کاربرد نانو تکنولوژی در مهندسی عمران

پیوند بین لایه های ضعیف و پیوند کربن اتم ها (داخل لایه ها) قوی می باشند. کربن نانوتیوب هارا می توان ورقه یا ورقه هایی از گرافیت تصور کرد که لوله شده باشند.کربن نانوتیوب هامی 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.
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. کربن نانوتیوب هاتوسط بردار کردن شان تحت عنوان (m,n) شرح داده می شود که m و n اعداد صحیح هستند. 2- روش‌های تولید نانوتیوپ (CNT) سه مسیر مختلف جهت تولید نانوتیوب انتخاب شده است . اولین روش یافته شده، تخلیه قوس الکتریک را مورد استفاده قرار داده، به نحوی که یک جریان الکتریکی ولتاژ قوی از هوا (یا یک گاز خنثی یا گاز واکنشی) عبور کرده به الکترود کربنی هدایت می شود. روش دوم قطع یا سائیدگی لیزری است که در این روش یک پرتو لیزری قوی مستقیما کربن را هدف قرار می دهد. 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 کنندبدون 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. 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. حضور کاتالیست جهت تولید CNT منتج به تولید رشته های منظم CNT یا کریستال‌های منفرد بزرگ متشکل از چندین تیوپ 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 بالامی توانند تصاویر لوله های منفرد را نمایش دهند. 3- خواص نانوتیوپ نانوتیوپها (Carbon Nano Technology) خواص ویژه متعددی دارند. طیف رفتار الکترونیکی‌شان به کیرلیتیآنها بستگی دارد تیوب های مدل صندلی دسته دار، فلزی و انواع دیگر تیوب ها نیمه رساناها هستند. بعلاوه درجه رسانائی یا نیمه رسانائی توسط doping قابل کنترل است. بعنوان مثال تحقیق اخیر نشان داده است که حضور اکسیژن بتدریج روی رسانائی نانوتیوپاثر می گذارد. تغییرات در اندازه یا تغییر شکل مکانیکی هم روی خواص الکترونیکی آنها موثر است. نانوتیوپ ها همچنیندستگاه‌های نشر میدانی با کیفیت بالا هستند. قرار دادن کربن نانوتیوب در یک میدان الکترونیکی قوی باعث ساتع شدن الکترون‌ها با راندمان بالا بدون آسیب رساندن به تیوب ها می شود خلاصه‌ای از رفتار الکترونیکی کربن نانوتیوب‌ها در مرجع موجود است.
از دید مکانیکی، به نظر می رسد نانوتیوپقویترین ماده ای است که تابه حال شناخته شده است ، نتایج عملی نشان داده است که آنها میزانی از الاستیسیتی (قابلیت ارتجاعی) دارند که به مقدار Tpa1 قابل افزایش است. اندازه گیری نهاییاستحکام کرنش بسیار مشکل است ولی اندازه گیری نقطه تسلیم نانو تیوپ تک جداره SWNT از 63Gpa گزارش شده، و Yield Strains از حدود 6% یا بیشترنانوتیوپ ها بشدت انعطاف پذیرند بطوریکه قابل خم شدن بشکل دایره یا حتی گره خوردن هستند مانند تیوب های میکروسکوپیک، می تواند تحت بارگذاری مناسب مسطح یاپیچانده شوند.
در مورد رفتار حرارتی نانوتیوپ کار کمتری انجام شده ولی کار تئوری درست مثل اندازه‌گیری‌های عملی انجام شده روی سوسپانسیون نانوتیوپ در مایعات اشاره دارد به اینکه ممکن استهدایت حرارتی آنها هم نزدیک شدن به حد Theoretical مو اد کربنی به نحو قابل توجهی بالا باشد. اگر این تخمین و ارزیابی ها درست باشند، نانوتیوپ ماده ای است که بیشترین رسانائی حرارتیرا در دمای اتاق داراست که تابه حال شناخته شده است. ویژگی دیگر این است که تصویر می‌رود رسانائی حرارتی نانوتیوپ در طول تیوب‌ها بیش تر از عرض آنها باشد، در نتیجه پتانسیلی برای موارد ایجاد می شود که خواص هدایت حرارتیناهمگنداشته باشند. به هرحال، اندازه گیری‌های مستقیم روی نانوتیوپ باید این حدسیات را تایید کنید.

