کاغذهای‌ نانو‌کربنی‌، هواپیماهای‌ آینده ‌را‌ می‌سازند

هواپیماها و خودروهای آینده احتمالا با استفاده از کاغذهای سخت تولید خواهند شد، اما عبارت کاغذهای سخت، گویای تنها سختی آنها نیست؛ بلکه به لطف بهره‌گیری از فناوری نانو، دانشمندان در حال دستیابی به دانش کاربردی و خیره‌کننده‌ای کاربردی هستند که با استفاده از آن می‌توان پوشش‌های بسیار سبک و در عین حال فوق‌العاده مقاوم در برابر فشار و سایر تغییرات محیطی ارائه کرد. این فناوری نوین بیشتر شبیه کاغذهای کربنی معمولی است، اما به عقیده دانشمندان نباید از ویژگی‌های خاص نهفته در دل آن غافل شد. به گفته آنها می‌توان از این کاغذها که انقلابی نوین در دانش سازه‌سازی جهان ایجاد می‌کند، برای طراحی و ساخت طیف وسیعی از محصولات، از هواپیماها گرفته تا صفحات نمایشگر استفاده کرد.

کد خبر: ۲۱۵۰۱۳

این کاغذها زمانی که در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند و ترکیب ویژه‌ای تولید می‌کنند، پوششی 10 بار سبک‌تر اما 500 بار محکم‌تر از فولاد به‌وجود می‌آورند. برخلاف مواد ترکیبی و به اصطلاح کامپوزیتی سنتی و رایج، این کاغذ‌های جدید، همچون مس یا سیلیکون از ضریب بالای انتقال جریان الکتریسیته برخوردارند و در عین حال گرما را همچون برنج یا فولاد پخش می‌کنند. وید آدامز از دانشگاه رایس امریکا می‌گوید: این کاغذ نانویی کربنی همان محصولی است که دانشمندان بسیاری، سال‌ها برای ارائه آن یا حداقل محصولی مشابه آن، تلاش‌های گسترده‌ای کرده‌اند.

ایده استفاده از این نوع کاغذها برای طراحی و ساخت بسیاری از محصولات و سازه‌ها از مدت‌ها پیش در میان دانشمندان مطرح بود، اما هیچ‌گاه امکان تحقق آن وجود نداشت. با این حال اکنون محققان دانشگاه فلوریدا می‌گویند به پیشرفت‌های قابل‌توجهی برای ارائه تجاری این فناوری دست یافته‌اند.

این کاغذها از مولکول‌های کربنی لوله شکلی ساخته شده‌اند که 50 هزار بار باریک‌تر از موی انسان هستند. به واسطه ویژگی‌های منحصربه‌فرد این ماده، دانشمندان بر این باورند که می‌توان از آن برای ساخت پوشش‌های بسیار سبک و در عین حال مستحکم به منظور استفاده در سازه‌هایی نظیر خودروها و هواپیماها استفاده کرد.
نتیجه این فرآیند کاهش مصرف انرژی خواهد بود. از آن گذشته دانشمندان طیف گسترده‌ای از کاربردها را برای این مواد در نظر گرفته و معتقدند می‌توان در ساخت رایانه‌های قدرتمندتر، صفحات ارتقا یافته‌تر نمایشگرها و بسیاری از محصولات دیگر از آنها استفاده کرد.

دانشمندان موفق شده‌اندBuckpaper ها (فیلم‌های بسیار نازک و مستحکم)‌ را با کسر جزیی از قدرت و استحکام ارائه کنند و قیمت تمام شده برای آنها بسیار بالا؛ بوده است. اما محققان دانشگاه فلوریدا تلاشی را آغاز کرده‌اند که طی آن تکنیک‌های نوین ساختارسازی ارائه می‌شود که در آینده‌ای نه چندان دور جای تکنیک‌های فعلی را خواهد گرفت. لس کرامر، مدیر متخصصان مرکز کنترل موشکی شرکت لاکهید مارتین که همکاری مالی نزدیکی با دانشگاه فلوریدا در این پروژه دارد، می‌گوید: اگر این ایده نوین در قالب محصولی تجاری ارائه شود، بازی تغییر خواهد کرد و بی‌شک دانش هواپیماسازی جهان نیز دچار تغییر و تحولات اساسی خواهد شد.

