نانو تریبولوژی و ساخت نانو روانکارها

[ghasem motamedi]

اگر اتومبیلی خریداری کرده اید که در طول مدت۱۰ سال نیاز به تعویض روغن و یا گریس کاری نداشته، در این اتومبیل از روغن و گریسی استفاده شده که از مواد نانو ساخته شده است. اصلی ترین وظیفه نانو روانکاران کاهش اصطکاک و خوردگی قطعات همراه با دوام و کارایی بیشتر است. ورود این مواد به بازار مصرفی تغییرات بسیار زیادی را در این صنعت بوجود خواهد آورد. واژه تریبولوژی از ریشه کلمه یونانی "تریبو" به معنی سایش و "لوژی" به معنی دانش است. کاربرد اولیه این علم در یونان باستان، شناخت عوامل حمل سنگهای بزرگ بر روی سطح زمین و بهبود آنها بوده است. امروزه این علم شامل مطالعه در مورد نیروی اصطکاک، فرسایش و استفاده از روانکارهای جدید برای کاهش این دو اثر است. در قرن گذشته تحقیقات گسترده ای برای بدست آوردن روانکارهای بادوام انجام شده که در نهایت منجر به استفاده از مواد افزودنی به روغنها به منظور ارتقای کیفیت آنها شده است. هدف نهایی تحقیقات در این زمینه به دست آوردن روانکارهایی است که هیچگاه نیاز به تعویض و یا ترمیم نداشته باشند. حاصل این تلاش شناسایی روانکارهایی متشکل از ذرات بسیار مواد آلی غیر اورگانیکی است. تحقیقات در این زمینه نشان می دهد اگر اندازه این مواد از۱۰۰ نانومتر کمتر شود، ساختار بسیار متفاوتی را پیدا خواهند کرد. محصول بدست آمده نانولوبها (Nanolubricants) نامیده می شوند. ذرات کروی یا نانوتیوبها که ساختار اصلی نانولوبها را تشکیل می دهند، در زمان فعالیت،‌مانند میلیونها ساچمه مینیاتوری بین سطوح متحرک لغزیده و منجر به کاهش نیروی اصطکاک، دما و ارتقای کارایی ماشین آلات می شوند. این ذرات می توانند به کوچکترین منافذ قطعات نفوذ کرده و عمل روانکاری را بهبود بخشند. کاربرد این نوع از روانکارها در سطوح ناصاف به مراتب بهتر از روانکارهای فعلی است به همین دلیل تولید کنندگان با استفاده از آنها نیاز کمتری به ماشین کاری، صرف وقت و هزینه برای ساخت قطعات ماشین آلات خواهند داشت که این عامل، منجر به صرفه جویی در مواد و هزینه می شود. نانو روانکارها که در دو گروه جامد و مایع به بازار عرضه خواهند شد باعث کاهش نیروی اصطکاک و در نتیجه نیروی مصرفی و سوخت ماشین آلات می شوند. همچنین این مواد به عنوان مواد افزودنی برای روانکارها یا بصورت ترکیب با مواد دیگر و یا به تنهایی می توانند مورد استفاده قرار گیرند. تطابق بهتر با محیط زیست در مقایسه با روانکارهای متداول امروزی یکی دیگر از مزایایی بسیار خوب نانو روانکارهاست. آزمایش های متعددی که توسط آزمایشگاههای مختلف فارماکولوژی در آمریکا و اروپا انجام شده سازگار بودن این گروه از روانکار را با محیط زیست تایید کرده است. این مواد به هیچ عنوان سمی نیستند و موجب آلودگیِ آب، خاک وهوا نخواهند شد. نانوتریبولوژی در فناوری های پیشرفته جدید مانند هموار ساختن سطوح دیسک های حافظه کامپیوتر برای افزایش کیفیت ذخیره اطلاعات و کاهش نیروی اصطکاک و انرژی مصرفی و جلوگیری از خوردگی قطعات نقش مهمی ایفا می کند. در صنایع سنتی مانند اتومبیل و هواپیما، هدف از جایگزین کردن نانو روانکارها بجای انواع مختلف روانکارهای در حال مصرف مانند روغن و یا گریس، بی نیازی به تعویض روغن، چسبندگی بهتر به قطعات به صورت فیلم های تک لایه ای، تحمل فشار مکانیکی بسیار زیاد و دمای کارکرد بیشتر است. حتی از آنها می توان در سطوح بیرونی کشتی و یا هواپیما برای کم کردن نیروی اصطکاک ایجاد شده توسط آب و یا هوا استفاده کرد. در حال حاضر شرکت های متعددی مشغول تحقیقات در مورد نسل جدید روانکارها هستند. یک گروه محقق توانسته است محصول جدیدی با ساختار چندین شبکه از لایه های فیلم بر روی هم که دارای حفره های خالی (برای انعطاف پذیری بیشتر) است را بسازد. عملکرد محصول جدیدبه صورت حرکت قطعات بر روی تعداد بیشماری از لایه های ساخته شده از نانو بلبرینگ های سخت است. این شرکت محصول جدید خود را بنام نانو لوب، Nanolub نامیده است. مدیر این سازمان معتقد است که این روانکار می تواند جایگزین انواع روانکارهای متداول امروزی با۶ تا۱۰ برابر بازدهی بهترباشد. ساختار این بلبرینگها از دی سولفید تنگستن،‌ WS۲ است. در این ساختار لایه های لغزنده بر روی یکدیگر باعث کم شدن اصطکاک و منافذ خالی باعث انعطاف پذیری بیشتر روانکار می شوند. با استفاده از این مواد، روانکار می تواند فشار و ضربات مکانیکی بسیار شدیدی را تحمل کرده و به صورت ذرات کروی