در آمدي بر کاربردهاي نانوالماس

چکيده      

الماس، مهمترين ساختار سراميکي تک عنصري و يکي از سخت ترين عناصري است که از کربن خالص تشکيل شده و به طور طبيعي تحت فشارهاي زياد اعماق زمين و در زماني طولاني شکل مي گيرد. اما مي توان آنرا به طور مصنوعي در زماني بسيار کوتاه تر و به کمک فرآيند فشار بالا دما بالا که اساسا تقليدي از فرآيند طبيعي شکل گيري الماس مي باشد، توليد کرد. در سالهاي اخير پيشرفت هاي شگرفي در توليد الماس حاصل شده که نتيجه آن، توليد الماس هايي در ابعاد نانومتر بوده که به علت داشتن خصوصيات بسيار عالي مکانيکي، حرارتي، نوري و عايق بودن، کاربردهاي متنوعي را در صنايع مختلف به خود اختصاص داده است. در اين مقاله کاربردهاي نانوالماس در صنعت لاستيک، ساخت ابزار برش، همچنين استفاده از آن به عنوان نيمه رسانا مورد بحث و بررسي قرار گرفته است.

مقدمه:

الماس سخت ترين ترکيبي است که از کربن خالص تشکيل شده و تحت تاثير فشار و حرارت بسيار زياد متبلور مي شود. در طبيعت چنين ماده اي فقط در عمق 150 يا 200 کيلومتري از سطح زمين يافت مي شود. ساختار الماس را مي توان به صورت شبکه مکعبي وجوه مرکز پر، به  طوريکه نيمي از حفرات چهار وجهي آن پر شده است مشاهده کرد. در اين ساختار، اتم هاي کربن با يکديگر پيوند کووالانسي داشته و هر اتم کربن با چهار اتم کربن ديگر احاطه شده است.  پيوند بسيار قوي کووالانسي اتم هاي مجاور کربن، سبب افزايش مدول الاستيک و دماي پايداري فوق العاد بالا شده و همچنين سخت ترين ماده طبيعي را ايجاد مي نمايند. ويژگي اصلي الماس سختي بالاي آن است که در مقياس مورس بيشترين مقدار يعني 10 و در مقياس نوپ، گستره 5500 الي 7000 را به خود اختصاص داده است. رسانايي گرمايي الماس هاي زينتي در ميان تمام عناصر شناخته شده بيشترين ميزان را دارد. به همين دليل الماس در سرعت هاي بسيار بالا بدون اينکه گرماي توليد شده به آن صدمه بزند، تراش داده مي شود.

الماس در برابر مايعات معدني و اسيدهاي غير معدني در دماي اتاق مقاوم است و به وسيله برخي اکسيد کننده هاي قوي از قبيل سديم و پتاسيم نيتريد در دماي بالاي 500 درجه سانتيگراد به وسيله مخلوطي از سديم، پتاسيم کلريد و هيدروکسيدهاي مذاب از قبيل کمي NaoHحک کاري مي شود. در دماي نزديک به 1000درجه به آساني با کاربيد فلزات از قبيل Co،Ni،Al،Fe و Ta واکنش مي دهد.

حدود 45 سال پيش، در جولاي 1963 ميلادي، شوروي سابق و کشورهاي بلوک شرق موفق به کشف روش انفجاري براي توليد نانوالماس شدند. هنوز عقيده بر اين است که نانوالماس کاربردهاي وسيعي در صنعت پيدا مي کند و اين امر سبب ادامه تحقيقات در اين زمينه شده است. در بين سالهاي 1988 تا 1998 ميلادي، مطالعات گسترده اي جهت کاهش قيمت تمام شده نانوالماس با تمرکز بر روي واکنش تبديل کربن به نانوالماس انجام شد. همچنين پارامترهاي مختلف در تشکيل نانوالماس مورد مطالعه قرار گرفت. شايد به زودي تصور متداول درباره الماس ها، به کلي دگرگون شود. الماس هايي که به خاطر زيبايي، کمياب بودن و زمان طولاني توليدشان ارزش فوق العاده اي داشتند، امروزه در آزمايشگاه و در مدت زماني حدود يک ساعت به وجود مي آيند. اينکه اين دگرگوني چه تاثيري در صنعت جواهر سازي يا قيمت الماس هاي طبيعي در بازار خواهد داشت هنوز در پرده اي از ابهام است. خصوصيات ويژه و منحصر به فرد پودر نانوالماس صنعتي باعث شده است تا امروزه کاربرد بسيار وسيعي در صنعت پيدا کند. قيمت ارزان آن نيز باعث کاربرد آسانتر آن شده است و هر روز به کاربران اين ماده در صنايع مختلف افزوده مي شود.

