طراحی نانومحصولات صنایع هوایی و نظامی با مدل ریاضی ابداعی محققان ایرانی

با استفاده از مدل ارائه شده می‌توان در طراحی تولید محصولاتی که بر پایه‌ی نانو لوله‌های کربنی هستند، به عنوان مثال در صنایع هوایی و نظامی (نانوکامپوزیت‌ها، نانوماشین‌ها)، صنعت الکترونیک (پیل سوختی، سیستم‌های نانوالکترومکانیکی همچون نانوحسگرها، نانوپروسسورها) و پزشکی (انتقال داروهای ضد سرطان) بهره گرفت.

به نوشته سایت نانو، ویژگی‌های بی همانند نانولوله‌های کربنی سبب شده است که از جمله اجزای اصلی سازنده‌ی سیستم‌های نانوالکترومکانیکی باشند.

هنگامی که سازه‌ی نازکی همانند نانولوله‌های کربنی به کار رفته در سیستم‌های نانوالکترومکانیکی تحت بارگذاری فشاری قرار گیرند، دچار نوعی ناپایداری به نام کمانش خواهند شد. از این‌رو مطالعه رفتار مکانیکی آن‌ها از اهمیت بسزایی برخوردار است.

این‌گونه بررسی‌ها نیازمند پارامتر‌هایی نظیر ضخامت و مدول یانگ نانولوله است که مقادیر دقیق آن‌ها از جمله موارد بحث برانگیز بین محققان است. در این پژوهش، محققان به دنبال مدلی جدید و کارا بودند که در تحلیل و بررسی رفتار کمانشی نانولوله‌های کربن به کار رفته و نیازمند این مقادیر نباشد.

دکتر رضا انصاری، عضو هیأت علمی دانشکده‌ی مهندسی مکانیک دانشگاه گیلان و محقق این طرح، درباره ضرورت انجام این پژوهش تصریح کرد: این کار را می‌توان یکی از دستاوردهای فعالیت‌های پژوهشی صورت گرفته در زمینه مطالعه و تحلیل خواص و رفتار مکانیکی نانوساختارها دانست که طیف وسیعی از موضوعات مختلف را شامل می‌شوند.

وی افزود: از نقص‌های مهم روش‌های اتمی و پیوسته می‌توان به ترتیب به بالا بودن هزینه‌های محاسباتی و وابسته بودن آن‌ها به خواص مکانیکی و ضخامت نانولوله اشاره کرد. هدف ما در این کار، ارائه یک مدل ترکیبی دقیق از مدل‌های پیوسته و اتمی بود که ضمن برخورداری از کارایی محاسباتی، نیازی به دانستن مقادیر مدول یانگ و ضخامت نانولوله نداشته باشد. در واقع ما توانستیم مدل‌هایی را که قبلاً در مقیاس ماکرو ایجاد شده بود، با ایجاد اصلاحات مناسب در مقیاس نانو به کار ببندیم.

انصاری در ادامه تصریح کرد: در این کار پس از مرور آخرین تحقیقات صورت گرفته در زمینه پایداری نانولوله‌های کربنی و مشخص کردن کاستی‌های آن‌ها، مدل‌سازی انرژی بین اتمی بر اساس تابع پتانسیل تجربی ترسوف-برنر صورت گرفت و انرژی پتانسیل بین اتمی توسط آن تقریب زده شد.

وی افزود: در ادامه جهت ایجاد ارتباط میان ساختار اتمی نانولوله کربنی و مدل ساختاری در سطح پیوسته، ابتدا ساختار اتمی شش ضلعی نانولوله توسط یک محیط جایگزین که دارای توزیع تصادفی از اتم‌های کربن بوده و از چگالی جرمی و مدول یانگ یکسان با ساختار گرافیت برخوردار باشد، تقریب زده شد.

وی ادامه داد: سپس با استفاده از قانون کوشی بورن و میانگین‌گیری در جهت‌های فضایی پیوندهای اتمی، چگالی انرژی کرنشی در سطح پیوسته بر حسب انرژی پتانسیل بین اتم‌ها محاسبه شد. در ادامه، با استفاده از چگالی انرژی کرنشی و معادلات ساختاری ارینگن یک مدل پوسته بر پایه پتانسیل بین اتمی که اثرات مقیاس را در نظر می‌گیرد، استخراج شد و با استفاده از روش حل ناویر، معادلات حاکم برای نانولوله با شرایط تکیه‌گاهی ساده حل شد و بار بحرانی کمانش و شکل‌های مود مربوطه تعیین شدند.

محقق طرح با بیان این که گام نهایی این پژوهش شامل اعتبارسنجی مدل و نتایج حاصل از آن بود، تصریح کرد: برای صحه‌گذاری نتایج، شبیه‌سازی دینامیک مولکولی بر روی دسته‌ای از نانولوله‌ها صورت گرفت و نتایج آن با نتایج به دست آمده توسط مدل ترکیبی حاضر مقایسه شد. سپس، اثرات هندسه، مقیاس و شماره موج بر روی رفتار کمانش نانولوله مطالعه شد.

انصاری خاطرنشان کرد: نتایج نشان داد که مدل‌های کلاسیک پیوسته، بار بحرانی را بیش از مقدار حقیقی پیش بینی می‌کنند. با افزایش ضریب مقیاس، بار بحرانی برای نانولوله کاهش پیدا می‌کند. این بدان معناست که با در نظر گرفتن اثرات مقیاس، سفتی نانولوله کاهش می‌یابد.

وی افزود: در بررسی اثرات هندسه بر پایداری نانولوله نشان داده شد که زمانی که پارامتر هندسی نسبت طول به قطر، افزایش می‌یابد یا به عبارتی نانولوله باریکتر می‌شود، به علت بزرگ بودن طول نانولوله در مقایسه با طول مشخصه داخلی مثل طول پیوند، اثرات کوچک شدن مقیاس بر بار بحرانی کم رنگتر می‌شوند. همچنین مشاهده شد که عدد موج بر اهمیت اثرات مقیاس بر پایداری نانولوله تأثیر قابل ملاحظه‌ای دارد.

بر اساس این گزارش، این محققان در نظر دارند در ادامه این پژوهش، از مدل ارائه شده در این کار برای تحلیل سایر پدیده‌های مکانیکی همچون ارتعاشات و رفتار خمشی و همچنین سایر نانوساختارها از جمله نانوصفحه‌ها و نانومخروط‌ها استفاده کنند.

نتایج این کار تحقیقاتی که با همکاری دکتر رضا انصاری و ابوالفضل شهاب‌الدینی و حسام روحی از دانشجویان دوره دکتری مهندسی مکانیک دانشگاه گیلان صورت گرفته، در مجله Composite Structures منتشر شده است و از مقالات برتر پذیرفته شده توسط ستاد ویژه فناوری نانو به شمار می‌رود.