هدایت حرارتی نانولوله‏های کربنی-قسمت اول

[parisa]

• مقدمه:
  در مقاله‏ی قبلی به برخی کلیات مربوط به روش‏های به دست آوردن خواص نانولوله‏های کربنی پرداختیم. یکی از مهمترین خواصی که درمورد یک ماده بررسی می‌شود، خواص حرارتی آن ماده است. خواص حرارتی نانولوله‏های کربنی از اهمیت بسیاری در زمینه‏های مختلف فناوری برخوردار است، به ویژه به دلیل رسانایی حرارتی بالای الماس و گرافیت و مشابهت‏های بین آن‏ها، دانشمندان علاقه‏ی بسیاری برای بررسی این خصوصیات دارند. در صورت وجود این ویژگی در نانولوله‏های کربنی، می‏توان از آن به عنوان مکملی بر ویژگی‏های مکانیکی و الکتریکی بی‏نظیر نانولوله‏ها یاد کرد.
• هدایت حرارتی نانولوله ‏های کربنی:
  دانشمندان در بررسی‏های تجربی و آزمایش‏های خود به نتایجی در زمینه‏ی هدایت حرارتی نانولوله‏ها کربنی دست یافته‏اند. آن‏ها پیش‏بینی می‏کنند که نانولوله‏های کربنی در دمای اتاق رسانایی حرارتی بالاتری از گرافیت و الماس دارند. دانشمندان در این اندازه‏گیری‏ها، رسانایی حرارتی را برای دو دسته از نانولوله‏ها به دست آوردند. یک دسته، نانولوله‏های کربنی تک دیواره‏ای بودند که به صورت توده‏ای در کنار هم قرار گرفته بودند و مقدار رسانایی حرارتی مجموعه‏ی آنها به دست آمد. یک دسته نیز نانولوله‏های کربنی چنددیواره بودند که به صورت جدا از هم قرار گرفته بودند. رسانایی حرارتی این دسته از نانولوله‏ها به صورت جداگانه بررسی شد. این دانشمندان مقدار رسانایی حرارتی بیش از W/mK 200 را برای توده‏های نانولوله‏های کربنی تک دیواره به دست آوردند. همچنین طبق این بررسی‏ها، مقدار رسانایی حرارتی نانولوله‏های کربنی چند دیواره به صورت جداگانه بیشتر از W/mK 300 به دست آمد.

پرسش 1: آیا می‏توانید مقادیر متداول رسانایی حرارتی مواد مختلف از جمله گرافیت و الماس را بیابید؟ این کار را برای درک بهتر مطالب ارائه شده در این مقاله و مقایسه‏ی بین اعداد درج شده انجام دهید.​

پرسش 2: به نظر شما آیا می‏توان میزان رسانایی حرارتی دسته‏های نانولوله‏های کربنی تک دیواره را به رسانایی حرارتی نانولوله‏های تک دیواره‏ی مجزا نسبت داد؟

پرسش 3: آیا می‏توانید دلیلی برای تفاوت مقدار رسانایی حرارتی نانولوله‏های کربنی تک دیواره و چند دیواره بیابید؟​

همانگونه که در دیگر مقالات موجود در وبگاه باشگاه دانش‏آموزی نانو اشاره شد، برای تلفیق خواص مواد مختلف و بهبود ویژگی‏های محصولات، می‏توان از کامپوزیت‏ها و به شکل پیشرفته تر از نانوکامپوزیت‏ها استفاده نمود. طبق بررسی‏های انجام شده، با افزودن تنها %1 از نانولوله‏های کربنی به رزین اپوکسی، ممکن است رسانایی حرارتی کامپوزیت دو برابر زمینه شود. این موضوع بیانگر این است که کامپوزیت‏های نانولوله‏های کربنی می‏توانند در کاربردهای مدیریت حرارتی به کار برده شوند.

• هدایت حرارتی نانولوله‏های کربنی از منظر تئوری:
  وجود رسانایی حرارتی بالا برای تک نانولوله‏ها به شکل تئوری نشان داده شده است. نتایج حاصل از تجربیات آزمایشگاهی نیز بیانگر وجود این ویژگی در نمونه‏های توده‏ای از نانولوله‏های کربنی تک دیواره و همچنین برای تک نانولوله‏های چند دیواره می‏باشد.
  گروهی از دانشمندان رسانایی حرارتی تک نانولوله‏های کربنی را با روش‏های محاسباتی اندازه‏گیری کرده‏اند. شکل 1 نتایج محاسبات را به ازای دما برحسب کلوین برای نانولوله‏های تک دیواره نشان می‏دهد.

شکل 1- مقادیر رسانایی حرارتی محاسبه شده برای یک نانولوله‏ی کربنی تک دیواره در دماهای مختلف​

