[Zohreh Gholami]

آشنایی با نانو الماس


1- مقدمه
الماس از کربن خالص تشکيل شده و سيستم تبلور آن مکعبي ساده (Cubic) است. وزن مخصوص الماس 5 g/cm ضريب شکست آن 2/42 و سختي آن در مقياس موس ، مساوي 10 است.
الماس داراي مصارف صنعتي و زينتي است. گرچه الماس بيشتر به عنوان بخش زينت شناخته مي شود، ولي بيش از 80 درصد آن به مصارف صنعتي مي‌رسد. مصارف عمده الماس در صنعت جهت برش مواد بسيار سخت نظير فولادهاي آلياژي و کاربيد تنگستن ، ساييدن ، اره کردن سنگ و بتون و حفاريها و بخش عمده اي هم بعنوان افزودني به روغن هاي روان كننده و روان كاوها بکار مي‌رود.
 

2- تقسيم بندي الماس ها بر اساس مصارف صنعتي
• الماسها بر اساس مصارف صنعتي آنها به چهار گونه تقسيم مي‌شوند.
• الماس صنعتي که به علت شکل و رنگ آن ، مصرف زينتي ندارد.
• الماس بورت که قطعه‌هاي کوچک و شکل نامناسب دارد.
• الماس کاربونادو که مخلوطي از الماس ، گرافيت و کربن بي‌شکل (آمورف) است.
• الماس بالاس

12/5 درصد الماس توليدي جهان به مصرف ساخت مته‌هاي حفاري و چاله زني مي‌رسد.2/5 درصد ديگر هم از الماس توليدي در ساختن ماشين هاي برش و پوليش و 75 درصد ديگر به صورت پودر و يا مواد ساينده به مصرف مي‌رسد. مصارف صنعتي الماس به اختصار شامل، مته‌هاي الماسي، مواد ساينده‌ها، اره‌هاي الماسي، لوازم دندانپزشکي و جراحي و دستگاههاي برشي و پوليش مي‌گردد.

پر مصرف‌ترين و معروف‌ترين روغن هاي روانكار، روغن‌هاي موتور هستند كه علاوه بر كاهش اصطكاك بين قطعات و جلوگيري از سائيدگي قطعات موتور، وظايف ديگري چون خنك کردن موتور، گرفتن ضربه، انتقال ذرات ريز فلزات و گرد و خاك از داخل موتور به فيلتر روغن و جلوگيري از رسوب دوده در رينگ‌ها، ، سوپاپ‌ها و غيره و تميز نگاه داشتن قطعات موتور را نيز به عهده دارند. به منظور حصول به روانكار با خصوصيات مطلوب و مناسب براي هر كاربرد مشخص، امروزه انواع افزودني‌ها با عملكردهاي مختلف، به روغن پايه افزوده مي‌شوند.اين افزودني‌ها مي‌توانند هر يك از وظايف بهبود روانكاري، خواص ضد خوردگي و ضد اكسيداسيون، گرانروي، پاك كنندگي و غيره را در تركيب، به عهده داشته باشند.

با توجه به ورود نانوتكنولوژي در سال‌هاي اخير، گروهي از انواع نانوافزودني‌هاي روغن نيز پا به عرصه ظهور گذاشته و در اين ميان نانوالماس نيز به عنوان يكي از جديدترين و موثرترين اين مواد مطرح بوده است. ويژگي‌هاي منحصر به فرد ذرات نانوالماس، موجب شده انواع و گريدهاي مختلف اين ماده، كاربردهاي متنوعي را در بخش‌هاي مختلف صنعت به خود اختصاص دهند.

امروزه کليه روانکارها با پايه معدني و يا با پايه سنتزي، براي داشتن کارآيي مناسب و مطلوب، نيازمند مواد شيميايي ديگر يا در واقع افزودني‌هايي هستند که بتواند خواص مورد‌نظر را در آنها ايجاد نمايد. اين مواد شيميايي سنتزي، ضمن اين که خواص جديدي به روانکار مي‌دهند مي‌توانند برخي ويژگي‌هاي موجود در روانکار را تقويت و از بروز برخي پديده‌هاي نامطلوب در سيستم روانکاري جلوگيري کنند.

