مقاله تحلیلی: کاربرد سنسورهای سرامیکی در پل‌ ها

به‌تازگی نسل جدیدی از سرامیک‌های رسانا ابداع شده که می‌توان از آن‌ها در ساخت سنسورهایی باقابلیت کنترل سلامت سازه و خود سنسور (تحت شرایط وقوع کرنش) استفاده کرد.

از این سنسورها در سازه‌هایی همچون ساختمان‌ها، پل‌ها و هواپیماها استفاده می‌شود.

اختلاف در الکتریسیته دو نوع کرنش الاستیک و پلاستیک تا زمان مدل‌سازی یک ترکیب جدید دوبعدی به اسم گرافن بور نیترید (GBN) مشهود نبود.

ساختار داخلی اجسامی مانند یک کِش تحت کرنش الاستیک تغییر نمی‌کند؛ اما اگر همین کِش را تحت کرنش پلاستیک در نظر بگیریم که در آن کشش بیشتر از حد الاستیک است، خواهیم دید که ساختار داخلی کِش تغییر می‌کند. GBN خواص الکتریکی متفاوتی را در هر حالت نشان می‌دهد به‌طوری‌که می‌توان آن را گزینه مناسبی برای ساختار یک سنسور دانست.

روزبه شهسواری، استادیار مهندسی عمران و محیط‌زیست، علم مواد و مصالح و مهندسی نانو و همکارانش در دانشگاه رایس به‌تازگی دریافته است که ساختار شش‌وجهی بور نیترید (به همراه گرافن سفید) باعث بهبود خواص سرامیک‌ها می‌شود.

قابلیت گرافن های دوبعدی کربنی و گرافن های سفید در ایجاد پیوند با یکدیگر بستگی به غلطت آن‌ها دارد. باوجود اینکه گرافن و گرافن سفید طبیعتاً آب‌گریز هستند اما نانوشیت های ترکیبی در حین تولید سرامیک به‌راحتی در مایعات پخش می‌شوند.

ازاین‌رو سرامیک به‌دست‌آمده طبق مدل‌های تئوری، تبدیل به ماده‌ای نیمه‌هادی قابل تنظیم می‌شود که در آن ویژگی‌هایی همچون قابلیت ارتجاعی، مقاومت و شکل‌پذیری بهبود یافته است.

گرافن شکل شناخته‌ای از کربن است که فاقد گپ انرژی است. در نتیجه گرافن یک هادی فلزی خواهد بود. گرافن سفید گپ انرژی وسیعی دارد و بنابراین نقش یک عایق را ایفا می‌کند. ازاین‌رو وقتی مقدار گرافن در یک ترکیب دوبعدی بیشتر باشد، رسانایی مواد افزایش می‌یابد.

وقتی این مواد با سرامیک مخلوط شوند، یک ترکیب دوبعدی به اسم GBN حاصل می‌شود که متشکل از یک شبکه رسانا است.

ترکیب مواد دوبعدی مثل گرافن و بور نیترید در سرامیک‌ها و مواد سیمانی، کامپوزیت‌هایی با خواص جدید به وجود می‌آورد که این خواص را در گرافن یا بور نیترید نداریم.

این تیم از محاسبات نظریه تابعی چگالی برای مدل‌سازی تغییرات ترکیبات دوبعدی مخلوط با توبرموریت که یک ماده متشکل از هیدرات کلسیم سیلیکات است (ماده‌ای که تحت نام سیمان در بتن استفاده می‌شود)، استفاده کرد. این تیم نشان داد که پیوند اکسیژن- بور در سرامیک‌ها، باعث تبدیل آن به یک ماده نیمه‌رسانای نوعP  می‌شود.

توبرموریت به‌تنهایی شکاف انرژی بزرگی به‌اندازه 4.5 الکترون‌ولت دارد اما محاسبات این محققان نشان داد که وقتی این ماده با نانوشیت های GBN که دارای نسبت مساوی گرافن و گرافن سفید هستند، ترکیب می‌شود؛ این شکاف به 0.624 الکترون‌ولت کاهش می‌یابد.

با وقوع کرنش الاستیک در سرامیک‌ها، شکاف انرژی کاهش می‌یابد و به این صورت رسانایی مواد افزایش می‌یابد اما وقتی این کرنش از حد الاستیک فراتر رود (کرنش پلاستیک)، رسانایی کاهش می‌یابد. از این ویژگی می‌توان برای کنترل سلامت سازه استفاده کرد.

محققان تصور می‌کنند که دیگر شیت های دوبعدی متشکل از  دی سولفید مولیبدن ، نیوبیوم دی‌سلنید یا هیدروکسید دوگانه لایه‌ای؛ خواص مشابهی داشته باشند.

توضیح مترجم:

گپ انرژی: یا نوار ممنوعه یا گپ باند به منطقه‌ای از طیف انرژی در یک جامد گفته می‌شود که در آن منطقه از طیف هیچ حالت الکترونیکی نمی‌تواند وجود داشته باشد. این نوار یا شکاف در رساناها وجود ندارد.

منبع

 نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

 اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.