در این شکل مقدار رسانایی با λ نشان داده شده است. از آنجایی که این کمیت در دماهای مختلف، مقادیر مختلفی دارد، آن را به صورت تابعی از دما و به شکل λ(T) نشان داده‏ایم. با شروع ازدماهای کم و افزایش تدریجی دما، مشاهده می‏شود که مقدار λ(T) در نزدیکی دمای K100 به یک مقدار بیشینه برابر با W/mK37000 می‏رسد (این بیشینه به شکل یک قله در نمودار دیده می‏شود) و سپس با افزایش دما، کاهش می‏یابد. بیشترین مقدار λ(T) که تاکنون در بررسی‏های دانشمندان مشاهده شده است، مربوط به یک نمونه‏ی الماس خاص می‏باشد که در دمای K104 اندازه‏گیری شده است. این مقدار برابر با W/mk41000 است. بنابراین مقدار λ(T) نانولوله‏ی کربنی در بیشینه‏اش با بیشترین مقدار λ(T) که تاکنون اندازه‏گیری شده است، قابل مقایسه است. با توجه به نمودار ارائه شده، حتی در دمای اتاق نیز رسانایی حرارتی نانولوله‏ی کربنی بسیار بالا و برابر با W/mK6600 می‏باشد، این مقدار بسیار بیشتر از مقدار گزارش شده برای همان نمونه‏ی خالص الماس در دمای اتاق است. البته باید این نکته را در نظر گرفت که این نتایج تنها از طریق محاسبات به دست آمده‏اند و ممکن است با نتایج حاصله در شرایط آزمایشگاهی یا واقعی متضاد بوده و یا ناهم‏خوانی باشد.
برای درک بهتر رفتار حرارتی نانولوله‏ های کربنی می‏توانیم مقایسه‏ای بین نتایج حاصل از بررسی نانولوله‏ ها و دیگر مواد کربنی دارای ساختار مشابه داشته باشیم. شکل 2 نمایش دهنده‏ی مقایسه‏ای بین رسانایی حرارتی محاسبه شده برای نانولوله (ساختار یک بعدی)، تک صفحه‏ی گرافن (ساختار دو بعدی) و گرافیت (ساختار سه بعدی) است. همانگونه که مشاهده می‏شود، رسانایی حرارتی تک لایه‏ی گرافن بیشتر از یک نانولوله، و بیشتر از گرافیت است. گرچه مقدار رسانایی حرارتی گرافن در دماهای بالاتر از K270 بسیار نزدیک به رسانایی حرارتی نانولوله می‏باشد، این اختلاف در دماهای پایین تر از K270 بسیار بیشتر می‏شود. در هر صورت گرافیت رسانایی حرارتی کمتری از دو نمونه‏ی دیگر دارد.
همانطور که می‏دانید، گرافیت از روی هم قرار گرفتن منظم و متناوب لایه‏های گرافن ساخته می‏شود. بنابراین بین لایه‏های گرافن، برهم‏کنش‏هایی برقرار است، بنابراین در گرافیت، وجود بر هم‏کنش‏های بین لایه‏ای، مقدار هدایت حرارتی را به شدت کاهش می‏دهد. به نظر می‏رسد همین اتفاق در مورد دسته‏های نانولوله‏های کربنی رخ خواهد داد و مقدار هدایت حرارتی دسته‏های نانولوله‏های کربنی از مقدار هدایت حرارتی تک نانولوله‏ها کمتر باشد.

پرسش 4: چگونه می‏توانیم با استفاده از پدیده‏ی کاهش رسانایی حرارتی صفحات گرافن در حالتی که در کنار هم قرار گرفته‏اند، پیش‏بینی کنیم که رسانایی حرارتی نانولوله‏های کربنی تک دیواره به صورت دسته‏ای از حالت مجزای آن‏ها کمتر است؟​

شکل 2- مقادیر محاسبه شده برای هدایت حرارتی نانولوله (نمودار خط ممتد) در مقایسه با هدایت حرارتی صفحه ی گرافن (نمودار خط و نقطه ای) و گرافیت (نمودار خط چین)؛ قسمت ترسیم شده داخلی، نشان دهنده‏ی تغییرات میزان هدایت بر اساس دما برای گرافیت می‏باشد که با دقت بیشتری نسبت به نمودار اصلی رسم شده است. به تفاوت مقیاس اعداد روی محور عمودی نمودار داخلی و نمودار اصلی دقت نمایید.​

• هدایت حرارتی از منظر نتایج آزمایشگاهی:
  گروهی از دانشمندان با استفاده از یک میدان مغناطیسی قوی، دسته‏ هایی از نانولوله ‏های تک‏دیواره را تولید کردند که به مقدار زیادی منظم در کنار هم قرار گرفته بودند. سپس رسانایی حرارتی این نمونه را اندازه‏گیری نمودند.

پرسش 5: در اینجا اشاره شد که می‏توان جهت قرارگیری نانولوله‏های کربنی را با اعمال یک میدان مغناطیسی تنظیم کرد. به نظر شما این کار چگونه انجام می‏گیرد و اساسا دلیل این قابلیت نانولوله‏ها چیست؟​

در نمونه‏هایی که قرارگیری نانولوله‏ها در کنار هم غیر منظم بود، هدایت حرارتی در دمای اتاق در حدود W/mK 35 اندازه‏گیری شد. باید دقت داشت که نانولوله‏ها در چنین نمونه‏ای به شدت در هم پیچ خورده‏اند، و مسیری که انتقال حرارت در آن رخ می‏دهد به مقدار قابل توجهی طولانی‏تر از فاصله‏ی مستقیم بین نقاط است. برای کاهش دخالت این اثر در نتایج آزمایش، می‏توان نانولوله‏ها را توسط میدان مغناطیسی قوی آرایش داد. در این دسته نمونه‏ها، هدایت حرارتی بالاتر از مقدار W/mK200 می‏باشد که با مقدار مربوط به یک فلز خوب قابل مقایسه است. گرچه در همین دسته‏های منظم از نانولوله‏ها نیز مواردی وجود دارند که بر هدایت حرارتی نمونه تاثیر منفی می‏گذارند. برای مثال ممکن است هدایت حرارتی از طریق اتصال‏هایی که در بین نانولوله‏های مجاور یکدیگر در دسته وجود دارند، دچار محدودیت باشد. بنابراین مقدار هدایت حرارتی مربوط به تک نانولوله‏ها باید بسیار بالاتر از این مقداری باشد که در اینجا برای دسته‏های نانولوله‏ها به دست آمد.