پایگاه خبری تحلیلی فناوری و نوآوری

به نوشته سایت نانو، این کار تحقیقاتی در حقیقت ساخت پودر و قطعه نانوکامپوزیتی بر پایه هیدروکسی آپاتیت بوده است که با نانوذرات اکسید آلومینیوم و اکسید تیتانیوم تقویت شده است. این نانوذرات خواص مکانیکی از جمله استحکام خمشی و سختی قطعه تهیه شده را بهبود داده و تجزیه هیدروکسی آپاتیت را به دماهای بالاتر منتقل می‌کنند که در این صورت سینتر هیدروکسی آپاتیت در دماهای بالاتر و برای رسیدن به چگالی و استحکام بیشتر امکان‌پذیر می‌شود. درحقیقت کامپوزیت کردن هیدروکسی آپاتیت با این نانوذرات ضمن بهبود خواص مکانیکی آن، امکان ساخت قطعات چگال‌تردر دماهای بالاتر را نیز فراهم می‌آورد.

مهندس آروین اسکندری، کارشناس ارشد نانو مواد از پژوهشگاه مواد و انرژی و محقق این طرح در مورد این پژوهش گفت: پژوهش صورت گرفته بوسیله‌ی گروه ما در حقیقت ادامه کار تحقیقاتی بوده است که در مرحله اول در مقاله Densification Behavior and Mechanical Properties of Biomimetic Apatite Nano crystals در مجله Current Nanoscience در سال 2011 انتشار یافت.

وی افزود: در مرحله بعدی کار، با توجه به سنتز موفقیت آمیز این پودر، به روشی مشابه آنچه در بدن اتفاق می‌افتد و بررسی خواص مکانیکی و رفتار چگالش این ماده، بر آن شدیم تا این ماده را به‌ صورت نانوکامپوزیت تهیه کرده و رفتار چگالش و تف جوشی آن را بررسی کنیم و خواص مکانیکی قطعات را مورد ارزیابی قرار دهیم.

محقق طرح یادآور شد: خواص مکانیکی مواد بشدت تابع ریز ساختار آن است. از طرف دیگر، هیدروکسی آپاتیت خالص بعنوان ماده اصلی بافت استخوانی، استحکام فشاری و خمشی مناسبی به‌ منظور تحمل تنش را ندارد، از این رو بهبود استحکام خمشی این ماده به روش‌های مختلفی پیشنهاد شده است. یکی از این روش‌ها ساخت قطعات کامپوزیتی یا نانوکامپوزیتی از این ماده است.

اسکندری تصریح کرد: امروزه اهمیت نانوکامپوزیت‌ها یا مواد مرکب نانوساختار بر کسی پوشیده نیست، چرا که عموما بهبود قابل ملاحظه خواص را در پی دارد. با توجه به اهمیت هیدروکسی آپاتیت در مواد زیستی، از مواد زیستی خنثی (Inert) که در مهندسی پزشکی و در قطعات ایمپلنت استفاده می‌شود، مانند آلومینا و تایتانا، در جهت بهبود رفتار مکانیکی ماتریکس استفاده کردیم که حاصل کار در نشریه Ceramics International در سال 2013 منتشر شد.

وی تصریح کرد: در مهندسی مواد، یکی از مکانیزم‌های استحکام بخشی، استفاده از فاز ثانویه به‌ منظور جلوگیری از رشد ترک و تحرک و لغزش نابجایی‌ها است. در مواد سرامیکی، بحث تخلخل که بعنوان عیب سه بعدی شناخته شده و یکی از مکان‌های مناسب برای جوانه زنی و رشد ترک است، بسیار حائز اهمیت است.

محقق طرح ادامه داد: به‌ طور خلاصه، یکی از اهداف افزودن فاز ثانویه به ماتریکس اصلی این است که با ایجاد موانع بر سر راه ترک‌های احتمالی ایجاد شونده در ماتریس اصلی از رشد ترک جلوگیری بعمل آورده شود. به این صورت که ترک در حین رشد به ذرات ثانویه پراکنده یا فاز تقویت‌کننده در ماتریکس برخورد می‌کنند.

