نانو پودر ها

نانوپودر چیست؟
پودر‌ها ذرات ریزی هستند که از خُرد کردن قطعات جامد و بزرگ، یا ته‌نشین شدن ذرات جامدِ معلق در محلول‌ها به دست می‌آیند. بنابراین، نانوپودرها را میتوان مجموعه‌ی از ذرات دانست که اندازه‌ی آنها کمتر از 100 نانومتر است. (اگر یک متر را یک میلیارد قسمت کنیم، به یک نانومتر میرسیم. طبق تعریف، ساختار نانومتری ساختاری است که اندازه‌ی آن کمتر از 100 نانومتر باشد.)
چه پودری را میتوان نانوپودر به شمار آورد؟
پودرها در سه حالت نانوپودر به شمار میآیند:
حالت اول: ساختار ذرات تشکیل‌دهنده‌ی پودر، در حد نانومتر باشد.
یعنی اگر ساختار ذرات تشکیل‌دهنده‌ی یک پودر را به صورت یکی از اشکال منظم هندسی در نظر بگیریم، میانگین اندازه‌ی اضلاع آن بین 1 تا 100 نانومتر باشد. مهمترین اشکال هندسی، کُره و مکعب‌اند. اگر ساختار ذرات تشکیل‌دهنده‌ی پودر را کُره فرض کنیم، باید قطر کُره کمتر از 100 نانومتر باشد و چنانچه ساختار آنها مکعب فرض شود، میانگین اضلاع مکعب باید در محدوده‌ی 1 تا 100 نانومتر قرار گیرد. به عبارت حسابیتر، میانگین اضلاع مکعب باید در این رابطه صدق کند:

1 نانومتر < (a+b+c)/3 < 100 نانومتر

برای مثال، بلورهای نمک طعام ساختاری مکعب‌شکل دارند. (شکل شماره‌ی 1)
 اگر بیشترِ ذرات تشکیل‌دهندة پودر، ابعادی میان 1 تا 100 نانومتر داشته باشند، آن پودر، نانوپودر محسوب میشود.

شکل 1: ساختار بلور نمک طعام، مکعبی است.

حالت دوم: دانه‌های تشکیل‌دهندة پودر، ابعاد نانومتری داشته باشند.
در حالتی که اندازه‌ی ذرات تشکیل‌دهنده‌ی پودر از صد نانومتر بیشتر باشد، کافی است دانه‌های آن ابعاد نانومتری داشته باشند تا نانوپودر به شمار آیند. یک مثال برای فهم این موضوع، اتم‌هایی هستند که به صورت منظم و درون سلول‌هایی که آنها را "دانه" مینامیم، کنار هم قرار گرفته‌اند. مواد بلوری جامد نیز از سلول‌های ریزی تشکیل شده‌اند که به آنها دانه می‌گویند. درون هر دانه، اتم‌ها در یک جهت خاص و ردیف‌های موازی چیده شده‌اند و تفاوت دو دانة مجاورِ هم، تفاوت در همین جهت‌گیری اتم‌هاست.

شکل 2: این ذره، حاوی سه دانه است.

شکل 3: اتم‌ها با زاویه‌ی 45 درجه نسبت به افق چیده شده‌اند.

شکل 4: اتم‌ها با زاویه‌ی 90 درجه نسبت به افق چیده شده‌اند.

شکل 5: اتم‌ها با زاویه ی 120 درجه نسبت به افق چیده شده‌اند.

در دانه‌ی 1 (شکل 3)، اتم‌ها در ردیف‌های موازی و با زاویه‌ی 45 درجه نسبت به افق چیده شده‌اند. در دانه‌ی 2 (شکل 4) اتم‌ها با زاویه‌ی 90 درجه و در دانه‌ی 3 (شکل 5) اتم‌ها با زاویه‌ی 120 درجه نسبت به افق چیده شده‌اند. وقتی این سه دانه در کنار یکدیگر قرار بگیرند، یک ذره تشکیل می‌شود. (شکل 6) به فضای خالی بین دانه‌ها «مرز دانه» می‌گویند. مرز دانه محلی است که جهت چیده شدن اتم‌ها عوض می‌شود.

همچنین دانه‌ها را میتوان مانند آجرهای یک دیوار فرض کرد. در این صورت، مرز بین دانه‌ها ملات بین آجرهاست. اگر قطر این دانه‌ها بین 1 تا 100 نانومتر باشد، ذرات حاصل تشکیل نانوپودر می‌دهند.

