ریپورتر
2nd March 2010, 03:16 PM
خاک رس و نانوكامپوزيت هاي آن
منبع : راسخون
رسها به همراه کلوئیدها ، فعالترین بخش خاک محسوب می شوند و اکثر آنها دارای ساختمان بلوری هستند. قبل از مطالعه کانیها توسط اشعه ایکس تصور می‌شد که کانیهای رسی ذرات کوچک و ریز کانیهای اولیه نظیر ذرات کوارتز ، فلدسپار و میکاها باشند، در حالی که در حال حاضر کانیهای رسی ، ترکیب شناخته شده‌ای دارند که شبیه این کانیها نیست و تنها کانی میکا به آنها شبیه است. کانیهای رسی ، اغلب کانیهای جدید یا حاصل انحلال کانیهای اولیه یا کانیهای ثانویه هستند.
تاثیر آب و هوا بر خاک رس
خاکها در مناطق گرم و شرایط آب و هوایی مرطوب جایی که زهکشی مناسبی ندارد، دارای میزان بالایی از کانیهای اولیه حل شده می‌باشند که به کانیهای رسی تبدیل شده‌اند. خاکهای موجود در مناطق گرم و مرطوب ، میزان بالایی از رس حتی در اعماق ۵ تا ۲۰ متری دارند. در حالت زهکشی مناسب ، کانیهای رسی از درون سیستم خاک خارج می‌شوند. بعضی کانیهای رسی در اثر تجزیه و دگرسانی کانیهای اولیه نظیر میکاها تشکیل می‌شوند.
http://www.rasekhoon.net/_WebsiteData/Article/ArticleImages/1/1388/farvardin/07/250352%20(1).jpg
منشا تشکیل دهنده رسها
▪ رسهای درجا که در حین تشکیل خاک شکل می‌گیرند.
▪ رسهای تغییر مکان یافته که در اثر فرسایش بیشتر حرکت کرده و مجددا در محل جدید نهشته می‌شوند.
▪ رسهای تبدیل شده که از رسهای به شدت هوازده و فرسایش یافته تجمع کرده و در رسوبات و خاکها رسوب گذاری می‌کنند.
▪ رسهای تشکیل شده جدید که در اثر تبلور مجدد رسهای موجود در محلولها ، در خاک در حال تشکیل شکل می‌گیرند.
کانیهای رسی
این کانیها سیلیکاتهای آلومینیوم آبداری هستند که ساختمان ورقه‌ای داشته و مانند میکاها ، از فیلوسیلیکاتها می‌باشند.
http://www.rasekhoon.net/_WebsiteData/Article/ArticleImages/1/1388/farvardin/07/250352%20(2).jpg
ساختمان کانیهای رسی
لایه‌ای از چهار وجهی‌های (تتراهدرالهای) Si _ O. در این لایه ، هر چهار وجهی با چهار وجهی مجاورش ، سه اتم اکسیژن به اشتراک گذاشته‌اند. واحد پایه است، اما Al می‌تواند حداکثر جانشین نصف اتمهای Si شود.
لایه‌ای متشکل از Al در موقعیت اکتاهدرال با یونهای و بطوری که در عمل یونهای بین دو لایه از یونهای O/OH قرار می‌گیرند. عناصر Mg ، Fe و سایر یونها ، ممکن است جانشین Al شوند.
▪ گیبسیت :
لایه Al _ O/OH را لایه گیبسیت می‌گویند. چون ساختمان این کانی کلا از چنین لایه‌هایی تشکیل شده است.
▪ بروسیت :
لایه Mg _ O/OH را لایه بروسیت می‌گویند. چون ساختمان این کانی کلا از این لایه‌ها تشکیل شده است.
تقسیم بندی ساختمانی رسها
▪ گروه کاندیت :
ـ ساختمان دو لایه ای دارند یعنی لایه تتراهدرال بوسیله یونهای O/OH به لایه اکتاهدرال متصل است.
ـ در آن جانشینی به جای Al و Si صورت نمی‌گیرد، لذا فرمول ساختمانی آن است.
