به گزارش پرشین خبر از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو؛ در این روش جدید، به جای استفاده زیاد از پلیمر، تنها مقدار کمی رزین در نقاط ضعف ساختار گرافن تزریق شده است. این دستاورد میتواند در خنکسازی تجهیزات الکترونیکی پرقدرت، زرههای حرارتی و فناوریهای پیشرفته آینده کاربرد گستردهای داشته باشد.
پژوهشگران چینی با توسعه راهبردی نوآورانه در ساخت کامپوزیتهای گرافنی، موفق شدهاند مادهای تولید کنند که ضمن برخورداری از استحکام مکانیکی بالا، رسانایی گرمایی فوقالعادهای نیز دارد. این گروه تحقیقاتی با استفاده از تنها ۵.۹ درصد رزین پلیمری توانستند استحکام کامپوزیت گرافنی را ۱۱۷ درصد افزایش دهند و همزمان رسانایی گرمایی آن را به بیش از ۸۰۰ وات بر متر کلوین برسانند؛ رقمی که حدود ۱۰ برابر بیشتر از کامپوزیتهای پلیمری متداول است.
انسانها سالها تلاش کردند گرافن را وارد مواد واقعی و کاربردی کنند، اما هر بار یا ماده شکننده میشد یا گرما را خوب منتقل نمیکرد. حالا ظاهراً کسی تصمیم گرفته بهجای غرق کردن گرافن در پلاستیک، فقط ترکهایش را وصله کند. گاهی پیشرفت علمی چیزی جز فهمیدن همین نکته نیست که «کمتر دستکاری کردن» نتیجه بهتری میدهد.
با کوچکتر و قدرتمندتر شدن تجهیزات الکترونیکی، مدیریت گرما به یکی از مهمترین چالشهای فناوری تبدیل شده است. پردازندههای پرسرعت، تجهیزات مخابراتی، سامانههای هوش مصنوعی و ادوات دفاعی مدرن، همگی در حجم محدود، انرژی بسیار زیادی مصرف میکنند و همین مسئله گرمای شدیدی ایجاد میکند.
اگر این گرما به سرعت دفع نشود، عملکرد دستگاه کاهش مییابد یا حتی قطعات دچار آسیب جدی میشوند. به همین دلیل، پژوهشگران سالهاست به دنبال موادی هستند که بتوانند گرما را با سرعت بالا منتقل کنند و در عین حال از استحکام مکانیکی مناسبی نیز برخوردار باشند.
در میان مواد مختلف، گرافن یکی از امیدبخشترین گزینهها به شمار میرود. گرافن، لایهای تکاتمی از کربن است که رسانایی گرمایی فوقالعاده بالایی دارد و میتواند گرما را بسیار سریعتر از بسیاری از فلزات منتقل کند. علاوه بر این، استحکام مکانیکی بالا و وزن کم نیز از دیگر ویژگیهای برجسته این ماده نانویی است. با این حال، استفاده عملی از گرافن در ساخت مواد حجیم و کاربردی، همواره با مشکلات جدی همراه بوده است.
روش متداول برای ساخت کامپوزیتهای گرافنی، ترکیب گرافن با پلیمرهاست. در این روش، پلیمر نقش ماده اصلی را ایفا میکند و گرافن به عنوان پرکننده به آن افزوده میشود. هرچند این کار باعث افزایش استحکام ماده میشود، اما حجم زیاد پلیمر مسیرهای پیوسته انتقال گرما را مختل میکند و عملکرد حرارتی گرافن کاهش مییابد.
از سوی دیگر، ساختارهای خالص مبتنی بر گرافن اگرچه رسانایی گرمایی بسیار خوبی دارند، اما از نظر مکانیکی شکننده هستند و لایههای آنها بهراحتی از هم جدا میشود. این تضاد میان استحکام مکانیکی و رسانایی گرمایی، سالها یکی از چالشهای اصلی در توسعه کامپوزیتهای پیشرفته بوده است. بشر اساساً همیشه همین مشکل را دارد؛ اگر چیزی مقاوم باشد، سنگین است، اگر سبک باشد، شکننده است، و اگر هر دو ویژگی را داشته باشد، احتمالاً هنوز در آزمایشگاه است و قیمتش از طلا بیشتر خواهد بود.
