مقاله شماره 90: ویژگی‏های نانولوله‏ های کربنی

[m4material]

بسمه تعالي

ویژگی‏های نانولوله‏ های کربنی

بخش اول:

چگونه خواص نانولوله‏ های کربنی را بررسی کنیم؟


​

1. مقدمه
   در مقاله‏ های قبلی از سری مقالات با عنوان «ساختار نانولوله‏ های کربنی» و دیگر مقالات مرتبط با این نانومواد، با ساختار اتمی نانولوله‏ های کربنی آشنا شدیم. روش تجسم ساختار نانولوله ‏های کربنی از طریق لوله کردن صفحات گرافن، به دست آوردن مولفه ‏های کایرال نانولوله ‏ها، محاسبات ساختاری آن‏ها و برخی اطلاعات دیگر، از آموزه‏ های این مقالات بودند. اکنون می‏دانیم که نانولوله‏ های کربنی می‏توانند به شکل‏های مختلف وجود داشته باشند که در هر یک از آن‏ها ترتیب چیدمان اتم‏های کربنی با دیگری متفاوت است. در ادامه، در سری مقالات «ویژگی‏ های نانولوله‌های کربنی» به بررسی خواص این نانومواد جذاب می‏پردازیم. در اولین مقاله از این سری، به نوعی دسته‏ بندی از روش‏های مختلف بررسی این مواد اشاره می‏کنیم.
   در این مقاله صرف نظر از میزان کارآیی روش‏ها، تنها به کلیات روش‏ها اشاره شده است و تنها به این نکته که این روش‏ها بالقوه امکان مطالعه‏ی خواص نانولوله‏های کربنی را دارند، بسنده می‏کنیم. بدیهی است که در عمل، استفاده از این روش‏ها از پیچیدگی‏های خاصی برخوردار است و با چالش‏های بسیاری روبرو می‌شود. اشاره به این نکته لازم است که لازمه‏ی مطالعه‏ی این مقاله، صبر و حوصله‏ی خواننده است. همچنین توصیه می‏شود برای درک بهتر این مطالب که چکیده‏ای از انبوه اطلاعات موجود در این زمینه می‏باشند، حتما به مراجع اشاره شده در مقاله رجوع شود.
   
2. معرفی و طرح مسئله
   همان‏گونه که می‏دانیم، نانولوله‏های کربنی موجودات بسیار کوچکی هستند که اگر آن‏ها را روی هم بریزیم، مانند یک توده‏ی پودری سیاه رنگ و به شکل دوده در می‏آیند (شکل 1). با توجه به مقدار حد تفکیک چشم انسان، نمی‏توانیم نانوله‏ها را به شکل مجزا بینیم. از طرفی این‏ها آن قدر کوچک هستند که نمی‏توان آن‏ها را با استفاده از دستگاه‏های متداول نگه داشت. این سوال پیش می‏آید که با وجود این شرایط، چگونه می‏توانیم خواص این موجودات جالب را بررسی کنیم؟

شکل 1- یک قوطی پلاستیکی حاوی نانولوله‏ های کربنی


​

برای روشن‏تر شدن موضوع، یک مثال را بررسی می‏کنیم. یکی از خصوصیات ماده که در دسته‏ی خواص مکانیکی قرار می‏گیرد، استحکام ماده یا استحکام کششی آن است. به عبارتی، میزان مقاومت یک جسم در برابر نیروهایی که آن را از دو طرف می‏کشند، از خواص مهم ماده است. برای بررسی این ویژگی در موادی مانند فلزات یا پلیمرها، نمونه‏ای از آن را از طریق روش استانداردی تهیه می‏کنند (مثال‏هایی از این نمونه در شکل 2 دیده می‏شود). سپس دو انتهای این نمونه را داخل گیره‏هایی قرار می‏دهند. پس از محکم کردن، به این دو گیره نیرویی در جهت دور کردن آن‏ها از یکدیگر وارد می‏شود. در نتیجه جسم تحت نیروهای کششی قرار می‏گیرد و در نهایت می‏شکند. از طریق محاسبه‏ی حداکثر نیروی وارد شده به جسم، می‏توان استحکام ماده را به دست آورد.

شکل 2- نمونه‏ های تست کشش که بر اثر فرآیند کشش، شکسته شده ‏اند.

​

اما همان‏طور که تاکنون متوجه شده‏اید، قطر نانولوله‏های کربنی بسیار کمتر از آن است که بتوان آن را توسط ابزارهای متداول نگه داشت. گرچه در سال‏های اخیر، دانشمندان توانسته‏اند با استفاده از روش‏هایی، نانولوله‏ها را در یک محل مشخص قرار دهند و خواص آن‏ها را بررسی نمایند (شکل 3).

شکل 3- یک نانولوله‏ی چند دیواره که به دو سوزن نوک تیز روبروی هم متصل شده است.


