جوهرهای نانو سه بعدی

محققان مهندسی مکانیک در دانشگاه فناوری میشیگان راهی برای ایجاد جوهر پلیمری نانوکامپوزیتی قابل چاپ سه بعدی ایجاد کرده اند که از نانولوله های کربنی (CNT) استفاده می کند-که به دلیل استحکام کششی و سبکی بالا شناخته شده است. این جوهر انقلابی می تواند جایگزین اپوکسی شود - و درک اینکه چرا خواص آن فوق العاده است اولین گام در جهت استفاده انبوه آن است.

چاپ سه بعدی، که به عنوان یک روش تولید پیشرفته نیز شناخته می شود، همه کاره و کارآمدتر از ریخته گری است. ازاین ماده اغلب برای ایجاد هندسه های پیچیده استفاده میشود. افزودن نانومواد با ابعاد کم مانند CNT ها ، گرافن ، نانوذرات فلزی و نقاط کوانتومی به مواد چاپ شده سه بعدی اجازه می دهد تا با محرکهای خارجی سازگار شوند و ویژگی هایی مانند رسانایی الکتریکی و حرارتی، مغناطیس و ذخیره الکتروشیمیایی را به آنها می دهد.

اما چاپ سه بعدی با استفاده از پلاستیک، فلز یا چیزهای دیگر کاملاً جدید نیست. آنچه محققان فناوری متفاوت انجام داده اند، استفاده از نانوکامپوزیت های پلیمری (ساخته شده از اپوکسی، نانولوله های کربنی و نانو رس) و یک فرآیند چاپ است که عملکرد را تضعیف نمی کند. محل اتصال نوع و مورفولوژی - اندازه ، شکل ، ساختار - در جوهرهای نانوکامپوزیت پلیمری ، در عملکرد ملاقات نهایی نهایی است.

اکتشاف فرآیند، مورفولوژی و خواص جوهرهای پلیمری موضوع مقاله ای است که اخیراً در مجله Additive Manufacturing توسط پریسا پور شهید سعید آبادی ، مهندس کاوشگر رابط مواد، مکانیک و پزشکی و دانشجوی کارشناسی ارشد مسعود کسرایی منتشر شده است.

آبادی و کسرایی خاطرنشان می کنند که قبل از اینکه محققان بتوانند با استفاده از جوهرهای پلیمری در مسابقات شرکت کنند، ابتدا باید راه رفتن را بیاموزند. اولین قدم این است که به تقاطع مقیاس کلان (چگونگی عملکرد یک ماده در چشمان ما) و مقیاس نانو (چیزی که ما نمی توانیم ببینیم ، اما می دانیم در حال رخ دادن است) بپردازیم.

ایجاد تفاهم قبل از سهم بازار

آبادی خاطرنشان کرد: در حالی که نانوکامپوزیت های پلیمری و محصولات و خدمات چاپ سه بعدی هر دو دارای ارزش بازار میلیارد دلاری هستند ، چاپ سه بعدی نانومواد تنها 43 میلیون دلار ارزش بازار دارد.

آبادی گفت: "برای رونق ملی و حفظ رهبری جهانی در تولید، فاصله بین کاربردهای چاپ سه بعدی در دنیای واقعی و نانومواد در مقابل چاپ سه بعدی نانومواد باید بسته شود." "این شکاف به دلیل عدم کنترل خواص نانو کامپوزیت در فرایند چاپ سه بعدی وجود دارد ، زیرا ما به طور کامل رابطه فرایند-ریخت شناسی و ویژگی را درک نمی کنیم."

تنگنا درک متقابل پیچیده بین مکانیک در مقیاس کلان فرآیندهای چاپ سه بعدی و مکانیک و فیزیک مقیاس نانو نانوکامپوزیت ها است. تحقیقات آبادی و کسرایی با بررسی رابطه بین پارامترهای فرآیند چاپ سه بعدی و ریخت شناسی نانومواد در جوهرهای چاپ نانوکامپوزیت ، که مهمترین اما کمترین کاوش شده در این پازل است، گلوگاه را برطرف می کند.

مزایای بسیاری از جوهر نانومواد

با فراتر رفتن از علم جوهر نانو کامپوزیت، این ماده به دلیل عملکردهای زیاد نویدبخش است. یکی از مزایای چاپ سه بعدی کنترل تقریباً کامل بر شکل محصول نهایی است.