سخت در سطوح ناصاف دندانه دار میان قطعات متحرک حرکت کند. علاوه بر آن، این مواد برخلاف روانکارهای معمولی می توانند در داخل خلل و فرج سطوح ناصاف نفوذ کرده و یک لایه نرم در حد یک مولکول را به وجود آورند. برخی از شرکت های تولیدی برای ساخت نانو روانکارها از ساختار نانو تیوب های کربنی استفاده کرده اند ولی مشخص شده که در طول زمان و با وجود نیروی اصطکاک، مواد بکار برد شده متلاشی و تجزیه می شوند. هم اکنون تحقیق در مورد بهینه سازی این مواد ادامه دارد. یکی از سازمان های تحقیقاتی بنام NIST در حال بررسی روش اختلاط مولکولهای مختلف به صورت یک فیلم تک لایه ای است. این تحقیق از روش ادغام مولکولها (حداکثر تا۴ عدد)، که هر یک خاصیت ویژه ای مانند مقاومت در برابر سایش و خود ترمیمی دارند،‌ استفاده کرده است که در مجموع، یک نانو روانکار دارای قابلیت های یکایک ساختارهای ملکولها خواهد شد. برای مثال در یک ترکیب ملکولی چهارتایی، گروه اول مولکولها دارای خاصیت چسبندگی بسیارعالی به سطوح، گروه دوم بوجود آورنده یک فیلم روانکار بسیار مقاوم، گروه سوم محافظ در مقابل ضربات سخت و گروه چهارم حرکت در کلیه سطوح برای از بین بردن نیروی اصطکاک است. امروزه دستگاههای بسیاری برای اندازه گیری نیروی اصطکاک، کیفیت روانکارها و میزان سایش قطعات به صورت سنتی وجود دارد. این دستگاهها که تریبومیتر نام دارند، دارای روشهای مختلفی در عملکرد خود هستند مانند حرکت یک میله،‌یک کره و یا یک صفحه برروی صفحه دیگر و نظایر آن. اندازه گیری پارامترهای فیزیکی و شیمیایی روانکارها در مقیاس نانو دارای پیچیدگی بسیار زیاد بوده و بسهولت انجام نمی گیرد. برای این منظور استفاده از وسایل جدیدی مانند میکروسکپهای نیروی اتمی،
(Atomic force microscope) که به اختصار AFM نام دارند،‌ ضروریست. این وسیله می تواند در مقیاس و ابعاد نانو، عملکردهای متفاوتی شامل مشاهده سه بعدی خوردگی، ترک خوردگی یک سطح، اندازه گیری قطر ذرات جامد و یا مایع روانکارها، سنجش ضخامت فیلم روانکارها در حد تک لایه، محاسبه نیروی اصطکاک، بدست آوردن اشکال سطوح و ناهمواری آنها، اندازه گیری سختی سطوح و قابلیت ارتجاع و تغییر در ابعاد نانو را داشته باشد. مزایای دیگر این دستگاه عبارتست از: قابلیت کاربرد آن برای کلیه مواد، شامل: سرامیک ها، فلزات، پولیمرها- نیمه هادی ها و مغناطیسها،‌ نور، موارد بصری و عناصر بیولوژیکی در اتمسفر و خلاء.شرکت "ApNano Material"، تولید کننده انواع محصولات نانو و اولین سازنده نانولوبها (یک نوع روغن سنتتیک غیرآلی) است. نانولوبهای ساخته شده کنونی که در حال حاضر در مقیاس آزمایشگاهی تولید می شوند، غیرسمی و سازگار با محیط زیست هستند که کیفیت و عملکرد بسیار خوب آنها توسط کارخانه های اتومبیل سازی جهان به تایید رسیده است. همچنین این مواد می توانند بجای ادتیوها برای بهبود کیفیت روغن های موتور، دنده و هیدرولیک استفاده شوند. مهمترین مزیت این محصولات کاهش مصرف سوخت و گازهای زیان آور موتور است. استفاده از نانولوبها در آزمایشگاههای تحقیقاتی علوم پزشکی نیز بسیار مورد توجه قرار گرفته است. به تازگی شرکت اتومبیل سازی فولکس واگن برای ساخت روانکارهایی با کیفیت بالا که در صنایع هوایی و صنایع برودتی کاربرد دارند، توانسته است با شرکت ApNano Material و یک شرکت دیگرآمریکایی با نام Hatco Corporation یک قرارداد مشارکتی منعقد کند. تولید انبوه تا سه سال آینده با درآمد سالیانه بیش از۱۰۰ میلیون دلار شروع خواهد شد. درآمد حاصل از فروش ادتیوها سالانه در حدود یک میلیارد دلار برای تمامی تولیدکنندگان بوده و با استفاده از مواد نانو می توانند آن را به۳۷ میلیارد دلار افزایش دهند.با توجه به موارد اشاره شده، ساخت نانو روانکارها نیازمند هماهنگی بسیاری از صنایع تولید کننده، ‌سازندگان مواد افزودنی و مصرف کنندگان است. شرکت هایی که بخواهند این نوع روانکار را تولید کنند با مشکل عمده ای روبرو هستند و آن صرفه اقتصادی در سرمایه گذاری اولیه است. اگر این روانکارها در ماشین آلات ریخته شوند دیگر تعویض نشده و خرید آنها فقط یکبار بیشتر نیست و پس از اشباع بازار دیگر خریداری برایش وجود نخواهد داشت. این نوع روانکارها برای مصرف کنندگان بسیار ایده ال است ولی آیا برای تولید کنندگان روانکار نیز همین گونه است؟ توقع دیدن این محصولات را به این زودی در مغازه ها نداشته باشید زیرا برای ساخت۷۵۰ گرم آن در یک واحد بزرگ تولیدی، یک روز کامل فرایند مورد نیاز است.