طراحی مواد کامپوزیت در آزمایشگاه مجازی ممکن شد

دکتر جیمز سوتر، از پژوهشگران کالج لندن می‌گوید: « رشد مواد کامپوزیتی تا به حال طی یک فرآیند سعی و خطا، معمولا به صورت خرد کردن و مخلوط کردن مواد تشکیل دهنده و امیدوار بودن به انجام بهترین ترکیب ممکن صورت می‌گرفت. پس از مخلوط کردن مواد خرد شده ویژگی‌های ماده به دست آمده مورد آزمایش قرار می‌گرفت اما درکی از نحوه شکل‌گیری ساختار و علت پدید آمدن خصوصیات آنها وجود نداشت و یا بسیار محدود بود. از این رو با انجام تحقیقات جدیدی موفق شدیم نحوه عملکرد مواد نانوکامپوزیت را بر اساس ترکیب شیمیایی و شرایط پردازش آنها پیش‌بینی کنیم.»

گروهی از پژوهشگران به سرپرستی پروفسور پیتر کاونی در کالج لندن به دنبال نوع خاصی از مواد کامپوزیت بودند که در آن ذراتی از خاک رُس به نام مونت مریلینت با پلیمر مصنوعی مخلوط شوند. مطالعه روی این مواد توسط میکروسکوپ غیرممکن بود زیرا چنین فرآیندهایی کوچکتر از طول موج نور هستند لذا به صورت مستقیم قابل رویت نیستند. علاوه بر این ساختار ویژه ذرات خاک رس مطالعه مستقیم آنها را غیر ممکن می‌کند. ذرات خاک رس از لایه‌های به هم چسبیده محکمی تشکیل شده‌اند که گاهی با لغزیدن  مولکول‌های پلیمری زنجیر طولانی بین آنها به طور کامل از هم جدا می‌شوند. این به معنی مخفی ماندن برهم‌کنش بین پلیمر و رس از نظرهاست اما شبیه‌سازی‌‌های رایانه‌ای توانستند به طور دقیقی چگونگی واکنش ذرات لایه‌ای و زنجیرهای پلیمری را توصیف کنند.

چالش پیش رو به دست آوردن دقت کافی بدون استفاده از شبیه‌سازی رایانه‌ای است. فرآیندهای خاص نیاز به شبیه‌سازی بسیار دقیقی دارند که کل نمونه را در سطح کوانتومی توصیف کند اما اگر تمام نمونه در سطح کوانتومی شبیه‌سازی شود چندین دهه از زمان ابررایانه مورد نیاز خواهد بود.

پژوهشگران نشان دادند که در برهم‌کنش‌های خاص مانند زمانی که لبه یک صفحه از خاک رس با زنجیر پلیمر تماس برقرار می‌کند یک شبیه‌سازی کوانتومی مورد نیاز است؛ زمانی که هر اتم در یک مولکول همانند توپی روی فنر است تنها یک شبیه‌سازی در سطح اتمی نیاز است. اما در شرایط دیگر با بهم چسبیده در نظر گرفتن همه اتم‌ها و تشکیل دادن شکل و خصوصیات تقریبی مولکول می‌توان سطح پایین‌تری از شبیه‌سازی را به کار برد. روش‌های متعدد نشان دادن یک سیستم، تقریب چندمقیاسی از مدلسازی مواد به دست می‌دهند.

برای انجام چنین تقریب‌هایی باید از دقت آنها اطمینان داشت. پژوهشگران برای این منظور انواع مختلفی از شبیه‌سازی‌ها را با یکدیگر مقایسه می‌کنند تا از سازگار بودن نتایج آنها با یکدیگر اطمینان پیدا کنند. مدل مکانیک کوانتوم از اصول اولیه و قوانین بنیادی فیزیک ناشی شده است لذا از صحت آن می‌توان مطمئن بود اما در مدل مولکولی فرض‌هایی وارد می‌شود که باید از صحت آنها اطمینان حاصل کرد. 

