ماهية أمارات «الحسن» في الصفات و«الكمال» في الخواص التي تتمتع بها تلك الأنابيب النانوية، والتي جذبت إلى «مملكتها» أكثر من ستة آلاف باحث من مختلف بقاع العالم؟ كان لارتفاع قيم «قوة أو مقاومة الشد» Tensile Strength)) ⁽¹³⁾ التي تتمتع بها تلك الأنابيب، أبلغ الأثر في جذب انتباه الأوساط العلمية بمختلف تخصصاتها، والصناعية على حد سواء. وقد تم تعيين مقدار مقاومة الشد لأنابيب الكربون النانونية بواسطة ميكروسكوب القوة الذرية، ووجد أنها تساوي 100 ضعف قيمة مقاومة أقصى أنواع الصلب لإجهادات الشد! وذلك على الرغم من خفة أوزانها، حيث تتدنى كثافتها إلى سدس (1/6) قيمة كثافة الصلب.

ولم يكن من الغريب أن تعمد وكالة ناسا NASA ⁽¹⁴⁾ إلى تنفيذ مشروع برنامج بحثي ضخم، اشترك فيه 50 عالما متميزا ينتمون إلى 20 مركزا بحثيا بهدف دراسة مدى إمكانية استخدام أنابيب الكربون النانوية في صنع كابلات Cables قوية لمصاعد فضائية Space Elevators، تكون قادرة على الربط بين المحطات الأرضية ومحطات الفضاء الخارجي، وذلك وفقا للرسم التخيلي الموضح بالشكل (7 – 7). وانتهى تقرير المرحلة الأخيرة من المشروع ⁽¹⁵⁾ إلى التوصية في أن فكرة تصنيع كابلات من أنابيب الكربون قائمة وممكنة، شريطة استمرار الجهود نحو تحقيق ذلك الهدف، الذي تبلغ تكلفته المتوقعة نحو 10 مليارات دولار. وقد أوضحوا في تقريرهم، أن المدة الزمنية المطلوبة لتنفيذ ذلك المصعد الفضائي، يتوقع ألا تزيد على 15 عاما، وذلك بدلا من 300 عام، كما أفادت بذلك دراسة سابقة قد أجريت لنفس الهدف، لكن قبل اكتشاف الأنابيب الكربونية، نانوية الأقطار.

وعلى الرغم من تساوي مقدار قيمة صلادة Hardness هذه الأنابيب مع الماس ⁽¹⁶⁾ – أصلد مادة معروفة للإنسان – فإن أنابيب الكربون النانوية مرنة Elastic، حيث تبدي مقاومة فائقة ضد التشوه والكسر إذا ما عُرضت لأعلى قيم من إجهادات الثني والانحناء Bending Stresses، متفوقة في ذلك على جميع فئات المواد المرنة Elastic Materials المعروفة، وتفوق قيمة مقاومة الصلب للانحناء بنحو خمسة أضعاف. وقد وفرت تلك المرونة Elasticity العالية، التي تتسم بها أنابيب الكربون، قدرة فائقة على استعادة شكلها الطبيعي بعد زوال أي إجهادات قد تؤثر فيها، وذلك دون أن تبدي أدنى تغير أو تشوه مصاحب، وكأنها قطعة من المطاط المعروف بمرونته العالية.

وبالإضافة إلى تلك الخواص الميكانيكية الفريدة التي تتمتع بها أنابيب الكربون النانونية، فهي أيضا تتمتع بعدد ضخم من الخواص الفيزيائية والكيميائية الفريدة. وتأتي قدرة تلك الأنابيب على الموصلية الكهربية، أحد أهم الخواص الفيزيائية التي تتمتع بها، حيث تتضاعف في قيمتها عن قيمة فلز النحاس بنحو 1000 مرة ⁽¹⁷⁾. وأضف إلى ذلك، قدرتها غير المعهودة بأي مادة على التوصيل الحراري Thermal Conductivity، الذي تتسامى قيمته لتزيد بنحو عشرة أضعاف على ما هي عليه بفلز الفضة ⁽¹⁸⁾.

الشكل (7–7): تصميم افتراضي يبين نموذج مصعد الفضاء مكون من مركبتين المقترح إنشاؤه ليربط بين المحطات الأرضية على سطح كوكب الأرض بنظيرتها الفضائية. ويوضح الشكل كابلات مصنوعة من أنابيب الكربون النانوية المسؤولة في حمله والصعود به إلى المحطات الخارجية، أو الهبوط إلى المحطات الأرضية على سطح كوكب الأرض. الصورة منقولة من المرجع 15 مع بعض التصرف من قبل مؤلف هذا الكتاب في إضافة الشرح على الشكل)

___________________________________________
هوامش

(13) يتم تعيين مقاومة الشد لمادة ما عن طريق تعريضها لحملين Loads متضادين في الاتجاه ومتساويين في المقدار، بحيث يكون اتجاههما عموديا على مساحة مقطع Cross–sectional Area العينة، وفي الوقت نفسه على اتجاه محور Axial Direction وينشأ عن تعريض العينة لتلك الأحمال تولد إجهادات تسمى إجهادات الشد Tensile stresses وتعد اجهادات الشد من أخطر الإجهادات التي يمكن أن يتعرض لها هيكل أي منشأ، حيث تؤدي في البداية إلى خضوع المنشأ لها وظهور تشوهات Deformations دائمة به، الأمر الذي يدفع به إلى حافة الانهيار أو السقوط Failure or Rupture.

(4) الإدارة الوطنية للملاحة الفضائية والفضاء National and Space Administration

(15) تم إهداء التقرير النهائي إلى مؤلف هذا الكتاب

Bradley C. Edwards, NIAC Phase II Final Report, NASA Institute for Advanced Concepts Phase II, USA, 2003.

(16) M. Popov et al., Phys. Rev. B, Vol. 65 (2002) 033408. doi:10.1103/PhysRevB.65.033408

(17) S. Hong, S. Myung, Nature Nanotechnology, Vol. 2 (2007) pp. 207–208.

(18) Erik Thostenson, C. Li and T. Chou, Composites Science and Technology, Vol. 65 (2005) pp. 491 – 516.