سؤال وجوابمقالات مجلة الفيزياء العصريةمواضيع العدد ١٠

لماذا أنابيب الكربون النانوية أقوى من الفولاذ؟

لماذا أنابيب الكربون النانوية أقوى من الفولاذ؟

رب صدفةٍ خير من ألف ميعاد: حينما كان يدرس الرماد الناتج عن عملية التفريغ الكهربي بين قطبين من الكربون باستخدام ميكروسكوب إلكتروني عالي الكفاءة (High-resolution transmission electron microscope)، لاحظ سوميو ليجيما أن هناك بعض اللمعان أو البريق داخل هذا الرماد فاعتقد أن الكربون تحول إلى ماس فقرر فحصة بطريقة جيدة، استخدم سوميو ليجيما الميكروسكوب الإلكتروني لفحص الرماد ووجد أن جزيئات الكربون في وضع غير طبيعي فوجئ ليجيما بشيء آخر وهو أن جزيئات الكربون قد التفت لتتصل ببعضها البعض مكونة ما يشبه الأنبوب من هنا بدأت قصة أنبوب النانو الكربوني ومنذ ذلك الحين استطاعت أنابيب النانو الكربونية أن تستقطب العلماء، والمهندسين، والأطباء في مسعى لإطلاق قدراتهم الكامنة لمعرفة خواصها الكهربائية، والضوئية، والميكانيكية الاستثنائية والمميزة.

اعلانات جوجل

لماذا أنابيب الكربون النانوية أقوى من الفولاذ؟

الشكل (1): الأنابيب النانوية التي اكتشفها (ليجيما)

أقوى من الفولاذ؟

أثبتت تجارب لحساب قوة شد أنابيب النانو الكربونية انها عالية جدا، حوالي 60 GPa. في حين أن قوة الشد للفولاذ حوالي 0.8 GPa. السؤال المطروح هو لماذا أنابيب النانوية هي اقوى مائة مرة تقريبا من الفولاذ؟

لماذا أنابيب الكربون النانوية أقوى من الفولاذ؟
الشكل (٢): انبوب نانوي وحيد الجدار مسلط عليه قوة شد F

دعونا نحسب قوة الشد لأنبوب نانو وحيد الجدار، كما هو مبين أدناه. وبعد تأمين نهاية مرئية لأنبوب النانو نطبق عليه قوة الشد F منها إلى الطرف الآخر من الأنبوب. في الشكل (2) تشير الكرات الحمراء إلى ذرات الكربون بينما تُمثل الرابطة التساهمية بين هذه الذرات بواسطة الخطوط صفراء. والخطوط الزرقاء تبين الاضراب الذي ووجه على طول محور أنابيب، والسهم الأصفر يوضح اتجاه قوة الشد F.

اعلانات جوجل

دعونا نفترض أن الروابط بين ذرات الكربون تكون متطابقة بين بعضها البعض والتي يرمز لها ((C-C،σ-bonds)، والزاوية بينهما تساوي 120 درجة (الشكل السداسي). فعندما تمتد أنابيب النانو فان هذه الروابط سيكون تمتدها مماثلاً. هذا ما يجعل طرق كسر أنبوب النانو طرق معقدة جدا وخيالية اعتمادا على ( (C-C. فمن المعروف أن المسافة d بين ذرات الكربون المتقابلة في أقرب الأحيان d = 0.15 nm. لحساب N of bonds  نجد ان

لماذا أنابيب الكربون النانوية أقوى من الفولاذ؟

ولحساب f  تستعمل المعادلة:

حيث: حيث NA هو ثابت أفوجادرو.ولكسر (c-c) ومن أجل زيادة المسافة بين ذرات الكربون فننا سنحتاج إلى تطبيق القوة F1، ويجب ان تكون هذه القوة أكثر من ظل زاوية الميل (انظر الخط المنقط الأزرق في الرسم البياني). بذلك يمكن ان نعدل المعادلة إلى:

وهي التي تحدد قيمة كسر الرابط بين الذرتين (c-c)هذه المعادلة تعطينا القيمة لرابط واحد من (c-c) ولكن اذا اتينا لنحسبها لأنبوب نانو وحيد الجدر وفرضنا ان قطره  D =1.5 nm فإننا سنحصل على N =18 مما يجعل قيمة Fmax > 3،

من هنا ومن اجل حساب σmax للمقطع المستعرض  S= πD2/4 فان

لماذا أنابيب الكربون النانوية أقوى من الفولاذ؟

الشكل (3): رسم بياني يوضح المسافة الواجب توفرها لكسر (c-c)

تجارب معمليه:

هذا من ناحية رياضية ولكن طرأ في السنوات الأخيرة تطور هائل في مجال المجهرية، بفضل المجهر الإلكتروني من جهة، وبفضل مجهر الطاقة الذرية (AFM) من جهة أخرى. تتيح، بعض الاختبارات البسيطة قياس الخصائص الميكانيكية، كمتانة المواد ومرونتها. و القدرة على الطيّ والمتانة عند الشد أو الضغط. من الواضح أنه بهدف قياس الخصائص الميكانيكية لأنابيب النانو. علاوة على ذلك، يمكن تزويد هذه المجاهر بأنظمة مختلفة تتيح الحركة وتشغيل قوى ميكانيكية وكهربائية. من هذه التجارب قياس ثابت المرونة المعروف باسم معامل يونج (Young’s Modulus).يصف هذا الثابت العلاقة بين الجهد وتقوّس أنبوب النانو عند الشد أو الضغط بالاتجاه الطولي.

تم الحصول في كل القياسات على قيم متقاربة من قيمة الفولاذ  وأقل من قيمة الماس. تدل حقيقة الحصول على قيم متشابهة بوسائل مختلفة، وبحسب نماذج نظرية مختلفة، على مصداقية النتائج.

كما تم قياس المتانة في الشد، أي الجهد الأقصى الذي يمكن تشغيله على أنبوب نانو منفرد قبل أن يتمزق كما كان في المعادلات أعلاه. تراوحت القيم التي تم الحصول في نطاق من 3 – 16GPa. غير أن قوة الشد لدى 50% من أنابيب النانو كانت قريبة من القيمة القصوى. هذه قيم عالية جدا لم يتم قياسها، قبل ذلك، في مواد مكروسكوبية. إضافة إلى ذلك تمددت واستطالت أنابيب النانو حتى 14% من طولها الأصلي قبل أن تتمزق. تعتبر هذه القيم عالية جدا، الذي يبدو في صورته المكروسكوبية هشا إلى حد كبير ولا يمكن شده على الإطلاق. إن الدمج بين المتانة والمرونة هي ظاهرة نادرة في المواد وتفسح المجال أمام استخدامات كثيرة للأجهزة الصغيرة، المواد المعقدة، وغيرها. يتيح إنتاج شكل نانومتري، الحصول على مادة ذات ميزات ميكانيكية جديدة تماما مقارنة بشكلها المجهري.

خواص أنابيب النانو الكربونية:

خواص أنابيب الكربون النانو مترية

القطر 1 to +10 nm
الطول ميكرون 1 to +102
الشكل الخارجي الواح ملفوفة من الجرافيت ،أحادية الجدار أو متعددة الجدر
الكثافة cm /2.0 g
المساحة النوعية 100-250 m2/g
اللون اسود
معامل يونج واحد Tba
النفاذ الحراري مثل النحاس
التوصيل موصل أو شبه موصل اعتماداً على الانحناء الأسطواني

الوسوم

أ./ محمد هاشم البشير

باحث وكاتب من السودان

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

زر الذهاب إلى الأعلى
إغلاق
إغلاق