کاربردهاي نانوالماس

هنري فورد نخستين کسي بود که پي برد با وجود هزينه زياد اوليه، الماس در حقيقت ارزان ترين ساينده صنعتي براي استفاده دراز مدت است. صنايع تراش و ماشين ابزار، شيشه و عينک سازي ها از اولين صنايعي بودند که از الماس استفاده کردند. الماس هاي بزرگتر در مته هاي الماسي کاربرد دارند که در اکتشافات مواد معدني، در استخراج کاني ها و در حفاري هاي چاه هاي نفتي و گازي استفاده مي شوند. صنعت الکترونيک و برق هر دو از مصرف کنندگان الماس اند. چاپگرهاي نساجي از الماس براي برش الگو و نيز دندانپزشکان و پزشکان براي برش ظريف استخوان و بافت ها استفاده مي کنند.

ويفرهاي الماس در پنجره هاي ليزر کاربرد دارد که نيازمند سطحي بسيار صاف و با ضريب جذب پايين است. الماس براي پنجره هاي ليزرهاي با قدرت بالاي Co2 به کار مي رود. همچنين براي پنجره هاي عبور دهنده طول موج هاي کوچک الکترومغناطيسي براي ژيروترون و کليسترون هاي قدرت بالا، پخش دي الکتريک براي طول موج هاي کوچک و موج هاي ميليمتري(CVD) و در استحکام چرخ ها و لاستيک ها استفاده مي شوند.

برخي از موارد استفاده مواد نانو الماس در جدول زير گزارش شده است.

استفاده از نانوالماس به عنوان نيمه رسانا

استفاده از الماس به عنوان نيمه رسانا نيز نيازمند شرايط ويژه اي مثل درجه خلوص فوق العاده بالا و جايگزيني فعال اتم ها به لحاظ الکتريکي براي ايجاد گذرگاه الکتريکي در وسيله مورد نظر است. اما الماس هاي طبيعي با اينکه داراي کيفيت جواهري بسيار ارزشمند هستند، به خاطر نقص ها، ناخالصي ها و ساختار ضعيفشان براي مصارف الکترونيکي نامناسبند. البته با کنترل شرايط سنتز مي توان الماس ها ي مصنوعي با شرايط کاملا دلخواه توليد کرد که در کاربردهاي الکترونيکي پرقدرت از سلفون ها گرفته تا کامپيوترهاي شخصي وخطوط ارتباطي قابل استفاده هستند. به گفته جيمز باتلر يکي از شيميدانان آزمايشگاه تحقيقات نيروي دريايي آمريکا، سه مشکل عمده بر سر راه استفاده از الماس هاي طبيعي در کاربردهاي الکترونيکي وجود دارد، قيمت گران و عدم خلوص الماس هاي طبيعي. افزون بر اين هيچ دو سنگي دقيقا شبيه هم نيستند و خواص منحصر به فرد در هريک مي تواند مشکلاتي را در مدارهاي الکترونيکي به بار آورد. آخرين مشکل در استفاده از الماس براي کاربردهاي الکترونيکي و کامپيوتري، نياز به دو نوع الماس يعني سنگهاي نوع n و p براي هدايت الکترونيکي است. در مدارهاي مجتمع بايد از هر دو نوع الماس نيمه رساناي n و p استفاده کرد اما الماس هاي نوع n به طور طبيعي وجود ندارد و الماس هاي نوع p، به قدري نادرند که هيچ راه مقرون به صرفه اي براي استفاده از آنها پيدا نشده است. به هر حال الماسهاي مصنوعي اين مشکلات را برطرف مي کنند. به گفته رابرت لينارس بنيانگذار کمپاني آپولو دياموند،(براي مثال) مي توان با افزودن ناخالصي فلز بور به الماس، نيمه رساناي نوع p را توليد کرد. به طور مشابه دانشمندان مي توانند با افزودن فسفر به الماس بيرنگ، الماس نوع nرا نيز توليد کنند. براي استفاده از الماس نيمه رسانا در دستگاه هاي الکترونيکي پر قدرت نياز به ترکيبي لايه اي از اين دو نوع الماس است. امروزه نيمه رساناهاي بسياري مثل سيليکون در گستره وسيعي از دستگاه هاي الکترونيکي به کار مي روند. اما الماس با توجه به دامنه تغييرات حرارتي و سرعت فوق العاده اش، عنوان دومين نيمه رساناي برتر جهان را به خود اختصاص مي دهد. الماس با داشتن چنين ويژگيهايي و به خصوص امروز که آزمايشگاه ها قادر به توليد سنگ هاي خالص و ناخالص کنترل شده هستند، مي تواند پايه گذار انواع بسيار جديدي از دستگاه هاي الکترونيکي پرقدرت باشد.

