گروهی از محققان در دانشگاه تگزاس در دالاس، با همکاری محققان برزیلی کشف کرده‌اند که اگر صفحات نانولوله‌های کربنی کشیده شوند یا به‌طور یکنواخت تحت فشار قرار گیرند، می‌توانند خواص مکانیکی عجیب و غریبی را تولید کنند. این خواص غیر منتظره هستند؛ اما خیلی مفیدند و می‌توانند در کاربردهایی از قبیل ساخت کامپوزیت‌ها، ماهیچه‌های مصنوعی و حسگرها استفاده شوند.
کشف خواص جدید برای صفحات نانولوله‌ای
گروهی از محققان در دانشگاه تگزاس در دالاس، با همکاری محققان برزیلی کشف کرده‌اند
که اگر صفحات نانولوله‌های کربنی کشیده شوند یا به‌طور یکنواخت تحت فشار قرار گیرند،
می‌توانند خواص مکانیکی عجیب و غریبی را تولید کنند. این خواص غیر منتظره هستند؛
اما خیلی مفیدند و می‌توانند در کاربردهایی از قبیل ساخت کامپوزیت‌ها، ماهیچه‌های
مصنوعی و حسگرها استفاده شوند.
اکثر مواد، مشابه رفتار یک نوار لاستیکی ـ هنگامی که کشیده می‌شود ـ اگر در یک جهت
کشیده شوند، در جهات دیگر نازک‌تر می‌شوند. این در حالی است دسته‌ای از صفحات
نانولوله کربنی ـ که دارای طراحی ویژه‌ای هستند و به کاغذ باکی معروفند ـ موقعی که
کشیده می‌شوند، پهنایشان می‌تواند افزایش یابد و موقعی که به‌طور یکنواخت تحت فشار
قرار می‌گیرند، نیز طول و پهنای آنها هر دو می‌توانند افزایش یابند.
مواد معمولی با کشیده شدن، به‌طور جانبی منقبض می‌شوند، این پدیده را می‌توان با
نسبت Poisson به‌صورت کمّی بررسی کرد. نسبت Poisson، برابر با نسبت درصد انقباض
جانبی به درصد کشش اعمال‌شده است. مردم بیش از دو هزار سال است که در شکل چوب‌پنبه
سر بطری‌ها از نسبت Poisson بدون درک مفهوم، استفاده می‌کنند. چوب‌پنبه‌های دارای
نسبت Poisson، مثبت اما نزدیک به صفر هستند؛ بنابراین قرار دادن آنها در دهانه بطری
مشکل و درآوردن آنها آسان است.
دکتر ری باوگمن در دانشگاه تگزاس و همکارانش، صفحات نانولوله‌ای خود را با استفاده
از روشی قدیمی برای ساخت کاغذ نوشتاری معمولی، و از طریق خشک کردن یک دوغاب الیافی
تولید کردند(شکل ۱). این دوغاب حاوی مخلوطی از نانولوله‌های کربنی تک‌جداره(SWNTs)
و نانولوله‌های کربنی چند‌جداره(MWNTs) بود. این محققان پی بردند که با افزایش
مقدار نانولوله‌های چند‌جداره به این کاغذ، انتقال تیزی از نسبت Poisson مثبت حدود
۰۶/۰، به مقدار منفی خیلی بزرگ‌تر حدود ۲/۰-، ایجاد می‌شود.
این انتقال را می‌توان با ارتباط دادن مدهای تغییر شکل صفحات نانولوله‌ای به مدهای
تغییر شکل یک قفسه جمع‌شوی مخصوص نوشیدنی‌ها، شرح داد. اگر دو لایه نانولوله‌ای
مجاور، مشابه پایه‌ها در یک قفسه تراکم‌پذیر مخصوص نوشیدنی‌ها، با هم جفت شوند،
نسبت Poisson مثبت است و قفسه هنگامی که کشیده شود باریک‌تر می‌شود. در مقابل اگر
قفسه قفل شود؛ به‌طوری که به هیچ وجه نتواند جمع شود، اما پایه‌ها کشسان باقی بماند؛
افزایش در طول پایه، یک نسبت Poisson منفی را تولید می‌کند.
باوگمن گفت: «تغییر وضعیت ناگهانی علامت نسبت Poisson خیلی حیرت‌آور است و ساختار
این صفحات نانولوله‌ای به قدری پیچیده است که ما ابتدا باور داشتیم تفسیر کمّی این
پدیده به‌صورت نظری غیر ممکن است. آشنایی با همکاران برزیلی‌مان ـ از طریق اینترنت
ـ این توانایی را به ما داد که برای تکمیل تجزیه و تحلیل، نکات برجسته ضروری را از
یک ساختار ـ که خیلی پیچیده بود ـ استخراج کنیم و در نهایت مدل شبیه- قفسه– نوشیدنی
را به‌طور موفقیت‌آمیزی مطرح کنیم.
باوگمن و همکارانش متوجه شدند که صفحات نانولوله‌ای حاوی نانولوله‌های کربنی تک‌جداره
و هم چند‌جداره، نسبت به صفحات ساخته‌شده از نانولوله‌های تک‌جداره یا نانولوله‌های
چند‌جداره به تنهایی، نسبت استحکامشان به وزن ۶/۱ برابر ، نسبت مدولشان به وزن ۴/۱
برابر و زبری ۴/۲ برابر بالاتر است. طبق گفته باوگمن مفهوم این کشف که خواص می‌توانند
با مخلوط کردن انواع نانولوله تقویت شوند، احتمالاً می‌تواند از صفحات نانولوله‌ای
به دیگر آرایه‌های نانولوله‌ای؛ مانند الیاف نانولوله‌ای درهم تنیده ـ که در سال
۲۰۰۵ به‌وسیله باوگمن و همکارانش کشف شدند ـ تعمیم داده شود.
به همین ترتیب، توانایی در تنظیم نسبت Poisson، می‌تواند برای طراحی کامپوزیت‌های
مشتق‌شده صفحه‌ای، ماهیچه‌های مصنوعی، حسگرهای کششی و فشاری و حسگرهای شیمیایی،
مورد استفاده قرار گیرد. همچنین یک صفحه نانولوله‌ای ضخیم می‌تواند متناسب با علامت
نسبت Poisson، برای پوشاندن یک سطح زینی‌شکل، محدب یا مقعر، ساخته شود.
با انتخاب نسبت نانولوله‌های کربنی تک‌جداره و نانولوله‌های چند‌جداره، نسبت
Poisson می‌تواند تا صفر تنظیم شود که این برای طراحی لرزانک‌هایی مفید است که برای
حس کردن در مدت خم شدن در جهت پهنا تخریب نمی‌شوند. حسگرهای کششی می‌توانند
حساسیتی داشته باشند که متناسب با تغییر حجم ایجادشده با کشش است، و این تغییر حجم
را می‌توان با کشف این گروه تحقیقاتی در زمینه قابلیت تنظیم نسبت Poisson، افزایش
داد.
این محققان نتایج خود را در مجله Science منتشر کرده‌اند.
