مصالح ساختمانی نانو

مفاهیم بنیادین نانو فناوری

داشتن درک درست و مناسب به انواع مصالح ساختمانی نانو، برای دسته بندی آنها ضروری است. یکی از اساسی ترین تفاوت های بین مصالح ساختمانی نانو و مصالح بزرگ ساختمانی مقیاس، این است که نانو مواد ساختمانی نسبت سطح به حجم استثنایی دارند.

سطح بیشتر نانو مواد در مقایسه با حجم آنها نقش بسیار مهم تری را در خصوصیات این مواد ایفا میکند. این نسبت تعیین کننده ترین اصل در فناوری نانو میباشد.

نکته: هرچه ابعاد ذرات کوچکتر شود نسبت سطح به حجم آنها افزایش می یابد.

دسته بندی نانو مواد

مصالح ساختمانی نانو را می توان در چهار دسته زیر طبقه بندی کرد. الف. نانو مواد صفر بعدی : متداول ترین آن ها نانو ذرات ها هستند. این نانو ذرات ها می توانند شرایط زیر را داشته باشند.

آمورف (بی شکل) با کریستالی. تک کریستالی با چند کریستالی. متشکل از یک یا چند عنصر شیمیایی. دارای شکل و فرم های متعدد. فلزی، سرامیکی یا پلیمری.

ب. نانومواد تک بعدی: نانو رشته ها، نانو میله ها و نانو لوله ها. ج. نانومواد دو بعدی: شامل نانو فیلمها، نانو لایه ها و نانو پوشش ها: نانو مواد سه بعدی با عنوان نانو مواد حجمی هم شناخته میشوند. شامل مواد نانوکامپوزیت و نانو کریستالی می باشند.
اگر بخواهیم نانو مواد سه بعدی را در یک جمله تعریف کنیم، باید گفت که هیچ یک از ابعاد این نوع مواد در حد و اندازه مقیاس نانو نیست و پا را از آن فراتر می گذارد.

حال با وجود اینکه این گونه مواد بزرگ تر از ابعاد نانو است، چرا باید اینگونه مواد را نانو ماده بنامیم؟ پاسخ این است که این مواد دارای ساختارهای نانو کریستالی با جنبه هایی از مقیاس نانو هستند.

برحسب ساختار نانو کریستالی، نانو مواد حجمی می توانند ترکیبی از ارایش چندگانه از کریستال نانو با مقیاس باشند که در جهات مختلف قرار گرفته اند. بنابراین با توجه به برخی جنبه های نانو در نانومواد حجمی این مواد می تواند توزیعی از نانوذرات، دسته هایی از نانورشته ها و نانولوله ها به علاوه نانولایه های چندگانه را در برگیرند.

حال اگر ضخامت بیرونی کلی ماده، گستره مقیاس ناتو باشد، در حالی که ابعاد کریستال های داخلی ماده از مقیاس نانو بزرگ تر باشد، باز هم می توان این ماده را نوعی نانوساده نامید.

اگر نانو مواد ۲ بعدی خود بر روی زیر لایه ای قرار گیرند که ضخامت این لایه از ۱۰۰ نانومتر بیشتر باشد، نانو مواد دوبعدی پادشده را نانو پوشش (نانو روکش) می نامند.

نانو کامپوزیت

از دو یا چند ماده با ویژگی های متمایز تشکیل شده اند که با هم افزایی با یکدیگر، ویژگی هایی را برای محصول فراهم می آورند که هریک از اجزا به تنهایی فاقد آنها بوده است. فاز ماتریس مواد نانو کامپوزیت ابعادی بزرگتر از مقیاس نانو دارد.

حال آنکه فاز مسلح کننده، ریزتر و در حدود مقیاس نانو است. ویژگی هایی که در نانو کامپوزیت ها بروز می کند، ناشی از مواد مسلح کننده افزوده شده به آنهاست. این مواد شامل نانوذرات، نانو رشته های تاتو لوله ها با ناتولایه ها هستند.

شبیه به مواد کامپوزیت سنتی، اغلب نانوکامپوزیت ها نیز از نوع ماتریس پلیمری هستند. مزیت مسلح سازی نانو کامپوزیت ها به وسیله نانوذرات این است که ابعاد اجرای فاز مسلح کننده، از طول بحرانی ترک هایی که سرآغاز شکسته شدن و گسیختگی مواد کامپوزیت هستند.

کمتر است در نتیجه نانوذرات، سختی و مقاومت بیشتری برای کامپوزیت ها به ارمغان می آورند، علاوه بر آن مزیت دیگر آن افزایش مقاومت سایشی این مواد است.

باکی بال ها (باک مینستر قولرین)

امروزه مصالح نانوی با ساختار کریتی بیشترین قابلیت را در ارائه نوآوری های جالب توجه برای نسل جدید مواد و مصالح دارند. یکی از این محصولات فولرین های کربنی است که کشف این مولکول با شکل کروی از مهم ترین رویدادها در زمینه نانوفناوری است.
این مولکول ها نیمه رسانا هستند و قابل حل در حلال های طبیعی، نیز می باشند. از تقارن بالا، قیمت ارزان و اثرات سمی کم برخوردارند و در شرایط معمولی از نظر فیزیکی و شیمیایی خنثی می باشند. بال مدل سازی رایانه ای).

نانو لوله های کربنی

نانولوله های کربنی (CNT) یا به اختصار نانولوله ها شامل انواع تک جداره (SWNT) و چند جداره (MWNT) متشکل از لایه های لوله ای گرافیت می باشد.

این فرم از نانو مواد در حقیقت متشکل از یک لایه گرافیت است که پیچیده شده و به شکل استوانه در آمده است. ویژگی اصلی این ساختارها یعنی مقاومت فوق العاده به همراه سیکی عالی، برای استفاده در مصالح کامپوزیت آینده بی نظیر است.

مزایای نانو لوله های کربنی

مقاومت کششی بیشتر نسبت به فولاد (حدود صد برابر).

سیکتر و انعطاف پذیر؛ وزنی حدود ۱/۶ فولاد نیمه رسانا یا رسانا.

قابلیت تحمل تنش زیاد بدون تحمل تغییر شکل های کشسان زیاد.

انعطاف پذیری فوق العاده و قابلیت چرخیدن در فرم یک دایره.

مشکلات در زمینه استفاده از نانو لوله های کربنی. تامین یکپارچگی در ماتریس زمینه.

اطمینان از نیروی چسبندگی بین نانو لوله های کربنی و ماتریس زمینه.

برای استفاده در حجم زیاد، مانند افزودنی های بتن ، مقرون به صرفه نیستند.

دانشمندان بسته به جهت گیری شبکه شش ضلعی بدنه نانولوله نسبت به محور طولی آن، نانولوله ها را در سه گروه صندلی متشکل از نانو کریستال ها در فرم زیگزاگ و غیر متقارن دسته بندی می کنند.

حداکثر مزایای نانولوله های کربنی در نانو کامپوزیت ها

توزیع یکنواخت نانولوله های کربنی در ماتریس پلیمری.

نیروی جاذبه بین سطحی مناسب بین نانولوله ها و ماتریس پلیمری.