​

• راه‏های بررسی خواص نانولوله‏های کربنی

1. شبیه سازی
   مطمئنا در زمینه‏ی شبیه‏سازی مطالبی را مطالعه نموده‏اید. یکی از راه‏های بررسی خواص نانولوله‏های کربنی، شبیه‏سازی می‏باشد. بسیاری از این شبیه‏سازی ها را می‏توان با استفاده از نرم‏افزارهای کامپیوتری و یا استفاده از زبان‏های برنامه نویسی اجرا نمود. برای این کار روش‏های مختلفی وجود دارد که برخی از آن‏ها را به شکل مقدماتی بررسی می‏کنیم.
   1-1) دینامیک مولکولی
   روش دینامیک مولکولی، روشی بسیار سودمند در مطالعه‏ی ساختار مواد و بررسی فعل و انفعالات در ابعاد مولکولی می‏باشد. در این روش، اتم‏ها را به عنوان اجسامی مجزا از یکدیگر فرض می‏کنیم. طبق اطلاعاتی که از این دنیای کوچک داریم، می‏دانیم که بین این ذرات روابطی وجود دارد و آن‏ها بر یکدیگر نیرو وارد می‏کنند. برای مثال می‏توان فرض کرد که بین این اجسام، فنرهایی قرار گرفته اند (شکل 4).

شکل 4- در مواد جامد، می‏توان فرض کرد که پیوند بین اتم‏ها مانند یک فنر عمل می‏کند و آن‏ها را در یک فاصله‏ی مشخص تعادلی از یکدیگر قرار می‏دهد.


​

با نوشتن روابط فیزیکی بین این ذرات و به دست آوردن سرعت و جهت حرکت آن‏ها در هر لحظه، می‏توانیم حرکت تک تک آن‏ها را بررسی کنیم. به این ترتیب می‏توانیم با استفاده از قضایا و روابط حاکم بر فیزیک نیوتنی، تا حدودی به ویژگی‏های دنیای نانومتری پی ببریم. آیا می‏دانید این ویژگی‏ها کدام هستند؟
1-2) روش المان محدود
در این روش که بیشتر مورد توجه مهندسین مکانیک می‏باشد، می‏توانیم پیوندهای بین اتم‏ های کربن را به عنوان میله‏ هایی (در اصطلاح به آن «تیر» می‏گویند که معادل واژه‏ی beam در انگلیسی می‏باشد) در نظر بگیریم و اتم‏های کربن نیز نقش خود را به عنوان محل اتصال آن‏ها بازی می‏کنند. به این ترتیب ساختاری شبیه به نانولوله‏های کربنی پدید می ‏آید. ابتدا باید ویژگی‏های این میله را تنظیم کنیم. مهندسین مکانیک ویژگی‏های انواع میله‏ ها (با توجه به جنس، شکل و ضخامت) را به خوبی می‏شناسند و می‏توانند با بررسی‏های خود بهترین میله را انتخاب نمایند. اکنون ساختار نانولوله مانند یک سازه‏ی مهندسی، برای بررسی آماده است (شکل 5) و می‏توان با وارد کردن نیروهایی بر آن، خواص این نانولوله را بررسی کرد.

شکل 5- تصویری از یک نانولوله‏ی کربنی مدل شده برای آنالیز المان محدود


​

1-3) روش‏های دیگر
روش‏های مختلفی برای شبیه‏سازی وجود دارند که برخی از آن‏ها بر پایه‏ی اصول بسیار پیچیده‏ی فیزیکی استوار هستند. با استفاده از محاسبات مخصوص به این علوم، می‏توان روابط بین اتم‏های کربن را در نانولوله و همچنین روابط بین اتم‏های کربن در یک نانولوله و محیط پیرامون آن را بررسی نمود.

1. بررسی جداگانه‏ی نانولوله‏های کربنی
   همانگونه که در شکل 3 مشاهده نمودید، دانشمندان توانسته‏اند نانولوله‏های کربنی را بین دو کاوند یا نوک میکروسکوپ AFM قرار متصل کنند و با کشش آن‏ها از دو طرف، استحکام نانولوله را به دست آورند. همچنین برخی محققین در یک روش بسیار جالب، نانولوله‏ها را روی یک سطح پر از شکاف پراکنده کردند. یکی از این نانولوله‏ها را که به طور جداگانه روی یک شکاف افتاده بود، در نظر گرفتند و با وارد کردن نیرویی بر میانه‏ی آن (که روی شکاف قرار گرفته بود) و بررسی میزان خم شدن نانولوله، به محاسبه‏ی استحکام آن پرداختند.

​

1. بررسی کامپوزیت ‏های حاوی نانولوله‏ های کربنی
   همان‏گونه که در مقالات قبلی در مورد کامپوزیت‏ ها و نانوکامپوزیت‏ ها مطالعه نموده‏اید (مانند مقاله‏ی «ک مثل کامپوزیت، کامپوزیت مثل کاهگل»)، می‏توانیم برای به دست آوردن خصوصیات بهتر از یک ماده، مواد دیگری را به آن اضافه کنیم. یکی از این مواد افزودنی، نانولوله‏ی کربنی است. محققین با درست کردن کامپوزیت‏های حاوی نانولوله‏ها و زمینه‏های مختلف سرامیکی، پلیمری و فلزی، توانسته‏اند به ویژگی‏های بسیار جالبی دست پیدا کنند.
   هنگامی‏که یک کامپوزیت تشکیل می‏شود، خواص آن با خواص هر دوی زمینه (ماده‏ی اصلی)، و تقویت کننده (ماده‏ی افزودنی یا پر کننده) متفاوت است. برای افزایش استحکام یک زمینه مثل آلومینیوم، باید موادی سخت و با استحکام زیاد را به آن اضافه کرد. اما مطمئنا استحکام کامپوزیت به دست آمده به اندازه‏ی استحکام ماده‏ی افزودنی زیاد نشده است. به هر حال در صورتی که ساخت کامپوزیت به درستی انجام گیرد، افزایش استحکام اتفاق می‏افتد. بنابراین می‏توان این افزایش خواص را به حضور ماده‏ی افزودنی نسبت داد. برای مثال در مورد استحکام کامپوزیت حاصل می‏توان رابطه‏ی 1 را نوشت. در این رابطه f نماد کسر حجمی و σ نمایانگر استحکام است. اندیس‏های c، r و m نیز به ترتیب نماینده‏ی کامپوزیت، تقویت کننده و زمینه می‏باشند.