رسانایی جوهر نانومواد آبادی و کسرایی یک ویژگی فوق العاده مفید است که به اپوکسی چاپ شده امکان سیم کشی الکتریکی را می دهد-چه در صفحه مدار، چه در بال هواپیما و چه در محرک های چاپ سه بعدی برای هدایت کاتتر در عروق خونی. یکی دیگر از ویژگی های مفید جوهر پلیمری نانوکامپوزیت ، استحکام آن است.

کسرایی گفت: "در مقایسه با فولاد و آلومینیوم ، شاهد کاهش 80 درصدی وزن با کامپوزیت اپوکسی با استحکام یکسان هستیم."

سرانجام ، در زمینه پزشکی و صنایع هوافضا و الکترونیک، که نقص و آسیب می تواند مشکلات بزرگی را به دنبال داشته باشد، نانوکامپوزیت ها عملکرد ایمنی را انجام می دهند.

آبادی گفت: "وقتی چیزی می شکند ، یک ترک کوچک از نقص در مقیاس کوچک شروع می شود و پیشرفت می کند تا کل ساختار را بشکند." "ویژگی های نانوکامپوزیت باعث ایجاد پل هایی در آن شکاف ها می شود و اجازه نمی دهد ترک ها رشد کنند. این یکی از مکانیسم هایی است که از طریق آن نانولوله های کربنی قدرت مکانیکی مواد را افزایش می دهند."

نسبت خواص به وزن ، رسانایی الکتریکی، افزایش استحکام و سهولت کاربرد تنها چند مورد از دلایل امیدوار کننده ای است که نشان می دهد جوهرهای نانوکامپوزیت پلیمری احتمالاً جایگزین اپوکسی های سنتی می شوند.

 

---

منبع:

 

1. Masoud Kasraie, Parisa Pour Shahid Saeed Abadi. Additive manufacturing of conductive and high-strength epoxy-nanoclay-carbon nanotube composites. Additive Manufacturing, 2021; 46: 102098 DOI: 10.1016/j.addma.2021.102098

 

نانو لوله های کربنی شفاف با خواص فوق العاده در صنعت الکترونیک و ساخت صفحات لمس هوشمند تلفن همراه

 

نانولوله های کربنی تک جداره (SWCNT) کاربردهای زیادی در الکترونیک و دستگاههای لمسی جدید پیدا کرده اند. نانولوله های کربنی ورق هایی از یک لایه گرافن به ضخامت اتم هستند که به شکل یکنواخت در اندازه ها و شکل های مختلف چرخانده می شوند. برای اینکه بتوانید از آنها در محصولات تجاری مانند ترانزیستور شفاف برای صفحه نمایش تلفن استفاده کنید ، محققان باید بتوانند به راحتی نانولوله ها را برای خواص مواد خود آزمایش کنند و روش جدید به این امر کمک می کند.

گروه پروفسور اسکو I. کاوپینن ​​در Aalto سالها تجربه در ساخت نانولوله های کربن برای کاربردهای الکترونیکی دارد. روش منحصر به فرد این تیم از ذرات معلق در هوا از کاتالیزورهای فلزی و گازهای حاوی کربن استفاده می کند. این روش مبتنی بر ذرات آئروسل به محققان اجازه می دهد ساختار نانولوله را به طور مستقیم کنترل کنند.

ساخت ترانزیستورهای نانولوله تک کربنی معمولاً خسته کننده است. این ماده اغلب از مواد نانولوله کربنی خام به ترانزیستورها چند روز طول می کشد ، و دستگاه ها ممکن است آلوده به مواد شیمیایی فرآوری شده باشند و عملکرد آنها را خراب کند. با این وجود روش جدید باعث می شود در طی 3 ساعت صدها دستگاه نانولوله کربن جداگانه تولید شود که این افزایش بیش از ده برابر راندمان است.

از همه مهمتر ، این دستگاههای ساختگی حاوی مواد شیمیایی فرآوری کننده تخریب کننده بر روی سطح آنها نیستند. این دستگاه های به اصطلاح فوق العاده تمیز قبلاً حتی از ترانزیستورهای معمولی نانولوله تک کربنی ساخت حتی سخت تر بودند.

دکتر نان وی ، محقق فوق دکترا در گروه می گوید: "این دستگاه های تمیز به ما کمک می کنند تا خواص مواد ذاتی را اندازه گیری کنیم. و تعداد زیادی دستگاه به درک سیستماتیک تر از نانومواد کمک می کند تا فقط چند نکته در داده ها." .

این مطالعه نشان می دهد که نانولوله های مبتنی بر ذرات معلق در هوا از نظر کیفیت الکترونیکی بسیار عالی هستند ، توانایی آنها در برق برای برق تقریباً به اندازه تئوریکی برای SWCNT مناسب است.

