نانو فناوری پلیمر: نانو کامپوزیت ها
در حوزۀ وسیع نانو فناوری، نانو کامپوزیت ها با پایۀ ماتریس پلیمر به یک بُعد اساسی در تحقیقات و پیشرفت های فعلی تبدیل شده اند. نانوکامپوزیت ها با پایۀ خاک رس لایه ای مقالات پلیمر را تحت تأثیر قرار داده اند؛ اگرچه در دیگر حوزه های پژوهشی نیز مورد توجه هستند. این مقاله به بررسی فناوری بکار رفته در نانوکامپوزیت ها با پایۀ خاک رس لایه ای می پردازد؛ همچنین خواص مهمی همچون مانع، پیشگیرندۀ شعله، کاربردهای پزشکی، کاربردهای الکتریکی/الکترونیکی/ اپتوالکترونیک و سلول سوخت را نیز مدنظر قرار میدهد. این مبحث مهم که "اثرات نانو" در نانوذرات یا گنجاندن الیاف نسبت به نمونه های مقیاس بزرگترشان با نسبت های رفتار تبلور و انتقال بلور در ارتباط هستند. البته ناگفته نماند که سایر خواص مبتنی بر پلیمر (و کامپوزیت) بدست آمده از سود حاصل از فیلر نانومقیاس یا افزودن نانو را نیز شامل میشوند.
حوزۀ نانوفناوری یکی از برجسته ترین زمینه های پژوهش و تحقیقات امروزی محسوب میشود که اساسآ در تمام رشته های فنی نیز مطرح میشود. کاملآ بدیهی است که این حوزه علوم و فنون پلیمر را شامل شده و حتی در این رابطه تحقیقات گسترده ای را نیز پوشش میدهد. علاوه بر این، این حوزه شامل میکروالکترونیک ها (که میتوان آنها نانوالکترونیک نامید) به عنوان مقیاس ابعاد بحرانی برای دستگاه های مدرن میشود که امروزه زیر 100 نانومتر است. همچنین دیگر حوزه ها شامل موادزیستی با پایه پلیمر، دارورسانی نانوذرات، ذرات مینی امولسیون، کاتالیزورهای متصل به پلیمر الکترود سلول سوختی، فیلمهای پلیمر خود مونتاژ لایه ای، نانو فیبرهای الکترواسپون، لیتوگرافی چاپی، اتصالات پلیمرو نانوکامپوزیت ها میشوند. حتی در حطیۀ نانوکامپوزیت موضوعات متنوعی من جمله تقویت کامپوزیت، خواص موانع، مقاومت در برابر حرارت، خواص الکترواپتیکی، کاربردهای آرایشی و خواص ضدباکتریایی را میتوان نام برد. مبحث نانوفناوری در علم پلیمر مبحث جدیدی نیست زیرا مطالعات انجام شده قبل از عصر نانوفناوری دارای ابعاد نانومقیاس بوده اند اما اخیرآ به عنوان نانوفناوری مطرح نشده اند. اتصالات پلیمر جداشده از فاز اغلب به ابعاد فاز نانومقیاس می رسند؛ مورفولوژی حوزۀ کوپلیمر بلوک معمولآ در سطح نانومقیاس است؛ غشاهای نامتقارن اغلب دارای سازه خالی نانومقیاس هستند؛ ذرات مینی امولسیون نیز زیر 100 نانومتر هستند؛ همچنین پدیده های سطحی در ترکیبات و کامپوزیت ها دارای ابعاد نانومقیاس هستند. حتی باوجود نانوکامپوزیت ها مواردی همچون تقویت کننده کربن سیاه الاستومرها، اصلاح سیلیس کلوئیدی و حتی تقویت کننده های طبیعی (برای مثال قطر فیبر آزبست-نانومقیاس) برای دهه ها مورد بررسی قرار گرفته اند. برخی از مباحث همچون نانوکامپوزیت های آلی در آلی براساس شیمی سولژل در حوزۀ نانوکامپوزیت امروزی نادیده گرفته شده اند. درواقع، نانومقیاس در ابعاد همان انتقال بین سطح کلان و سطح مولکولی است.
توجهات اخیر به به نانوکامپوزیت ها با پایۀ ماتریس پلیمری ابتدا با مشاهدات چشمگیری همچون خاک رس لایه ای همراه با مطالعات جدیدتر با عنوان نانولوله های کربنی، نانوفیبر کربن، گرافیت لایه ای (گرافن)، فلزات خط نانوکریستال، بسیاری از اصلاحات فیبر و فیلر معدنی در نانومقیاس مطرح شده اند. در این بررسی، نانوکامپوزیت های پایه ماتریس پلیمر با خاک رس لایه ای به عنوان یکی از مباحث کلیدی مورد بحث و بررسی قرار می گیرند. درحالیکه جنبه های مستحکم نانوکامپوزیتها کاملآ مورد توجه هستند؛ اما دیگر خواص و کاربردهای بالقوه همچون خواص موانع، مقاومت در برابر اشتعال، خواص الکتریکی/الکترونیک، خواص غشایی و سازگاری متصل به پلیمر نیز از اهمیت بالایی برخوردار هستند. در یک کلام، این مقاله مقایسۀ خواص ابعاد نانومقیاس با ابعاد مقیاس بزرگتر را مورد بررسی قرار میدهد. مزیت هم افزایی ابعاد در مقیاس نانو (اثرات نانو) در مقایسه با مقیاس بزرگتر بسیار مهم است. همچنین درک تغییرات خواص بعنوان کاهش ابعاد ذرات (یا فیبر) در سطح نانومقیاس به منظور بهینه سازی نانوکامپوزیت حاصل از آن بسیار مهم است. همانطور که در ادامه ذکر خواهیم کرد، بسیاری از سیستم های نانوکامپوزیت مطرح شده در مقالات همچنان هم می توانند با استفاده از مدلهای پیوسته، که در آنها مطلق سازی اهمیت چندانی ندارد؛ تا زمانی که ضرورت بارگذاری کسر حجمی و شکلی با هدف پیش بینی خواص درک شود مدلسازی شوند. نانومقیاس در ابعاد ذرات، پلاکت یا اصلاح فیبر بین1 تا 100 نانومتر هستند (قطر فیبر یا ضخامت پلاکت).