در نهایت شبیه‌سازی‌های انجام شده پرده از راز واکنش پلیمرها و ذرات خاک رس گشودند. مولکول‌های پلیمر زنجیر مانند و طویل که به صورت دسته‌های درهم پیچیده هستند خود را وامی‌پیچند، بین لایه‌های ذرات خاک رس سر می‌خورند و به‌ آرامی آنها را از هم جدا می‌کنند. شبیه سازی چندمقیاسی در طول و بازه‌های زمانی طولانی‌تر، پژوهشگران را قادر به دیدن تراکم پلیمر و لایه‌های خاک رس چسبیده به دسته‌ای از توده‌ها با خصوصیات کاملا متفاوت می‌کند. بعلاوه نتایج این شبیه‌سازی برای بهبود ساختمان مواد کامپوزیتی به کار خواهند رفت.

در این شبیه‌سازی‌ها به طور همزمان از چندین ابررایانه شامل آرچر ( ابررایانه بریتانیایی در ادینبورگ)، بلوجوول و بلوواندر ( امکانات ابررایانه‌ای در آزمایشگاه دارسبری) استفاده می‌شود. 

ماده مرکب یا کامپوزیت

کامپوزیت ترکیبی است که از لحاظ ماکروسکوپی از چند ماده متمایز ساخته شده باشد، به طوری که این اجزا به آسانی از یکدیگر قابل تفکیک باشند. یکی از کامپوزیت‌های آشنا بتن است که از دو جز سیمان و ماسه ساخته شده است.

برای ایجاد تغییر و بهینه کردن خواص فیزیکی و شیمیایی مواد، آنها را ترکیب می‌کنند. در واقع هدف از ایجاد کامپوزیت، به دست آوردن ماده‌ای ترکیبی با خواص مورد انتظار است.

نانوکامپوزیت نیز همان کامپوزیت است که یک یا چند جز از آن، ابعاد کمتر از 100 نانومتر دارد. نانوکامپوزیت‌ها از دو فاز تشکیل شده‌اند. فاز اول یک ساختار بلوری است که در واقع پایه یا ماتریس نانوکامپوزیت محسوب می شود و ممکن است از جنس پلیمر، فلز و یا سرامیک باشد. فاز دوم نیز ذراتی در مقیاس نانومتر می باشند که به عنوان تقویت کننده یا ماده پرکننده به منظور اهداف خاص از قبیل استحکام، مقاومت، هدایت الکتریکی، خواص مغناطیسی و … در درون فاز اول (ماده پایه) پخش می‌شوند.

نانوکامپوزیت‌ها به عنوان دسته‌ای از نانومواد از جایگاه ویژه‌ای برخوردار هستند. حضور ذرات و الیاف در ساختار نانوکامپوزیت‌ها معمولا باعث ایجاد استحکام در ماده پایه می‌شود. در واقع هنگامی که ذرات و یا الیاف درون یک ماده پایه توزیع شوند، نیروهای اعمال شده به کامپوزیت به طور یکنواختی به ذرات یا الیاف منتقل می‌شود. با توزیع مواد پرکننده درون ماده پایه خصوصیاتی نظیر استحکام، سختی، خواص تربیولوژیکی و تخلخل تغییر می‌کند. ماده پایه می‌تواند ذرات را به گونه‌ای از هم جدا نگه دارد که رشد ترک به تاخیر افتد. به علاوه اجزاء نانوکامپوزیت‌ها بر اثر برهمکنش سطحی بین ماده پایه و مواد پرکننده، از خواص بهتری برخوردار می‌شوند. نوع و میزان برهمکنش‌ها نقش مهمی در خواص مختلف نانوکامپوزیت‌ها همچون حلالیت، خواص نوری، خواص الکتریکی و مکانیکی آنها دارد.

انواع نانوکامپوزیت را بر اساس ماده پایه آنها به سه دسته نانوکامپوزیت های پایه پلیمری، نانوکامپوزیت های پایه سرامیکی و نانوکامپوززیت های پایه فلزی می‌توان دسته‌بندی کرد.