مهمتر از همه ، روش جدید همچنین می تواند در تحقیقات کاربردی نقش داشته باشد. یک مثال این است که دانشمندان ممکن است با مطالعه ویژگی هدایت ترانزیستورهای بسته نرم افزاری SWCNT راه هایی برای بهبود عملکرد فیلمهای رسانا انعطاف پذیر بیابند. این امر می تواند برای طراحان در تلاش برای ساخت تلفن های منعطف و ضد انعطاف پذیر مفید باشد. کار پیگیری گروههای ژاپن و فنلاند در حال انجام است.

منبعو اطلاعات بیشتر:

 Nan Wei et al, Fast and Ultraclean Approach for Measuring the Transport Properties of Carbon Nanotubes, Advanced Functional Materials (2019). DOI: 10.1002/adfm.201907150

Journal information: Advanced Functional Materials 

بهبود حافظه با استفاده از تحریک غیر تهاجمی مغز

تحقیقات جدید نشان می‌دهد که تحریک غیرتهاجمی مغز می‌تواند حافظه‌ی دقیق را بهبود بخشد. محققان دانشگاه نورث وسترن در حال استفاده از روش جدیدی برای تحریک غیرتهاجمی مغز هستند تا نوع خاصی از حافظه را بهبود بخشند.

این پژوهش مغز را تحریک می‌کند تا حافظه‌ی دقیق فرد، که مربوط به یادآوری جزئیات خاصی از قبیل اشکال، رنگ‌ها و مکان هر چیزی است، را هدف قرار دهد. معمولا در افراد مبتلا به اختلالات حافظه، حافظه‌ی دقیق از بین می‌رود. محققان برای تحریک بخشی از مغز که مسئول حافظه‌ی فضایی است، از الکترومغناطیس استفاده کردند؛ و بهبود در حافظه‌ی دقیق را مشاهده کردند که این بهبودها ۲۴ ساعت به طول انجامید. برای شناسایی شبکه‌های مغز مربوط به حافظه در شرکت‌کنندگان این مطالعه، از MRI استفاده شد.

جوئل واس، استادیار علوم اجتماعی پزشکی در دانشکده‌ی پزشکی فینبرگ دانشگاه نورث وسترن و نویسنده‌ی ارشد این پژوهش، در اطلاعیه‌ای رسمی گفت: «نشان می‌دهیم که امکان هدف قرار دادن و بهبود آن بخش از مغز که مسئول این نوع حافظه است، وجود دارد. افراد دچار صدمات مغزی و همچنین افراد مبتلا به زوال عقل، در حافظه‌ی فعال خود مشکلاتی دارند؛ و یافته‌های ما می‌تواند در توسعه‌ی درمان‌های جدید برای این بیماری‌ها مفید و سودمند باشد».

این مطالعه کمک می‌کند تا چگونگی بهبود حافظه از طریق اقدامات غیرتهاجمی را بهتر درک کنیم. گفتنی است که در تحقیقات قبلی، این نوع تحریک فقط اثرات محدود و کوتاه‌مدتی داشت. واس گفت: «حافظه‌ی افراد را تا یک روز کامل بعد از تحریک مغزشان، ما به شیوه‌ای خاص و مهم بهبود دادیم». جزئیات بیشتر این مطالعه در مجله Current Biology منتشر شده بود.

ساخت دستگاهی که افکار شما را می خواند!

دستگاه رابط مغز-کامپیوتر جدید به ۴ نفر مبتلا به سندروم قفل شدگی توانایی ارتباط برقرار کردن بخشید، این بیماران توانستند به ۷ مورد از ۱۰ سوال که با بله و خیر بود، پاسخ درست بدهند. این دستگاه قابلیت بهبود کیفیت زندگی افرادی که بخاطر بیماری های مختلف عصبی، اعم از ALS، سکته یا آسیب ستون فقرات از فلج رنج می برند را دارد.

اساسا یک رابط مغز-کامپیوتر(BCI) با نهایت توان کارکرد به ما این امکان را می دهد که بتوانیم دستگاه ها را با ذهنمان حرکت دهیم. با وجود اینکه هنوز کاملا به این مرحله نرسیده ایم، تحقیقات بسیاری در حال انجام بر روی رابط های مغز کامپیوتر، میباشند که بعضی از آنها روی استفاده از چنین سیستم هایی برای بهبود زندگی افرادی که از یکی از انواع سندروم قفل شدگی(شرایطی جسمانی که در آن بیمار کاملا هشیار است اما قادر به حرکت یا برقراری ارتباط نیست) رنج می برند متمرکز است. اخیرا یک تیم تحقیقی موفق شدند در این راه قدمی رو به جلو بردارند، آنها دستگاه رابط مغز-کامپیوتری ساختند که می تواند افکار کسانی که قادر به برقراری ارتباط نیستند، را رمزگشایی کند.