ـ اعضا این گروه کائولینت ، هالوئیزیت (کائولینیت آبدار) ، دیکیت ، ناکریت هستند.
ـ فاصله بنیادی (فاصله بین یک لایه سیلیس با لایه سیلیس بعدی) ۷ آنگستروم است.
▪ گروه اسمکتیت :
ـ ساختمان ۳ لایه‌ای دارند. بطوری که یک لایه اکتاهدرال مانند ساندویچ بین دو لایه تتراهدرال سیلیس قرار دارد.
ـ فاصله بنیادی ۱۴ آنگستروم است و با جذب آب تا ۲۱ آنگستروم می‌رسد.
ـ اعضا این گروه شامل مونتموریلونیت ، ساپونیت ، نانترونیت (وقتی Fe جانشین Al می‌شود) و استونزیت (وقتی Mg جانشین Al شود) می‌باشند.
▪ اعضای گروه اسمکتیت :
ـ ورمیکولیت :
ساختمانی مشابه اسکمتیت دارد، ولی در آن تمام موقعیتهای اکتاهدرال بوسیله و اشغال شده و جانشین شده است.
ـ ایلیت :
این کانی نیز ساختمانی مشابه اسکمتیت دارد، اما به علت جانشینی به جای در لایه‌های تتراهدرال ، کمبود بار بوجود می‌آید که بوسیله که در موقعیتهای بین لایه‌ای قرار می‌گیرد، جبران می‌شود. یونهای ، و نیز در آن دیده می‌شوند. فاصله بنیادی ۱۰ آنگستروم است.
ـ کلریت :
ساختمان سه لایه‌ای (مثل ایلیت و اسکمتیت) دارد، ولی لایه‌های بروسیت (Mg _ O/OH) بین آنها قرار دارند. فاصله بنیادی ۱۴ آنگستروم است.
منشا کانیهای رسی در رسوبات یا سنگهای رسوبی
▪ رسهای موروثی یا وراثتی :
این رسها از انواع آواری هستند.
ـ رسهای تازه تشکیل شده (Neoformation) :
این رسها به صورت برجا و در اثر ته‌نشینی مستقیم از محلول یا از مواد سیلیکاته آمورف و یا حاصل جانشینی هستند.
ـ رسهای تبدیلی (Transformation) :
رسهای موروثی از طریق تبادل یونی یا تغییر منظم کاتیونها ، به رسهای تبدیلی ، تبدیل می‌شوند.
فرایندهای تشکیل دهنده انواع رسها
▪ محیط هوازدگی و تشکیل خاک :
اصلی‌ترین محیط تشکیل رسها مخصوصا رسهای موروثی یا وراثتی است.
▪ محیط رسوبگذاری :
رسها از آب حوضه یا آبهای حفره‌ای ته‌نشین می‌شوند (مخصوصا رسهای تازه تشکیل شده.)
▪ دیاژنز و دگرگونی درجه پایین :
در طول این فرآیند انواعی از رسها (مخصوصا رسهای تبدیلی) حاصل می‌گردند.
● دیاژنز کانیهای رسی
کانیهای رسی در طول دیاژنز اولیه و دیاژنز نهایی و همچنین در طول دگرگونی تغییر یافته و حتی دگرسان می‌شود. اصلی‌ترین فرایند فیزیکی که رسها را تحت تاثیر قرار می‌دهد، فشردگی (Compaction) است که باعث خروج آب و کاهش ضخامت آنها تا ۰،۱ ضخامت اولیه می‌شود.
