نانو لوله‌‌ های کربنی و تقویت فلزات برابر تابش‌ های رادیواکتیو

همانطور که می‌‌دانید پرتوهای رادیواکتیو تنها برای بدن مضر نیستند بلکه می‌‌توانند به فلزات نیز آسیب‌های جدی برسانند. خب، تصور کنید یک راکتور هسته‌ای تا چه حد از این نظرآسیب پذیر خواهد بود، فضایی بسیار حساس که بسیاری از تجهیزات آن از جنس فلز هستند. با تابش این پرتوها روی فلزات، فلزات دچار شکنندگی و تخلخلی می‌‌شوند که نتیجه‌ی آن ایجاد ترک و گسترش آن به سمت شکسته شدن فلز خواهد بود. بدیهی است با چنین شرایطی ایمنی و به صرفه بودن راکتورهای اتمی در خطر خواهد بود، در نتیجه جلوگیری از چنین اتفاقاتی از نظر یکی از الویت‌های بالا برای مهندسان و طراحان به شمار می‌‌آید.

مشکل در حقیقت از اینجا ناشی می‌‌شود که با بمباران توسط پرتوهای رادیواکتیو اتم‌های فلزات دچار برانگیختگی و در نتیجه شکافت می‌‌شوند که خود موجب ایجاد حباب‌های بسیار کوچکی از هلیوم درون بدنه‌ی فلز می‌‌شود. این حباب‌های کوچک به تدریج گسترش یافته و با ایجاد یک ترک یا شکاف در بدنه‌ی فلزی که اکنون متخلخل شده است زمینه‌ی شکنندگی و شکستن فلز را فراهم می‌‌آورند.

این گروه از MIT دریافتند که افزودن نانولوله‌های کربنی به فلز در طول فرایند شکل دهی به میزان کمتر از 2 درصد حجمی می‌‌تواند فلز را در برابر آسیب‌های ناشی از این پرتوها مقاوم‌تر کند. در حقیقت در صورتی که این نانولوله‌ها به شکلی یکنواخت در بستر فلزی پخش شده باشند، شبکه‌ی انتقالی یک بعدی را شکل می‌‌دهند که می‌‌تواند این جباب‌های بسیار کوچک هلیوم را با خروج گاز هلیوم از درون فلز از بین برده و از آسیب دیدن فلز جلوگیری کنند.

نکته‌ی جالب توجهی که در خصوص این فن وجود دارد این است که طی فرایند ذوب و شکل دهی فلزات، نانولوله‌های کربنی خود از بین می‌‌روند و تبدیل به کاربید می‌‌شوند ولی شکل لوله مانند خود را درون بدنه‌ی فلز به جای می‌‌گذارند، به بیان دیگر مشابه فسیل‌های به جای مانده درون سنگ‌ها، تنها شبکه و شکل لوله مانند نانولوله‌ها درون فلزات به جا می‌‌ماند که برای خروج گاز هلیوم کافی است. اما این تمام ماجرا نیست و مزیت بسیار مهم دیگر فراهم آمدن فضایی برای فلز است تا خود را مجددا شکل داده و با اتصال مجدد خود از شکننده شدن جلوگیری کند.

این پژوهشگران دریافتند که این ساختار تک بعدی می‌‌تواند تا 70 DPA برابر آسیب‌های ناشی از تابش رادیواکتیو مقاومت نشان دهد (DPA معیاری است برای سنجش اینکه هر اتم درون ساختار شبکه‌ی بلوری به طور متوسط تا چند بار توسط پرتو مورد اصابت قرار می‌‌گیرد). در عمل این بهبود به این معناست که با استفاده از نانولوله‌های کربنی می‌‌توان از 5 تا 10 برابر کاهش در تردشدن و شکنندگی را در فلزات نسبت به نمونه‌ای معمولی شاهد بود.

گذشته از مقاومت برابر پرتوهای رادیواکتیو، این گروه دریافتند که افزودن نانولوله‌های کربنی می‌‌تواند تا 1.5 برابر خواص استحکام خود ماده را در عین افزایش چقرمگی آن بهبود بخشد، ویژگی که خود بهبود کارکرد قطعه را در پی خواهد داشت.

در حال حاضر این روش تنها برای فلز آلومینیوم به اثبات رسیده است چرا که در دمای پایینی ذوب می‌‌شود اما این گروه در حال آزمودن این روش برای زیرکونیوم هستند و مطمئن هستند که می‌‌توان از این روش برای دیگر فلزات نیز بهره برد. در این بین به لطف تولید صنعتی نانولوله‌های کربنی در کره به منظور کاربرد برای صنعت خودرو قیمت این نانولوله‌ها نیز کاهش پیدا کرده و می‌‌توان از آلومینیوم بهبود یافته برای کاربردهایی همچون راکتورهای تحقیقاتی، فضاپیماها یا مخازن نگهداری زباله‌های اتمی بهره برد.

جزییات این پژوهش را می‌‌توانید در نشریه‌ی علمی Nano Energy بخوانید.