به عنوان برخي از کاربردهاي عملي الماس مي توان به موارد زير اشاره کرد:

- لوازم الکترونيکي ولتاژ و توان بالا مثل ترن هاي سريع

- دستگاه هاي فرکانس بالا مثل رادارهاي پرقدرت و ايستگاه هاي مخابراتي سيار

- دستگاه هاي ميکرو و نانوالکترومکانيکي مانند ساعتها و فيلترهاي تلفن همراه

- آشکارساز پرتوهاي پر انرژي مثل پرتوسنج هاي پزشکي

- اپتيک و ليزرهاي پرقدرت مانند آنچه در کابل و خطوط تلفن يا پنجره شاتل هاي فضايي به کار مي رود.

- الکترودهاي الماسي مقاوم به خوردگي که مي تواند محيط هاي آلوده را پاک کند.

 کاربرد ساختارهاي نانومتري الماس در لاستيک

الماس نانومتري به طور گسترده اي در کامپوزيت ها از جمله لاستيک در مواد ضد اصطکاک و مواد روانکار به کار مي رود. اين ساختارهاي نانومتري الماس، داراي خواص برجسته اي هستند. از جمله اين خواص مي توان به موارد زير اشاره کرد:

1.ساختار کريستالي

2.شکل کاملا کروي

3.ساختمان شيميايي بسيار محکم

4. فعاليت جذب سطحي بسيار بالا

در روسيه الماس نانومتري با درصدهاي مختلف به لاستيک طبيعي، لاستيک پلي سوپرن و لاستيک فولرين براي ساخت لاستيک هايي که در صنعت کاربرد دارند، مورد استفاده قرار مي گيرد. نتايج به دست آمده نشان مي دهد که با افزودن ساختارهاي نانومتري الماس به لاستيک ها خواص آنها به شکل قابل توجهي بهبود مي يابد. از آن جمله مي توان به موارد زير اشاره کرد:

1. چهار الي پنج برابر شدن خاصيت انعطاف پذيري لاستيک؛

2. افزايش دو الي پنج برابري ميزان استحکام؛

3. خاصيت مقاومت در برابر گسيختگي آنها در دماي بالا و پايين به اندازه بسيار زيادي بهبود مي يابد؛

4. افزايش دماي اشتعال لاستيک، با وارد نمودن اين نانوذرات شاهد افزايش دماي اشتعال و افزايش استحکام مکانيکي در لاستيک خواهيم بود که از دلايل اصلي آن حذف مقادير زيادي دوده است؛

5. کاهش وزن لاستيک، با افزودن حدود 3 الي 5 درصد نانوذره پرکننده به لاستيک استحکام مکانيکي معادل با 40 تا45 درصد دوده و نيز کاهش وزن به مقدار قابل ملاحظه اي بدست مي آيد؛

6. افزايش مقاومت در مقابل نفوذپذيري گاز، اين نانوکامپوزيت ها به علت ضريب عبوردهي کم نسبت به گازها به ويژه هوا مي توانند در افزايش مقاومت در برابر نفوذ و عبور گازها مفيد باشند؛

7. افزايش مقاومت سايشي لاستيک؛ با افزايش نانوذره هاي پرکننده به لاستيک امکان افزايش مقاومت سايشي لاستيک وجود دارد.

نتيجه گيري:

نانوالماس به دليل خصوصيات بي نظير خود قابليت استفاده در کاربردهاي گوناگون را دارا هستند. با استفاده از نانوالماس ها در نيمه رساناها مي توان دستگاه هايي را توليد نمود که با استفاده از مواد مرسوم قادر به توليد آنها نخواهيم بود. استفاده از نانوالماس در صنايع لاستيک موجب مي شود علاوه بر کاهش وزن، خواص مورد نياز لاستيک به طور چشمگيري افزايش يابد. با اينکه هزينه اوليه استفاده از نانو الماس ها زياد است، اما کارايي نانوالماس ها در زمان هاي طولاني باعث شده تا استفاده از آنها توجيه اقتصادي داشته باشد؛ هرچند با گسترش روش هاي نوين سنتز هزينه هاي اوليه استفاده از نانو الماس ها نيز کاهش يافته است.