یک نانومتر یک میلیونیوم یک متر است بنابراین علم نانو آن بخش از است که ماده را در مقیاسی بسیار کوچک بررسی می کند؛ و فناوری نانو به تولید و ساخت در مقیاس مولکولی و اتمی می پردازد، یا به عیارت دیگر با اجسام و ساختارها و سیستم هایی سر و کار دارد که حداقل در یک بعد اندازه ای کمتر از ۱۰۰ نانومتر دارند. با پیشرفت و گسترشی که علم و فناوری نانو طی چند سال اخیر داشته است انتظار می رود که به زودی تمامی زمینه های علم و فناوری را تحت تاثیر خود قرار دهد.

نانوفناوری صنایع مرتبط به مهندسی مکانیک را نیز بی بهره نگذاشته است و تحولات زیادی را از تولید کامپوزیت ها با استفاده از نانومواد تا تولید شتاب سنج هایی در اندازه نانو، ایجاد نموده است. در صنایع خودروسازی در قسمت های مختلف ماشین کاربردهای نانوفناوری را می بینیم، از شیشه های خود تمیز شو و بدنه های ضدخش گرفته تا باتری هایی با طول عمر بیشتر و وزن کمتر. در این میان نانولوله های کربنی یکی از مواد اولیه ای هستند که به علت ویژگی ساختمانی ، دارای کاربردهای مکانیکی مختلف و ویژه ای هستند.

● نانولوله های کربنی

نانولوله های کربنی یکی ازمهم ترین ساختارها در مقیاس نانو هستند.این مواد اولین بار در سال ۱۹۹۱ توسط دانشمندی ژاپنی به نام ایجما در درون دوده های حاصل از تخلیه الکتریکی کربن در یک محیط حاوی گاز نئون کشف شد. این ترکیبات شیمیایی ، با ساختار اتمی شبیه صفحات گرافیت، از استوانه هایی با قطر چند نانومتر و طولی تا صدها میکرومتر تشکیل شده اند

نانولوله ها دارای مدول یانگی تقریباً ۶ برابر فولاد ( ۱TPa) و چگالی برابر ۱.۴ g/cm۳ هستند. این مواد در جهت محوری مقاومت کششی بسیار زیادی دارند و این مزیت بسیار خوبی برای ساخت سازه هایی با مقاومت بالا در جهت خاص است. دلیل این مقاومت بالا از یک طرف استحکام پیوند کربن کربن در ساختار نانولوله کربنی و از طرف دیگر شکل شش ضلعی این ساختار است که به خوبی بار را در میان پیوندها توزیع می کند. از طرف دیگر پایداری حرارتی نانولوله ها نیز بسیار بالا است. این خواص منحصربه فرد مکانیکی در نانولوله ها امکان استفاده از آن ها را در کاربردهای مختلف فراهم می کند. از جمله این کاربردها می توان از الکترونیک در مقیاس نانو، استفاده در کامپوزیت ها و نیز به عنوان وسایل ذخیره کننده گازها نام برد .

● مقاومت نانولوله ها

رفتار مکانیکی نانولوله های کربنی به عنوان یکی از بهترین فیبرهای کربنی ای که تا کنون ساخته شده اند، بسیار شگفت انگیز است. فیبرهای کربنی معمول دارای مقاومتی تا ۵۰ برابر مقاومت مخصوص (نسبت مقاومت به چگالی) فولاد هستند و از طرف دیگر تقویت کننده های خوبی در برابر بار در کامپوزیت ها هستند. بنابراین نانولوله ها یکی از گزینه های ایده آل در کاربرد ساختمانی هستند

در نانولوله های کربنی چندلایه مقاومت حقیقی در حالات واقعی بیشتر تحت تاثیر لغزیدن استوانه های گرافیتی نسبت به هم قرار دارد. در واقع آزمایشاتی که به تازگی با استفاده از میکروسکوپ الکترونیجهت اندازه گیری تنش های نانویی صورت گرفته است مقاومت کششی نانولوله های کربنی چندلایه مجزا را اندازه گیری کرده اند. نانولوله ها بر اثر شکست sword in sheath می شکنند. این نوع شکست مربوط به لغزش لایه ها در استوانه های هم محور نانولوله چندلایه ونیز شکست استوانه ها به طور مجزا است. مقاومت کششی دیده شده در نانولوله های چندلایه حدود اکثریت آزمایشاتی که تاکنون صورت گرفته مقدار تئوری پیش بینی شده برای مدول یانگ نانولوله(۱TPa) را تایید می کنند؛ ولی در حالی که پیش بینی مقاومت کششی در تئوری حدود ۳۰۰ GPa بوده است، بهترین مقادیر تجربی نزدیک به ۵۰ GPa می باشد. که اگرچه با تئوری فاصله دارد اما هنوز هم تا ده برابر بیشتر از فیبرهای کربنی است.

