شبیه سازی نانولوله های کربنی ،به روش، اٍٍلٍمانمحدود

ویژگی‏ های نانولوله‏ های کربنی (1)

برای شرکت در آزمون می بایست وارد سیستم شوید

مقدمه
در مقاله‏ های قبلی از سری مقالات با عنوان «ساختار نانولوله‏ های کربنی» و دیگر مقالات مرتبط با این نانومواد، با ساختار اتمی نانولوله‏ های کربنی آشنا شدیم. روش تجسم ساختار نانولوله ‏های کربنی از طریق لوله کردن صفحات گرافن، به دست آوردن مولفه ‏های کایرال نانولوله ‏ها، محاسبات ساختاری آن‏ها و برخی اطلاعات دیگر، از آموزه‏ های این مقالات بودند. اکنون می‏دانیم که نانولوله‏ های کربنی می‏توانند به شکل‏های مختلف وجود داشته باشند که در هر یک از آن‏ها ترتیب چیدمان اتم‏های کربنی با دیگری متفاوت است. در ادامه، در سری مقالات «ویژگی‏ های نانولوله‌های کربنی» به بررسی خواص این نانومواد جذاب می‏پردازیم. در اولین مقاله از این سری، به نوعی دسته‏ بندی از روش‏های مختلف بررسی این مواد اشاره می‏کنیم.
در این مقاله صرف نظر از میزان کارآیی روش‏ها، تنها به کلیات روش‏ها اشاره شده است و تنها به این نکته که این روش‏ها بالقوه امکان مطالعه‏ ی خواص نانولوله‏ های کربنی را دارند، بسنده می‏کنیم. بدیهی است که در عمل، استفاده از این روش‏ها از پیچیدگی‏های خاصی برخوردار است و با چالش‏های بسیاری روبرو می‌شود. اشاره به این نکته لازم است که لازمه‏ ی مطالعه‏ ی این مقاله، صبر و حوصله ‏ی خواننده است. همچنین توصیه می‏شود برای درک بهتر این مطالب که چکیده‏ ای از انبوه اطلاعات موجود در این زمینه می‏باشند، حتما به مراجع اشاره شده در مقاله رجوع شود.

معرفی و طرح مسئله
همان‏گونه که می‏دانیم، نانولوله ‏های کربنی موجودات بسیار کوچکی هستند که اگر آن‏ها را روی هم بریزیم، مانند یک توده‏ ی پودری سیاه رنگ و به شکل دوده در می‏آیند (شکل 1). با توجه به مقدار حد تفکیک چشم انسان، نمی‏ توانیم نانوله‏ ها را به شکل مجزا بینیم. از طرفی این‏ها آن قدر کوچک هستند که نمی‏توان آن‏ها را با استفاده از دستگاه‏های متداول نگه داشت. این سوال پیش می‏آید که با وجود این شرایط، چگونه می‏توانیم خواص این موجودات جالب را بررسی کنیم؟




شکل 1- یک قوطی پلاستیکی حاوی نانولوله‏ های کربنی

برای روشن‏تر شدن موضوع، یک مثال را بررسی می‏کنیم. یکی از خصوصیات ماده که در دسته‏ ی خواص مکانیکی قرار می‏گیرد، استحکام ماده یا استحکام کششی آن است. به عبارتی، میزان مقاومت یک جسم در برابر نیروهایی که آن را از دو طرف می‏کشند، از خواص مهم ماده است. برای بررسی این ویژگی در موادی مانند فلزات یا پلیمرها، نمونه‏ای از آن را از طریق روش استانداردی تهیه می‏کنند (مثال‏ هایی از این نمونه در شکل 2 دیده می‏شود). سپس دو انتهای این نمونه را داخل گیره‏ هایی قرار می‏دهند. پس از محکم کردن، به این دو گیره نیرویی در جهت دور کردن آن‏ها از یکدیگر وارد می‏شود. در نتیجه جسم تحت نیروهای کششی قرار می‏گیرد و در نهایت می‏شکند. از طریق محاسبه‏ ی حداکثر نیروی وارد شده به جسم، می‏توان استحکام ماده را به دست آورد.