نانو تكنولوژي يا آرايش اتم‌ها در مقياس نانومتري، همان كنار هم قرار گرفتن صدها اتم در ابعاد چند نانومتر است كه خصوصيات جديد و ممتازي را نتيجه مي‌دهد. اين تكنولوژي در زمينه‌هاي مختلف علم وارد شده و در صنايع مختلف نيز، محصولاتي بر اين پايه ايجاد شده است. در اين ميان، افزودني‌هاي روغن موتور و سوخت نيز تحت تاثير نانوتكنولوژي قرار گرفته و محصولات مربوطه وارد بازار شده است. نانوافزودني‌هاي روغن به طور اساسي بر صرفه‌جويي سوخت و بازدهي موتور تاثير دارند. به طور كلي، خواصي كه براي اين افزودني‌ها ذكر شده است عبارتند از: كاهش ضريب اصطكاك، كاهش ساييدگي، ترميم سطوح درگير و بهبود خواص سطحي، افزايش بازده موتور در اثر افزايش عمر موتور، كاهش هزينه تعمير و نگهداري، كاهش صداي موتور و گازهاي آلاينده، جلوگيري از اكسيداسيون روغن، تميز كردن سيستم سوخت‌رساني و غيره.

برخي از نانوافزودني‌هاي روغن موتور موجود در بازار به شرح زير مي باشند:
• افزودني حاوي نانوالماس
• افزودني حاوي نانو فلوئور
• افزودني حاوي نانو ذرات طلا

پودر نانومتري الماس نوع جديدي از پودرهاي سنتزي نانومتري بسيار سخت(SuperHard) محسوب مي‌شود. از بررسي‌هاي ميكروسكوپي انجام شده بر روي پودر نانومتري الماس مشخص شده است كه ذرات پودر نانومتري الماس به صورت يك مجموعه (Cluster) بوده و شكل ذرات نانو الماس كروي است (شكل 1). در واقع، يك ذره الماس از يك هسته فشرده بلورين از جنس الماس و يك لايه‌ سست خارجي حاوي انواع پيوندهاي كربن - كربن و Heterobonds تشكيل شده است.

(شكل 1) ذرات كروي نانو الماس

30 درصد نانو اتم‌هاي الماس روي سطح آن قرار گرفته‌اند و همين مسئله خواص ويژه‌اي به آن داده است. حداكثر اندازه تك دانه‌هاي نانو‌الماس 10 نانومتر و متوسط اندازه ذرات بين 4 تا 6 نانومتر است. همچنين بررسي‌هاي انجام شده با استفاده از اشعه‌ X (XRD) بر روي پودر نانومتري الماس نشان مي‌دهد كه ذرات موجود در اين پودر از جنس الماس با ساختار مكعبي مي‌باشند. مطالعات مربوط به شناسايي كيفيت سطح پودر نشان مي‌دهند كه سطح ذرات با گروه‌هاي عامل پوشيده شده است كه نوع و مقدار اين گروه‌ها در محصولات مختلف متفاوتند. اين گروه‌ها اغلب از نوع گروه‌هاي اكسيژن‌داري هستند كه بر روي سطوح ذرات، بار منفي ايجاد مي‌كنند.

پودر نانومتري الماس در هوا تا دماي 500ºC و در خلاء يا محيط الكلي تا دماي 1000ºC الي 1100ºC مقاوم است. دماي1100ºC دماي شروع تبديل‌شدن الماس به گرافيت است.ين پودر نانومتري الماس از نظر شيميايي در برابر محيط‌هاي اسيدي، قليايي، مواد اكسيدكننده و حلال‌هاي آلي در شرايط محيطي و دماي بالا مقاوم است. نتايج بررسي وضعيت ناخالصي‌هاي احتمالي موجود در پودر نانومتري الماس نشان مي‌دهد كه ميزان ناخالصي موجود در هر پودر نانومتري الماس به نوع آن پودر بستگي دارد و بر اساس شرايط فني توليد بين 1 الي 3 درصد وزني متغير است. ناخالصي‌هاي غيركربني كه معمولاً شامل آهن، مس، كلسيم، سيليكون، كروم، تيتانيم و همچنين مقادير جزئي از ساير فلزاتي است كه به نحوي در فرآيند توليد و تخليص نانوالماس حضور دارند، معمولاً بر اساس خاكستر باقي‌مانده پس از سوزاندن تعيين مي‌شوند. مواد كربني غير از الماس، ناخالصي محسوب نشده و تركيبات مفيدي براي كاربردهاي نانوالماس محسوب مي‌شوند. در جدول1، برخي از خصوصيات پودر نانومتري الماس ارائه شده است.