هر چه قطر دانه‌های یک ذره کمتر باشد (البته با حجم ثابت)، تعداد دانه‌های تشکیل‌دهنده‌ی آن بیشتر خواهد بود (واضح است که هر چه آجرهای تشکیل‌دهنده‌ی یک دیوار 1 متر در 1 متر کوچکتر باشند، تعداد آجرها بیشتر خواهد بود) و هر چه تعداد دانه‌ها بیشتر شود، مانند گره‌های یک فرش، تار و پود آن محکمتر و درهم‌تنیده‌تر است و بنابرین استحکام محصول بیشتر خواهد بود.

شکل 6: سه دانه در مجاورت هم قرار گرفته‌اند تا یک ذره را تشکیل دهند.

اگر درصد قابل توجهی از دانه‌های تشکیل‌دهنده‌ی ذرات، نانومتری باشند، پودر، نانوپودر محسوب میشود.
حالت سوم: ذرات نانوپودر و ذرات پودر معمولی ترکیب شوند.
در این حالت، پودر را «نانوپودر کامپوزیتی» مینامند. کامپوزیت که از کلمه‌ی انگلیسی composition گرفته شده، به معنی ترکیب دو یا چند چیز است. ملموس‌ترین مثال برای کامپوزیت، کاه‌گل است. در کاه‌گل رشته‌های کاه در زمینه‌ی گِل پراکنده شده‌اند. در نانوپودرهای کامپوزیتی نیز ذرات نانومتری در زمینه‌ی ذرات بزرگتر (غیر نانومتری) پراکنده شده‌اند (شکل 7).

شکل 7: ذرات با قطر نانومتری در زمینه پراکنده شده‌اند.

علت ترکیب شدن آنها اختلاف خواص این دو ماده است. در کامپوزیت معمولاً زمینه از یک ماده‌ی نرم و افزودنی از ماده‌ی سخت انتخاب می‌شود. در این صورت، هنگامی‌ که به ماده نیرو وارد می‌شود، زمینه نیرو را به رشته یا پودر اضافه‌شده منتقل می‌کند تا بتواند در برابر نیروی واردشده‌ مقاومت بیشتری داشته باشد. (شکل شماره‌ی 8)

شکل 8 : در یک نانوکامپوزیت، ذرات نانویی در زمینه‌ای غیرنانویی پراکنده شده‌اند .

نانو الماس، جادوی هزاره اخیر

با توجه به ورود نانو تکنولوژی در سال های اخیر، گروهی از انواع نانو افزودنی های روغن نیز پا به عرصه ظهور گذاشته و در این میان نانو الماس نیز به عنوان یکی از جدید ترین و موثر ترین این مواد مطرح بوده است. ویژگی های منحصر به فرد ذرات نانوالماس، موجب شده انواع و گرید های مختلف این ماده، کاربردهای متنوعی را در بخش های مختلف صنعت به خود اختصاص دهند

با توجه به ورود نانو تکنولوژی در سال های اخیر، گروهی از انواع نانو افزودنی های روغن نیز پا به عرصه ظهور گذاشته و در این میان نانو الماس نیز به عنوان یکی از جدید ترین و موثر ترین این مواد مطرح بوده است. ویژگی های منحصر به فرد ذرات نانوالماس، موجب شده انواع و گرید های مختلف این ماده، کاربردهای متنوعی را در بخش های مختلف صنعت به خود اختصاص دهند پودر نانو الماس کاربردی به عنوان افزودنی مکمل روغن، دارای خصوصیاتی است که می تواند در ترکیب با روغن موجب کاهش میزان گشتاور ، ضریب اصطکاک موتور و سایش قطعات و افزایش میزان کمپرس در داخل سیلندر شود. بازدهی و تاثیرات استفاده از این افزودنی روغن، توسط آزمایش‌های مختلف در خودروهای متفاوت به اثبات رسیده است و این محصول به صورت تجاری به بازار عرضه شده است. از مهمترین تاثیرات مصرف این افزودنی به عنوان مکمل روغن موتور خودرو  می توان به مواردی چون کاهش مصرف سوخت، بهبود عملکرد و افزایش عمر موتور خودرو اشاره نمود.
پودر نانومتری الماس نوع جدیدی از پودرهای سنتزی نانومتری بسیار سخت (Super Hard) محسوب می‌شود. از بررسی‌های میکروسکوپی انجام شده بر روی پودر نانومتری الماس مشخص شده است که ذرات پودر نانومتری الماس به صورت یک مجموعه (Cluster) بوده و شکل ذرات نانو الماس کروی است . در واقع، یک ذره الماس از یک هسته فشرده بلورین از جنس الماس و یک لایه‌ سست خارجی حاوی انواع پیوندهای کربن - کربن و Heterobonds تشکیل شده است. 30 درصد نانو اتم‌های الماس روی سطح آن قرار گرفته اند و همین مسئله خواص ویژه‌ای به آن داده است

