نانوتیوب‌های کربنی استحکام بخش پلاستیک‌های متداول

یک گروه تحقیقاتی از پژوهشکده‌ی Weizmann دریافتند که افزودن نانو تیوب‌های کربنی به دسته‌ی وسیعی از پلاستیک‌های تجاری می‌تواند به میزان قابل توجهی باعث افزایش استحکام آنها شود. فعالیتهای این گروه نمونه‌ای از دست یابی به کامپوزیت‌هایی با خواص بهبود یافته از ترکیب نانوتیوب‌های کربنی با پلاستیک‌ها و سایر مواد است.PMMA یکی از پلاستیک‌های رایج در شیشه‌های نشکن است که جایگزین دیگر مواد مانند  Plexiglas و  Luciteشده است.

محققان با تقویت این پلاستیک با نانوتیوب‌های کربنی تک دیواره و چند دیواره دریافتند که با وجود مؤثر بودن هر دو گونه، نانو تیوبهای چند دیواره استحکام بیشتری به آن می‌بخشند، این نانوتیوب‌ها شبیه چندین نانوتیوب تک دیواره‌اند که به صورت تو در تو در کنار هم قرار گرفته‌اند.

مواد بالک تقویت شده با نانوساختارها آینده‌ی کامپوزیت‌ها را تشکیل می‌دهند و در حال جایگزینی کامپوزیت‌ها‌ی حاصل از ذرات میکرومتری هستند.

انتخاب نانوتیوب‌های کربنی به دلیل استحکام بسیار بالای آنها و بالاخص اینکه نانوتیوب‌های چند دیواره از مقاومت بالایی در برابر شکست برخور دارند طبیعی است (که علت آن ساختارهای بسیار پیچیده‌ی آنهاست و این نانوتیوب‌ها می‌توانند شامل ۵۰ نانوتیوب  تو در تو شوند).

اما دستیابی به بهبود قابل توجه در استحکام ماده با استفاده از نانوتیوب‌های تقویت کننده، به دلیل مشکل بودن منع پی آمدهایی چون  تجمع نانوتیوبها به صورت خوشه‌ای -برخی از نانوتیوب‌ها به صورت تصادفی بیش از انتشار و پخش شدن در ماتریس تجمع هایی ایجاد می‌کنند- که می‌تواند باعث کاهش قدرت مواد شود، همواره اتفاق نمی‌افتد.

به عقیده‌ی رهبر این گروه تحقیقاتی با وجود تعداد زیاد پژوهش‌های انجام شده، هنوز یافته‌های متناقضی  در رابطه با نقش نانوتیوب‌ها به عنوان عوامل تقویت کننده و نقش نوع نانوتیوب -چند دیواره در برابر تک دیواره- وجود دارند.

همچنین او معتقد است: “چالش بزرگ دیگر در تهیه‌ی نانوکامپوزیت‌ها ایجاد و توسعه‌ی روشهای توزیع نانوساختارها به صورت منظم است. ما از روش electrospinning که روشی ساده و کارا در تهیه‌ی نانوکامپوزیت‌ها در مقیاس وسیع است استفاده کردیم.”

Electrospinning شامل استفاده از بارالکتریکی به منظور کشیدن فیبرهای بسیار ظریف یا ساختارهای (معمولاً در مقیاس میکرو و یا نانو) از یک مایع می‌باشد. این روش در علوم و تکنولوژی‌های مختلف از صنایع نساجی تا تهیه‌ی اجزاء ارگ در هنر کاربرد دارد.

به منظور انجام آزمایش، فیبرهای PMMA و فیبرهای تقویت شده با نانو تیوب‌های تک دیواره (SWCNTs) یا چند دیواره (MWCNTs) جدا سازی شدند. آنالیز آنها نشان می‌دهد که نانوتیوب‌های جاسازی شده بین فیبرها به طرز جالبی همردیف با محور فیبرها قرار گرفته اند. SWCNTها رشته‌های طویل و ضخیمی ایجاد می‌کنند و به منظور چند برابر کردن عدم شکنندگی کامپوزیت‌ها مجتمع می‌شوند.

اما MWCNT‌ها به خوبی توزیع شده بودند که این مساله باعث بالا بردن عدم شکنندگی می‌شود.

قدرت کامپوزیتها با استفاده از دستگاه کشش نانو(“nanotensile”) که فیبرها را تا پارگی آنها تحت کشش قرار می‌داد و توسط محققین طراحی شده بود، آزموده شد. پژوهشگران این فرآیند را با استفاده از میکروسکوپ الکترونی دنبال کردند. به منظور رفع اثر قطر فیبرها بر نتایج آزمون، نمونه‌های مورد آزمایش دارای قطر بین ۵۰۰ تا ۷۵۰ نانومتر مورد استفاده قرار گرفتند.

افزودن نانوتیوبهای کربنی به پلی متیل متاکریلات (PMMA) باعث ایجاد تغییرات قابل توجهی شد.

فیبرهای PMMA خالص تحت تنش‌های کششی نسبتا ضعیف ایجاد neck (تنگه) می‌کنند و نهایتا دچار شکست می‌شوند. هر دو نوع کامپوزیتها نیز تحت تنش ایجاد neck می‌کنند اما در مقایسه با PMMA خالص در تنشهای بسیار بالاتری دچار شکست می‌شوند. به این ترتیب این مواد تحت تنش‌های نسبتا قوی تغییر شکل می‌یابند، اما شکسته نمی شوند.

یافته‌های این پژوهش در March 2, 2009 در Nano Letters منتشر شده است.