روشی برای ساخت نانولوله های کربنی به‌ راحتی ساخت پلاستیک‌ معمولی

ژیاخینگ هاونگ از دانشگاه نورث‌وسترن، خود را برای آغاز دوباره‌ی پژوهش در مورد نانولوله‌های کربنی آماده کرده است. وی تصمیم دارد هدف خود را با یک ماده‌ی شیمیایی معمولی دنبال کند؛ ماده‌ای که زمانی در ساخت شوینده‌های معمولی برای منازل به‌ کار می‌رفت.

 هاونگ با استفاده از حلالی ارزان، قابل تولید انبوه‌ و ساده به‌ نام کرزول، موفق به شناسایی روشی برای ساخت نانولوله‌های کربنی پخش‌شده با غلظت‌های بی‌سابقه و بدون نیاز به افزودنی‌ها یا واکنش‌های شیمیایی زیان‌آور شده است. هاونگ همچنین در یک تغییر متعجب‌کننده پی برد که تغلیظ نانولوله‌ها، باعث افزایش میزان تغییر ماهیت مواد از پاشیدگی‌های رقیق به یک مایه‌ی غلیظ و در ادامه هم تبدیل آن‌ها به ژل‌های آزاد و مستحکم و در نهایت به‌ وجود آمدن خمیرهای شکل‌پذیر با قابلیت شکل‌دهی و قالب‌پذیری می‌شود.

 دستاوردهای این مطالعه چند روز پیش در ژورنال Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شد.

تصویر زیر، چهار حالت پودرهای نانولوله‌های کربن را در حلال کرزول (شکل a)، یک پخش‌شدگی رقیق برای قالب‌ریزی لایه‌های نازک (شکل b)، یک خمیر یا مایه‌ی غلیظ برای رنگ‌کاری، پرینت صفحه‌ای یا ساخت ترکیب (شکل c)، یک ژل مستحکم و آزاد برای پرینت سه‌بعدی (شکل d) و در نهایت یک خمیر شکل‌پذیر با قابلیت تغییر شکل به حالت‌های مورد نیاز (شکل e)

 هاونگ که به‌عنوان استاد علوم و مهندسی مواد در دانشگاه نورث‌وسترن فعالیت می‌کند، در مورد این مقاله و کار خود چنین توضیح می‌دهد:

 نانولوله‌های کربنی به خاطر ویژگی‌های استثنایی مکانیکی، گرمایی و الکتریکی خودشان توجه بسیاری را درزمینه‌ی چند کاربرد گوناگون به خود جلب کرده‌اند. اما پس از دهه‌ها پژوهش و توسعه در این عرصه، هیجانات آن اندکی فروکش کرده است.

 اما علت این به‌تعبیر هاونگ فروکش هیجانات در چیست؟ فرایند تهیه‌ی نانولوله‌های کربنی و سختی‌های آن در بین دانشمندان زبانزد است. این دشواری وقتی کار به تولید در مقیاس انبوه یا مقادیر زیاد برسد، بیشتر هم می‌شود. اما نانوتیوب‌ها چه وجه تمایزی دارند که ارزش این دشواری را داشته باشد؟ پاسخ را باید در مقاومت بسیار بالای آن‌ها جستجو کنیم. سازه‌ی سیمی و لوله‌ای‌شکل با ضخامت حدودا یک‌هزارم تار موی انسان از این نانولوله‌ها، دارای استحکامی بیشتر از فولاد است و گرما و الکتریسیته را بسیار بهتر از رسانایی همچون مس هدایت می‌کند. اما ایراد اساسی اینجا است که در تولید انبوه که معمولا به‌ شکل پودر صورت می‌گیرد، لوله‌ها پیچ‌وتاب می‌خورند و به‌صورت توده‌هایی گره‌ می‌خورند. همین پیچیدگی به‌عنوان یک مانع مهم در مسیر کاربردهای عملی و گسترده‌ی نانوتیوب‌های کربنی به‌شمار می‌رود. هاونگ اظهار می‌کند:

 پخش کردن یا به‌تعبیری متفرق ساختن این لوله‌های انباشته‌شده کار دشواری است و از سویی اگر شما نتوانید این متفرق‌سازی را به‌خوبی انجام دهید، توان ساخت نانولوله‌های باکیفیت در شکل لایه‌های نازک را هم نخواهید داشت؛ همان حالتی از نانولوه‌ها که بسیاری کاربردهای اصلی به آن وابسته است.

 پژوهشگران پیش از این برای رفع این مشکل، از افزودنی‌هایی برای پوشاندن نانولوله‌ها استفاده می‌کردند. این مواد سطح نانولوله‌ها را از نظر شیمیایی تغییر می‌دادند و در نتیجه آن‌ها را از یکدیگر جدا می‌ساختند. با اینکه چنین روش‌هایی تا حدودی هم جواب می‌داد، اما مواد باقی‌مانده‌ از آن‌ها باعث ایجاد تغییراتی در ساختار سطحی نانوتیوب‌های کربنی می‌شد. تغییرات یادشده می‌توانستند برخی از خواص ناب و مورد نیاز نانولوله‌ها را از بین ببرند.

 در طرف مقابل، هاونگ و گروهش دریافتند که کرزول، عملکردهای خاص سطح نانولوله‌ها را تحلیل یا تضعیف نمی‌کند. از سویی دیگر مشخص شد که پژوهشگران می‌توانند پس از جدا کردن تیوب‌های درهم‌پیچیده‌شده، مواد شیمیایی باقیمانده را به‌راحتی و تنها با شستشو یا گرما دادن به لوله‌ها تا مرحله‌ی تبخیر مواد شیمیایی از بین ببرند.

 حالت خمیری نانوله‌ها مسحور‌کننده است ومی‌تواند به‌طور دلخواه شکل داده شود و در ساختارهای مورد نظر، درست مانند خمیر بازی، قالب بگیرد.

هاونگ در انتهار اشاره می‌کند:

اساسا، این سیستم حلال جدید، باعث می‌شود تنانوتیوب‌ها هم رفتاری شبیه به پلیمرها داشته باشند. بسیار هیجان‌انگیز است که ببینیم حلال‌های مبتنی بر کرزول می‌توانند نانولوله‌های سخت (از نظر انجام فرایند روی آن) را به‌صورت پلاستیک‌های معمولی درآورند.