بخشی از مقاله
چکیده
نانولوله کربنی به عنوان یکی از ویژهترین مواد شناخته شده در دهههای اخیر جایگاه مهمی را در عرصه فناوری به خود اختصاص داده است. یکی از زمینههایی که این ماده به مرور کاربرد زیادی در آن یافته، صوتیات است. صوتیات نانولوله های کربنی به عنوان یک زمینه جدید در علوم مختلف در حال حاضر مورد بررسی قرار گرفته است.
در این مقاله به بررسی کاربردهای نانولولههای کربنی در زمینههای مختلف علوم صوتی پرداخته شده است. هر زمینه به صورت جداگانه مورد بررسی قرار گرفته است و یکی از نمونههای عملی ساخته شده یا کاربرد به دست آمده آورده شده است. کاربرد نانولولههای کربنی در جنبههای مختلف علم صوتیات اعم از صوتیات کاربردی، صوتیات نظری، صوتیات تشخیصی، تراگذارها، جذب امواج صوتی و سونارها مورد بررسی قرار گرفته است.
.1 مقدمه
نانولوله کربنی به عنوان یکی از موادی که در تاریخ علم بیشترین میزان پژوهش در مورد آن صورت گرفته است، شناخته میشود. در طول 24 سالی که از کشف این ماده میگذرد بیش از 120 هزار مقاله و کتاب در رابطه با این ماده منتشر شده است که حجم وسیع تحقیقات را در سرتاسر دنیا در رابطه با نانولولههای کربنی نشان میدهد. دلیل این توجه منحصر به فرد به این ماده ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی فوقالعادهی آن است. نانولوله کربنی در حقیقت مولکولی به شکل یک لوله با قطر دو تا چند ده نانومتر و طول چند ده نانومتر تا چندین سانتیمتر از جنس اتم کربن است.
پیوندهای کربن موجود در ساختار آن از نوع اِسپیدو2 است که باعث وجود یک الکترون آزاد در ساختار این ماده میشوند و آن را تبدیل به یکی از رساناترین مواد با رسانایی برقی 1000 برابر مس میکند. به دلیل استحکام بالای پیوند کربن و ساختار ویژهی این ماده، استحکام نانولوله های کربنی 100 برابر محکمترین فولادهاست. رسانایی حرارتی نانولوله کربنی از الماس بیشتر است و با وجود این ویژگیها چگالی این ماده حدود 1/3 گرم بر سانتیمترمکعب است.
طبیعتاً چنین مادهای کاربردهای فراوانی در زمینههای مختلف صنعت و دانش مییابد. موضوع مورد نظر در این مقاله، فصل مشترک نانولولههای کربنی و علم صوتیات است. یکی از زمینههایی که در سالهای اخیر نانولولههای کربنی به عنوان یک ماده ی دارای تواناییهای بالقوه فراوان در آن به کار گرفته شده است، علم صوتیات میباشد. امروزه صوتیات نانولولههای کربنی موضوع پژوهش بسیاری از پژوهشگران نظری در سرتاسر دنیا است. در کاربردهای عملی و تجربی نیز حسگرها3، عملگرها4، مولدها5 و تجهیزات صوتی بسیاری با استفاده از نانولولههای کربنی ساخته شده است که در حال طی مراحل تحقیقاتی خود برای تبدیل شدن به محصولی قابل عرضه با بازار هستند.
برای بررسی بهتر این موضوع می توان نقاطی که صوتیات و نانولولههای کربنی فصل مشترکی یافتهاند را تحت عناوینی دسته بندی کرد که به شرح زیر خواهد بود:
- 1 صوتیات نظری
- گرماصوتیات
- امواج صوتی سطحی
- خواص صوتی نانولولههای کربنی
- 2 صوتیات کاربردی
- ساخت یا اصلاح نانولوله کربنی
- ساخت ماده مرکب
-پراکنده سازی نانولوله کربنی
- بهبود خواص صوتی
- 3 صوتیات تشخیصی
- نورصوتیات
- 4 تراگذارها
- حسگرهای صوتی
- مولدهای صوتی
- 5 جذب امواج صوتی
- 6 سونار
در ادامه به بررسی دقیقتر هر یک از موارد دستهبندی ارائه شده پرداخته میشود.
.2 صوتیات نظری
منظور از صوتیات نظری تحقیقاتی است که به بررسی نظری نحوه تعامل نانولولههای کربنی و امواج صوتی میپردازند. همچنین محاسبه خواص صوتی و نحوه انتشار صوت در نانولولههای کربنی و از این قبیل موارد هم در این دسته قرار میگیرند. نانولوله کربنی ماده جدیدی در علم مواد است - در سال 1991 کشف شد - به همین دلیل تعداد پژوهشهای نظری صورت گرفته در زمینه این ماده بسیار زیاد است و به همین دلیل تعداد مقالات موجود در زمینه صوتیات نظری نانولولههای کربنی هم نسبت به دیگر موضوعات بیشتر است. به طور کلی دسته وسیعی از مقالات به بررسی نحوه ارتعاش و حرکت امواج صوتی در نانولولههای کربنی پرداختهاند و بررسیهای رایانهای برای بررسی این پدیدهها ارائه دادهاند .
