این تکنیک به نام «رسم فیبری» قبلا برای ساخت الگوها استفاده می‌شده است، اما طول فیبر در آن معمولا کوتاه، در حد چند میلی‌متر و سرعت طراحی به طور معمول بسیار آهسته بوده است. این اشکالات استفاده از آن را در ساخت مدار محدود می‌کردند.
در مطالعه جدید، پژوهشگران نشان دادند که قلم جدید آنها می تواند فیبرهای نانوتیوب‌های کربنی را که طولی بیش از نیم متر دارند با حداکثر سرعت طراحی به اندازه ده سانتی‌متر بر ثانیه رسم کنند. این کار تحقیقاتی آنها در شماره اخیر مجله نانو لترز منتشر شده است.
پژوهشگران نشان دادند که قلم جدید آنها می تواند فیبرهای نانوتیوب‌های کربنی را که طولی بیش از نیم متر دارند با حداکثر سرعت طراحی به اندازه ده سانتی‌متر بر ثانیه رسم کنند.
پژوهشگران با توجه به هدایت بالا و انعطاف‌پذیری مکانیکی بسیارعالی فیبرهای نانوتیوب، پیش‌بینی می‌کنند که فیبرها خواهند توانست به عنوان بلوک‌های سازنده اساسی طیف گسترده‌ای از ادوات قابل انعطاف الکترونیکی، مانند لوازم الکترونیکی پوشیدنی، نمایشگرهای لمسی انعطاف‌پذیر، سلول‌های خورشیدی منعطف، سامانه‌های بازشناسی با امواج رادیویی و دستگاه‌های سه بعدی ایفای نقش کنند.
در حالی که قلم خود یک قلم تجاری عادی است، جوهر آن از ترکیبی از فیبرهای نانوتیوب کربنی رسانا و یک محلول پلیمری گرانرو به نام اکسید پلی‌اتیلن تشکیل شده است. پلی‌اتیلن اکسید گرانرو بسیار الاستیک و به لحاظ مکانیکی قوی است، که به آن اجازه می‌دهد در حین فرآیند نوشتن فیبرهای نانوتیوبی دراز را از محلول بیرون کشید.
در واقع پلی اتیلن اکسید، یک پلی‌اتر مصنوعی است که در طیف وسیعی از وزن مولکولی به راحتی در دسترس است. این پلیمرهای چسبناک و بی‌رنگ، آمفیفیلیک و محلول در آب هستند، به این معنی که یک سر آب‌دوست و یک سر آب‌گریز دارند و همچنین در بسیاری از حلال‌های آلی (به عنوان مثال، کلرید متیلن، اتانول، تولوئن، استن، و کلروفرم) حل می‌شوند.
هوی وو، استادیار دانشگاه شینگهوا و نویسنده دوم مقاله مربوط به تحقیق می‌گوید: «تکنیک رسم کردن به ما امکان رسیدن به فیبرهای نانوتیوب کربنی بسیار دراز را به دلیل وزن مولکولی بالای پلیمر و نیز گرانروی بالای محلول پیش‌ماده به عنوان جوهر فراهم می‌کند.»
هنگام نوشتن، قلم از روی کاغذ بالا برده می‌شود تا فیبرها کش آمده و معلق بمانند، سپس روی بستر و در موقعیت مورد نظر کشیده شوند. پژوهشگران نشان داند که الگوهای فیبری پیچیده را می توان با دست کشید شد و همچنین پیش‌بینی کردند که می‌توان حتی با دقت بیشتری این کار را توسط دستگاه‌های مکانیکی پیشرفته به انجام رساند.
پژوهشگران همچنین نشان دادند که افزایش غلظت پلیمر جوهر، قطر فیبرهای نانوتیوب را از 300 نانومتر به 3 میکرومتر افزایش می‌دهد. به طور کلی، فیبرهای نازکتر به موجب جهت‌گیری بهتر فیبر هدایت بهتری نسبت به فیبرهای ضخیم‌تر دارند.
