تاج غیرفلزی

مطالعه‌ای جدید، اینکه چگونه محققان موتوری را با استفاده از سیم‌پیچ‌های بافته‌شده از نانولوله‌های کربنی خالص به‌جای مس سنگین -که صد سال است استاندارد مرسوم بوده- ساخته و به کار انداخته‌اند، تشریح می‌کند. اما آیا واقعاً می‌توانیم سیم‌پیچ‌های مسی موتورهای خود را با این روش جایگزین کنیم؟

جهان در حال سبک‌ترشدن است، یا حداقل تلاش می‌کند که سبک‌تر شود. دلیل اصلی این امر، افزایش بازدهی است. اگر بتوانید اشیا را سبک‌تر کنید، برای جابه‌جایی آن‌ها به انرژی کمتری نیاز خواهید داشت. کم‌کردن چند کیلوگرم از وزن، باعث می‌شود وسایل نقلیه سبک‌تری داشته باشیم که انرژی کمتری مصرف می‌کنند، فاصله طولانی‌تری را طی می‌کنند و در نهایت، ردپای کربنی کمتری دارند. این یک چرخۀ مفید است.

با این حال، مشکلی سنگین‌وزن، ما را متوقف کرده است: موتورهای سنگین و حجیم. بخش عمدۀ این وزن از سیم‌پیچ‌های متراکم فلزی، معمولاً مس، ناشی می‌شود. صد سال است که مس پادشاه بی‌چون و چرای هدایت الکتریکی بوده و مادۀ اولیه برای هدایت الکترون‌ها محسوب می‌شود. اما این تاج، تاجی سنگین بر سر است. مس چگال است، قیمت آن متغیر و نوسان‌زده و استخراج آن هزینه‌های زیست‌محیطی قابل توجهی دارد.

دکتر دی-یون کیم و تیم همکارش از مؤسسه علوم و فناوری کره (KIST) فکر می‌کنند که می‌توانیم بهتر عمل کنیم. این اولین بار نیست که چنین تلاشی انجام شده باشد. سال‌هاست که دانشمندان رویای جایگزینی را دارند، ماده‌ای که هم سبک‌وزن باشد و هم از نظر الکتریکی قدرتمند. اکنون این مادۀ رویایی، نام دارد: نانولوله‌های کربنی. تیمی از کره‌جنوبی این ماده را از حوزۀ خیال‌پردازی به واقعیت عملی تبدیل کرده است.

آن‌ها یک موتور الکتریکی ساختند که در آن سیم‌پیچ‌های سنگین مسی کاملاً با نخ‌هایی از نانولوله‌های کربنی خالص جایگزین شده بودند. این موتور کار می‌کند. وقتی آن را به منبع تغذیه متصل کردند، موتور به کار افتاد و سرعت چرخش آن به‌طور پیوسته با افزایش ولتاژ بالا رفت. این آزمایش موفقیت‌آمیز نشان داد که اصل اساسی موتور، یعنی تبدیل انرژی الکتریکی به نیروی مکانیکی، بدون وجود حتی یک اتم فلز در سیم‌پیچ‌های آن قابل دستیابی است.

مشکل خلوص

نانولوله‌های کربنی به‌عنوان یک مادۀ شگفت‌انگیز معرفی شده‌اند. این ماده اکنون برای افزایش استحکام محصولاتی از قبیل قاب‌های دوچرخه‌های پیشرفته و قطعات هوانوردی و همچنین بهبود عملکرد باتری‌ها به کار می‌رود. این لوله‌ها از اتم‌های کربن تشکیل شده‌اند که در الگوی شش‌ضلعی زنبوری‌شکل چیده شده‌اند و سپس به شکل لوله‌ای با قطر چند نانومتری پیچیده می‌شوند، گویی شبیه سیم‌بندی مرغی است. این ساختار منحصربه‌فرد باعث می‌شود که نانولوله‌ها از فولاد قوی‌تر و از مس سبک‌تر باشند. همچنین رسانای بسیار خوبی برای گرما و برق هستند.