رابطه‏ ی 1- قانون اختلاط کامپوزیت‏ ها​

در این مقاله، بیشتر به خواص مکانیکی نانولوله‏های کربنی پرداخته شد. بررسی دیگر خواص نانولوله‏ها نیز با روش‏های کم و بیش مشابه انجام می‏گیرد. در مقالات بعدی، به طور خاص به خواص مختلف نانولوله‏های کربنی می‏پردازیم و در برخی موارد، روش به دست آوردن این خواص را نیز به طور مشروح بیان می‏کنیم.

 

[m4material]

ويژگي هاي نانو لوله هاي كربني

بخش دوم:

هدایت حرارتی نانولوله‏های کربنی-قسمت اول
​

• مقدمه:
  در مقاله‏ ی قبلی به برخی کلیات مربوط به روش‏های به دست آوردن خواص نانولوله‏های کربنی پرداختیم. یکی از مهمترین خواصی که درمورد یک ماده بررسی می‌شود، خواص حرارتی آن ماده است. خواص حرارتی نانولوله‏های کربنی از اهمیت بسیاری در زمینه‏های مختلف فناوری برخوردار است، به ویژه به دلیل رسانایی حرارتی بالای الماس و گرافیت و مشابهت‏های بین آن‏ها، دانشمندان علاقه‏ی بسیاری برای بررسی این خصوصیات دارند. در صورت وجود این ویژگی در نانولوله‏های کربنی، می‏توان از آن به عنوان مکملی بر ویژگی‏های مکانیکی و الکتریکی بی‏نظیر نانولوله‏ها یاد کرد.
• هدایت حرارتی نانولوله ‏های کربنی:
  دانشمندان در بررسی‏های تجربی و آزمایش‏های خود به نتایجی در زمینه‏ی هدایت حرارتی نانولوله‏ها کربنی دست یافته‏اند. آن‏ها پیش‏بینی می‏کنند که نانولوله‏های کربنی در دمای اتاق رسانایی حرارتی بالاتری از گرافیت و الماس دارند. دانشمندان در این اندازه‏گیری‏ها، رسانایی حرارتی را برای دو دسته از نانولوله‏ها به دست آوردند. یک دسته، نانولوله‏های کربنی تک دیواره‏ای بودند که به صورت توده‏ای در کنار هم قرار گرفته بودند و مقدار رسانایی حرارتی مجموعه‏ی آنها به دست آمد. یک دسته نیز نانولوله‏های کربنی چنددیواره بودند که به صورت جدا از هم قرار گرفته بودند. رسانایی حرارتی این دسته از نانولوله‏ها به صورت جداگانه بررسی شد. این دانشمندان مقدار رسانایی حرارتی بیش از W/mK 200 را برای توده‏های نانولوله‏های کربنی تک دیواره به دست آوردند. همچنین طبق این بررسی‏ها، مقدار رسانایی حرارتی نانولوله‏های کربنی چند دیواره به صورت جداگانه بیشتر از W/mK 300 به دست آمد.

پرسش 1: آیا می‏توانید مقادیر متداول رسانایی حرارتی مواد مختلف از جمله گرافیت و الماس را بیابید؟ این کار را برای درک بهتر مطالب ارائه شده در این مقاله و مقایسه‏ی بین اعداد درج شده انجام دهید.​

پرسش 2: به نظر شما آیا می‏توان میزان رسانایی حرارتی دسته‏های نانولوله‏های کربنی تک دیواره را به رسانایی حرارتی نانولوله‏های تک دیواره‏ی مجزا نسبت داد؟

پرسش 3: آیا می‏توانید دلیلی برای تفاوت مقدار رسانایی حرارتی نانولوله‏های کربنی تک دیواره و چند دیواره بیابید؟​

همانگونه که در دیگر مقالات موجود در وبگاه باشگاه دانش‏آموزی نانو اشاره شد، برای تلفیق خواص مواد مختلف و بهبود ویژگی‏های محصولات، می‏توان از کامپوزیت‏ها و به شکل پیشرفته تر از نانوکامپوزیت‏ها استفاده نمود. طبق بررسی‏های انجام شده، با افزودن تنها %1 از نانولوله‏های کربنی به رزین اپوکسی، ممکن است رسانایی حرارتی کامپوزیت دو برابر زمینه شود. این موضوع بیانگر این است که کامپوزیت‏های نانولوله‏های کربنی می‏توانند در کاربردهای مدیریت حرارتی به کار برده شوند.

• هدایت حرارتی نانولوله‏های کربنی از منظر تئوری:
  وجود رسانایی حرارتی بالا برای تک نانولوله‏ها به شکل تئوری نشان داده شده است. نتایج حاصل از تجربیات آزمایشگاهی نیز بیانگر وجود این ویژگی در نمونه‏های توده‏ای از نانولوله‏های کربنی تک دیواره و همچنین برای تک نانولوله‏های چند دیواره می‏باشد.
  گروهی از دانشمندان رسانایی حرارتی تک نانولوله‏های کربنی را با روش‏های محاسباتی اندازه‏گیری کرده‏اند. شکل 1 نتایج محاسبات را به ازای دما برحسب کلوین برای نانولوله‏های تک دیواره نشان می‏دهد.