اکنون گروهی از پژوهشگران چینی موفق شدهاند راهکاری تازه برای حل این مشکل ارائه کنند. نتایج این تحقیق که در نشریه علمی Advanced Nanocomposites منتشر شده، نشان میدهد پژوهشگران با استفاده از راهبردی موسوم به «تقویت فاز معکوس» یا Inverse Phase Enhancement توانستهاند تعادل میان استحکام و رسانایی گرمایی را بهطرز چشمگیری بهبود دهند.
در این روش، برخلاف ساختارهای رایج، گرافن همچنان بهعنوان ساختار پیوسته اصلی باقی میماند و پلیمر تنها در نقاط ضعف ساختار تزریق میشود. پژوهشگران تنها ۵.۹ درصد رزین پلیمری به ساختار افزودند؛ مقداری بسیار کمتر از کامپوزیتهای متداول.
پایه این فناوری بر صفحات گرافنی فشرده شدهای استوار است که به شکل لایههای کاغذ مانند کنار هم قرار گرفتهاند. در این ساختار، بهطور طبیعی شکافها و حفرههای بسیار کوچکی میان لایهها ایجاد میشود. این حفرهها نقاطی هستند که ترکها از آنجا آغاز میشوند و در نهایت باعث لغزش لایهها و شکست مکانیکی ماده میشوند.
پژوهشگران با تزریق کنترلشده رزین به همین شکافهای نانومقیاس، موفق شدند لایههای گرافنی را مانند اتصالات سنتی چوبی به هم قفل کنند. آنها این ساختار را به اتصالات «کام و زبانه» در معماری سنتی تشبیه کردهاند؛ روشی که در آن قطعات چوب بدون استفاده از پیچ و میخ، در هم قفل میشوند و استحکام بالایی ایجاد میکنند.
به گفته «کایوِن لی»، پژوهشگر اصلی این پروژه، رزین دقیقاً در نقاط دارای نقص ساختاری قرار گرفته و بدون تخریب آرایش بلوری منظم گرافن، مانع گسترش ترکها شده است. این موضوع اهمیت زیادی دارد، زیرا حفظ نظم لایههای گرافنی برای انتقال سریع گرما ضروری است.
نتایج آزمایشها نشان داد افزودن همین مقدار اندک رزین، استحکام کششی ماده را به ۶۳.۳ مگاپاسکال رسانده که نسبت به نمونههای بدون تقویت، ۱۱۷ درصد افزایش داشته است. در عین حال، رسانایی گرمایی درونصفحهای کامپوزیت به ۸۰۲ وات بر متر کلوین رسیده که حدود ۱۰ برابر بیشتر از کامپوزیتهای پلیمری رایج است.
پژوهشگران تأکید میکنند یکی از مهمترین مزیتهای این روش، حفظ مسیرهای پیوسته انتقال گرما در ساختار گرافنی است. در روشهای قدیمی، پلیمر کل ساختار را اشباع میکرد و همین موضوع مانند مانعی در برابر حرکت انرژی حرارتی عمل میکرد. اما در راهبرد جدید، رزین تنها شکافها را پر میکند و مسیرهای اصلی انتقال گرما دستنخورده باقی میمانند.
به گفته «ژن شو»، از نویسندگان این پژوهش، این دستاورد میتواند راه را برای نسل تازهای از مواد سبک، مقاوم و فوقرسانای گرمایی باز کند. چنین موادی میتوانند در خنکسازی تجهیزات الکترونیکی پرقدرت، سامانههای مخابراتی پیشرفته، خودروهای برقی و حتی زرههای مقاوم در برابر گرما و ضربه کاربرد داشته باشند.
کارشناسان معتقدند این پژوهش تنها یک پیشرفت در حوزه گرافن نیست، بلکه نشان میدهد بازتعریف نقش اجزای سازنده در طراحی کامپوزیتها میتواند به عملکردهایی منجر شود که پیشتر دستنیافتنی به نظر میرسیدند. گاهی بزرگترین نوآوری علمی نه در اضافهکردن مواد بیشتر، بلکه در این است که دانشمندان بالاخره بفهمند کجا باید کمتر دخالت کنند.
پایگاه خبری تحلیلی پرشین خبر در راستای اطلاع رسانی صحیح، اخبار تحلیلی اقتصادی – اجتماعی را منتشر می نماید.