مفاهیم کلیدی: فناوری نانو، ماده، استحکام، مهندسی
مشاهده علمي ۱۶۲
مقدمه:
آیا تا به حال فیلمی در مورد یک ابر قهرمان دیده‌اید که قدرت او وابسته به مواد فوق قوی باشد، مانند زره مرد آهنین؟ عده‌ای از دانشمندان و مهندسین در حال طراحی مواد تخیلی مورد استفاده‌ی ابر قهرمان‌ها در فیلم‌ها هستند.
اما در دنیای واقعی نیز دانشمندان و مهندسین در حال ساخت مواد فوق قوی هستند که کاربردهای فراوانی دارند، از جمله جلیقه‌های ضد گلوله‌ی بهتر، طناب‌های قوی‌تر، دوچرخه‌های سبک‌تر و همچنین فضاپیماهای پیشرفته‌تر. در این فعالیت علمی شما با استفاده از چند ورق کاغذ بررسی خواهید کرد که چگونه شکل مولکول‌ها در ماده می‌تواند به سادگی تغییرات فراوانی در قدرت و استحکام ماده ایجاد کند. شاید با انجام این فعالیت در مسیر طراحی قدرت‌های فوق‌العاده‌ای برای خود قرار بگیرید!
پیش‌زمینه:
فناوری نانو، علم مطالعه‌ی مواد در مقیاس نانو یا در مقیاس اتم‌ها و مولکول‌های مجزاست. اما مقیاس نانو چقدر کوچک است؟ یک نانومتر یک میلیاردم متر است. یک تار موی انسان حدود صد هزار نانومتر دارد. با این اوصاف نانو مقیاس بسیار کوچکی است!
ساختار مواد نانو به طرز چشمگیری بر رفتار آنها تأثیرگذار است. به عنوان مثال، مداد حاوی گرافیت است که در آن اتم‌های کربن به صورت ورقهای قرار دارند و این ورقه‌ها می‌توانند به راحتی به اطراف سر بخورند. نوشتن با مداد کار آسانی است، زیرا صفحات گرافیت به آسانی با کشیده شدن روی برگه از هم جدا می‌شوند. با این حال اتم‌های کربن برخی از قوی‌ترین مواد دنیا را نیز می‌سازند، مانند الماس! اتم‌های کربن داخل الماس محکم در کنار هم قرار گرفته‌اند و جدا کردن آنها از هم کار بسیار دشواری است.
دانشمندان در حال کار روی یک ماده‌ی فوق قوی دیگر از جنس کربن به نام نانولوله‌های کربن هستند که از ورقهای کربن پیچیده شده به صورت استوانه‌های کوچک تشکیل شده‌اند. اگر چه نانولوله‌های کربن به طور جداگانه بسیار قوی هستند، تولید انبوه آنها چالش بزرگی است. در این فعالیت علمی شما قدرت کاغذهای صاف انباشته روی هم را با کاغذهای لوله شده مقایسه خواهید کرد تا تفاوت میان گرافیت و نانولوله‌های کربن را متوجه شوید.
مواد و وسایل مورد نیاز:
دو میز یا صندلی با ارتفاع برابر
دوازده عدد کاغذ
نوار چسب یا کش لاستیکی
لیوان پلاستیکی
نخ کلفت (کاموا) یا روبان نازک
پانچ یا چاقوی تیز (در هنگام استفاده از چاقو حتماً باید یک بزرگتر همراهتان باشد.)
چند سکه‌ی یک شکل (برای مثال صد سکه‌ی ۲۵ تومانی)
آماده‌سازی:
دو سطح کار مشابه خود (میز یا صندلی هم ارتفاع) را کنار هم با فاصله‌ی دو تا سه اینچ قرار دهید.
شش عدد از کاغذها را به صورت لوله‌هایی با قطر یک اینچ درآورید و با چسب یا کش آنها را به این شکل ثابت کنید.
با استفاده از پانچ یا چاقو دو سوراخ در دو طرف مقابل هم از لیوان پلاستیکی در نزدیکی لبه‌ی بالای آن ایجاد کنید. یک تکه نخ به طول چند فوت ببرید و دو سر آن را به دو سوراخ محکم گره بزنید.
روش کار:
شش ورق کاغذ را طوری روی هم قرار دهید که به طور متقارن پلی روی شکاف بین دو میز کار شما تشکیل دهند.
لیوان پلاستیکی را طوری از این برگه‌ها در شکاف آویزان کنید که کاملاً در وسط قرار بگیرد. آیا کاغذها تحت وزن لیوان خالی خم می‌شوند؟
حال یکی یکی در لیوان پلاستیکی سکه بیندازید تا کاغذها خم شوند. (دقت کنید که اگر قبل از خم شدن کاغذها نخ متصل به لیوان پاره شد، مجدداً آن را با نخی کلفت‌تر گره بزنید و کار را از اول شروع کنید.) چه تعداد سکه لازم است تا کاغذها خم شوند؟ چه اتفاقی برای کاغذها می‌افتد؟ آیا کاغذها به تدریج خم می‌شوند یا ناگهانی؟
حال شش لوله‌ی کاغذی خود را طوری روی شکاف بین دو میز کار کنار هم قرار دهید که شکاف دقیقاً در وسط لوله‌ها باشد. دقت داشته باشید که لوله‌ها باید کاملاً کنار هم باشند و فضای خالی میان آنها وجود نداشته باشد.
