مواد و توسعه آنها از پایه های تمدن به شمار می روند. به طوری که دوره های تاریخی را با مواد نامگذاری کرده اند: عصر سنگ، عصر برنز، عصر آهن، عصر فولاد، عصر سیلیکون و عصر کربن. ما اکنون در عصر کربن به سر می بریم. عصر جدید با شناخت یک ماده جدید به وجود نمی آید، بلکه با بهینه کردن و ترکیب چند ماده می توان پا در عصر نوین گذاشت. دنیای نانو مواد، فرصتی استثنایی برای انقلاب در مواد کامپوزیتی است.
کامپوزیت ترکیبی است از چند ماده متمایز، به طوری که اجزای آن به آسانی قابل تشخیص از یکدیگر باشند. یکی از کامپوزیت های آشنا بتُن است که از دو جزء سیمان و ماسه ساخته می شود.

برای تغییر دادن و بهینه کردن خواص فیزیکی و شیمیایی مواد، آنها را کامپوز یا ترکیب می کنیم. به طور مثال، پُلی اتیلن که در ساخت چمن های مصنوعی از آن استفاده می شود، رنگ پذیر نیست و بنابراین، رنگ این چمن ها اغلب مات به نظر می رسد. برای رفع این عیب، به این پلیمر وینیل استات می افزایند تا خواص پلاستیکی، انعطافی و رنگ پذیری آن اصلاح شوند. در واقع، هدف از ایجاد کامپوزیت، به دست آوردن ماده ای ترکیبی با خواص دلخواه است.

نانوکامپوزیت، همان کامپوزیت در مقیاس نانومتر است. نانوکامپوزیت ها در دو فاز تشکیل می شوند. در فاز اول ساختاری بلوری در ابعاد نانو ساخته می شود که زمینه یا ماتریس کامپوزیت به شمار می رود. این زمینه ممکن است از جنس پلیمر، فلز یا سرامیک باشد. در فاز دوم ذراتی در مقیاس نانو به عنوان تقویت کننده برای استحکام، مقاومت، هدایت الکتریکی و... به فاز اول یا ماتریس افزوده می شود.

بسته به اینکه زمینه نانوکامپوزیت از چه ماده ای تشکیل شده باشد، آن را به سه دسته پُلیمری، فلزی و سرامیکی تقسیم می کنند. کامپوزیت های پلیمری به علت خواصی مانند استحکام، سفتی و پایداری حرارتی و ابعادی، چندین سال است که در ساخت هواپیماها به کار می روند. با رشد نانوتکنولوژی، کامپوزیت های پلیمری بیش از پیش به کار گرفته خواهند شد.

تقویت پلیمرها با استفاده از مواد آلی یا معدنی بسیار مرسوم است. از نظر ساختاری، ذرات و الیاف معمولاً باعث ایجاد استحکام ذاتی می شوند و ماتریس پلیمری می تواند با چسبیدن به مواد معدنی، نیروهای اعمال شده به کامپوزیت را به نحو یکنواختی به پُرکن یا تقویت کننده منتقل کند. در این حالت، خصوصیاتی چون سختی، شفافیت و تخلخل ماده درون کامپوزیت تغییر می کند. ماتریس پلیمری همچنین می تواند سطحِ پُرکن را از آسیب دور نماید و ذرات را طوری جدا از هم نگه دارد که رشد تَرَک به تأخیر افتد. گذشته از تمام این خصوصیات فیزیکی، اجزای مواد نانوکامپوزیتی می توانند بر اثر تعامل بین سطح ماتریس و ذرات پُرکن، ترکیبی از خواصّ هر دو جزء را داشته باشند و بهتر عمل کنند.
کامپوزیت هایی که بستر فلزی دارند، کم وزن و سبک اند و به علت استحکام و سختیِ بالا، کاربردهای وسیعی در صنایع خودرو و هوا فضا پیدا کرده اند. اما این کاربردها به لحاظ ضعف در قابلیت کشیده شدن در چنین کامپوزیت هایی، محدود شده اند. تبدیل کامپوزیت به نانوکامپوزیت سبب افزایش بازده استحکامی و رفع ضعفِ بالا می شود.

نانوکامپوزیت های نانوذره ای
در این کامپوزیت ها از نانوذراتی همچون (خاک رس، فلزات، و...) به عنوان تقویت کننده استفاده می شود. برای مثال، در نانوکامپوزیت های پلیمری، از مقادیر کمّیِ (کمتر از 10درصدِ وزنی) ذرات نانومتری استفاده می شود. این ذرات علاوه بر افزایش استحکام پلیمرها، وزن آنها را نیز کاهش می دهند. مهم ترین کامپوزیت های نانوذره ای، سبک ترین آنها هستند.