شکل 2- نمونه‏ های تست کشش که بر اثر فرآیند کشش، شکسته شده‏اند.

اما همان‏طور که تاکنون متوجه شده‏اید، قطر نانولوله‏ های کربنی بسیار کمتر از آن است که بتوان آن را توسط ابزارهای متداول نگه داشت. گرچه در سال‏های اخیر، دانشمندان توانسته‏ اند با استفاده از روش‏هایی، نانولوله‏ ها را در یک محل مشخص قرار دهند و خواص آن‏ها را بررسی نمایند (شکل 3).



شکل 3- یک نانولوله‏ی چند دیواره که به دو سوزن نوک تیز روبروی هم متصل شده است.

راه‏های بررسی خواص نانولوله‏های کربنی
1. شبیه سازی
مطمئنا در زمینه‏ی شبیه ‏سازی مطالبی را مطالعه نموده‏اید. یکی از راه‏های بررسی خواص نانولوله‏ های کربنی، شبیه‏ سازی می‏باشد. بسیاری از این شبیه‏ سازی ها را می‏توان با استفاده از نرم ‏افزارهای کامپیوتری و یا استفاده از زبان‏های برنامه نویسی اجرا نمود. برای این کار روش‏های مختلفی وجود دارد که برخی از آن‏ها را به شکل مقدماتی بررسی می‏کنیم.

1-1- دینامیک مولکول
روش دینامیک مولکولی، روشی بسیار سودمند در مطالعه‏ ی ساختار مواد و بررسی فعل و انفعالات در ابعاد مولکولی می‏باشد. در این روش، اتم‏ها را به عنوان اجسامی مجزا از یکدیگر فرض می‏کنیم. طبق اطلاعاتی که از این دنیای کوچک داریم، می‏دانیم که بین این ذرات روابطی وجود دارد و آن‏ها بر یکدیگر نیرو وارد می‏کنند. برای مثال می‏توان فرض کرد که بین این اجسام، فنرهایی قرار گرفته اند (شکل 4).




شکل 4- در مواد جامد، می‏توان فرض کرد که پیوند بین اتم‏ها مانند یک فنر عمل می‏کند و آن‏ها را در یک فاصله‏ ی مشخص تعادلی از یکدیگر قرار می‏دهد.

با نوشتن روابط فیزیکی بین این ذرات و به دست آوردن سرعت و جهت حرکت آن‏ها در هر لحظه، می‏توانیم حرکت تک تک آن‏ها را بررسی کنیم. به این ترتیب می‏توانیم با استفاده از قضایا و روابط حاکم بر فیزیک نیوتنی، تا حدودی به ویژگی‏های دنیای نانومتری پی ببریم. آیا می‏دانید این ویژگی‏ها کدام هستند؟

2-1- روش المان محدود
در این روش که بیشتر مورد توجه مهندسین مکانیک می‏باشد، می‏توانیم پیوندهای بین اتم‏ های کربن را به عنوان میله‏ هایی (در اصطلاح به آن «تیر» می‏گویند که معادل واژه‏ی beam در انگلیسی می‏باشد) در نظر بگیریم و اتم‏های کربن نیز نقش خود را به عنوان محل اتصال آن‏ها بازی می‏کنند. به این ترتیب ساختاری شبیه به نانولوله ‏های کربنی پدید می ‏آید. ابتدا باید ویژگی‏های این میله را تنظیم کنیم. مهندسین مکانیک ویژگی‏های انواع میله‏ ها (با توجه به جنس، شکل و ضخامت) را به خوبی می‏شناسند و می‏توانند با بررسی‏های خود بهترین میله را انتخاب نمایند. اکنون ساختار نانولوله مانند یک سازه‏ ی مهندسی، برای بررسی آماده است (شکل 5) و می‏توان با وارد کردن نیروهایی بر آن، خواص این نانولوله را بررسی کرد.