نانوكامپوزيت هاي خاك رس / پليمر
http://www.rasekhoon.net/_WebsiteData/Article/ArticleImages/1/1388/farvardin/07/250352%20(3).jpg
نانوكامپوزيتهاي خاك رس / پليمر بهبود فوق‌العاده‌اي در بسياري از خواص فيزيكي و مهندسي پليمرهايي كه در آنها از مقدار كمي پركننده استفاده مي‌شود، ايجاد مي‌كند. اين تكنولوژي كه امروزه مي‌تواند كاربرد تجاري نيز پيدا كند، توجه زيادي را طي سالهاي اخير به خود جلب كرده است.عمدة پيشرفت‌هايي كه در اين زمينه بوقوع پيوسته، طي پانزده سال اخير بوده و در اين مقاله به اين پيشرفتها و همچنين مزيتها، محدوديتها و برخي مسايل و مشكلات آن خواهيم پرداخت. هر چند اخيراً پيشرفتهاي عمده‌اي در توسعة روشهاي سنتزي و كاربرد آنها در پليمرهاي مهندسي صورت گرفته و تحقيقاتي نيز در مورد خيلي از خواص مهندسي آنها صورت گرفته، ولي با اينحال، براي فهميدن مكانيزم‌هايي كه باعث افزايش كارايي در نانوكامپوزيتهاي مرسوم به الياف تقويت مي‌شوند، مزيتها و امتيازاتي دارد، ولي هنوز نتوانسته تاثيري در بازار كامپوزيتهايي كه در آنها جزء اليافي درصد بالايي دارد، ايجاد كند. موضوع فناوري نانو طي سالهاي اخير بطور فزاينده‌اي مطرح شده است. عرصة نانو، محدوده‌اي بين ابعاد ميكرو و ابعاد مولكولي است و اين محدوده‌اي است كه دانشمندان مواد و شيميدان‌ها در آن به مطالعاتي پرداخته‌اند و اتفاقاً مورد توجه آنها نيز قرار گرفته است، مانند مطالعه در ساختار بلورها. ولي تكنولوژي كه توسط علوم مواد و شيمي توسعه يافته و به نانومقياس معروف است، نبايد به عنوان نانوتكنولوژي تلقي شود. هدف اصلي در نانوتكنولوژي ايجاد كاربردهاي انقلابي و خواص فوق‌العاده مواد، با سازماندهي و جنبش آنها و همچنين طراحي ابزار در مقياس نانو مي‌باشد.
تعريف
نانوكامپوزيتهاي خاك¬رس / پليمر يك مثال موردي از نانوتكنولوژي هستند. در اين نوع مواد، از خاك¬رس‌هاي نوع اسمكتيت (Smectite-type) از قبيل هكتوريت، مونت موريلونيت و ميكاي سنتزي، به عنوان پركننده براي بهبود خواص پليمرها استفاده مي‌شود. خاك¬رس‌هاي نوع اسمكتيت، ساختاري لايه‌اي دارند و هر لايه، از اتمهاي سيليسيم كوئورانيه شده بصورت چهار وجهي كه به يك صفحه هشت وجهي با لبه‌هاي مشترك از Al(OH) 3 يا Mg(OH) 2 متصل شده، تشكيل شده است. با توجه به طبيعت پيوند بين اين اتمها، انتظار مي‌رود اين مواد خواص مكانيكي فوق‌العاده‌اي را در جهت موازي اين لايه‌ها نشان دهند ولي خواص مكانيكي دقيق اين لايه‌ها هنوز شناخته نشده‌اند. اخيراً با استفاده از روشهاي مدل‌سازي تخمين زده شده كه ضريب يانگ در راستاي لايه‌ها، پنجاه تا چهارصد برابر بيشتر از يك پليمر عادي است. لايه‌ها نسبت صفحه‌اي (aspect ratio) بالايي دارند و هر لايه تقريباً يك نانومتر ضخامت دارد، در حاليكه شعاع آن از سي نانومتر تا چند ميكرون، متفاوت مي‌باشد. صدها يا هزاران عدد از اين لايه‌ها بوسيله يك نيروي واندروالسي ضعيف، روي هم انباشته مي‌شوند تا يك جزء رسي را تشكيل دهند. با يك پيكربندي مناسب اين امكان وجود دراد كه رسها را به اشكال و ساختارهاي گوناگوني، درون يك پليمر، به شكل سازمان‌يافته قرار دهيم.