شکل 1- مقادیر رسانایی حرارتی محاسبه شده برای یک نانولوله‏ی کربنی تک دیواره در دماهای مختلف


​

در این شکل مقدار رسانایی با λ نشان داده شده است. از آنجایی که این کمیت در دماهای مختلف، مقادیر مختلفی دارد، آن را به صورت تابعی از دما و به شکل λ(T) نشان داده‏ایم. با شروع ازدماهای کم و افزایش تدریجی دما، مشاهده می‏شود که مقدار λ(T) در نزدیکی دمای K100 به یک مقدار بیشینه برابر با W/mK37000 می‏رسد (این بیشینه به شکل یک قله در نمودار دیده می‏شود) و سپس با افزایش دما، کاهش می‏یابد. بیشترین مقدار λ(T) که تاکنون در بررسی‏های دانشمندان مشاهده شده است، مربوط به یک نمونه‏ی الماس خاص می‏باشد که در دمای K104 اندازه‏گیری شده است. این مقدار برابر با W/mk41000 است. بنابراین مقدار λ(T) نانولوله‏ی کربنی در بیشینه‏اش با بیشترین مقدار λ(T) که تاکنون اندازه‏گیری شده است، قابل مقایسه است. با توجه به نمودار ارائه شده، حتی در دمای اتاق نیز رسانایی حرارتی نانولوله‏ی کربنی بسیار بالا و برابر با W/mK6600 می‏باشد، این مقدار بسیار بیشتر از مقدار گزارش شده برای همان نمونه‏ی خالص الماس در دمای اتاق است. البته باید این نکته را در نظر گرفت که این نتایج تنها از طریق محاسبات به دست آمده‏اند و ممکن است با نتایج حاصله در شرایط آزمایشگاهی یا واقعی متضاد بوده و یا ناهم‏خوانی باشد.
برای درک بهتر رفتار حرارتی نانولوله‏ های کربنی می‏توانیم مقایسه‏ای بین نتایج حاصل از بررسی نانولوله‏ ها و دیگر مواد کربنی دارای ساختار مشابه داشته باشیم. شکل 2 نمایش دهنده‏ی مقایسه‏ای بین رسانایی حرارتی محاسبه شده برای نانولوله (ساختار یک بعدی)، تک صفحه‏ی گرافن (ساختار دو بعدی) و گرافیت (ساختار سه بعدی) است. همانگونه که مشاهده می‏شود، رسانایی حرارتی تک لایه‏ی گرافن بیشتر از یک نانولوله، و بیشتر از گرافیت است. گرچه مقدار رسانایی حرارتی گرافن در دماهای بالاتر از K270 بسیار نزدیک به رسانایی حرارتی نانولوله می‏باشد، این اختلاف در دماهای پایین تر از K270 بسیار بیشتر می‏شود. در هر صورت گرافیت رسانایی حرارتی کمتری از دو نمونه‏ی دیگر دارد.
همانطور که می‏دانید، گرافیت از روی هم قرار گرفتن منظم و متناوب لایه‏های گرافن ساخته می‏شود. بنابراین بین لایه‏های گرافن، برهم‏کنش‏هایی برقرار است، بنابراین در گرافیت، وجود بر هم‏کنش‏های بین لایه‏ای، مقدار هدایت حرارتی را به شدت کاهش می‏دهد. به نظر می‏رسد همین اتفاق در مورد دسته‏های نانولوله‏های کربنی رخ خواهد داد و مقدار هدایت حرارتی دسته‏های نانولوله‏های کربنی از مقدار هدایت حرارتی تک نانولوله‏ها کمتر باشد.

پرسش 4: چگونه می‏توانیم با استفاده از پدیده‏ی کاهش رسانایی حرارتی صفحات گرافن در حالتی که در کنار هم قرار گرفته‏اند، پیش‏بینی کنیم که رسانایی حرارتی نانولوله‏های کربنی تک دیواره به صورت دسته‏ای از حالت مجزای آن‏ها کمتر است؟​

شکل 2- مقادیر محاسبه شده برای هدایت حرارتی نانولوله (نمودار خط ممتد) در مقایسه با هدایت حرارتی صفحه ی گرافن (نمودار خط و نقطه ای) و گرافیت (نمودار خط چین)؛ قسمت ترسیم شده داخلی، نشان دهنده‏ی تغییرات میزان هدایت بر اساس دما برای گرافیت می‏باشد که با دقت بیشتری نسبت به نمودار اصلی رسم شده است. به تفاوت مقیاس اعداد روی محور عمودی نمودار داخلی و نمودار اصلی دقت نمایید.


​

• هدایت حرارتی از منظر نتایج آزمایشگاهی:
  گروهی از دانشمندان با استفاده از یک میدان مغناطیسی قوی، دسته‏ هایی از نانولوله ‏های تک‏دیواره را تولید کردند که به مقدار زیادی منظم در کنار هم قرار گرفته بودند. سپس رسانایی حرارتی این نمونه را اندازه‏گیری نمودند.
  