3- نحوه عملكرد نانو افزودني الماس در كاربرد بهبود روانكاري
نحوه‌ مصرف و عملكرد نانوالماس( شکل 2 )در اين كاربرد به اين صورت است كه پودر نانو الماس، به روغن موتور افزوده مي‌شود و سوسپانسيون پايداري ايجاد مي‌كند. نانوالماس موجود در روغن بر روي سطوح در تماس با روغن، لايه‌اي تشكيل مي‌دهد و دانه‌هاي فوق‌العاده ريز آن در خلل و فرج سطح جاي مي‌گيرند و سطح كاملاً صافي را تشكيل مي‌دهند.

( شکل 2 ) نحوه‌ عملكرد نانوالماس نتيجه گيري

در اين مقاله، خواص منحصر به فرد نانو الماس و اثرات استفاده از افزودني‌ حاوي نانو الماس بر بهبود عملكرد روانكار ها اجمالا مورد بررسي قرار گرفت. با توجه به تاثير چشمگير مصرف اين افزودني در بهبود عملكرد روانكار، کاهش اصطکاک، خوردگي و غيره، اهميت اين محصول در رابطه با مقوله هاي بحث برانگيزي چون كاهش مصرف سوخت و انرژي، بهبود راندمان و كاهش هزينه هاي توليد و همچنين مباحث كاهش آلودگي هاي زيست محيطي، امري كاملا مشخص و انكار ناپذير مي باشد. بررسي هاي انجام شده نشان مي دهد با مصرف افزودني حاوي نانو الماس در روغن موتور مي توان عليرغم صرف هزينه بسيار كم اوليه، در هزينه هاي جاري مربوط به سوخت و روغن، تعميرات و نگهداري و تعويض قطعات موتور خودرو صرفه جويي نمود.
 
جدول 1- ويژگي‌هاي نانوالماس
اندازه دانه                      4-10 نانومتر براي كريستال‌هاي اوليه 30-20 نانومتر براي توده ذرات
سطح مخصوص              300 - 400 m2/g
درصد الماس                  % 100- 80
درصد كربن آمورف            حداكثر 20 درصد
دانسيته بالك                  0/1-0/3 g/cm3
دانسيته پيكنومتري          2/5-2/6 g/cm3


منابع:

1- Mansoori, G.A., 2005, "Principles of Nanotechnology", World Scientific Pub Co, New York, NY
2-Mansoori G.A.; "Diamondoids: Their Role in Petroleum and Natural Gas Production Fouling and the Emerging Fields of Biotechnology and Nanotechnology",
3- Dahl J.E., Carlson R.M., Shenggao L., 2003, "Isolation and Structure of Higher Diamondoids, Nanometer-sized Diamond Molecules", Science Journal, Vol.299, 23-25.
6-Rawls R., 2002, "Diamond-like hydrocarbons", Material science, Vol.80, 13.
7-Priyanto S., Mansoori G.A., Aryadi S., 2001, "Measurement of Property Relationship of Nano-Structure Micelles and Coacervates of Asphaltene in a Pure Solvent", Chemical Engineering Science, Vol.56, 33–39.

12- سايت ستادتوسعه فناوري نانو: www.nano.ir

13-Franco lodato. 2000. Bionics : Lessons from Nature to Improve our future.
14-V. Yu Dolmatov, Detonation Synthesis Ultradispersed Diamonds: Properties and Applications, Russian Chemical Reviews 70 ,7,p 607-626-2001
15-G.Cholakov, Stability of Ultradisperse Diamond Powders in Oil Suspension, J. University of Chemical Technology and Metallurgy, 40,7,p299-306,2005

16- مجموعه مقالات شناخت و کاربرد روغن‌هاي روانساز صنعتي، شرکت نفت بهران، چاپ دوم، 1373
17- گزارش "كاربرد نانو افزودني‌هاي روغن و سوخت موتور و نقش آن در صرفه‌جويي انرژي"، مركز مطالعات تكنولوژي دانشگاه صنعتي شريف، سال 1384
18- www.Nanodiamond.com

لینک منبع: nano.ir