در گذشته، عمدتاً به اين شكل از دانه‌هاي رسي براي افزايش كارايي پليمر استفاده مي‌شود كه آنها را در حد ميكروني خرد مي‌كردند تا از آنها در توليد پليمرهاي تقويت شده بوسيله پركننده‌هاي در اندازه ميكرون، استفاده كنند. همانطور كه در شكل 1 نشان داده شده.
مي‌توان تصور كرد كه خواص مكانيكي فوق‌العاده لايه‌هاي منفرد در اجزاي خاك¬رس نتوانند در يك سيستم به طرز موثري عمل كنند و پيوندهاي ضعيف بين دو لايه منشاء ايراد در اين كار مي‌باشد. معمول است كه از ميزان بالايي از خاك¬رس استفاده شود تا به بهبود كافي هر ضرايب دست يابيم، در حاليكه اين كار باعث كاهش استحكام و سختي پليمر مي‌شود.
اصلي كه در نانوكامپوزيتهاي خاك¬رس / پليمر رعايت مي‌شود، اين است كه نه تنها دانه‌هاي رسي را از هم جدا مي‌كنند، بلكه لايه‌هاي هر دانه را نيز از هم جدا مي‌كنند (همانطور كه در شكل 1 بصورت شماتيك نشان داده شده است) با انجام اين عمل، خواص مكانيكي فوق‌العاده هر لايه نيز بطور موثر بكار مي‌آيد و اين در حالي است كه در اجزاي تقويت¬شده نيز بطور چشمگيري افزايش پيدا مي‌كند، زيرا هر جزء رسي خود از صدها تا هزارات لايه تشكيل شده است.
ويژگيهاي نانوكامپوزيتهاي خاك رس / پليمر
يكي از دستاوردهاي تحقيقات اين است كه مشخص شده كه بسياري از خواص مهندسي هنگاميكه از ميزان كمي معمولاً چيزي كمتر از 5% وزني، پركننده استفاده شود، بهبود قابل توجهي مي‌يابد. در پليمرهايي چون نايلون (nylon-6) 6 هرگاه از چنين ميزان كمي پركننده استفاده شود، يك افزايش 103 درصدي در ضريب يانگ، 49 درصدي در قدرت كشساني و 146 درصدي در مقاومت در برابر تغيير شكل بر اثر گرما، از خود نشان مي‌دهد. ساير خواص فيزيكي بهبود يافته عبارتند از: مقاومت در برابر آتش، مقاومت بارير (barrier resistance) و هدايت يوني.
امتياز ديگر نانوكامپوزيتهاي خاك رس / پليمر اين است كه تاثير قابل توجهي بر خواص اپتيكي پليمر ندارند. ضخامت يك لايه رس منفرد، بسيار كمتر از طول موج نور مرئي است، بنابراين نانوكامپوزيتهاي خاك¬رس / پليمر كه خوب ورقه شده باشد، از نظر اپتيكي شفاف مي‌باشد. ميكرو نانوكامپوزيتهايي كه تصويرشان در شكل 1 نشان داده شده، از تركيب خاك-رس و پلي¬پروپيلن و با استفاده از روش سرد كردن سريع جهت به حداقل رساندن اثر كريستاليزاسيون، ساخته شده‌اند. ميكروكامپوزيت‌هاي مرسوم، قهوه‌اي و مات به نظر مي‌رسند، در حاليكه نانوكامپوزيتها تقريباً شفاف و بيرنگند. با اين دلايل، نتيجه مي‌گيريم كه نانوكامپوزيتهاي خاك¬رس/ پليمر نمايش خوبي از نانوتكنولوژي مي‌باشد. با سازماندهي و چينش ساختار كلي در پليمرها در مقياس نانومتر، مواد جديد با خواص نو يافت شده‌اند. نكته ديگر در توسعه نانوكامپوزيتهاي خاك¬رس / پليمر اين است كه اين تكنولوژي، فوراً مي‌تواند كاربرد تجاري پيدا كند، در حاليكه بيشتر نانوتكنولوژي‌هاي ديگر، هنوز در مرحله مفاهيم و اثبات هستند.