نانوکامپوزیت‌های پایه پلیمری

در بین نانوکامپوزیت‌ها بیشترین توجه به نانوکامپوزیت‌های پایه پلیمری معطوف است. یکی از دلایل گسترش نانوکامپوزیت‌های پلیمری، خواص بی نظیر مکانیکی، شیمیایی و فیزیکی آنها است. نانوکامپوزیت‌های پلیمری عموما دارای استحکام بالا، وزن کم، پایداری حرارتی بالا، رسانایی الکتریکی بالا و مقاومت شیمیایی بالایی هستند. تقویت ها با استفاده از مواد آلی و معدنی بسیار مرسوم است. بر خلاف تقویت‌کننده‌های رایج که در مقیاس میکرون هستند، تقویت‌کننده‌ها در نانوکامپوزیت‌ها ذراتی در ابعاد نانومتراند.

دلیل دوم توسعه نانوکامپوزیت‌های پایه پلیمری و افزایش تحقیقات در این زمینه، کشف نانولوله‌های کربنی در سال 1991 میلادی است. استحکام و خواص الکتریکی نانولوله‌های کربنی به طور قابل ملاحظه‌ای با نانولایه‌های گرافیت و دیگر مواد پرکننده تفاوت دارد. نانولوله‌های کربنی موجب رسانایی و استحکام فوق العاده در پلیمرها می‌شوند به طوری که کاربردهای عجیبی چون آسانسور فضایی را برای آن می توان متصور شد. از دیگر کاربردهای نانوکامپوزیت‌های پلیمری پوشش‌های مقاوم به سایش، پوشش‌های مقاوم به خوردگی، پلاستیک‌های رسانا، حسگرها، آسترهای مقاوم در دمای بالا و غشاهای جداسازی گازها و سیالات نفتی هستند.

نانوکامپوزیت‌های خاک­ رس / پلیمر

در نانوکامپوزیت‌های خاک­ رس/ پلیمر که یک نمونه از مواد نانوتکنولوژی هستند، از خاک­ رس‌های نوع اسمکتیت به عنوان پرکننده برای بهبود خواص پلیمرها استفاده می‌شود. خاک­ رس‌های نوع اسمکتیت، ساختاری لایه‌ای دارند و هر لایه، از اتم‌های سیلیسیم تشکیل شده است. با توجه به طبیعت پیوند بین این اتم‌ها، این مواد خواص مکانیکی فوق‌العاده‌ای را در جهت موازی این لایه‌ها نشان می‌دهند. این لایه‌ها نسبت صفحه‌ای بالایی دارند و هر لایه تقریبا یک نانومتر ضخامت دارد، در حالیکه شعاع آن از سی نانومتر تا چند میکرون، متفاوت است. صدها یا هزاران عدد از این لایه‌ها به وسیله یک نیروی واندروالسی ضعیف، روی هم انباشته می‌شوند تا یک جز رسی را تشکیل دهند. با یک پیکربندی مناسب این امکان وجود دارد که رس‌ها را به اشکال و ساختارهای گوناگونی، درون یک پلیمر، به شکل سازمان‌یافته قرار داد.

در گذشته، عمدتا به این شکل از دانه‌های رسی برای افزایش کارایی پلیمر استفاده می‌شد که آنها را در حد میکرونی خرد می‌کردند تا از آنها در تولید پلیمرهای تقویت شده به وسیله پرکننده‌هایی در اندازه میکرون، استفاده کنند.

اصلی که در نانوکامپوزیت‌های خاک­ رس/ پلیمر رعایت می‌شود، این است که نه تنها دانه‌های رسی را از هم جدا می‌کنند، بلکه لایه‌های هر دانه را نیز از هم جدا می‌کنند. با انجام این عمل، خواص مکانیکی فوق‌العاده هر لایه نیز به طور موثر بکار می‌آید و این در حالی است که در اجزای تقویت­ شده نیز بطور چشمگیری این خواص بهبود پیدا می‌کنند، زیرا هر جز رسی خود از صدها تا هزاران لایه تشکیل شده است.

منبع