مشکل اصلی خلوص است. برای حفظ ویژگی‌های مطلوب خود، نانولوله‌های کربنی باید خالص باشند. رایج‌ترین روش ساخت آن‌ها، استفاده از ذرات فلزی ریز، معمولاً آهن، به‌عنوان کاتالیست برای آغاز رشد لوله‌هاست. مشکل اینجاست که پس از اتمام فرآیند، برخی از این ذرات فلزی مزاحم بر روی سطح نانولوله‌ها چسبیده باقی می‌مانند.

این ناخالصی‌ها عملکرد الکتریکی نانولوله‌ها را به‌شدت مختل می‌کنند. آن‌ها مانند موانعی برای جریان الکترون‌ها عمل کرده و رسانایی آن‌ها را کاهش می‌دهند. برای کاربردهایی مانند سیم‌پیچ الکتریکی، این موضوع کاملاً غیرقابل قبول است. این عامل اصلی شکست تلاش‌های قبلی در ساخت موتورهای نانولوله‌ای بوده است. پاک‌سازی آن‌ها فرآیندی ظریف و اغلب مخرب بود. روش‌های پاک‌سازی موجود که از مواد شیمیایی قوی در حالت مایع یا گازی استفاده می‌کردند، کمی شبیه استفاده از چکش بزرگ برای شکستن یک مغز بودند و اغلب ساختار نانومتری اولیه لوله‌ها را آسیب می‌زدند.

در اینجا، خلاقیت تیم KIST به چشم می‌خورد. آن‌ها نیاز به روشی داشتند که بتواند ناخالصی‌ها را با دقت و بدون آسیب به نانولوله‌ها پاک کند. و راه‌حل را در حالتی عجیب و زیبا از ماده یافتند: کریستال‌های مایع.

کریستال‌های مایع چیستند؟

کریستال‌های مایع اغلب به‌عنوان «چهارمین حالت ماده» شناخته می‌شوند و در مرزی عجیب بین مایع و جامد قرار دارند. آن‌ها می‌توانند مانند مایع جریان داشته باشند، اما مولکول‌هایشان با برخی از درجات نظمی که در کریستال‌های جامد وجود دارد، چیده شده‌اند. همین خاصیت منحصربه‌فرد است که باعث کارکرد صفحۀ نمایش لپ‌تاپ یا تلویزیون شما می‌شود. تیم دکتر کیم متوجه شدند که می‌توانند از این حالت ماده برای حل مشکل خلوص استفاده کنند.

این تیم فرآیندی نوآورانه به‌نام «متنسیب سطح کمک‌شونده توسط کریستال‌های مایع لیوتروپیک» یا lyotropic liquid crystal-assisted surface texturing (LAST) ایجاد کردند. این فرآیند با حل‌کردن دسته‌ای از نانولوله‌های کربنی خام و ناخالص در یک ماده به‌نام اسید کلروسولفونیک شروع می‌شود. این اسید فوق‌قوی سطح هر نانولوله را پوشش داده و باعث می‌شود لوله‌ها از هم دور شده و خوشه‌ای نشوند. این امر نانولوله‌ها را به حالتی کاملاً پراکنده و هم‌سو تبدیل می‌کند، یعنی فاز کریستال مایع. هر لوله به‌طور کامل از دیگری جدا شده و کل سطح آن در معرض دید قرار می‌گیرد.

سپس این لوله‌ها در آب قرار می‌گیرند. آب با اسید واکنش داده و بلافاصله اسید هیدروکلریک را دقیقاً در سطح نانولوله‌ها تشکیل می‌دهد. این اسید تازه‌تولید‌شده، عامل پاک‌کنندۀ قوی‌ای برای ناخالصی‌های فلزی است. به‌طور مؤثر ذرات اکسید آهن را می‌خورد و آن‌ها را به کلرید آهن محلول در آب تبدیل می‌کند که سپس به‌راحتی شسته می‌شود. این فرآیند بسیار ظریف است و ساختار شش‌ضلعی ظریف نانولوله‌های کربنی را آسیب نمی‌زند.