منبع : راسخون
رسها به همراه کلوئیدها ، فعالترین بخش خاک محسوب می شوند و اکثر آنها دارای ساختمان بلوری هستند. قبل از مطالعه کانیها توسط اشعه ایکس تصور می‌شد که کانیهای رسی ذرات کوچک و ریز کانیهای اولیه نظیر ذرات کوارتز ، فلدسپار و میکاها باشند، در حالی که در حال حاضر کانیهای رسی ، ترکیب شناخته شده‌ای دارند که شبیه این کانیها نیست و تنها کانی میکا به آنها شبیه است. کانیهای رسی ، اغلب کانیهای جدید یا حاصل انحلال کانیهای اولیه یا کانیهای ثانویه هستند.
تاثیر آب و هوا بر خاک رس
خاکها در مناطق گرم و شرایط آب و هوایی مرطوب جایی که زهکشی مناسبی ندارد، دارای میزان بالایی از کانیهای اولیه حل شده می‌باشند که به کانیهای رسی تبدیل شده‌اند. خاکهای موجود در مناطق گرم و مرطوب ، میزان بالایی از رس حتی در اعماق ۵ تا ۲۰ متری دارند. در حالت زهکشی مناسب ، کانیهای رسی از درون سیستم خاک خارج می‌شوند. بعضی کانیهای رسی در اثر تجزیه و دگرسانی کانیهای اولیه نظیر میکاها تشکیل می‌شوند.
http://www.rasekhoon.net/_WebsiteData/Article/ArticleImages/1/1388/farvardin/07/250352%20(1).jpg
منشا تشکیل دهنده رسها
▪ رسهای درجا که در حین تشکیل خاک شکل می‌گیرند.
▪ رسهای تغییر مکان یافته که در اثر فرسایش بیشتر حرکت کرده و مجددا در محل جدید نهشته می‌شوند.
▪ رسهای تبدیل شده که از رسهای به شدت هوازده و فرسایش یافته تجمع کرده و در رسوبات و خاکها رسوب گذاری می‌کنند.
▪ رسهای تشکیل شده جدید که در اثر تبلور مجدد رسهای موجود در محلولها ، در خاک در حال تشکیل شکل می‌گیرند.
کانیهای رسی
این کانیها سیلیکاتهای آلومینیوم آبداری هستند که ساختمان ورقه‌ای داشته و مانند میکاها ، از فیلوسیلیکاتها می‌باشند.
http://www.rasekhoon.net/_WebsiteData/Article/ArticleImages/1/1388/farvardin/07/250352%20(2).jpg
ساختمان کانیهای رسی
لایه‌ای از چهار وجهی‌های (تتراهدرالهای) Si _ O. در این لایه ، هر چهار وجهی با چهار وجهی مجاورش ، سه اتم اکسیژن به اشتراک گذاشته‌اند. واحد پایه است، اما Al می‌تواند حداکثر جانشین نصف اتمهای Si شود.
لایه‌ای متشکل از Al در موقعیت اکتاهدرال با یونهای و بطوری که در عمل یونهای بین دو لایه از یونهای O/OH قرار می‌گیرند. عناصر Mg ، Fe و سایر یونها ، ممکن است جانشین Al شوند.
▪ گیبسیت :
لایه Al _ O/OH را لایه گیبسیت می‌گویند. چون ساختمان این کانی کلا از چنین لایه‌هایی تشکیل شده است.
▪ بروسیت :
لایه Mg _ O/OH را لایه بروسیت می‌گویند. چون ساختمان این کانی کلا از این لایه‌ها تشکیل شده است.
تقسیم بندی ساختمانی رسها
▪ گروه کاندیت :
ـ ساختمان دو لایه ای دارند یعنی لایه تتراهدرال بوسیله یونهای O/OH به لایه اکتاهدرال متصل است.
ـ در آن جانشینی به جای Al و Si صورت نمی‌گیرد، لذا فرمول ساختمانی آن است.