پرسش 5: در اینجا اشاره شد که می‏توان جهت قرارگیری نانولوله‏های کربنی را با اعمال یک میدان مغناطیسی تنظیم کرد. به نظر شما این کار چگونه انجام می‏گیرد و اساسا دلیل این قابلیت نانولوله‏ها چیست؟​

در نمونه‏هایی که قرارگیری نانولوله‏ها در کنار هم غیر منظم بود، هدایت حرارتی در دمای اتاق در حدود W/mK 35 اندازه‏گیری شد. باید دقت داشت که نانولوله‏ها در چنین نمونه‏ای به شدت در هم پیچ خورده‏اند، و مسیری که انتقال حرارت در آن رخ می‏دهد به مقدار قابل توجهی طولانی‏تر از فاصله‏ی مستقیم بین نقاط است. برای کاهش دخالت این اثر در نتایج آزمایش، می‏توان نانولوله‏ها را توسط میدان مغناطیسی قوی آرایش داد. در این دسته نمونه‏ها، هدایت حرارتی بالاتر از مقدار W/mK200 می‏باشد که با مقدار مربوط به یک فلز خوب قابل مقایسه است. گرچه در همین دسته‏های منظم از نانولوله‏ها نیز مواردی وجود دارند که بر هدایت حرارتی نمونه تاثیر منفی می‏گذارند. برای مثال ممکن است هدایت حرارتی از طریق اتصال‏هایی که در بین نانولوله‏های مجاور یکدیگر در دسته وجود دارند، دچار محدودیت باشد. بنابراین مقدار هدایت حرارتی مربوط به تک نانولوله‏ها باید بسیار بالاتر از این مقداری باشد که در اینجا برای دسته‏های نانولوله‏ها به دست آمد.

در مقاله‏ ی بعدی برخی مثال‏های استفاده از این خاصیت نانولوله ‏های کربنی را در نانوکامپوزیت‏ها بررسی می‏کنیم.

 

[m4material]

ويژگيهاي نانو لوله هاي كربني

بخش سوم:

هدایت حرارتی نانولوله ‏های کربنی-قسمت دوم
​

• مقدمه:
  در مقاله‏ی قبلی در مورد خواص هدایت حرارتی نانولوله‏های کربنی صحبت کردیم و برخی بررسی‏های انجام شده توسط دانشمندان را بیان نمودیم. در این مقاله با بیان چند مثال از کاربرد نانولوله‏ های کربنی در بهبود خواص حرارتی نانوکامپوزیت‏ها موضوع را ادامه می‏دهیم.

• خاصیتی به نام هدایت حرارتی:
  انتقال انرژی و به طور خاص، انتقال حرارت یکی از مباحث بسیار جذاب در علوم و مهندسی است. دانشمندان نظریه‏های مختلفی را برای تشریح چگونگی انتقال حرارت در مواد مطرح می‏کنند. تحقیقات دانشمندان در زمینه‏های کاملا متفاوتی بوده و عده‏ای برای تولید موادی با هدایت حرارتی بسیار بالا و عده‏ای دیگر برای تولید مواد عایق در برابر هدایت حرارتی تلاش می‏کنند. هر یک از این مواد می‏تواند کاربردهای گسترده‏ای در صنایع مختلف داشته باشد. امروزه و با گسترش علم مربوط به مواد نوین و به خصوص پیشرفت نانوکامپوزیت‏ها، ایده‏های زیادی برای تولید موادی با خواص هدایت حرارتی جدید به وجود آمده‏اند.

پرسش 1: آیا می‏توانید کاربردهایی را برای مواد عایق حرارت نام ببرید؟ در مورد موادی که هدایت حرارتی بالایی دارند، چه مصارفی را می‏شناسید؟​

رسانایی حرارتی بالای نانولوله‏های کربنی می‏تواند برای برخی کاربردهای مدیریت حرارتی مفید باشد. مانند تخلیه‏ی حرارت پردازنده‏های سیلیکونی و افزایش رسانایی حرارتی پلاستیک‏ها برای کاربرد در موتورهای الکتریکی. امروزه برای خنک کردن پردازنده‏های رایانه‏ای بعضا از سامانه‏های مختلفی از قبیل سامانه‏های آب‏گرد استفاده می‏شود. اما ایده‏ای که مدت‏هاست مطرح شده است، استفاده از موادی نوین برای بسته‏بندی روی پردازشگرهاست که قابلیت تخلیه‏ی حرارتی بالایی داشته باشند.

پرسش 2: در مقاله‏ی پیش رو، اعداد و ارقامی را بررسی خواهیم کرد که در آزمایشگاه‏ها و توسط ابزارهایی خاص، در مورد میزان هدایت حرارتی اجسام به دست آمده‏اند. بنابراین پیش از شروع این مبحث، لازم است تا در مورد نحوه‏ی اندازه‏گیری میزان هدایت حرارتی مواد اطلاعاتی را داشته باشیم. آیا روش‏های بررسی این خصوصیت ماده را می‏دانید؟