نانوکامپوزیت های نانو لوله ای
نانولوله های کربنی در دو گروه طبقه بندی می شوند: نانولوله های تک دیواره و نانولوله های چنددیواره. در این نوع از کامپوزیت ها، این دو گروه از نانولوله ها در بستری کامپوزیتی توزیع می شوند. در صورتی که قیمت نانوله ها پایین بیاید و موانع اختلاط آنها رفع شود، کامپوزیت های نانولوله ای موجب رسانایی و استحکام فوق العاده ای در پلیمرها می شوند و کاربردهای حیرت انگیزی همچون آسانسور فضایی برای آن قابل تصور است.

تحقیقات در زمینه توزیع نانولوله های کربنی در پلیمرها بسیار جدید هستند. علاقه به نانولوله های تک دیواره و تلاش برای جایگزین کردن آنها در صنعت، به علت خصوصیات عالیِ مکانیکی و رسانایی الکتریکی آنها است. (رسانندگی الکتریکی این نانولوله ها در حد فلزات است.)
اما در دسترس بودن و تجاری بودن نانولوله های چنددیواره، باعث شده است که پیشرفت بیشتری در این زمینه صورت بگیرد. تا حدی که اکنون می توان از محصولاتی نام برد که در آستانه تجاری شدن تولید هستند. برای نمونه، نانولوله های کربنیِ چنددیواره در پودرهای رنگ به کار رفته اند.

استفاده از این نانولوله ها باعث می شود که رسانایی الکتریکی در مقدار کمی از فاز تقویت کننده به دست آید. از نظر نظامی نیز فراهم کردن هدایت الکتریکی فرصت های انقلابی به وجود خواهد آورد. به عنوان مثال، از پوسته های الکتریکی مغناطیسی گرفته تا کامپوزیت های رسانای گرما و لباس های سربازان آینده!

نانوکامپوزیتِ خاک رُس پلیمر
نانوکامپوزیت خاک رُس پلیمر یک مثال موردی از محصولات نانوتکنولوژی است. در این نوع ماده، از خاک رُس به عنوان پُرکننده برای بهبود خواص پلیمرها استفاده می شود. خاک رُس های نوع اسمکتیت، ساختار لایه لایه دارند و هر لایه تقریباً یک نانومتر ضخامت دارد. صدها یا هزاران عدد از این لایه ها به وسیله یک نیروی واندروالسیِ ضعیف روی هم انباشته می شوند تا یک جزء رُسی را تشکیل دهند. با یک پیکربندی مناسب، این امکان وجود دارد که رُس ها را به اَشکال و ساختارهای گوناگون، درون یک پلیمر به شکل سازمان یافته قرار دهیم.

معلوم شده است که بسیاری از خواص مهندسی، هنگامی که در ترکیب ما از میزان کمی چیزی کمتر از 5 درصد وزنی پُرکننده استفاده شود، بهبود قابل توجهی می یابد.

امتیاز دیگر نانوکامپوزیت های خاک رُس پلیمر این است که تأثیر قابل توجهی بر خواص اُپتیکی (نوری) پلیمر ندارند. ضخامت یک لایه رُس منفرد، بسیار کمتر از طول موج نور مرئی است. بنابراین، نانوکامپوزیتی که خوب ورقه شده باشد، از نظر اُپتیکی شفاف است. از طرفی، با توجه به اینکه امروزه حجم وسیعی از کالاهای مصرفی جامعه را پلیمرهایی تشکیل می دهند که به راحتی می سوزند یا گاهی در مقابل شعله فاجعه می آفرینند، لزوم تحقیق در خصوص مواد دیرسوز احساس می شود. نتایج تحقیقات حاکی از آن است که میزان آتش گیری در این نانوکامپوزیت های پلیمری حدود 70 درصد نسبت به پلیمر خالص کمتر است. در عین حال، اغلب خواص کاربردی پلیمر نیز تقویت می شوند.

اولین کاربرد تجاری نانوکامپوزیت های خاک رُس نایلون، به عنوان روکش نوار زمان سنج برای ماشین های تویوتا، در سال 1991 بود. در حال حاضر نیز از این نانوکامپوزیت در صنعت لاستیک استفاده می شود. با افزودن ذرات نانومتریِ خاک رُس به لاستیک، خواص آن به طور قابل ملاحظه ای بهبود پیدا می کند که از جمله می توان در آنها به موارد زیر اشاره کرد:

1. افزایش مقاومت لاستیک در برابر سایش
2. افزایش استحکام مکانیکی
3. افزایش مقاومت گرمایی
4. کاهش قابلیت اشتعال
5. کاهش وزن لاستیک

نانوکامپوزیت الماس نانولوله
محققان توانسته اند سخت ترین ماده شناخته شده در جهان (الماس) را با نانولوله های کربنی ترکیب کنند و کامپوزیتی با خصوصیات جدید به دست آورند. اگرچه الماس سختیِ زیادی دارد، ولی به طور عادی هادی جریان الکتریسیته نیست. از طرفی، نانولوله های کربن به شکلی باورنکردنی سخت و نیز رسانای جریان الکتریسیته اند. با یکپارچه کردن این دو فُرمِ کربن با یکدیگر در مقیاس نانومتر، کامپوزیتی با خصوصیات ویژه به دست خواهد آمد.