.1-2 گرماصوتیات
علم گرماصوتیات به بررسی پدیدههایی میپردازد که در مرز دو علم گرماپویایی5 و صوتیات قرار می گیرند. در زمینه نانولولههای کربنی در سال 2008 آقای شیائو6 و همکاران موفق به ساخت اولین بلندگو از جنس نانولولههای کربنی شدند که اساس کار آن پدیده گرماصوتی بود. این بلندگو که کاملا از جنس نانولولههای کربنی است با عبور علامت7 برقی گرم میشود و به دلیل ظرفیت گرمایی بسیار پایین، درصد بالایی از حرارت تولید شده به هوای اطراف منتقل میگردد و با گرم شدن هوا به صورت متناوب امواج صوتی با بسامدی دو برابر عﻻمت برقی ورودی تولید میشوند
به طور کلی پس از انتشار مقاله مذکور توجه زیادی در جامعه علمی به سمت پدیده گرماصوتیات در نانولولههای کربنی جلب شد و نهتنها کاربردهای متنوعی برای نتایج تحقیقات انجام شده به دست آمد بلکه در زمینه ایجاد الگوهای ریاضی مربوط و بررسیهای نظری هم کارهای زیادی انجام شده است
.2-2 امواج صوتی سطحی
امواج صوتی سطحی نوعی امواج صوتی هستند که در سطح مادهای حرکت میکنند که از خود خاصیت کشسانی1 نشان می دهد. دامنه این امواج با افزایش فاصله از سطح به صورت نمایی2 کاهش پیدا می کند. این امواج اولین بار در سال 1885 توسط لرد ریلی3 توضیح داده شدند. امواج صوتی سطحی دارای مؤلفههای برشی طولی و عمودی هستند و با هر محیطی که با سطح در تماس باشد میتوانند برهمکنش داشته باشند .4 این برهمکنش میتواند دامنه و شدت امواج را به شدت تحت تاثیر قرار دهد و از این اثرات، جرم و بقیه خواص ماده در تماس را میتوان اندازهگیری کرد
در سال 2004 از نانولولههای کربنی برای ساخت حسگرهای شمیایی که بر مبنای امواج صوتی سطحی کار میکردند استفاده شد. ساختار این حسگرها به این صورت است که یک لایه نازک از نانولولههای کربنی بر روی یک زیرلایه سیلیکونی ایجاد شده است و توسط یک تراگذار5 امواج با بسامدهای بالا در محدوده مگاهرتز تولید میشود. وقتی سطح با ماده مورد نظر در تماس قرار میگیرد، بسامد ارتعاشات به شدت کاهش مییابد و از میزان این کاهش نوع ماده تشخیص داده میشود. نقش نانولولههای کربن در این حسگر این است که آنها باعث میشوند که ارتعاشات سطح به خوبی به مادهای که سطح با آن در تماس است، انتقال پیدا کند .[6] امروزه تحقیقات گستردهای بر روی نحوه تعامل نانولولههای کربنی و امواج صوتی سطحی انجام میگیرد و مقالات زیادی در مورد وسایل6 ساخته شده با استفاده از این خاصیت به چاپ رسیده است
.3 صوتیات کاربردی
منظور از صوتیات کاربردی دستهای از پژوهشها است که به بررسی کاربردها یا اثر امواج صوتی بر نانولولههای کربنی می پردازند. موارد دیگری که به استفاده از نانولولههای کربنی در سامانهها و یا ساختارهای مرتبط با صوتیات پرداختهاند نیز جزء صوتیات کاربردی هستند. در ادامه به بررسی نانولوله کربنی در زمینه صوتیات کاربردی پرداخته میشود.
.1-3 ساخت یا اصلاح نانولوله کربنی
یکی از مباحث مطرح در ارتباط بین نانولولههای کربنی و صوتیات، استفاده از امواج صوتی برای ساخت و اصلاح ساختار نانولوله های کربنی است. در حقیقت در این مبحث صوتیات در خدمت نانولولههای کربنی قرار میگیرد و از امواج صوتی برای ساختن یا ایجاد تغییر در ساختار یا نحوه قرار گرفتن نانولولههای کربنی استفاده میشود.
علاوه بر موارد ذکر شده امواج صوتی برای اصلاح سطحی نانولولههای کربنی هم استفاده میشوند .[9] به این معنی که نانولوله های کربنی در محلول مشخصی قرار میگیرند و با کمک امواج صوتی ترکیب شیمیایی خاصی که در محلول وجود دارد با سطح نانولوله کربنی پیوند برقرار میکند.
