الأنابيب النانوية مثل أجهزة استشعار الضغط

العلاقة الخطية بين الضغط والمقاومة

الأنابيب النانوية في كتلة تحت الضغط © Rensselaer Polytechnic Institute
قراءة بصوت عال

لقد تحولت المجاميع الصغيرة المثالية في الأنابيب النانوية الكربونية إلى ثلاثة ملليمترات فقط ، إلى أنها مجسات الضغط المثالية في الاختبار. على عكس العديد من المواد الأخرى ، فقد حافظوا دائمًا على علاقة خطية ثابتة بين الضغط والمقاومة الكهربائية حتى في ظل الضغط القوي والمتعدد. هذا التقرير الباحثون الأمريكيون الآن في مجلة "رسائل الفيزياء التطبيقية".

على الرغم من أن الخواص الميكانيكية للأنابيب النانوية قد تم بحثها على نطاق واسع في السنوات الأخيرة ، إلا أن العلماء في معهد Rensselaer Polytechnic Institute قد تبنوا لأول مرة الآن رد فعل أنابيب الكربون الصغيرة على الضغط. كانوا مهتمين في المقام الأول بدراسة العلاقة التي تتغير بها المقاومة الكهربائية للأنابيب عند ضغوط مختلفة.

العلاقة الخطية بين الضغط والمقاومة

بالنسبة للتجارب التي أجراها ، فرض الباحثون كتلة ثلاثية المليمترات من الأنابيب النانوية الكربونية في نوع من المشبك اللولبي وتطبيقها من مستويات مختلفة من الضغط. في الوقت نفسه أرسلوا الكهرباء من خلال الكتلة وقياس مقاومتها الكهربائية.

وقد وجد أن الكتلة استجابت للضغط المطبق مع تغير المقاومة. كان كلا العاملين في علاقة خطية: فكلما زاد ضغط الكتلة ، زادت المقاومة. مثل هذه العلاقة ، التي يمثلها خط مستقيم في رسم بياني ، هي ذهب صريح لعلماء المواد ، لأنها تتيح لنا أن نتوقع بسهولة وبشكل موثوق كيف ستتصرف مقاومة الكتلة في ظل ظروف معينة.

تطبيق كمستشعر الضغط

"بسبب العلاقة الخطية بين الحمل والإجهاد ، تكون المادة مناسبة تمامًا كمستشعر للضغط" ، يوضح سوبالاكشمي سريكالا ، المؤلف الرئيسي للدراسة. يعمل المستشعر من حيث المبدأ كميزان بسيط: إذا تم وضع جسم ذي وزن غير معروف على كتلة الأنابيب النانوية ، فإنه يتم ضغطه وتزيد مقاومته الكهربائية. يقيس الارتفاع السريع هذه المقاومة ويتم تحديد الوزن الدقيق. عرض

يمكن للمستشعر المصنوع من كتلة الأنابيب النانوية تسجيل اختلافات الضغط الصغيرة جدًا بشكل موثوق بهذه الطريقة وبالتالي استخدامه في العديد من التطبيقات العملية والصناعية. على سبيل المثال ، يمكن استخدامه كمقياس للضغط في إطارات السيارات أو كمستشعر ضغط إلكتروني دقيق في إنتاج أشباه الموصلات.

أظهرت اختبارات الباحثين أن الحد الأقصى للحمولة في كتلة الأنابيب النانوية يبلغ حوالي 65 في المائة من ارتفاعها الأصلي. إذا تم ضغطه إلى أبعد من ذلك ، فإنه يفقد سلامته الهيكلية ، كما تضيع العلاقة الخطية بالمقاومة. لكن العلماء يعملون بالفعل على زيادة ثبات الكتلة من خلال ، على سبيل المثال ، خلط مركبات البوليمر. "سيكون التحدي هو اختيار البوليمرات المناسبة حتى لا نفقد الكفاءة ولكننا لا نزال نحصل على نفس الاستجابة في جميع الظروف" ، يوضح سريكالا.

(معهد رنسيلر للفنون التطبيقية ، 25.10.2007 - NPO)