فناوری نانو با کاغذ

فناوری نانو با کاغذ

مقدمه:

آیا تا به حال فیلمی در مورد یک ابر قهرمان دیده اید که قدرت او وابسته به مواد فوق قوی باشد، مانند زره مرد آهنین؟ عده ای از دانشمندان و مهندسین در حال طراحی مواد تخیلی مورد استفاده ی ابر قهرمان ها در فیلم ها هستند.
 
اما در دنیای واقعی نیز دانشمندان و مهندسین در حال ساخت مواد فوق قوی هستند که کاربردهای فراوانی دارند، از جمله جلیقه های ضد گلوله ی بهتر، طناب های قوی تر، دوچرخه های سبک تر و همچنین فضاپیماهای پیشرفته تر. در این فعالیت علمی شما با استفاده از چند ورق کاغذ بررسی خواهید کرد که چگونه شکل مولکول ها در ماده می تواند به سادگی تغییرات فراوانی در قدرت و استحکام ماده ایجاد کند. شاید با انجام این فعالیت در مسیر طراحی قدرت های فوق العاده ای برای خود قرار بگیرید!

پیش زمینه:

فناوری نانو، علم مطالعه ی مواد در مقیاس نانو یا در مقیاس اتم ها و مولکول های مجزاست. اما مقیاس نانو چقدر کوچک است؟ یک نانومتر یک میلیاردم متر است. یک تار موی انسان حدود صد هزار نانومتر دارد. با این اوصاف نانو مقیاس بسیار کوچکی است!

ساختار مواد نانو به طرز چشمگیری بر رفتار آنها تأثیرگذار است. به عنوان مثال، مداد حاوی گرافیت است که در آن اتم های کربن به صورت ورقه ای قرار دارند و این ورقه ها می توانند به راحتی به اطراف سر بخورند. نوشتن با مداد کار آسانی است، زیرا صفحات گرافیت به آسانی با کشیده شدن روی برگه از هم جدا می شوند. با این حال اتم های کربن برخی از قوی ترین مواد دنیا را نیز می سازند، مانند الماس! اتم های کربن داخل الماس محکم در کنار هم قرار گرفته اند و جدا کردن آنها از هم کار بسیار دشواری است.

دانشمندان در حال کار روی یک ماده ی فوق قوی دیگر از جنس کربن به نام نانولوله های کربن هستند که از ورق های کربن پیچیده شده به صورت استوانه های کوچک تشکیل شده اند. اگر چه نانولوله های کربن به طور جداگانه بسیار قوی هستند، تولید انبوه آنها چالش بزرگی است. در این فعالیت علمی شما قدرت کاغذهای صاف انباشته روی هم را با کاغذهای لوله شده مقایسه خواهید کرد تا تفاوت میان گرافیت و نانولوله های کربن را متوجه شوید.

مواد و وسایل مورد نیاز:

دو میز یا صندلی با ارتفاع برابر
دوازده عدد کاغذ
نوار چسب یا کش لاستیکی
لیوان پلاستیکی
نخ کلفت (کاموا) یا روبان نازک
پانچ یا چاقوی تیز (در هنگام استفاده از چاقو حتماً باید یک بزرگتر همراهتان باشد.)
چند سکه ی یک شکل (برای مثال صد سکه ی ۲۵ تومانی)

 دو سطح کار مشابه خود (میز یا صندلی هم ارتفاع) را کنار هم با فاصله ی دو تا سه اینچ قرار دهید.

 شش عدد از کاغذها را به صورت لوله هایی با قطر یک اینچ درآورید و با چسب یا کش آنها را به این شکل ثابت کنید.

 با استفاده از پانچ یا چاقو دو سوراخ در دو طرف مقابل هم از لیوان پلاستیکی در نزدیکی لبه ی بالای آن ایجاد کنید. یک تکه نخ به طول چند فوت ببرید و دو سر آن را به دو سوراخ محکم گره بزنید.
 

روش کار:

شش ورق کاغذ را طوری روی هم قرار دهید که به طور متقارن پلی روی شکاف بین دو میز کار شما تشکیل دهند.