وی گفت: این ذرات استحکام بیشتری نسبت به ماتریس اصلی دارند و بنابراین رشد ترک یا متوقف می‌شود و یا مسیر رشد آن منحرف می‌شود. به بیان دیگر، انرژی ترک کاهش یافته و رشد آن کند و یا متوقف می‌شود. فاز‌های ثانویه می‌تواند به‌ صورت رسوب سختی و یا آلیاژسازی و ساخت قطعات مرکب در زمینه قرار بگیرند.

اسکندری در تکمیل اهمیت فناوری نانو در این پژوهش اظهار کرد: در پروژه مد نظر، با استفاده از نانوذرات اکسیدی که از نظر زیستی با بدن واکنش نداده و استفاده از آن‌ها غیر سمی و غیر مضر است، در زمینه هیدروکسی آپاتیت، استحکام خمشی و سختی قطعات به طور قابل توجهی افزایش یافته است.

محقق پژوهشگاه مواد و انرژی افزود: علاوه‌ بر این موضوع، در فرایند تف جوشی، دماهای بالاتر / فشار بیشتر، سبب چگال شدن بیشتر قطعات می‌شود. اما محدودیت‌هایی همچون تجزیه مواد و یا سیلان نامناسب پودرها بویژه پودر‌های سرامیکی، همواره سبب ایجاد چالش در این امر می‌شود. نانو پودرها نیز عموما به سبب افزایش سطوح فعال تمایل به کلوخه شدن شدیدی (آگلومراسیون) دارند که تف جوشی و متراکم کردن آنها را به‌ منظور رسیدن به قطعات چگال با مشکل مواجه می‌کند.

اسکندری گفت: نانو هیدروکسی آپاتیت سنتز شده نشان داد که در دماهای بالاتر از oC1250 به ترکیبات کلسیمی و فسفاتی تجزیه می‌شود، اما با استفاده از نانوذرات اکسیدی، این تجزیه به دماهای بالاتر منتقل شد که مزیت قابل توجهی دارد. در حقیقت با افزایش نسبت سطح به حجم در نانوذرات، سطح تماس ذرات با زمینه بیشتر شده و قفل‌های مکانیکی نیز ایجاد می‌شود.

وی تصریح کرد: از مهمترین دستاوردهای این طرح می‌توان به افزایش قابل ملاحظه استحکام خمشی در حدود 27 درصد برای نمونه تقویت شده با تایتانا و 40 درصد برای نمونه مستحکم شده با آلومینا اشاره کرد. سختی این قطعات نیز نسبت به نمونه خالص نانوساختار هیدروکسی آپاتیت، در حدود 100 درصد افزایش یافته است.

محقق طرح خاطرنشان کرد: با توجه به اهمیت هیدروکسی آپاتیت بعنوان ماده اصلی مواد استخوانی، این طرح می‌تواند چشم انداز مناسبی برای کاربردهای مهندسی پزشکی و مواد زیستی داشته باشد. علاوه‌ بر این، کاربردهای جدیدی برای نانو پودر هیدروکسی آپاتیت بعنوان کاتالیست و غشاهای تراوا و نیمه‌تراوا دیده شده است که می‌توان از این ماده در صنایع مربوطه استفاده کرد.

اسکندری در پایان با اشاره به زحمات دکتر صدرنژاد و همکاران بین‌المللی خود در این پروژه، دکتر برنوف از دانشگاه کمبریج و دکتر زهره رضوی حسابی از انستیتو تکنولوژی جورجیا، از تلاش‌های آن‌ها قدردانی کرد.

این تحقیقات حاصل پژوهش محققان از دانشگاه‌های علم و صنعت، آزاد اسلامی، کمبریج، انستیتو تکنولوژی جورجیا و دانشگاه صنعتی شریف بوده است. نتایج این کار تحقیقاتی که توسط مهندس مسعود امین زارع فارغ التحصیل مهندسی مواد دانشگاه علم و صنعت ایران، مهندس آروین اسکندری و همکاران آنها صورت گرفته، در مجله Ceramics International منتشر شده است.