• نانولوله‏ های کربنی و بهبود هدایت حرارتی کامپوزیت‏ها

1- کامپوزیت‏های زمینه‏ی پلیمری
گروه‏های زیادی از دانشمندان خواص کامپوزیت‏های اپوکسی / نانولوله‏ی کربنی را بررسی کرده‏اند. اپوکسی دسته‏ای از مواد پلیمری هستند که کاربردهای زیادی در صنایع مختلف دارند. خواص حرارتی این مواد به تازگی مورد توجه ویژه قرار گرفته است. دانشمندی به نام بیرکوک و همکارانش توانستند نانولوله‏های کربنی را داخل زمینه‏ی اپوکسی پراکنده کنند و با موفقیت، کامپوزیت اپوکسی / نانولوله‏ی کربنی را بسازند. آن‏ها سپس رسانایی حرارتی اپوکسی تقویت شده با نانولوله را اندازه‏گیری کرده‏اند و پس از مطالعه‏ی نتایج آزمایش‏هایشان، به این نتیجه رسیدند که افزودن نانولوله‏های کربنی تا یک درصد از وزن کل ماده می‏تواند بهبود چشمگیری در هدایت حرارتی کامپوزیت حاصل ایجاد نماید. این دانشمندان هم‏چنین با ساختن کامپوزیت اپوکسی / الیاف کربنی و بررسی هدایت حرارتی آن، مقایسه‏ای را بین نانولوله‏های کربنی و الیاف کربنی انجام دادند. در شکل 1، تاثیر میزان تقویت کننده و نوع آن را بر هدایت حرارتی رزین اپوکسی مشاهده می‏کنید.

شکل 1- مقادیر رسانایی حرارتی محاسبه شده برای یک نانولوله‏ی کربنی تک دیواره در دماهای مختلف


​

افزودن 1% وزنی نانولوله‏ی کربنی رسانایی حرارتی اپوکسی را بیش از دو برابر می‏کند در حالی‏که همین مقدار از الیاف کربنی رسانایی حرارتی را تنها 40% افزایش می‏دهد. بنابراین نانولوله‏های کربنی قابلیت زیادی برای بهبود خواص حرارتی پلیمرها و در نتیجه توسعه‏ی کامپوزیت‏ها برای کاربردهای مدیریت حرارتی دارند.

پرسش 3: در نمودار شکل 1 مشاهده می‏کنید که میزان بهبود در رسانایی حرارتی کامپوزیت حاصل از افزودن نانولوله‏های کربنی همیشه روند افزایشی نداشته است. بلکه در مقدار برابر با نیم درصد وزنی (wt%5/0) کاهش یافته است. به نظر شما چرا چنین اتفاقی رخ داده است؟​

پرسش 4: در مورد کاربردهای حرارتی اپوکسی مطالعه کنید و بگوئید قابلیت افزایش هدایت حرارتی اپوکسی در چه زمینه‏هایی می‏تواند موجب ایجاد تحول گردد و چه محصولات جدیدی را می‏توان از نتایج آتی این پژوهش متصور شد؟​

2- کامپوزیت‏های زمینه‏ی سرامیکی
گروهی از محققین یک جریان گاز حاوی استیلن (C[SUB]2[/SUB]H[SUB]2[/SUB]) را از روی بستری از نانوذرات آلومینا (Al[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB]) که روی سطح پخش شده بودند، عبور دادند. در نتیجه‏ی فرآیند CVD یا همان رونشانی شیمیایی از فاز بخار، نانولوله‏های کربنی بر روی این نانوذرات رشد کردند. این محققین، سپس با روشی ویژه، این پودرهای نانوکامپوزیتی را به هم فشرده کردند و نانوکامپوزیت Al[SUB]2[/SUB]O[SUB]3[/SUB]/CNT (آلومینا / نانولوله‏ی کربنی) را تولید نمودند و در نهایت خواص هدایت حرارتی نانوکامپوزیت حاصل را بررسی کردند. نتایج اندازه‏گیری‏های این محققین در شکل 2 نشان داده شده است. در این نمودار نتایج آزمایش‏های انجام گرفته بر روی آلومینای خالص نیز گزارش شده است تا بتوان مقایسه‏ی قابل درکی از دو ماده‏ی تقویت شده با نانولوله‏ کربنی و تقویت نشده انجام داد. نکته‏ای که لازم است به آن توجه داشته باشید، این است که برای داشتن مقایسه‏ای قابل قبول میان دو ماده‏ی مورد بررسی که از نظر ترکیب با یکدیگر تفاوت دارند، باید روش ساخت یکسانی را در نظر گرفت. زیرا در غیر این صورت عوامل دیگری نیز به وضوح بر خواص ماده‏ی حاصل تاثیر می‏گذارند و دیگر نمی‏توان تفاوت خواص را تنها به تفاوت ترکیب‏های دو ماده‏ی مورد آزمایش نسبت داد و بنابراین نتایج قابل استناد نخواهند بود.

شکل 2- تغییرات میزان هدایت حرارتی بر حسب دما، برای کامپوزیت آلومینا / نانولوله‏ی کربنی و برای آلومینای خالص که هر دو به یک روش تولید شده‏اند.


​

در اینجا مشاهده می‏شود که هدایت حرارتی این نانوکامپوزیت‏ها بسیار بیشتر از آلومینای خالص می‏باشد. برای مثال هدایت حرارتی نانوکامپوزیت آلومینای حاوی 7/39 درصد وزنی نانولوله در دمای 100 درجه ی سانتی‏گراد معادل با W/mk 90/44 میرباشد که در مقایسه با آلومینای خالص 227% افزایش نشان داده است. این مقدار در دمای 250 درجه ی سانتی‏گراد برابر با W/mk 60/98 بوده که 169% رشد را نسبت به زمینه (آلومینا) نشان داده است و در دمای 300 درجه‏ی سانتی‏گراد، با 218% رشد نسبت به آلومینای خالص، به W/mk 63/.52 می‏رسد.