ـ اعضا این گروه کائولینت ، هالوئیزیت (کائولینیت آبدار) ، دیکیت ، ناکریت هستند.
ـ فاصله بنیادی (فاصله بین یک لایه سیلیس با لایه سیلیس بعدی) ۷ آنگستروم است.
▪ گروه اسمکتیت :
ـ ساختمان ۳ لایه‌ای دارند. بطوری که یک لایه اکتاهدرال مانند ساندویچ بین دو لایه تتراهدرال سیلیس قرار دارد.
ـ فاصله بنیادی ۱۴ آنگستروم است و با جذب آب تا ۲۱ آنگستروم می‌رسد.
ـ اعضا این گروه شامل مونتموریلونیت ، ساپونیت ، نانترونیت (وقتی Fe جانشین Al می‌شود) و استونزیت (وقتی Mg جانشین Al شود) می‌باشند.
▪ اعضای گروه اسمکتیت :
ـ ورمیکولیت :
ساختمانی مشابه اسکمتیت دارد، ولی در آن تمام موقعیتهای اکتاهدرال بوسیله و اشغال شده و جانشین شده است.
ـ ایلیت :
این کانی نیز ساختمانی مشابه اسکمتیت دارد، اما به علت جانشینی به جای در لایه‌های تتراهدرال ، کمبود بار بوجود می‌آید که بوسیله که در موقعیتهای بین لایه‌ای قرار می‌گیرد، جبران می‌شود. یونهای ، و نیز در آن دیده می‌شوند. فاصله بنیادی ۱۰ آنگستروم است.
ـ کلریت :
ساختمان سه لایه‌ای (مثل ایلیت و اسکمتیت) دارد، ولی لایه‌های بروسیت (Mg _ O/OH) بین آنها قرار دارند. فاصله بنیادی ۱۴ آنگستروم است.
منشا کانیهای رسی در رسوبات یا سنگهای رسوبی
▪ رسهای موروثی یا وراثتی :
این رسها از انواع آواری هستند.
ـ رسهای تازه تشکیل شده (Neoformation) :
این رسها به صورت برجا و در اثر ته‌نشینی مستقیم از محلول یا از مواد سیلیکاته آمورف و یا حاصل جانشینی هستند.
ـ رسهای تبدیلی (Transformation) :
رسهای موروثی از طریق تبادل یونی یا تغییر منظم کاتیونها ، به رسهای تبدیلی ، تبدیل می‌شوند.
فرایندهای تشکیل دهنده انواع رسها
▪ محیط هوازدگی و تشکیل خاک :
اصلی‌ترین محیط تشکیل رسها مخصوصا رسهای موروثی یا وراثتی است.
▪ محیط رسوبگذاری :
رسها از آب حوضه یا آبهای حفره‌ای ته‌نشین می‌شوند (مخصوصا رسهای تازه تشکیل شده.)
▪ دیاژنز و دگرگونی درجه پایین :
در طول این فرآیند انواعی از رسها (مخصوصا رسهای تبدیلی) حاصل می‌گردند.
● دیاژنز کانیهای رسی
کانیهای رسی در طول دیاژنز اولیه و دیاژنز نهایی و همچنین در طول دگرگونی تغییر یافته و حتی دگرسان می‌شود. اصلی‌ترین فرایند فیزیکی که رسها را تحت تاثیر قرار می‌دهد، فشردگی (Compaction) است که باعث خروج آب و کاهش ضخامت آنها تا ۰،۱ ضخامت اولیه می‌شود.
