کروی

3.ساختمان شیمیایی بسیار محکم

4. فعالیت جذب سطحی بسیار بالا

در روسیه الماس نانومتری با درصدهای مختلف به لاستیک طبیعی، لاستیک پلی سوپرن و لاستیک فولرین برای ساخت لاستیک هایی که در صنعت کاربرد دارند، مورد استفاده قرار می گیرد. نتایج به دست آمده نشان می دهد که با افزودن ساختارهای نانومتری الماس به لاستیک ها خواص آنها به شکل قابل توجهی بهبود می یابد. از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد:

1. چهار الی پنج برابر شدن خاصیت انعطاف پذیری لاستیک؛

2. افزایش دو الی پنج برابری میزان استحکام؛

3. خاصیت مقاومت در برابر گسیختگی آنها در دمای بالا و پایین به اندازه بسیار زیادی بهبود می یابد؛

4. افزایش دمای اشتعال لاستیک، با وارد نمودن این نانوذرات شاهد افزایش دمای اشتعال و افزایش استحکام مکانیکی در لاستیک خواهیم بود که از دلایل اصلی آن حذف مقادیر زیادی دوده است؛

5. کاهش وزن لاستیک، با افزودن حدود 3 الی 5 درصد نانوذره پرکننده به لاستیک استحکام مکانیکی معادل با 40 تا45 درصد دوده و نیز کاهش وزن به مقدار قابل ملاحظه ای بدست می آید؛

6. افزایش مقاومت در مقابل نفوذپذیری گاز، این نانوکامپوزیت ها به علت ضریب عبوردهی کم نسبت به گازها به ویژه هوا می توانند در افزایش مقاومت در برابر نفوذ و عبور گازها مفید باشند؛

7. افزایش مقاومت سایشی لاستیک؛ با افزایش نانوذره های پرکننده به لاستیک امکان افزایش مقاومت سایشی لاستیک وجود دارد.

نتیجه گیری:

نانوالماس به دلیل خصوصیات بی نظیر خود قابلیت استفاده در کاربردهای گوناگون را دارا هستند. با استفاده از نانوالماس ها در نیمه رساناها می توان دستگاه هایی را تولید نمود که با استفاده از مواد مرسوم قادر به تولید آنها نخواهیم بود. استفاده از نانوالماس در صنایع لاستیک موجب می شود علاوه بر کاهش وزن، خواص مورد نیاز لاستیک به طور چشمگیری افزایش یابد. با اینکه هزینه اولیه استفاده از نانو الماس ها زیاد است، اما کارایی نانوالماس ها در زمان های طولانی باعث شده تا استفاده از آنها توجیه اقتصادی داشته باشد؛ هرچند با گسترش روش های نوین سنتز هزینه های اولیه استفاده از نانو الماس ها نیز کاهش یافته است.

    

    

منبع:نشریه فضای نانو

http://www.tebyan.net/science_technology/nanotechnology/2008/5/14/66590.html

نظرات (0)
نام :
ایمیل : [پنهان میماند]
وب/وبلاگ :
برای نمایش آواتار خود در این وبلاگ در سایت Gravatar.com ثبت نام کنید. (راهنما)