این کامپوزیت می تواند در نمایشگرهای مسطح کاربرد داشته باشد. الماس می تواند نانولوله های کربنی را در مقابلِ ازهم گسیختگی حفظ کند. در حالی که به طور طبیعی، وقتی نمایشگر را فقط از نانولوله های کربنی بسازند، ممکن است از هم گسیخته شوند.
این کامپوزیت همچنین در ردیابی های زیستی کاربرد دارد. نانولوله ها به مولکول های زیستی می چسبند و به عنوان حسگر عمل می کنند. الماس نیز به عنوان یک الکترود فوق العاده حساس رفتار می کند.

جدیدترین خودرو نانوکامپوزیتی
این خودرو توسط شرکت جنرال موتورز طراحی شده و به علت استفاده از مواد نانوکامپوزیتی در قسمت های مختلف آن، حدود 8 درصد سبک تر از نمونه های مشابه قبلی است و علاوه بر سبک بودن، در برابر تغییرات دمایی هم مقاومت می کند.

خودروی اسپورت Hummer H2 ساخته شده از آلیاژهای نانوکامپوزیت

توپ تنیس نانوکامپوزیتی
شرکت ورزشی ویلسون، یک توپ تنیس دولایه به بازار عرضه کرده که عمر مفید آن حدود چهار هفته است در حالی که توپ های معمولی عمر مفیدشان در حدود دو هفته است ولی از نظر خاصیت ارتجاعی و وزن تفاوتی بین این دو مشاهده نمی شود. علت مهم و اصلی دوام توپ های نانوکامپوزیتی، وجود یک لایه پوشش نانوکامپوزیتی به ضخامت 20 میکرون به عنوان پوسته داخلی است که باعث می شود هوای محبوس در داخل توپ ضمن ضربه خوردن خارج نگردد، درحالی که توپ های معمولی از جنس لاستیک و در برابر هوا نفوذپذیرند.

الیاف نانو، تحولی در صنعت نساجی
امروزه ساخت کامپوزیت های تقویت شده به وسیله نانوالیاف پیشرفت چشمگیری کرده است. لیفچه های کربنیِ جامد و توخالی با چند میکرون طول و دو تا بیش از صد نانومتر قطر خارجی خلق شده اند که مصارفی در مواد کامپوزیت و روکش دارند.
مهم ترین تأثیر نانوکامپوزیت ها در آینده کاهش وزن محصولات خواهد بود. ابتدا کامپوزیت های سبک وزن و بعد تجهیزات الکترونیکی کوچک تر و سبکتر در ماهواره های فضایی.

سازمان فضایی آمریکا (ناسا) در حمایت از فناوری نانو بسیار فعال است. بزرگ ترین تأثیر فناوری نانو در فضاپیماها، هواپیماهای تجاری و حتی فناوری موشک، کاهش وزن مواد ساختمانیِ سازه های بزرگ درونی و بیرونی، جداره سیستم های درونی، اجزای موتور راکت ها یا صفحات خورشیدی خواهد بود.

در مصارف نظامی نیز کامپوزیت ها موجب ارتقا در نحوه حفاظت از قطعات الکترونیکی حساس در برابر تشعشع و خصوصیات دیگر همچون ناپیدایی در رادار می شوند.

کامپوزیت های نانوذره سیلیکاتی به بازار خودروها وارد شده اند. در سال 2001 هم جنرال موتورز و هم تویوتا شروع به تولید محصول با این مواد را اعلام کردند. فایده آنها افزایش استحکام و کاهش وزن است که مورد آخر صرفه جویی در سوخت را به همراه دارد.

علاوه بر این، نانوکامپوزیت ها به محصولاتی همچون بسته بندی غذاها راه یافته اند تا سدی بزرگ تر در برابر نفوذ گازها باشند (مثلاً با حفظ نیتروژن درونِ بسته یا مقابله با اکسیژن بیرونی).

همچنین خواصّ تعویق آتش گیریِ کامپوزیت های سیلیکات نانوذره ای، می تواند در رختِ خواب، پرده ها و غیره کاربردهای بسیاری پیدا کند.

منابع: www.irannano.org و www.autnano.org و www.azonano.com