نانوكامپوزيت هاي خاك رس / پليمر
http://www.rasekhoon.net/_WebsiteData/Article/ArticleImages/1/1388/farvardin/07/250352%20(3).jpg
نانوكامپوزيتهاي خاك رس / پليمر بهبود فوق‌العاده‌اي در بسياري از خواص فيزيكي و مهندسي پليمرهايي كه در آنها از مقدار كمي پركننده استفاده مي‌شود، ايجاد مي‌كند. اين تكنولوژي كه امروزه مي‌تواند كاربرد تجاري نيز پيدا كند، توجه زيادي را طي سالهاي اخير به خود جلب كرده است.عمدة پيشرفت‌هايي كه در اين زمينه بوقوع پيوسته، طي پانزده سال اخير بوده و در اين مقاله به اين پيشرفتها و همچنين مزيتها، محدوديتها و برخي مسايل و مشكلات آن خواهيم پرداخت. هر چند اخيراً پيشرفتهاي عمده‌اي در توسعة روشهاي سنتزي و كاربرد آنها در پليمرهاي مهندسي صورت گرفته و تحقيقاتي نيز در مورد خيلي از خواص مهندسي آنها صورت گرفته، ولي با اينحال، براي فهميدن مكانيزم‌هايي كه باعث افزايش كارايي در نانوكامپوزيتهاي مرسوم به الياف تقويت مي‌شوند، مزيتها و امتيازاتي دارد، ولي هنوز نتوانسته تاثيري در بازار كامپوزيتهايي كه در آنها جزء اليافي درصد بالايي دارد، ايجاد كند. موضوع فناوري نانو طي سالهاي اخير بطور فزاينده‌اي مطرح شده است. عرصة نانو، محدوده‌اي بين ابعاد ميكرو و ابعاد مولكولي است و اين محدوده‌اي است كه دانشمندان مواد و شيميدان‌ها در آن به مطالعاتي پرداخته‌اند و اتفاقاً مورد توجه آنها نيز قرار گرفته است، مانند مطالعه در ساختار بلورها. ولي تكنولوژي كه توسط علوم مواد و شيمي توسعه يافته و به نانومقياس معروف است، نبايد به عنوان نانوتكنولوژي تلقي شود. هدف اصلي در نانوتكنولوژي ايجاد كاربردهاي انقلابي و خواص فوق‌العاده مواد، با سازماندهي و جنبش آنها و همچنين طراحي ابزار در مقياس نانو مي‌باشد.
تعريف
نانوكامپوزيتهاي خاك¬رس / پليمر يك مثال موردي از نانوتكنولوژي هستند. در اين نوع مواد، از خاك¬رس‌هاي نوع اسمكتيت (Smectite-type) از قبيل هكتوريت، مونت موريلونيت و ميكاي سنتزي، به عنوان پركننده براي بهبود خواص پليمرها استفاده مي‌شود. خاك¬رس‌هاي نوع اسمكتيت، ساختاري لايه‌اي دارند و هر لايه، از اتمهاي سيليسيم كوئورانيه شده بصورت چهار وجهي كه به يك صفحه هشت وجهي با لبه‌هاي مشترك از Al(OH) 3 يا Mg(OH) 2 متصل شده، تشكيل شده است. با توجه به طبيعت پيوند بين اين اتمها، انتظار مي‌رود اين مواد خواص مكانيكي فوق‌العاده‌اي را در جهت موازي اين لايه‌ها نشان دهند ولي خواص مكانيكي دقيق اين لايه‌ها هنوز شناخته نشده‌اند. اخيراً با استفاده از روشهاي مدل‌سازي تخمين زده شده كه ضريب يانگ در راستاي لايه‌ها، پنجاه تا چهارصد برابر بيشتر از يك پليمر عادي است. لايه‌ها نسبت صفحه‌اي (aspect ratio) بالايي دارند و هر لايه تقريباً يك نانومتر ضخامت دارد، در حاليكه شعاع آن از سي نانومتر تا چند ميكرون، متفاوت مي‌باشد. صدها يا هزاران عدد از اين لايه‌ها بوسيله يك نيروي واندروالسي ضعيف، روي هم انباشته مي‌شوند تا يك جزء رسي را تشكيل دهند. با يك پيكربندي مناسب اين امكان وجود دراد كه رسها را به اشكال و ساختارهاي گوناگوني، درون يك پليمر، به شكل سازمان‌يافته قرار دهيم.