نظرات و ایده ها برای پیشرفت نانوکامپوزیت های پایه ماتریس پلیمر
حوزه ای که نانوکامپوزیت ها می توانند به پیشرفت تجاری قابل توجهی برسند در زمینه کامپوزیت های پیشرفته است. کامپوزیت های تقویت شدۀ فیبر کربن به دلیل مدول پائین و استحکام فاز ماتریس ازنظر خواص قابل دستیابی (بویژه در کامپوزیت های متقاطع) محدود هستند. اصلاح فاز ماتریس با نانوتیوب های کربنی در مقیاس پائین تر از ابعاد و نانوذرات کربن در مقیاس بالاتر از ابعاد باعث افزایش قابل توجه مدول و مقاومت ماتریس نسبت به خواص کلی کامپوزیت میشود. اگرچه این امر می تواند در کامپوزیت های تک بُعدی وجود داشته باشد؛ اما درمورد کامپوزیت های چندلایه که نوع اصلی سازه آن در کامپوزیت پیشرفته کاربرد دارد، میتواند بسیار قابل توجه باشد. امروزه این مبحث در حال بررسی است و می تواند زمینه را برای تغییر حوزۀ کامپوزیت پیشرفته فراهم کند. این مبحث اساسآ بطور تجاری در تجهیزات ورزشی (راکت تنیس و چوب هاکی) بکار رفته است. این پیشرفت ها در کاربردهای توربین بادی و هواپیما نیز نقش کلیدی ایفا می کنند. این روش با سازه های کامپوزیت طبیعی مشابه است که در آنها روش ساخت سلسله مراتبی از مقیاس های مختلف سطح نانو استفاده می کند. همچنین در کامپوزیت های مستحکم تجاری نیز مطرح میشود که در آنها خاک رس لایه ای می تواند به ماتریس کامپوزیت های فایبرگلاس-پلی استر اشباع نشدۀ بلور یا سایر پلیمرهای ماتریس استحکام یافته با فایبرگلاس افزوده شود. از آنجا که می توان از روش طبیعی در جهت بهینه سازی خواص مواد با ساختار نانوسطح (بیومتریک) استفاده کرد، انتقال این یافته ها به نانوکامپوزیت های پلیمری بایستی پیشرفت های بیشتری را فراهم کند. سطوح نانوسازه دارای خواص فوق آبگریزی (برگ نیلوفر آبی) و چسبندگی فوق العاده (پای گکو) بوده اند.
تطبیق رشته های بیولوژیکی و علوم مواد پلیمر اعلب شامل طراحی سیستم های کامپوزیت و اتصالات پلیمری نانومقیاس به منظور تقلید از سیستم های بیولوژیکی میشوند. نانولوله های کربنی یا گرافیت لایه ای (گرافن) فرصت های قابل توجهی در حوزه های الکتریکی/الکترونیک/ آپتوالکترونیک، علاوه بر پتانسیل کافی در فناوری های خاصِ در حال ظهور، فراهم می کند. یک حوزۀ خاص می تواند به عنوان یک رسانای شفاف در ماشین آلات کم هزینه و انعطاف پذیر جایگزینOTI باشد. ازطرفی، ورقهای نانولوله کربن نیز برای این کار پیشنهاد شده اند و در صورت دستیابی به رسانای الکتریکی کافی، پتانسیل کامپوزیت های پلیمری متصل به نانولوله های کربن مورد توجه خواهد بود. پتانسیل تولید گرافیم کم هزینه نیز همچنان محقق نشده است و ابزارهای مقیاس بالاتر در انتظار دستیابی به موفقیت ساختگی هستند.
یکی از حوزه های پژوهشی که در این مقاله بیان نشده است، اهمیت کنترل مورفولوژی است که شامل پراکندگی و هم ترازی می شود. این موارد علاوه بر مقالات اخیر، قبلآ هم در بسیاری از مقالات بیان شده اند. دستیابی به خواص مطلوب در نانوکامپوزیت ها معمولآ به پراکندگی عالی نانوذرات بستگی دارد. گرایش نانوذرات (من جمله پلاکت و فایبرِ ابعاد نانومقیاس) به پیوسته شدن در آگلومریت های ماکرو می تواند بطور جدی خواص قابل دستیابی را تحت تأثیر قرار دهد. در موارد خاص، پراکندگی ایزوتروپی عالی ممکن است مورفولوژی مطلوبی نباشد اما به عنوان یک مورفولوژی سلسله مراتبی مطرح می شود که ویژگی های منحصر به فردی همچون موارد مشاهده شده در مسیرهای نفوذ به منظور افزایش هدایت الکتریکی یا مورفولوژی الگویی در جهت دستیابی به خواص الکترونیک یا آپتیک مدرن ارائه می دهد.