شکل 5- تصویری از یک نانولوله‏ ی کربنی مدل شده برای آنالیز المان محدود

3-1- روش‏های دیگر
روش‏های مختلفی برای شبیه‏ سازی وجود دارند که برخی از آن‏ها بر پایه ‏ی اصول بسیار پیچیده‏ ی فیزیکی استوار هستند. با استفاده از محاسبات مخصوص به این علوم، می‏توان روابط بین اتم‏های کربن را در نانولوله و همچنین روابط بین اتم‏های کربن در یک نانولوله و محیط پیرامون آن را بررسی نمود.

2. بررسی جداگانه‏ی نانولوله‏های کربنی
همانگونه که در شکل 3 مشاهده نمودید، دانشمندان توانسته‏ اند نانولوله‏ های کربنی را بین دو کاوند یا نوک میکروسکوپ AFM قرار متصل کنند و با کشش آن‏ها از دو طرف، استحکام نانولوله را به دست آورند. همچنین برخی محققین در یک روش بسیار جالب، نانولوله‏ ها را روی یک سطح پر از شکاف پراکنده کردند. یکی از این نانولوله‏ ها را که به طور جداگانه روی یک شکاف افتاده بود، در نظر گرفتند و با وارد کردن نیرویی بر میانه‏ ی آن (که روی شکاف قرار گرفته بود) و بررسی میزان خم شدن نانولوله، به محاسبه‏ ی استحکام آن پرداختند.

3. بررسی کامپوزیت ‏های حاوی نانولوله‏ های کربن
همان‏گونه که در مقالات قبلی در مورد کامپوزیت‏ ها و نانوکامپوزیت‏ ها مطالعه نموده ‏اید (مانند مقاله‏ ی«ک مثل کامپوزیت، کامپوزیت مثل کاهگل»)، می‏توانیم برای به دست آوردن خصوصیات بهتر از یک ماده، مواد دیگری را به آن اضافه کنیم. یکی از این مواد افزودنی، نانولوله ‏ی کربنی است. محققین با درست کردن کامپوزیت‏های حاوی نانولوله ‏ها و زمینه‏ های مختلف سرامیکی، پلیمری و فلزی، توانسته‏ اند به ویژگی‏های بسیار جالبی دست پیدا کنند.

هنگامی‏که یک کامپوزیت تشکیل می‏شود، خواص آن با خواص هر دوی زمینه (ماده‏ ی اصلی)، و تقویت کننده (ماده‏ ی افزودنی یا پر کننده) متفاوت است. برای افزایش استحکام یک زمینه مثل آلومینیوم، باید موادی سخت و با استحکام زیاد را به آن اضافه کرد. اما مطمئنا استحکام کامپوزیت به دست آمده به اندازه‏ ی استحکام ماده‏ ی افزودنی زیاد نشده است. به هر حال در صورتی که ساخت کامپوزیت به درستی انجام گیرد، افزایش استحکام اتفاق می‏افتد. بنابراین می‏توان این افزایش خواص را به حضور ماده‏ ی افزودنی نسبت داد. برای مثال در مورد استحکام کامپوزیت حاصل می‏توان رابطه ‏ی 1 را نوشت. در این رابطه f نماد کسر حجمی و σ نمایانگر استحکام است. اندیس‏های c، r و m نیز به ترتیب نماینده‏ ی کامپوزیت، تقویت کننده و زمینه می‏باشند.

رابطه‏ ی 1- قانون اختلاط کامپوزیت‏ ها

در این مقاله، بیشتر به خواص مکانیکی نانولوله ‏های کربنی پرداخته شد. بررسی دیگر خواص نانولوله ‏ها نیز با روش‏های کم و بیش مشابه انجام می‏ گیرد. در مقالات بعدی، به طور خاص به خواص مختلف نانولوله‏ های کربنی می‏پردازیم و در برخی موارد، روش به دست آوردن این خواص را نیز به طور مشروح بیان می‏کنیم.