در سال 1985 میلادی، هری کروتو، از دانشمندان سرشناس انگلیسی آن دوران به گروهی از محققان دانشگاه رایس پیوست که آزمایش‌های منحصربه‌فردی را درخصوص خلق شرایط محیطی بسیار سخت و خشن حاکم بر ستارگان آغاز کرده بودند. آنها در نظر داشتند دریابند چگونه ستارگان به عنوان منبع اصلی کل کربن‌های موجود در عالم، این عنصر سازنده را تولید می‌کنند؟ در جریان این بررسی‌ها همه چیز طبق برنامه پیش می‌رفت. از آن زمان تاکنون تلاش‌های آن دانشمندان برای درک بهتر از ساختارهای کربنی همچنان ادامه داشته است. کروتو آن دوران را به یاد می‌آورد و اکنون در دانشگاه فلوریدا رهبری برنامه‌ای را در دست دارد که بزودی به خلق پوشش‌های ویژه بسیار سبک و مقاوم در محیط‌ها و فشارهای قابل توجهی نظیر محیط حاکم بر ستارگان منجر خواهد شد.

البته طی سال‌‌های اخیر، دانشمندان دیگری نیز در این فرآیند حضور داشته‌اند، ازجمله سومیو، دانشمند ژاپنی. او نوع لوله‌ای شکلی از عناصر کربنی را ارائه کرد که برای جامعه علمی و تحقیقاتی جهان دستاوردی ارزشمند به حساب می‌آمد. در ادامه محققان دیگری نیز البته به صورت سهوی متوجه شدند می‌توان این ریز لوله‌ها را روی یکدیگر فشرده ساخت و در نهایت Buckpaper ارائه کرد. این محصول جدید در حقیقت یک فیلم بسیار نازک است که کاربردهای قابل توجهی دارد، اما راز نهفته در پس قدرت و استحکام خیره‌کننده این محصول جدید مربوط به چیست؟

بن وانگ، مدیر انستیتوی مواد با عملکرد عالی دانشگاه فلوریدا می‌گوید: این راز به سطح وسیع هر یک از نانولوله‌ها بازمی‌گردد. اگر تنها یک گرم از این نانولوله را در دست بگیرید و در ادامه تک‌تک آنها را به ورقه‌های گرافیتی باز کنید، آن گاه می‌توانید با استفاده از آنها حدود دوسوم از سطح زمین چمن فوتبال را بپوشانید!

نانولوله‌های کربنی بتازگی به دنیای ورزش و بخصوص تنیس نیز راه یافته‌اند. محققان این عرصه از علوم با استفاده از آنها توانسته‌اند بر استحکام راکت‌های تنیس بیفزایند تا ورزشکار در عین حال که وسیله سبک‌تری در دست می‌گیرد، با خیال راحت‌تری درخصوص استحکام راکت به توپ ضربه بزند. در این میان دوچرخه‌سواری نیز ازجمله ورزش‌هایی بوده است که فناوری نانو و نانولوله‌های کربنی تاثیر خیره‌کننده‌ای بر توسعه آن داشته است. در حال حاضر در ساخت دوچرخه‌ها و راکت‌های تنیس جدید از نوعی رزین ترکیبی استفاده می‌شود که بین یک تا
5‌درصد آنها را نانولوله‌های کربنی تشکیل می‌دهند. این مواد در قالب نوعی پودر مخصوص به رزین یاد شده اضافه می‌شوند، اما Buckpaper تا 50‌ درصد دارای نانولوله‌های کربنی است که از این حیث نیز برتری ویژه‌ای بر نانولوله‌های کربنی معمولی دارد.

دانشمندان این پروژه با چالش‌هایی نیز روبه‌رو بوده‌اند. یکی از مهم‌ترین آنها این است که با زوایای عجیب و غریبی به یکدیگر متصل می‌شوند و نتیجه‌اش محدود شدن قدرت‌ ‌Buck paper هاست . دکتر وانگ و تیم تحقیقاتی‌اش به راه‌حل جالب توجهی در این زمینه دست یافته‌اند: قرار دادن نانولوله‌ها در برابر میدان مغناطیسی بسیار قوی و در نتیجه قرار گرفتن آنها در یک ردیف منظم. حاصل این ابتکار، چیزی جز افزایش قدرت و استحکام آنها نیست.