 

نانوالماس به عنوان افزودنی به روغن موتور، گریس و مایعات روانکار خنک‌کننده افزوده می‌شود. با توجه به خواص فیزیکی ویژه نانو‌الماس و به خاطر هدایت حرارتی آن (۵ برابر مس)، این مواد عملکرد ویژه‌ای به عنوان سیستم‌های خنک‌کننده خواهد داشت. افزودن نانوالماس به روغن باعث می‌شود که قابلیت انتقال حرارت روغن افزایش یافته و خاصیت خنک‌کنندگی آن بهبود یابد و به همین خاطر، قسمت تحتانی محفظه روغن را به صورت پره پره درست می‌کنند تا باعث انتقال سریع حرارت به محیط بیرون باشد. روغن حاوی ذرات نانو الماس، دارای کارآیی ویژه خواهد بود که پایدار بوده (رسوب نمی‌گذارد) و با محیط زیست سازگار است.
نحوه‌ مصرف و عملکرد نانوالماس در این کاربرد به این صورت است که پودر نانو الماس، به روغن موتور افزوده می‌شود و سوسپانسیون پایداری ایجاد می‌کند. نانوالماس موجود در روغن بر روی سطوح در تماس با روغن، لایه‌ای تشکیل می‌دهد و دانه‌های فوق‌العاده ریز آن در خلل و فرج سطح جای می‌گیرند و سطح کاملاً صافی را تشکیل می‌دهند. همچنین نانو‌الماس به شکل ذرات کروی شکلی است که فوق‌العاده سخت بوده و می‌توانند در قسمت‌های تحت سایش، اصطکاک لغزشی را به غلطشی تبدیل کنند . ذرات ریز و پراکنده نانوالماس، اطراف خود گلبول‌های روغن با ابعاد حدود 6 میکرون را جمع کرده و موجب افزایش ویسکوزیته ماده روانکار شده، به صورت لایه نازکی بر سطح دارای اصطکاک می‌نشینند. این امر افزایش استحکام دینامیک لایه روانکار و کاهش چکه روغن از خلال فواصل را نیز موجب می‌شود. در دماهای پایین، این افزودنی از طریق کاهش دمای انجماد روغن تا 10 درجه سانتی گراد موجب کاهش ویسکوزیته روغن موتور می‌شود. معمولاً اثرات استفاده از این افزودنی بعد از حدود 600 تا 700 کیلومتر رانندگی کاملاً محسوس خواهد شد.

 

این افزودنی در موتور انواع وسایل نقلیه از جمله خودروهای سواری، خودروهای سنگین، موتورسیکلت‌ها، کشتی‌‌ها، قطارها و هواپیماها قابل استفاده می‌باشد  از مهم‌ترین کاربردهای روغن حاوی نانوالماس، به عنوان افزودنی به روغن موتور خودروهاست. مزایای زیر برای استفاده ازاین افزودنی مکمل روغن در موتور انواع خودروها ذکر شده است:

 

•      افزایش طول عمر موتور خودرو (فاصله‌ زمانی نیاز به تعمیرات اساسی موتور را حداقل دو برابر می‌کند
•      افزایش بازده موتور خودرو
•      پس از هر بار استفاده از این افزودنی تا 20 هزار کیلومتر قطعات تحت سایش در موتور محافظت می‌شوند (به عبارت دیگر اثرات مثبت این افزودنی حتی پس از تعویض روغن، تا 20 هزار کیلومتر تا حدی باقی می‌ماند
•      حفاظت موتور در شرایط سخت کارکرد  از قبیل فشار کاری شدید، فقدان مایع خنک‌کننده‌ موتور و فقدان روغن موتور
•      صرفه‌جویی در مصرف سوخت % 15- 5
• کاهش گشتاور اصطکاک در حد % 40- 20
•      کاهش سایش سطوح تحت سایش تا حدود 1/1 الی 3 برابر
•      سرعت کارکرد بالا در قسمت‌های تحت سایش
•      تسهیل در روشن شدن موتور در هوای سرد
•      کاهش ارتعاش و سروصدای اتومبیل حین کارکرد
•      افزایش فشار روغن

نمونه‌ای از نتایج کاربردی استفاده از افزودنی حاوی نانوالماس در شکل مشاهده می شود . این تصاویر حاکی از تاثیر قابل ملاحظه مصرف افزودنی حاوی نانو الماس بر  افزایش کمپرس روغن داخل سیلندر و کاهش مصرف بنزین در انواع خودرو های مورد آزمایش  می باشد.