Nano-interlocking กลไกพิเศษ..เพิ่มพลังให้สารยึดติด

นักวิทยาศาสตร์มหาวิทยาลัย Case Western Reserve และห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพอากาศเดย์ตัน (Dayton Air Force Laboratory) ประเทศสหรัฐอเมริกา ร่วมมือกับมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี Huazhong และมหาวิทยาลัยปักกิ่ง ประเทศจีนพัฒนาสารยึดติดแห้งแบบใหม่ที่มีคุณภาพสูงและใช้ได้ในที่ๆมีอุณหภูมิระดับสุดขีด (extreme temperatures) เหมาะกับงานสำรวจอวกาศและที่อันไกลโพ้นอีกด้วย

แรงบันดาลใจจากธรรมชาติ

Image # 2.                 ภาพจาก http://www.blogionik.org/gecko-feet-applications/

งานวิจัยในครั้งนี้เป็นการขยายผลและพัฒนาต่อยอดจากงานวิจัยในครั้งก่อนที่ทีมออกแบบสารยึดติดแห้งด้วยการนำท่อนาโนคาร์บอนมาเรียงไว้บนด้านหนึ่งของเทปเพื่อเลียนแบบตีนตุ๊กแก แต่การพัฒนาในครั้งนี้ทีมต้องการทำให้สารยึดติดมีประสิทธิภาพและมีสมบัติที่ดีขึ้น พวกเขาจึงวางท่อนาโนคาร์บอนเป็นแนวตั้งไว้ทั้งสองด้านของเทป ซึ่งทำให้มันไม่เสียแรงดึงไปแม้ว่าจะอยู่ในสภาวะที่มีอุณหภูมิสูงอย่างในโลหะเงินหลอมเหลว หรืออยู่ในสภาวะที่มีอุณหภูมิต่ำอย่างในไนโตรเจนเหลว เป็นต้น ยิ่งไปกว่านั้นความร้อนที่เพิ่มขึ้นยังทำให้มันเหนียวแน่นขึ้นอีกด้วย พวกเขาอ้างว่ายังไม่เคยมีสารยึดติดแห้งแบบใดที่สามารถใช้กับอุณหภูมิสุดขีดเช่นนี้ได้

ในการทดสอบทีมนำเทปที่มีท่อนาโนคาร์บอนที่เรียงตัวทั้งสองด้าน (Double-walled CNT dry adhesive) มาติดกับพื้นผิวของฟอยล์ทองแดงเพื่อทดสอบแรงยึดติดที่อุณหภูมิห้อง ผลพบว่าเทปดังกล่าวมีแรงยึดติดประมาณ 37 N/cm-2ซึ่งพอๆกับเทปสองด้านที่หาซื้อได้ตามท้องตลาด แต่อย่างไรก็ตาม เทปที่ทีมคิดค้นขึ้นจะไม่สูญเสียแรงยึดเกาะไปเมื่อถูกแช่แข็งหรือได้รับความร้อน ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบกว่าเทปสองด้านทั่วไป โดยสารยึดติดที่ทำจากท่อนาโนคาร์บอนนั้นยังคงมีความแข็งแรงแม้อุณหภูมิต่ำลงถึง -320 องศาฟาเรนไฮต์ เมื่ออุณหภูมิยิ่งสูงมากขึ้นความแข็งแรงก็เพิ่มมากขึ้น โดยความแข็งแรงจะเพิ่มขึ้นมากกว่าสองเท่าที่อุณหภูมิ 785 องศาฟาเรนไฮต์ และเพิ่มขึ้นถึง 6 เท่าที่อุณหภูมิ 1891 องศาฟาเรนไฮต์

กลไก nano-interlocking เพิ่มแรงยึดติด

Image # 3.       

แรงยึดติดที่เพิ่มขึ้นสร้างความประหลาดใจให้แก่ทีมวิจัย พวกเขาจึงค้นหาคำตอบโดยอาศัยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (scanning electron microscope) จนพบว่ากลไกการสร้างแรงยึดติดของท่อนาโนคาร์บอนนั้นเกิดจากปมในแต่ละมัดของท่อนาโนคาร์บอนแทรกทะลุเข้าไปในช่องว่างของพื้นผิวทำให้ท่อนาโนคาร์บอนยืดหยุ่นที่เรียงตัวกันเป็นแนวตั้งมีการยุบตัวลงมากลายเป็นโครงสร้างร่างแห การเกิดเหตุการณ์เช่นนี้เป็นการเพิ่มแรงแวนเดอร์วาลส์ (Van der waals force)ให้มากขึ้นเนื่องจากการยุบตัวของท่อนาโนคาร์บอนเป็นการเพิ่มพื้นผิวสัมผัสให้มีมากขึ้นนั่นเอง

นอกจากนี้ทีมวิจัยยังค้นพบว่าพื้นผิวของฟอยล์ทองแดงจะขรุขระมากขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงเหนือกว่า 392 องศาฟาเรนไฮต์ เนื่องจากปมของท่อนาโนคาร์บอนทะลุเข้าไปในพื้นผิวในระดับที่ลึกมากขึ้นกว่าเดิมจึงเกิดแรงยึดติดที่เพิ่มมากขึ้นตามไปด้วย กลไกการยึดติดดังกล่าวถูกขนานนามว่า “nano-interlocking”

กลไก nano-interlockingสามารถทำให้สารยึดติดดังกล่าวยึดติดได้อย่างเหนียวแน่นแม้ว่าอุณหภูมิเปลี่ยนไปหลายร้อยรอบ จากสมบัติดังกล่าวมันจึงเหมาะกับการนำไปใช้ในงานที่มีช่วงอุณหภูมิกว้าง ทีมวิจัยกล่าวว่าตามหลักการแล้วมันดูเหมาะที่จะนำไปใช้กับงานในอวกาศที่มีทั้งช่วงอุณหภูมิหนาวจัดและร้อนจัด นอกจากนี้มันยังมีสมบัตินำความร้อนและนำไฟฟ้าได้ ทั้งยังทำให้สมบัติเหล่านี้มีประสิทธิภาพสูงขึ้นได้ด้วยการปรับอุณหภูมิ

ทิ้งท้าย

จากสมบัติดังกล่าว มันจึงนำไปประยุกต์ใช้ได้บนพื้นผิวขรุขระได้หลายพื้นผิวไม่ว่าจะเป็นกระดาษ ไม้ ฟิล์มพลาสติก กำแพงที่ทาสี นอกจากนี้มันยังใช้เป็นสารยึดติดที่นำไฟฟ้ากับเครื่องใช้ภายในบ้านและหุ่นยนต์ไต่ผนังได้ด้วย

*ที่มา www.mtec.or.th/academic-services/mtec-science-technology-news/7068-ข่าววิทยาศาสตร์-nano-interlocking-กลไกพิเศษ-เพิ่มพลังให้สารยึดติด

https://web.facebook.com/rmutphysics/posts/1314880441910105