افزایش هوشمندی سیالات با فناوری نانو

پیشرفت علم و تکنولوژی به سمتی است که ابزارهای سنتی را با ابزارهای پیشرفته و هوشمند که سازگارتر با محیط و تکنولوژی باشند، جایگزین کند. امروزه استفاده از سیالات هوشمند در حوزه‌های مختلفی از قبیل پزشکی، صنایع خودرو، ساخت و تولید، حسگرها و جذب ارتعاشات ناشی از زلزله استفاده می‌شوند. بنابراین تحقیق و بررسی بر روی ابزارهایی که بتوان قابلیت‌های کنترلی آن‌ها را به‌منظور افزایش ایمنی و عملکرد بالا برد، ضروری به نظر می‌رسد.

دکتر عبدالله حاج علیلو ضمن اشاره به مشکلات موجود بر سر راه استفاده‌ی بهینه و طولانی‌مدت از سیالات هوشمند، هدف از انجام این طرح را افزایش عمر و کارایی این سیالات عنوان نمود.

وی در ادامه افزود: «در راستای نیل به اهداف این پژوهش از مواد طبیعی مانند عسل استفاده شده است. این امر کاهش آلودگی زیستی را در پی خواهد داشت. از سوی دیگر حضور نانوذرات در سیال موجب کاهش خورندگی سیال و افزایش کارایی آن می‌گردد.»

وی در ارائه‌ی توضیحات کامل‌تری در خصوص طرح گفت: «سیالات هوشمند به سیالات Magnetorheology معروف هستند. این سیالات هنگام قرارگیری در معرض میدان مغناطیسی از حالت مایع به جامد تغییر حالت می‌دهند و با حذف میدان مجدداً به حالت مایع ‌برمی‌گردند. این‌گونه سیالات اساساً از ذرات مغناطیسی میکرونی، مایع حامل این ذرات و عوامل فعال سطحی تشکیل می‌شوند. این سیالات در ترمزهای هوشمند مغناطیسی، لرزه‌گیرها و دیگر وسایل قابل استفاده هستند.»

حاج علیلو در رابطه با عیوب سیالات هوشمند و کارایی فناوری نانو در رفع این عیوب گفت: «ذرات مغناطیسی معلق در این سیالات پس از گذشت یک مدت‌زمان محدود ته‌نشین می‌شوند و سیال کارایی خود را از دست خواهد داد. برای غلبه بر این مشکل سه روش وجود دارد: استفاده از ذرات مغناطیسی در اندازه‌های نانومتری، استفاده‌ی هم‌زمان از میکروذرات و نانوذرات مغناطیسی و یا پوشش دهی میکرو ذرات با نانوذرات و ایجاد ساختار هسته-پوسته. »

این محقق سازوکار عملکرد سیالات هوشمند را این‌گونه توصیف کرد: «مکانیسم عملکرد سیالات هوشمند به این صورت است که ذرات مغناطیسی در جهت میدان اعمال شده همسو شده و تشکیل یک ساختار زنجیره‌ای شکل می‌دهند. هر چه قدرت میدان خارجی اعمال شده بیشتر باشد، استحکام تشکیل این ساختارها، به دلیل تراکنش بین ذرات مغناطیسی، بیشتر می‌شود. با حذف میدان، این ذرات دوباره به حالت اولیه بازمی‌گردند و سیال به حالت مایع برمی‌گردد. این حالت تبدیل مایع به جامد یا برعکس در حدود کمتر از 2 ثانیه اتفاق می‌افتد.»

در طرح حاضر از ذرات میکرونی کربونیل آهن به چگالی 7.85 گرم بر سانتی‌متر مکعب به‌عنوان میکروذرات مغناطیسی معلق استفاده شده است. همچنین روغن با چگالی 1 گرم بر سانتی مکعب نقش سیال حامل را بازی می‌کند. بنابراین انتظار می‌رود که میکروذرات درون سیال ته‌نشین شوند. برای جلوگیری از این اتفا،ق نانوذرات نقره بر روی ذرات کربونیل آهن پوشش داده‌شده‌اند. به‌منظور انجام عملیات پوشش دهی از عسل به‌عنوان ماده‌ی فعال سطحی استفاده شده است. این عملیات باعث شده تا میکروذرات بتوانند تا مدت‌زمان طولانی درون سیال معلق بمانند و سیال هوشمند، هوشمندی و کارایی خود را تا مدت‌زمان زیادی حفظ نماید. این خاصیت به کمک آزمون‌های VSM، آزمون‌های رئولوژی ارزیابی و تائید گردید.

نتایج آزمون‌ها بیانگر این موضوع هستند که نانوذرات پوشش داده شده‌ی نقره بر روی میکروذرات کربونیل موجب کاهش قابل‌توجه چگالی کربونیل آهن از 7.85 گرم بر سانتی‌متر مکعب به 4.36 گرم بر سانتی‌متر مکعب شده و ته‌نشین شدن ذرات 40 درصد بهبود یابد. . در واقع، افزودن این نانو ذرات حفره‌ها و فضاهای خالی بین این ذرات (ذرات میکرون سایز) را پر می‌کنند. نهایتاً استحکام ساختار زنجیره‌ای تشکیل‌شده ناشی از این ذرات افزایش می‌یابد و این امر سبب بهبود خواص رئولوژی سیال می‌گردد.

این تحقیقات حاصل تلاش‌های دکتر عبدالله حاج علیلو- محقق پسادکترای دانشگاه تبریز- و دکتر عباس کیانوش- عضو هیأت علمی دانشگاه تبریز- است. همچنین دکتر کامیار شاملی- عضو هیأت علمی دانشگاه تکنولوژی مالزی- و دکتر حسین لووافی- محقق دانشگاه تولدو آمریکا- در این طرح همکاری داشته‌اند. نتایج این کار در مجله‌ی Applied Physics Letters با ضریب تأثیر 3.411 (جلد 110، سال 2017، از صفحه 261902) منتشر شده است.