لیوان پلاستیکی خالی را طوری از لوله‌های کاغذی در شکاف آویزان کنید که نخ متصل به آن از روی شش لوله بگذرد و دقیقاً در وسط شکاف قرار داشته باشد. آیا لوله‌ها تحت وزن لیوان پلاستیکی خالی خم می‌شوند؟
حال یکی یکی در لیوان پلاستیکی سکه بیندازید تا لوله‌ها خم شوند. (توجه: اگر قبل از خم شدن لوله‌ها نخ متصل به لیوان پاره شد، مجدداً آن را گره بزنید یا از نخی کلفت‌تر استفاده کنید و کار را از ابتدا شروع کنید.) چه تعداد سکه برای خم شدن لوله‌ها لازم است؟ آیا لوله‌ها به تدریج خم می‌شوند یا ناگهانی؟
کدام سازه توان تحمل سکه‌های بیشتری را دارد، کاغذهای صاف روی هم چیده شده یا لوله‌های قرار گرفته در کنار هم؟ به نظر شما این نتایج چه ارتباطی به مبحث گرافیت و نانولوله‌های کربن که در ابتدا درباره‌ی آنها صحبت کردیم دارد؟
آزمایش‌های تکمیلی:
این فعالیت را یک مرتبه‌ی دیگر انجام دهید اما این بار با چسب ورقهای کاغذ را به هم بچسبانید تا نتوانند روی هم سر بخورند. همچنین می‌توانید لوله‌های کاغذی را با چسب در کنار هم بچسبانید. این کار چه تغییری در نتایج آزمایش به وجود می-آورد؟ با چسباندن اجزای سازه به هم قدرت آنها بیشتر می‌شود یا کمتر؟
این فعالیت را با لوله‌های کاغذی با قطرهای متفاوت، مثلاً نیم اینچ و دو اینچ انجام دهید. با افزایش یا کاهش قطر لوله‌ها قدرت آنها در نگهداری بار چه تغییری می‌کند؟
همین فعالیت را با سازه‌های مختلف با طراحی خودتان انجام دهید. به عنوان مثال اگر کاغذ را به جای استوانه به صورت یک لوله‌ی مستطیلی دربیاورید چه اتفاقی می‌افتد؟ با تغییر شکل لوله‌ها قدرت آنها در تحمل بار چه تغییری می‌کند؟ کدام شکل از لوله‌ها از همه قوی‌تر است؟
مشاهده و نتیجه‌گیری:
آیا کاغذهای لوله‌ای قوی‌تر از کاغذهای قرار گرفته روی هم هستند؟
در این فعالیت علمی باید مشاهده کرده باشید که کاغذهای لوله شده بسیار قوی‌تر هستند و به همین دلیل توان تحمل تعداد سکه‌های بیشتری را در مقایسه با کاغذهایی که روی هم قرار گرفته‌اند دارند. درست مانند صفحات اتم‌های کربن در گرافیت مداد، کاغذهای روی هم ساختار پوسته‌ای دارند و لایه‌ها می‌توانند به راحتی روی هم سر بخورند. در نتیجه این صفحات ضعیف هستند و قدرت تحمل بار زیادی را ندارند. اگر یک کاغذ را به صورت لوله دربیاوریم، با وجود اینکه جنس ماده همان است، قدرت آن بسیار بیشتر می‌شود. این اتفاق در مورد اتم‌های کربن نیز رخ می‌دهد.
زمانی که اتم‌های کربن به صورت نانولوله درمی‌آیند بسیار قوی‌تر می‌شوند. دقت کنید که در این فعالیت علمی شما تفاوت میان صفحات گرافیت و نانولوله‌های کربن را از طریق مقایسه‌ی صفحات کاغذ و لوله‌های کاغذی مدل سازی کردید. اگر چه رفتار فیزیکی در مقیاس نانو و اتم‌های مجزا متفاوت از مقیاس ماکرو (مقیاس اشیای روزمره‌ای که با آنها کار می‌کنیم) است، اصل کلی همچنان یکسان است: با تغییر شکل ماده، قدرت آن عوض می‌شود.
منبع:
Superstrong science
منابع مفيد:
نانولوله‌هاي کربني
نانوذرات و کاربرد آنها
گلوله‌هاي توخالي
نانولوله‌هاي آب
نانولوله‌هاي آب-۲
الماس مصنوعي
بررسي قطبيت نور
نانوساختارها
نانولوله‌هاي کربني
نسل جديد حسگرها زا نانولوله‌هاي کربني
معرفي جايزه فاينمن در نانوتکنولوژي
نانوتکنولوژي-۱
نانوتکنولوژي-۲
نانوتکنولوژي-۳
نانو و درمان سرطان
نانوروبات‌ها
نانوروبات‌ها: گذشته و آينده
پاکسازي آب
۱۰ ايده برتر آينده بخش دوم
الماس-ويکيپديا
نانولوله کربني-ويکيپديا
گرافيت
فناوري نانو-ويکيپديا
Big Things from s Tiny world. PDF
NANOTHECHNOLOGY for KIDS