«با توسعۀ مفهومی جدید از فناوری نانولوله‌های کربنی با کیفیت بالا که تاکنون وجود نداشته، توانستیم حداکثر عملکرد الکتریکی سیم‌پیچ‌های نانولوله‌ای را برای به‌کارانداختن موتورهای الکتریکی بدون فلز بهینه کنیم»، دکتر دی-یون کیم از KIST توضیح می‌دهد.

نتایج بسیار چشمگیر بود. وقتی نانولوله‌های پاک‌شده را تحت میکروسکوپ قدرتمند بررسی کردند، سطوحی که قبلاً پر از لکه بودند، اکنون کاملاً تمیز و بی‌عیب بودند. رسانایی الکتریکی این ماده به میزان ۱۳۳ درصد افزایش یافت. آن‌ها سرانجام پتانسیل واقعی نانولوله‌های کربنی را آزاد کرده بودند.

سپس این نانولوله‌های پاک‌شده را به نخ‌های مداوم تبدیل کردند و نُه رشته از آن‌ها را با هم پیچانده و با یک پلیمر عایق انعطاف‌پذیر پوشاندند تا «کابل الکتریکی کامپوزیت هسته-پوسته» خود را بسازند.

تیم این اختراع را آزمایش کرد و موتوری ساخت که بیش از یک ساعت به‌طور پایدار کار کرد. این موتور، قوی‌تر یا سریع‌تر از موتور مسی نبود، اما پنج‌برابر سبک‌تر بود. وقتی محققان «سرعت چرخشی ویژه» را محاسبه کردند -یعنی تعداد چرخش در دقیقه به ازای هر گرم از ماده سیم‌پیچ- دو موتور تقریباً یکسان بودند. موتور نانولوله‌ای کربنی تقریباً همان نسبت عملکرد به وزن را نسبت به موتور مسی ارائه می‌داد. با توسعه بیشتر، موتورهایی قوی‌تر و در عین حال سبک‌وزن‌تر قابل ساخت خواهند بود.

آیا این فناوری قابل گسترش است؟

این پیشرفت پیامدهای عمیقی دارد. این نشان می‌دهد که در آستانۀ ساخت موتورهای الکتریکی‌ای قرار داریم که به‌طور قابل توجهی سبک‌تر هستند، بدون اینکه از بازدهی‌شان کاسته شود. برای خودروهای الکتریکی، این می‌تواند به‌معنای فاصلۀ طولانی‌تر یا باتری کوچک‌تر و ارزان‌تر باشد. برای پهپادها، می‌تواند به معنای زمان پرواز طولانی‌تر یا توانایی حمل بار سنگین‌تر باشد. در صنعت هوانوردی که هر گرم اهمیت دارد، این پتانسیل بسیار بزرگی خواهد بود.

مشکل اصلی، مقیاس‌پذیری است

در این مورد، نشانه‌های امیدوارکننده‌ای وجود دارد. فرآیند اساسی به‌کارگرفته‌شده برای ساخت نانولوله‌های کربنی یک تکنیک عجیب و منحصربه‌فرد نیست، بلکه روشی است که قبلاً با موفقیت برای تولید انبوه مواد صنعتی دیگر گسترش یافته است. علاوه بر این، تولید جهانی نانولوله‌های کربنی خام در حال حاضر به هزاران تن در سال می‌رسد که نشان می‌دهد مواد اولیه می‌توانند به میزان لازم برای تولید تجاری تأمین شوند و راه را برای انتقال این موتورها از آزمایشگاه به خط تولید باز کنند.

نویسندگان این مطالعه، برنامه‌های بزرگی دارند. کیم می‌گوید: «با تکیه بر نوآوری‌های مواد نانولوله‌ای کربنی، ما در تولید داخلی موادی مانند مواد رسانا برای باتری‌ها، پلیکل‌ها برای نیمه‌هادی‌ها و کابل‌های ربات‌ها پیش‌رو خواهیم بود».