4- کاربردهای نانوتیوپ

زمینه های کلیدی کاربردهای بالقوه و بالفعلنانوتیوپ شامل الکترونیک، حسگرها، مواد مصالح ساختمانی، پرکن‌هاو مواد ذخیره ایمی باشد. بیشترین طیف کاربرد تجاری برای این ماده استفاده از MWNT بعنوان ماده پرکن در کامپوزیت های پلاستیک و رنگ ها می باشد و گاهی بعنوان جایگزین بهبود و اصلاح یافته برای کربن سیاهاین بازار به ارزش چندین میلیون دلار برآورد شده است. توانائی نانوتیوپدر فلزو نیمه هادیبودنش، با یک تغییر در ساختمانش بجای تغییر در ترکیباتش، امکانات قابل توجهی برای الکترونیک نانویی ایجاد می کند. انواع مختلف ترانزیستورهای نانوتیوپودریچه های منطقی قبلا شرح داده شده اند ومدارهای مجتمعدر حال توسعه و پیشرفت هستند. طبیعت خطی نانوتیوپبه این معنی است که آنها فایده دیگری نیز دارند و آن اینکه قادرند به عنواناتصال دهنده برای دستگاه‌های الکترونیکی عمل کنند به همان نحوی که خود دستگاه ها به یکدیگر در اندازه نانو را تسهیل کند. یکی از کاربردهای وابسته و احتمالا یکی از اولین مواردی که به بازار راه خواهد یافت تحت عنوان
Emitters in Field Displays می باشد. در این کاربرد، الکترون های تولید شده توسط Emitters به طرف مواد فسفری موجود در سطح Display هدایت می شوند که در بازگشت فوتون های مرئی ساتع می کنند. انتظار می رود راندمان وضریب اطمینان بالای Display, CNT field emitters های ارزانتر با عملکرد فوق العاده را ارائه دهند. رفتار مکانیکی نانوتیوپعلاقمندی زیادی جهت استفاده از آنها بعنوان مواد ساختمانی ایجاد کرده است. پتانسیل های استفاده از رشته های نانوتیوپهنوز قابل تامل و تعمق بوده در ادامه با جزئیات بیشتر در مورد امکانات کاربردی اش در صنعت ساختمان بحث و بررسی خواهد شد. به نظر می رسد توسعه کوتاه مدت برای کامپوزیت های نانوتیوب با توجه به پتانسیل فعلی آنها عملی تر باشد، چون طول تیوبی که در حال حاضر ساخته می شود نیز برای این منظور مناسب تر است. نانوتیوپهمچنین به علت استحکام ونسبت طول به عرض فوق العاده زیادشان بسیار به تقویت کننده های ایده ال نزدیک اند. در نتیجه، تحقیق در چنین کاربردی به نحو شایانی، بخصوص با تاکید بر کامپیوزیت های پلیمری، مورد توجه قرار گرفته است. کربن نانوتیوب ها بعد از خالص سازی بعلت وجود نیروهای واندروالس مایلند به یکدیگر بپیوندند، دستیابی و بوجود آوردن توزیعدرست و یکنواخت از تیوب های تک آشکارا مشکل است. این تلاش به روش های مختلفی صورت گرفته است.
کارهای اولیه مستلزم وظیفه مند کردن (functionalizing) تیوب ها بوده در حالیکه تحقیقات بعدی فقط استفاده از سورفکتنت ها وهمزدن صوتی را نیاز دارد. انرژی صوتی دسته های نانوتیوب را تفکیک کرده تیوب ها را پراکنده می کند و سوفکتنت به جدا و پراکنده ماندن تیوب ها کمک و باعث ابقا آنها می شود. تیوبهای متفرق شده داخل matrix عموما تحت sonication مداوم همزده می شو ند مسئله دوم دستیابی به پیوند مناسب CNT-matrix می باشد. نمونه کامپوزیت های پلیمری نانوتیوپعقب نشینیرشته را زیر بارهای کم نشان می دهد و در نهایت دوام و استحکام بالا قابل دستیابی نیست، تحقیقات جهت غلبه به این مورد ادامه دارد. همچنین کوشش‌هائی جهت ا یجاد و توسعه کامپوزیت‌های فلز نانوتیوپو سرامیک نانوتیوپانجام گرفته است. علاوه بر مسائل مشابهی مانند آنچه کامپوزیت‌های پلیمری با آن مواجه اند، متعاقبا به علت نیاز به دماهای بالاتر جهت Sinter کردن متریکس مواد به دشواری‌ها و پیچیدگی‌ها افزوده می شود. به هرحال، به نظر می‌رسد کامپوزیت‌های آلومینیوم formation carbide ، نانوتیوپدیده شده در کامپوزیت‌های Carbon Fiber را تجزیه و تحمل کنند. یک تکنیک موفق جهت تهیه سرامیک آلومینای تقویت شده وجود دارد، در این کار شربت خمیر با ویسکوزیته کم آلومینا – اتانل به نانوتیوپمتفرق شده در اتانل افزوده می شود. پودر حاصله قبل ازمنعقد شدن و بهم چسبیدن توسط جرقه الک و آسیابمی شود. مراحل ابتدائی نانوتیوپدرست و یکنواخت توزیع شده را تولید می کند، در حالیکه روش sintering یک ماده کاملا چگال را ارائه می دهد، همچنین ذرات نانومتریک در الومینا حفظ شده از آسیب رساندن به نانوتیوپممانعت بعمل می‌اید. این روش برای توسعه کامپوزیت های سرامیکی آینده بسیار نوید بخش به نظر می رسد. زمینه های کاربردی متعدد و بسیار مهم دیگری نیز وجود دارد برای مثال بعنوان حسگرها برای ذخیره و کنترل کاتالیست ها و یا بعنوان نوکبرای AFMها (Atomic force micsopes) در زمینه های ذخیره سازی هیدروژن پیشرفت موفقیت آمیز کمتری وجود داشته است. تحقیقات اخیر چنین نشان می دهد که بعید به نظر می رسد نانوتیوپابراز موثری جهت ذخیره سازی باشد، در حالیکه کارهای اولیه نوید ذخیره سازی بسیار بالای وزنی را می داد. وسعت کاربردها برای نانوتیوپبستگی به بهبود و پیشرفت روش های سنتر دارد. کاهش قیمت ها یک عامل بسیار مهم است، ولی توانائی تولید منظم و مداوم تیوب های با طول زیاد و Chirality مشخص، رشته ها یا تیوب‌های تک که بسیار متناسب و مطلوب باشند و تیوبهای با خواص الکترونیکی ویژه، تماما برای کاربردهای مختلف تجاری لازم خواهد بود. در حال حاضر به نظر می رسد displays field emission احتمالا اولین استفاده کننده گسترده از نانوتیوپورای کاربرد جاری MWNT بعنوان مواد پرکن باشند.