شبیه سازی ها در نانولوله های تک لایه نشان می دهد که رفتار شکست و تغییر شکلی بسیار جالبی در آن ها وجود دارد. نانولوله ها در تغییر شکل های بسیار بالا با آزاد کردن ناگهانی انرژی به ساختار دیگری تبدیل می شوند. نانولوله ها تحت بار دچار کمانش و پیچش می شوند و به شکل مسطح تبدیل می گردند. آن ها بدون نشانی از کوچکترین شکست و خرابی دچار کرنش های خیلی بزرگی (تا۴۰% ) می شوند. بازگشت پذیریِ تغییر شکل ها، مثلا کمانش، مستقیما در نانولوله های چندلایه با استفاده از میکروسکوپ عبور الکترون ثبت شده است .

به تازگی نظریه جالبی برای رفتار پلاستیکی نانوتیوب ها ارائه شده است. طبق این نظر بسته های ۵ و ۷ تایی کربن( پنتاگون هپتاگون) تحت کرنش زیاد دچار عیب در شبکه مولکولی می شوند و این ساختار ناقص در طول جسم حرکت می کند و این حرکت باعث کاهش قطر مقطعی خواهد شد. جدایش این نقصان ها گلویی شدن در نانولوله را به همراه خواهد داشت. علاوه بر گلویی شدن مقطعی، در آن مقطع آرایش شبکه کربنی نیز تغییر خواهد کرد. این تغییرات در آرایش باعث می شود که میزان رسانش نانولوله کربنی تغییر یابد، این ویژگی می تواند منجر به کاربردی منحصر به فرد از نانولوله شود: نوع جدیدی از پروب، که با تغییرات در ویژگی های الکتریکی اش به تنش های مکانیکی پاسخ می دهد .

● نانولوله های کربنی و کامپوزیت های پلیمری

مهم ترین کاربرد نانولوله های کربنی، که بر اساس ویژگی های مکانیکی آن ها باشد، استفاده از آن ها به عنوان تقویت کننده در مواد کامپوزیتی است. اگرچه استفاده از کامپوزیت های پلیمری پرشده با نانولوله یک محدوده کاربردی مشخص از این مواد است، اما آزمایشات موفقیت آمیز زیادی در تایید مفیدتر بودن نانولوله های کربنی نسبت به فیبرهای معمول کربنی، وجود ندارد؛ مشکل اصلی برقرار نمودن یک ارتباط خوب بین نانولوله و شبکه پلیمری و رسیدن به انتقال بار مناسب از شبکه به نانولوله ها در حین بارگذاری است. دلایل آن دو جنبه اساسی دارد: اول نانولوله ها صاف بوده و نسبت طولی ای (طول به قطر) برابر با رشته های پلیمری دارند. دوما نانولوله ها تقریبا همیشه به صورت توده های به هم پیوسته تشکیل می شوند که رفتار آن ها در مقابل بار، نسبت به نانولوله های مجزا، کاملا متفاوت است.

گزارشات متناقضی از مقاومت اتصال در کامپوزیت های پلیمر نانولوله وجود دارد. نسبت به پلیمر استفاده شده و شرایط عملکرد، مقاومت اندازه گیری شده متفاوت است. گاه گسست در لوله ها دیده شده است که نشانه ای از پیوند قوی در اتصال نانولوله پلیمر است، و گاه لغزش لایه های نانولوله های چند لایه و جدایش آسان آن ها دیده شده که دلیلی بر پیوند اتصال ضعیف است. در نانولوله های تک لایه سر خوردن لوله ها بر روی یکدیگر را عامل کاهش مقاومت ماده می دانند. برای ماکزیمم کردن اثر تقویت کنندگی نانولوله ها در کامپوزیت های با مقاومت بالا، بایستی که توده های نانولوله در هم شکسته شده و پخش شوند و یا اینکه به صورت شبکه مربعیدرآیند تا از سرخوردن جلوگیری کنیم. علاوه برآن بایستی سطح نانولوله ها تغییر داده شود، ضابطه مند گردند، تا اتصال محکمی بین آن ها و رشته های پلیمری اطرافشان ایجاد شود.

استفاده از نانولوله های کربنی در کامپوزیت هایی با ساختار پلیمری فواید مشخص و روشنی دارد. تقویت کنندگی با نانولوله به خاطر جذب بالای انرژی طی رفتار انعطاف پذیر الاستیک آن ها میزان سفتی کامپوزیت را افزایش می دهد؛ این ویژگی مخصوصا در شبکه های سرامیکی کامپوزیتی برپایه نانو اهمیت می یابد. چگالی کم نانولوله ها ، در مقایسه با استفاده از فیبرهای کوچک کربنی، یک ویژگی بسیار خوب دیگری در این کامپوزیت ها می باشد.نانولوله ها در مقایسه با فیبرهای کربنی معمول، تحت نیروهای فشاری کارایی بهتری ازخود نشان می دهند، که به خاطر انعطاف پذیری و عدم تمایل به شکست آن ها تحت نیروی فشاری است.تحقیقات تازه نشان داده اند که استفاده از کامپوزیت نانولوله کربنی چندلایه و پلیمر کاهنده زیستی در رشد سلول های استخوانی، بخصوص در تحریک الکتریکی کامپوزیت، بسیار کارآمدتر ازفیبرهای کربنی هستند .