پرسش 5: در مورد کاربردهای حرارتی آلومینا (Al[SUB]2[/SUB]O3) مطالعه کنید و بگوئید قابلیت افزایش هدایت حرارتی آلومینا در چه زمینه‏هایی می‏تواند موجب ایجاد تحول گردد و چه محصولات جدیدی را می‏توان از نتایج آتی این پژوهش متصور شد؟​

اطلاع از خواص هدایت حرارتی بی‏نظیر نانولوله‏های کربنی دانشمندان را بر آن داشت تا تاثیر این خصوصیت را در کامپوزیت بررسی کنند. همان‏گونه که مشاهده شد، افزودن نانولوله‏های کربنی به دیگر مواد می‏تواند بهبود چشمگیری در رسانایی حرارتی این مواد ایجاد کند. اما این ویژگی عالی تنها در کامپوزیت‏ها نمود پیدا نمی‏کند. در مقاله‏ی بعدی به جنبه‏ای دیگر از تاثیر حضور نانولوله‏های کربنی بر خواص هدایت حرارتی مواد خواهیم پرداخت.

 

[m4material]

ويژگيهاي نانو لوله هاي كربني

بخش سوم:
هدایت حرارتی نانولوله‏های کربنی-قسمت سوم
​

• مقدمه:
  در مقاله‏ ی قبلی دو مثال از کاربرد نانولوله‏های کربنی در بهبود خواص حرارتی نانوکامپوزیت‏های زمینه‏ی پلیمری و زمینه‏ی سرامیکی ارائه دادیم. مشخص شد که نانولوله‏های کربنی تاثیر چشمگیری بر بالا بردن نرخ هدایت حرارت در این مواد زمینه دارند. در این مقاله با یکی از چالش‏های موجود در صنعت میکروالکترونیک آشنا می‏شویم و به توانایی‏های نانولوله‏های کربنی به عنوان موادی جدید در حل این معضل پی می‏بریم.
  در یک مطالعه، محققین تاثیر حضور نانولوله‏های کربنی را بر رسانایی حرارتی بین دو قطعه‏ی جداگانه از یک نوع ماده بررسی کرده‏اند. اما پیش از توضیح این کاربرد، ابتدا موضوع اصلی این کاربری را مطرح می‏کنیم. اتلاف حرارتی اساسی‏ترین مشکلی است که کارایی، قدرت و قابلیت اطمینان و متعاقبا کوچک‏سازی قطعات میکروالکترونیک را محدود می‏سازد. در این ادوات، فاصله‏ای بین منبع تولید کننده‏ی حرارت (قسمتی از ابزار که به دلیل اتلاف انرژی در آن و تبدیل شدن انرژی مصرفی آن به حرارت، مداوما در حال گرم شدن است) و ماده‏ای که وظیفه‏ی انتقال این حرارت به بیرون از ابزار را دارد، وجود دارد. از طرفی عملکرد حرارتی این ابزارها شدیدا تحت تاثیر مقاومت حرارتی مربوط به فاصله بین منبع حرارتی و ماده‏ی تخلیه کننده‏ی حرارت قرار دارد. برای درک بهتر ماهیت این فاصله، مشاهده‏ی زیر را مطالعه کنید.

مشاهده: برای همگی ما پیش آمده است که ماده‏ای گرم را در دستان خود بگیریم. می‏توانید هنگامی را در نظر بگیرید که برای خرید نان تازه به نانوائی رفته‏اید. در این حالت اگر دستتان را کاملا در تماس با جسم داغ (نان) قرار دهید، و یا روی آن فشار دهید، شما داغی آن جسم را بر روی دستان خود احساس می‏کنید، اما اگر در دستان خود احساس سوزش کنید، کمی دستتان را شل می‏کنید و در نتیجه داغی جسم از روی دست شما برطرف می‏شود. در واقع و به زبان فیزیک، انتقال حرارت از جسم گرم به دستان شما کاهش یافته است. می‏توان با ادبیاتی معادل، این طور گفت که در این حالت مقدار همبستگی بین کف دستان شما و جسم گرم کاهش یافته و در نتیجه فواصل کوچکی بین دستان شما و جسم گرم ایجاد شده و در نتیجه، مقاومت حرارتی فضای بین دست شما و جسم گرم افزایش یافته است.​

با توجه به مشاهده‏ی بالا و مطالب بیان شده می‏توان چنین گفت که عملکرد حرارتی این ابزارها شدیدا تحت تاثیر مقاومت حرارتی مربوط به فاصله‏ی بین منبع حرارتی و ماده‏ی تخلیه کننده‏ی حرارت قرار دارد. بهبود رسانایی حرارتی موجب کاهش مقاومت حرارتی ایجاد شده توسط این فاصله که مجرای شار حرارتی است، می‏شود. از آنجایی که هیچ سطحی هرگز کاملا صاف نیست، حد فاصل بین دو سطح شامل اتصالات نقطه‏ای در قسمت‏های بر آمده و همچنین بسته‏های هوایی (که به آن‏ها گاف هوایی می‏گوییم) در قسمت‏هایی که از یکدیگر دور هستند، می‏باشد (شکل 1). کمی از حرارت از طریق نقاط تماس فیزیکی عبور کرده و مقدار بیشتر آن باید از گاف‏های هوایی عبور کنند. همان‏گونه که می‏دانید، هوا رسانای بسیار ضعیفی برای گرماست، بنابراین باید آن را با یک ماده‏ی دیگر جایگزین کنیم.