“نیلز بیرباومر” عصب شناس مرکز زیست و مهندسی عصبِ وایس در ژنو سوئیس و تیم تحقیقاتی اش دستگاه خود را روی چهار نفر که از اسکلروز جانبی آمیوتروفیک(ALS) یا نورون حرکتی، رنج می بردند آزمایش کردند. از تمامی بیماران سوالاتی شخصی که می شد به آنها صرفا با بله یا خیر پاسخ داد پرسیده شد. برای مثال “آیا اسم شوهرتان یواخیم است؟” و “آیا خوشحالید؟” از سوالاتی که جوابشان به طور قطع صحیح بود، بیماران به ۷ مورد از ۱۰ سوال درست جواب دادند.

این آزمایش گمانه زنی های پیشین را رد کرد. آنها تصور می کردند که برای اینکه یک دستگاه رابط مغز-کامپیوتر کار کند لازم است از افراد مبتلا به سندروم قفل شدگی کامل که قادر به تفکر هدف محور نیستند استفاده شود. بیرباومر در بیانیه ای خبری گفت:« نتایج قابل توجهی که بدست آمد حتی تئوری خودم را که می گفت افراد مبتلا به سندروم قفل شدگی کامل، قادر به برقراری ارتباط نیستند را واژگون کرد. متوجه شدیم هر ۴ نفری که مورد آزمایش قرار دادیم تنها با استفاده از افکارشان قادر به پاسخگویی به سوالات شخصی که از آنها پرسیدیم بودند، اگر بتوانیم این آزمایش را روی بیماران بیشتری تکرار کنیم معتقدم می توانیم توانایی برقراری ارتباط موثر در افراد مبتلا به اختلالات نورون حرکتی که در مرحله ی قفل شدگی کامل، قرار دارند را ترمیم کنیم.»

افکارتان؟ 

رابط مغز-کامپیوتر ساخته شده این تیم از طیف بینی فروسرخ نزدیک(NIRS) و الکترومغزنگاری(EEG) استفاده کرد، این دو با هم کار می کنند تا اکسیژن خون و فعالیت مغز را اندازه بگیرند. با وجودی که هنوز از این لحاظ که مشخص نیست دستگاه رابط مغز-کامپیوتر، قادر به خواندن کدام افکار است محدودیت وجود دارد، اما در حال حاضر تنها روشی ای است که موفق به ترمیم قابلیت های ارتباطی افرادی با سندروم قفل شدگی کامل، میباشد.

این دستگاه معمولا به دو صورت است: یکی تا اندازه ای تهاجمی(دستگاه ها درون جمجمۀ فرد کار گذاشته می شوند) و نوع دیگری که تیم بیرباومر از آن استفاده کردند یعنی غیر تهاجمی(پوشیدنی است و سیگنال ها را به مغز ارسال می کند). رابط های مغز-کامپیوتری که یاد گرفتند چگونه سیگنال های مغزی را خوانده و آنها را به صورت اعمال ِ حقیقی ترجمه کنند حالا چه از طریق حرکت دادن عضوی پروتزی یا ترجمه ی یک فکر به چیزی قابل ارتباط، در واقع می توان گفت به نحوی با این کار ذهن را حک می کنند.

طبیعتا چنین دستگاهی پتانسیل بهبود بخشیدن کیفیت زندگی کسانی که از ناراحتی های عصبی گوناگون رنج می برند را داراست. بر طبق گفته های مدیر مرکز وایس جان دوناهیو:« مرکز وایس قصد دارد با استفاده از نتایج این پژوهش تکنولوژی بالینی مفیدی ایجاد کند که در دسترس کسانی که در اثر بیماری ALS، سکته یا آسیب نخاعی فلج شده اند، قرار گیرد. تکنولوژی استفاده شده در این تحقیق کاربردهای گسترده تری هم دارد که معتقدیم می تواند هرچه بیشتر توسعه یابد تا افراد مبتلا به محدوده ی وسیعی از اختلالات عصبی را مورد مشاهده و درمان قرار دهد.» جزئیات بیشتر این پژوهش در مجلۀ زیست شناسی PLOS منتشر شده است.