آزمایش‌ها نشان می‌دهند که فیبرهای نانوتیوب کربنی به شدت رسانا از انعطاف‌پذیری مکانیکی بسیار عالی نیز برخوردارند. در ابتدا، پژوهشگران انتظار داشتند که فیبرهای نانوتیوب کربنی فوق دراز باید هدایت خود را پس از خم شدن و انحراف حفظ کنند. تا حدودی جای تعجب است که آزمایش‌ها خلاف انتظارات آنها را نشان داد به طوری که مشاهده کردند هدایت فیبرها پس از خم شدنشان افزایش پیدا می‌کند به گونه‌ای که بعد از 1000 بار خم شدن 30 درصد افزایش هدایت نشان می‌دهند. پژوهشگران تصور می‌کنند که تنش ناشی از خم شدن باعث تغییر شکل یافتن پلیمر و بهبود تراز نانوتیوب می‌شود که به‌نوبه خود باعث افزایش هدایت الکتریکی می‌شود.
پژوهشگران امیدوارند برای مقاصد مختلف در آینده تکنیک رسم کردن را با استفاده از انواع مختلفی از جوهرها توسعه دهند. وو می‌گوید: « ما در حال کار روی فعال کردن کارکردهای دیگری از فیبر هستیم. برای مثال یکی از احتمالات نیمه‌هادی ساختن فیبرهای رسم شده توسط نوک قلم برای کاربردهای ادوات انعطاف‌پذیر است.»
نانوتیوب کربنی
نانوتیوب‌ها یا نانولوله‌های کربنی يکی ازمهم‌ترين ساختارها در مقياس نانو هستند. اين مواد اولين بار در سال ۱۹۹۱ توسط دانشمندی ژاپني به نام ايجما در درون دوده‌های حاصل از تخليه الکتريکی کربن در يک محيط حاوی گاز نئون کشف شد. اين ترکيبات شيميايی، با ساختار اتمی شبيه به صفحات گرافيت، از استوانه‌هايی با قطر چند نانومتر و طولی تا صدها ميکرومتر تشکيل شده‌اند.
اين مواد در جهت محوری مقاومت کششی بسيار زيادی دارند و اين مزيت مهمی در ساخت سازه‌هايی با مقاومت بالا در جهت خاص به حساب می‌آید. مقاومت بالا از يک طرف به دلیل استحکام پيوند کربن-کربن در ساختار نانوتیوب کربنی و از طرف ديگر شکل شش ضلعی اين ساختار است که به خوبی بار را در ميان پيوندها توزيع می‌کند. از طرف ديگر پايداری حرارتی نانوتیوب‌ها نيز بسيار بالا است. اين خواص منحصربه فرد مکانيکی در نانوتیوب‌ها امکان استفاده از آنها را در کاربردهای مختلف فراهم می‌کند. از جمله اين کاربردها می‌توان به الکترونيک در مقياس نانو، استفاده در کامپوزيت‌ها و نيز به عنوان وسايل ذخيره کننده گازها اشاره کرد.
تهیه فیبر از نانوتیوب‌های کربنی
پژوهشگران موسسه نانو تک در تگزاس در زمینه تهیه فیبر از نانوتیوب‌های کربنی به پیشرفت‌های چشمگیری دست یافته‌اند. این فیبرها محکم و فوق‌العاده انعطاف‌پذیر بوده و از نظر حرارتی و الکتریکی رسانا هستند. از این فیبرها برای تولید نخ‌های فلامینتی استفاده می‌شود و می‌توانند جایگزین فیبرهای معمولی در زمینه فیلترها، جلیقه‌های نجات، لباس‌های ضد اشتعال، منسوجات الکترونیکی، ساخت ماهیچه‌های مصنوعی و ابر خازن‌ها شوند. این فیبرها به علت ویژگی‌های نانوتیوب‌های کربنی به عنوان موادی دوستدار محیط زیست که به مصرف بهینه انرژی نیز کمک می‌کنند نیز شناخته شده‌اند.
No tags for this post.