در گذشته، عمدتاً به اين شكل از دانه‌هاي رسي براي افزايش كارايي پليمر استفاده مي‌شود كه آنها را در حد ميكروني خرد مي‌كردند تا از آنها در توليد پليمرهاي تقويت شده بوسيله پركننده‌هاي در اندازه ميكرون، استفاده كنند. همانطور كه در شكل 1 نشان داده شده.
مي‌توان تصور كرد كه خواص مكانيكي فوق‌العاده لايه‌هاي منفرد در اجزاي خاك¬رس نتوانند در يك سيستم به طرز موثري عمل كنند و پيوندهاي ضعيف بين دو لايه منشاء ايراد در اين كار مي‌باشد. معمول است كه از ميزان بالايي از خاك¬رس استفاده شود تا به بهبود كافي هر ضرايب دست يابيم، در حاليكه اين كار باعث كاهش استحكام و سختي پليمر مي‌شود.
اصلي كه در نانوكامپوزيتهاي خاك¬رس / پليمر رعايت مي‌شود، اين است كه نه تنها دانه‌هاي رسي را از هم جدا مي‌كنند، بلكه لايه‌هاي هر دانه را نيز از هم جدا مي‌كنند (همانطور كه در شكل 1 بصورت شماتيك نشان داده شده است) با انجام اين عمل، خواص مكانيكي فوق‌العاده هر لايه نيز بطور موثر بكار مي‌آيد و اين در حالي است كه در اجزاي تقويت¬شده نيز بطور چشمگيري افزايش پيدا مي‌كند، زيرا هر جزء رسي خود از صدها تا هزارات لايه تشكيل شده است.
ويژگيهاي نانوكامپوزيتهاي خاك رس / پليمر
يكي از دستاوردهاي تحقيقات اين است كه مشخص شده كه بسياري از خواص مهندسي هنگاميكه از ميزان كمي معمولاً چيزي كمتر از 5% وزني، پركننده استفاده شود، بهبود قابل توجهي مي‌يابد. در پليمرهايي چون نايلون (nylon-6) 6 هرگاه از چنين ميزان كمي پركننده استفاده شود، يك افزايش 103 درصدي در ضريب يانگ، 49 درصدي در قدرت كشساني و 146 درصدي در مقاومت در برابر تغيير شكل بر اثر گرما، از خود نشان مي‌دهد. ساير خواص فيزيكي بهبود يافته عبارتند از: مقاومت در برابر آتش، مقاومت بارير (barrier resistance) و هدايت يوني.
امتياز ديگر نانوكامپوزيتهاي خاك رس / پليمر اين است كه تاثير قابل توجهي بر خواص اپتيكي پليمر ندارند. ضخامت يك لايه رس منفرد، بسيار كمتر از طول موج نور مرئي است، بنابراين نانوكامپوزيتهاي خاك¬رس / پليمر كه خوب ورقه شده باشد، از نظر اپتيكي شفاف مي‌باشد. ميكرو نانوكامپوزيتهايي كه تصويرشان در شكل 1 نشان داده شده، از تركيب خاك-رس و پلي¬پروپيلن و با استفاده از روش سرد كردن سريع جهت به حداقل رساندن اثر كريستاليزاسيون، ساخته شده‌اند. ميكروكامپوزيت‌هاي مرسوم، قهوه‌اي و مات به نظر مي‌رسند، در حاليكه نانوكامپوزيتها تقريباً شفاف و بيرنگند. با اين دلايل، نتيجه مي‌گيريم كه نانوكامپوزيتهاي خاك¬رس/ پليمر نمايش خوبي از نانوتكنولوژي مي‌باشد. با سازماندهي و چينش ساختار كلي در پليمرها در مقياس نانومتر، مواد جديد با خواص نو يافت شده‌اند. نكته ديگر در توسعه نانوكامپوزيتهاي خاك¬رس / پليمر اين است كه اين تكنولوژي، فوراً مي‌تواند كاربرد تجاري پيدا كند، در حاليكه بيشتر نانوتكنولوژي‌هاي ديگر، هنوز در مرحله مفاهيم و اثبات هستند.