دانشگاه صنعتی شریف: بررسی رفتار رئولوژیکی سوسپانسیون‌های نانوذرات الماس

محقق ایرانی با همکاری پژوهشگران دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی، در طرحی تحقیقاتی به مطالعه‌ی رفتار رئولوژیکی سوسپانسیون‌های نانوذرات الماس در محیط‌های غیر قطبی پرداختند. نتایج این تحقیقات گامی در جهت شناخت بهتر رفتار این نانوذرات در ساخت نانوکامپوزیت‌های پلیمری است.

نانوذرات الماس گروهی از نانوذرات کربنی هستند که خواص فیزیکی، مکانیکی، حرارتی و زیست سازگاری بسیار خوبی دارند. ویژگی‌های برتر نانو ذرات الماس دلیلی بر کاربردهای مختلف آن‌ها به صورت منفرد و یا ترکیبی با مواد دیگر، از جمله پلیمرها، در زمینه‌های مختلفی نظیر مهندسی پزشکی است. با این حال در خصوص خواص رئولوژیکی سوسپانسیون آن‌ها اطلاعات کمی در دست است.
دکتر اکبر شجاعی، با اشاره به هدف این تحقیقات عنوان کرد: «در این طرح سعی گردید تا با استفاده از آزمون‌های رئولوژیکی، نحوه‌ی تشکیل ساختارهای سه بعدی و ژل گونه‌ی نانوذرات در روغن معدنی مورد بررسی قرار گیرد. بر این اساس نحوه‌ی توزیع و پراکنش نانوذرات الماس و چگونگی برهم‌کنش آن با روغن بررسی و تشکیل سوسپانسیون ژل گونه‌ی این نانوذرات در چنین محیط‌هایی مشخص شده است.»
شایان ذکر است روغن معدنی به عنوان یک مدل از محیط‌های غیر قطبی در نظر گرفته شده است. لذا نتایج آن را می‌توان به عنوان مبنایی برای تهیه سیستم‌های نانوکامپوزیت پلیمری نیز تعمیم داد.
بر اساس نتایج بدست آمده ، نانوذرات الماس در محیط‌های غیر قطبی تمایل زیادی به تشکیل فولوک (کلوخه‌هایی متشکل از چند خوشه) از طریق برهم‌کنش‌های واندروالسی و هیدروژنی بین ذرات دارند. اما اصلاح سطحی این نانوذرات با ترکیبات سیلانی باعث کاهش یا حذف این نیروها شده و نهایتاً منجر به تولید یک سوسپانسیون یکنواخت و پایدار می‌گردد.
این محقق در ادامه افزود: «مهم‌ترین روش تولید این نانوذرات، روش انفجاری است. این روش منجر به تولید ذرات خوشه‌ای مرکب از تک ذرات 5 نانومتری می‌شود. در راستای بررسی‌های مدنظر، ابتدا نانوذرات الماس تحت اصلاح شیمیایی به روش اکسیداسیون محیطی و اصلاح با ترکیبات سیلانی قرار گرفت. سپس درصدهای مختلف نانوذرات اصلاح نشده و نیز ذرات سیلانی شده، با استفاده از همزن‌های مکانیکی با روغن معدنی مخلوط گردید. سپس آزمون‌های رئولوژیکی تحت شرایط مختلف برای تعیین مدول الاستیک و مدول اتلافی آن انجام گرفت.»
به گفته‌ی شجاعی، سطح نانوذرات الماس با گروه‌های شیمیایی زیادی مثل گروه‌های کربوکسیل، هیدروکسیل، استر، اتر و لاکتون‌ها پوشیده می شود. این گروه‌ها به طور طبیعی در مرحله‌ی تولید نانو ذرات الماس ایجاد می‌گردند. این سطح فعال شیمیایی به عنوان یک مزیت در اصلاح سطحی این نانو‌ذره به شماره می‌رود. اما همین موضوع باعث می‌شود تا تک ذرات نانو الماس تمایل زیادی به تشکیل خوشه‌های بزرگتر داشته باشند. برای رفع این مشکل می‌توان سطح نانوذرات را با ترکیبات سیلانی اصلاح نمود و به سوسپانسیون‌های پایدار دست یافت.
این تحقیقات حاصل همکاری دکتر اکبر شجاعی- عضو هیأت علمی دانشگاه صنعتی شریف- و همکاران از دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی است که نتایج آن در مجله‌ی Journal of Rheology (جلد 58، شماره 5، سال 2014، صفحات 1599 تا 1614) منتشر شده است.