5- کاربردهای کربن نانوتیوب ها در صنعت ساختمان

همانطور که بسیاری از کاربردهای نانوتیوپبرای بیشتر صنایع بسط و توسعه یافته برای صنعت ساختمان نیز کاربردهایی خواهد یافت، حداقل سه عرصه گسترده تحقیقاتی وجود دارد که منجر به تولید محصولاتی منحصرا و مشخصا مورد نیاز ساختمان خواهد بود. این زمینه های تحقیقاتی شامل ساخت کامپوزیت های نانوتیوپبا مواد و مصالح ساختمانی موجود، استفاده از رشته ها و ریسمان های نانوتیوپبعنوان اجزاء ساخت و سیستم های انتقال حرارت نانوتیوپبعلت دوام و استحکام فوق العاده، سختی و aspect ratio بسیار بالا تقویت کننده های بسیار عالی هستند. پلیمر، سیمان و شیشه همگی کاندیدهای بالقوه ای برای مواد ماتریکس نانوتیوپهستند. شیشه تقویت شده با نانوتیوپیا نانوفایبرهای دیگر بعلت امکان توانائی نانو فایبرها یا نانو تیوب ها در جهت تقویت استحکام بدون مزاحمت در انتقال نور مورد توجه اند. به هرحال، کار کمی روی رفتار اپتیکی (نوری) نانوفایبرها از این منظور انجام شده، موفقیت این دیدگاه درعمل مشخص خواهد شد. تولید نانوتیوپهای بلندتر که بتوانند به فرم ریسمان در آینده امکانات بدیهی و واضحی برای کاربردهای مثل پل های معلقایجاد خواهد کرد. استحکام و الاستیسیتی نانوتیوپامکان طراحیطلق ها و پله ای بطور قابل توجهی بلندتر از چیزی که تکنولوژی موجود ممکن می سازد را بوجود خواهد آورد. همچنین استفاده از ریسمان های نانوتیوپدر ساختمان های بتن بهسازی شده ممکن است عملی نباشد. کربن نانو تیوب ها همچنین بعنوان موادی برای ساخت ساختارهای خیلی بزرگمثل بالابرهای فضائی مورد بحث و بررسی قرار گرفته اند.
این سیستم های کابلی قابلیت تئوریکی رسیدن به ماوراء Geo Synchronous orbits از سطح زمین را دارند. اتاقک های بالابر همزمان بالا و پایین می روند و کابل امکان انتقال بار از فضا به زمین و بالعکس را با کمترین انرژی فراهم خواهد ساخت. باید دید چنین ساختارهایی امکان طراحی و ساخت خواهند یافت یا خیر، چنین به نظر می رسد که نانوتیوپتنها ماده ای است که تحمل کلان ساختمانی بارهای لازم را خواهد داشت.

6- نتيجه گيري

از آنجائیکه دانسیته مناسب از کربن نانو تیوب ها می توانند قادر به هدایت سریع حرارت از سطح تماس به حفره های حرارتیباشند امکان تحقق کامپوزیت مواد اصلاح شده از نظر مقاومت حرارتی مطرح می گردد. همچنین بعدها ممکن است توسعه مواد عایق کننده و لوله های حرارتی، بهره مندی از اختلاف هدایت حرارتی در طول و عرض لوله ها را تحقق بخشد. یکی از کاربردها می تواند گرم کردن ساختمان ها باشد که جایگزین سیستم های بر مبنای مایع موجود، برای گرما دهی طبقات خواهند شد

کاربرد نانو تکنولوژی در مهندسی عمران

مطالب مشابه :

اطلاعیه دانشگاه

جوشقان در گذر زمان

فرم های کارشناسی ارشد

تعهد نامه اصالت اثر

مقایسه ی هوش هیجانی و جرات ورزی در دانش آموزان دختر و پسر نابینا و عادی

ویژوال بیسیک دات نت

نحوه پذیرش مرکز آزمون در مرحله تکمیل ظرفیت کنکور کارشناسی ارشد دانشگاه آزاد

کاربرد نانو تکنولوژی در مهندسی عمران

شناخت سيمان