لیوان پلاستیکی را طوری از این برگه ها در شکاف آویزان کنید که کاملاً در وسط قرار بگیرد. آیا کاغذها تحت وزن لیوان خالی خم می شوند؟

حال یکی یکی در لیوان پلاستیکی سکه بیندازید تا کاغذها خم شوند. (دقت کنید که اگر قبل از خم شدن کاغذها نخ متصل به لیوان پاره شد، مجدداً آن را با نخی کلفت تر گره بزنید و کار را از اول شروع کنید.) چه تعداد سکه لازم است تا کاغذها خم شوند؟ چه اتفاقی برای کاغذها می افتد؟ آیا کاغذها به تدریج خم می شوند یا ناگهانی؟

حال شش لوله ی کاغذی خود را طوری روی شکاف بین دو میز کار کنار هم قرار دهید که شکاف دقیقاً در وسط لوله ها باشد. دقت داشته باشید که لوله ها باید کاملاً کنار هم باشند و فضای خالی میان آنها وجود نداشته باشد.

لیوان پلاستیکی خالی را طوری از لوله های کاغذی در شکاف آویزان کنید که نخ متصل به آن از روی شش لوله بگذرد و دقیقاً در وسط شکاف قرار داشته باشد. آیا لوله ها تحت وزن لیوان پلاستیکی خالی خم می شوند؟

حال یکی یکی در لیوان پلاستیکی سکه بیندازید تا لوله ها خم شوند. (توجه: اگر قبل از خم شدن لوله ها نخ متصل به لیوان پاره شد، مجدداً آن را گره بزنید یا از نخی کلفت تر استفاده کنید و کار را از ابتدا شروع کنید.) چه تعداد سکه برای خم شدن لوله ها لازم است؟ آیا لوله ها به تدریج خم می شوند یا ناگهانی؟

کدام سازه توان تحمل سکه های بیشتری را دارد، کاغذهای صاف روی هم چیده شده یا لوله های قرار گرفته در کنار هم؟ به نظر شما این نتایج چه ارتباطی به مبحث گرافیت و نانولوله های کربن که در ابتدا درباره ی آنها صحبت کردیم دارد؟

آزمایش های تکمیلی:

این فعالیت را یک مرتبه ی دیگر انجام دهید اما این بار با چسب ورق های کاغذ را به هم بچسبانید تا نتوانند روی هم سر بخورند. همچنین می توانید لوله های کاغذی را با چسب در کنار هم بچسبانید. این کار چه تغییری در نتایج آزمایش به وجود می-آورد؟ با چسباندن اجزای سازه به هم قدرت آنها بیشتر می شود یا کمتر؟

 این فعالیت را با لوله های کاغذی با قطرهای متفاوت، مثلاً نیم اینچ و دو اینچ انجام دهید. با افزایش یا کاهش قطر لوله ها قدرت آنها در نگهداری بار چه تغییری می کند؟

 همین فعالیت را با سازه های مختلف با طراحی خودتان انجام دهید. به عنوان مثال اگر کاغذ را به جای استوانه به صورت یک لوله ی مستطیلی دربیاورید چه اتفاقی می افتد؟ با تغییر شکل لوله ها قدرت آنها در تحمل بار چه تغییری می کند؟ کدام شکل از لوله ها از همه قوی تر است؟
 
 

مشاهده و نتیجه گیری:

آیا کاغذ های لوله ای قوی تر از کاغذهای قرار گرفته روی هم هستند؟
در این فعالیت علمی باید مشاهده کرده باشید که کاغذهای لوله شده بسیار قوی تر هستند و به همین دلیل توان تحمل تعداد سکه های بیشتری را در مقایسه با کاغذهایی که روی هم قرار گرفته اند دارند. درست مانند صفحات اتم های کربن در گرافیت مداد، کاغذهای روی هم ساختار پوسته ای دارند و لایه ها می توانند به راحتی روی هم سر بخورند. در نتیجه این صفحات ضعیف هستند و قدرت تحمل بار زیادی را ندارند. اگر یک کاغذ را به صورت لوله دربیاوریم، با وجود اینکه جنس ماده همان است، قدرت آن بسیار بیشتر می شود. این اتفاق در مورد اتم های کربن نیز رخ می دهد.
 
زمانی که اتم های کربن به صورت نانولوله درمی آیند بسیار قوی تر می شوند. دقت کنید که در این فعالیت علمی شما تفاوت میان صفحات گرافیت و نانولوله های کربن را از طریق مقایسه ی صفحات کاغذ و لوله های کاغذی مدل سازی کردید. اگر چه رفتار فیزیکی در مقیاس نانو و اتم های مجزا متفاوت از مقیاس ماکرو (مقیاس اشیای روزمره ای که با آنها کار می کنیم) است، اصل کلی همچنان یکسان است: با تغییر شکل ماده، قدرت آن عوض می شود.

منبع:  Superstrong science

بخش پژوهش های دانش آموزی سایت تبیان، تنظیم: نیلوفر یاقوتی