شکل 1- نمایی از فصل مشترک بین دو سطح که در تماس با یکدیگر هستند. این تصویر چند هزار برابر بزرگ‏تر از اندازه‏های واقعی رسم شده است.


​

موضوع اصلی مدیریت حرارتی در بسیاری از کاربردها، و در واقع موضوع مورد بحث ما در این قسمت، تخلیه‏ی موثر حرارت از ابزار به محیط پیرامون می‏باشد. عموما این کار شامل چهار مرحله‏ی زیر می‏باشد:

1. انتقال حرارت درون ابزار گرم شده (درون ماده)
2. نتقال حرارت از ابزار گرم شده به تخلیه کننده‏ی حرارت (از محل اتصال دو ماده)
3. انتقال حرارت درون تخلیه کننده‏ی گرما (درون ماده)
4. انتقال حرارت از تخلیه کننده‏ی گرما به محیط پیرامون (از محل اتصال دو ماده)

پرسش 1: با توجه به آن‏چه در بالا گفته شد، کندترین مرحله‏ی فرآیند، موجب محدود شدن سرعت فرآیند کلی می‏گردد. بنابراین دیگر مراحل هر چقدر هم سریع پیشروی کنند، تاثیری در سرعت کلی فرآیند ندارند. آیا می‏توانید این پدیده را توجیه کنید؟​

هر یک از این چهار فرآیند، ویژگی‏های خاص خود را دارد. از جمله این‏که سرعت پیشروی هر یک از این مراحل بسته به عوامل مختلفی تعیین می‏شود و با سرعت فرآیند دیگری، متفاوت است. از طرفی این مراحل همگی به طور مستقل ولی با هم در حال رخ دادن بوده و در مجموع موجب انتقال حرارت از منبع ایجاد گرما به محیط پیرامون می‏شوند. بنابراین مرحله‏ای که کندتر از بقیه پیش برود، در مجموع سرعت پیشروی تمام فرآیند را تحت تاثیر خود قرار خواهد داد.

پرسش 2: با توجه به مطالب ارائه شده، آیا می‏توانید تعریف دقیقی از سطح تماس واقعی و اسمی و همچنین رابطه‏ای ریاضی برای محاسبه‏ی آن‏ها ارائه دهید؟​

بنابراین انتقال حرارت از فصل مشترک بین ابزار و تخلیه کننده، از طریق اتصالات بسیار کوچک در برآمدگی‏های سطح و همچنین گاف‏های پر شده از هوا صورت می‏گیرد. در واقع مرحله‏ی محدود کننده‏ی سرعت (انتقال حرارت بین سطوح تماس ابزار گرم شده و تخلیه کننده‏ی گرما)، همان مرحله‏ای است که گرما باید از طریق گاف‏ها هوایی که به طور ناخواسته وجود دارند، منتقل شود. و از آنجایی‏که این مرحله بسیار کند است، باید ماده‏ای را در میان فصل مشترک دو سطح قرار دهیم تا از مقدار گاف‏های هوایی بکاهد و از طرفی خود این ماده انتقال حرارت بالایی داشته باشد تا خود به عنوان سدی در برابر انتقال حرارت شناخته نشود.

پرسش 3: گفته شد که برای کارایی بهتر این ادوات میکروالکترونیک، باید تخلیه‏ی حرارت به سرعت انجام پذیرد. آیا می‏توانید اهمیت و لزوم این موضوع را بیان نمایید؟​

اکنون به تحقیق صورت گرفته می‏پردازیم. محققین در این تحقیق دو نوع ماده را انتخاب کردند. آلومینیوم و گرافیت، که هر دو از رساناهای بسیار خوب حرارت هستند. برای این بررسی، در یک حالت دو قطعه از ماده‏ی مورد نظر روی هم قرار داده شد (بدون نانولوله) و در حالت دوم، بین دو قطعه مقداری نانولوله‏ی کربنی قرار داده شد. حالت اول برای به دست آوردن معیار ارزیابی داده‏های آزمایش در نظر گرفته شده است. شماتیک این دو حالت را در شکل 2 می‏بینید.

شکل 2- شماتیک الف) حالت اول، ب) حالت دوم​

نتایج حاصل از این تحقیقات در جدول 1 گزارش داده شده است.

نمونه‏ی مورد بررسی	هدایت حرارتی (W/mk)	درصد بهبود
قطعه‏ی آلومینیومی	95/73	-
دو قطعه‏ی آلومینیومی در تماس مستقیم با یک‏دیگر	8/956	-
دو قطعه‏ی آلومینیومی با وجود نانولوله‏های کربنی در فصل مشترک آن‏ها	43/457	385/16
قطعه‏ی گرافیتی	102/066	-
دو قطعه‏ی گرافیتی در تماس مستقیم با یک‏دیگر	13/475	-
دو قطعه‏ی گرافیتی با وجود نانولوله‏های کربنی در فصل مشترک آن‏ها	62/278	362/79

همان‏گونه که دیده می‏شود، بدون در نظر گرفتن ماده‏ی حد واسط در فصل مشترک، هوای به دام افتاده در میان گاف‏های هوایی موجب ایجاد مقاومت حرارتی می‏شوند. با در نظر گرفتن ماده‏ای مناسب مانند نانولوله‏های کربنی، می‏توان تا حد زیادی بر این مقاومت فائق آمد.