روشی جدید برای دیسپرس کردن نانولوله ها

محققان دانشگاه کارولینای جنوبی و دانشگاه جرجیا روش جدیدی برای بهتر دیسپرس شدن نانولوله‌های کربنی درون اتانول ارائه کردند که این روش موجب افزایش مدول الاستیک نانوکامپوزیت‌های نانولوله/اپوکسی می‌شود.

یک تیم تحقیقاتی به رهبری زایدونگ از کالج مهندسی دانشگاه کارولینای جنوبی موفق به ارائه دستاورد جدیدی در به‌کارگیری از نانولوله‌های کربنی شده است. این گروه تحقیقاتی از دو روش غیرفعال‌سازی با هیدروژن و اولتراسونیک برای توزیع یکنواخت نانولوله‌های کربنی چند جداره استفاده کردند.

نتایج استفاده از نانولوله‌های کربنی و کامپوزیت‌های سبک آن در ادوات اپتوالکترونیکی، ذخیره‌ساز انرژی، مبدل‌های انرژی و دستگاه‌های جمع‌آوری انرژی بسیار عالی بوده است.

متاسفانه موضوع دیسپرس کردن نانولوله‌های کربنی به‌صورت چالشی میان محققان بوده و مانع استفاده از این مواد می‌شود. این روش جدید بسیار ارزان، ساده و زیست سازگار است، به‌طوری که می‌توان خیلی سریع آن را برای حوزه‌های مختلف استفاده کرد.

نانولوله‌های کربنی دارای ویژگی‌های منحصر به‌فرد متعددی هستند. برای مثال خواص مکانیکی و رفتارهای غیرمعمول این مواد برای محققان جالب است. با افزودن نانولوله‌ها به مواد مختلف، حتی در درصدهای بسیار اندک، محققان توانستند خواص مواد را بهبود دهند. اما کار با نانولوله‌های کربنی، که دارای خاصیت آب‌گریزی شدیدی هستند، بسیار دشوار است. نانولوله‌ها در بسیاری از حلال‌ها و پلیمرها نامحلول بوده و تمایل به کلوخه شدن دارند که این موضوع مانع بزرگی بر سر راه پوشش‌دهی سطوح با نانولوله و یا توزیع آنها درون ژل یا جامدات است.

از دیر باز اولتراسونیک ابزار مناسبی برای دیسپرس کردن نانولوله‌های کربنی بوده است. اما این روش بسیار کند است و معمولاً با قطع کردن امواج اولتراسونیک فرآیند تجمع آغاز می‌شود. پژوهشگران از ترکیب دو روش اولتراسونیک و آزادسازی تدریجی گاز هیدروژن موفق به دیسپرس کردن کامل نانولوله‌های کربنی درون اتانول شدند. این کار تقریباً دو ساعت زمان لازم دارد. فرآیند دیسپرس شدن کامل نانولوله‌ها حتی با چشم غیرمسلح نیز قابل روئیت است. اما در این پروژه از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) استفاده شد.

روشی جدید برای دیسپرس کردن نانولوله ها با استفاده از امواج اولتراسونیک در حضور هیدروژن

محققین این فرایند را اینگونه توضیح می دهند که انرژی امواج اولتراسونیک موجب شکستن پیوندهای C-C در نانولوله شده که در حضور گاز هیدروژن، پیوندهای C-H تشکیل می گردد. طیف سنجی اشعه X نیز تشکیل این پیوندها را تایید می کند. با حرارت دادن، هیدروژن ها به راحتی از نانولوله های چندجداره جدا می شوند. این در حالی است که در روش های معمول اصلاح نانولوله ها، مانند اصلاح با فلزات قلیایی یا اصلاح یونی، مقداری ناخالصی وارد ماده می گردد.

این گروه تحقیقاتی با استفاده از این روش موفق به تولید کامپوزیت‌های اپکسی- نانولوله‌ای (با یک درصد وزنی نانولوله) شدند و سپس خواص مکانیکی آن را مورد بررسی قرار دادند. مدول الاستیک این نانوکامپوزیت ۱۰۰ درصد نسبت به اپوکسی خالص افزایش داشت. این درحالی است که نانوکامپوزیت دارای نانولوله در صورت عدم استفاده از جریان گاز هیدروژن تنها ۴۰ درصد بیشتر از اپوکسی افزایش مدول الاستیک دارد.

نتایج کار این تیم در نشریه Advanced Materials منتشر شده است.