کامپوزيت ترکيبي است از چند مادة متمايز، به طوري که اجزاي آن بهآساني قابل تشخيص از يکديگر باشند. يکي از کامپوزيتهاي آشنا بتُن است که از دو جزء سيمان و ماسه ساخته ميشود.
براي تغيير دادن و بهينه کردن خواص فيزيکي و شيميايي مواد، آنها را کامپوز يا ترکيب ميکنيم. به طور مثال، پُلي اتيلن{1} که در ساخت چمنهاي مصنوعي از آن استفاده ميشود، رنگپذير نيست و بنابراين، رنگ اين چمنها اغلب مات به نظر ميرسد. براي رفع اين عيب، به اين پليمر وينيل استات ميافزايند تا خواص پلاستيکي، انعطافي و رنگپذيري آن اصلاح شوند. در واقع، هدف از ايجاد کامپوزيت، به دست آوردن مادهاي ترکيبي با خواص دلخواه است.
نانوکامپوزيت، همان کامپوزيت در مقياس نانومتر (9-10) است. نانوکامپوزيتها در دو فاز تشکيل ميشوند. در فاز اول ساختاري بلوري در ابعاد نانو ساخته ميشود که زمينه يا ماتريس کامپوزيت به شمار ميرود. اين زمينه ممکن است از جنس پليمر، فلز يا سراميک باشد. در فاز دوم ذراتي در مقياس نانو به عنوان تقويتکننده{2} براي استحکام، مقاومت، هدايت الکتريکي و... به فاز اول يا ماتريس افزوده ميشود.
بسته به اينکه زمينة نانوکامپوزيت از چه مادهاي تشکيل شده باشد، آن را به سه دستة پُليمري، فلزي و سراميکي تقسيم ميکنند. کامپوزيتهاي پليمري به علت خواصي مانند استحکام، سفتي و پايداري حرارتي و ابعادي، چندين سال است که در ساخت هواپيماها به کار ميروند. با رشد نانوتکنولوژي، کامپوزيتهاي پليمري بيش از پيش به کار گرفته خواهند شد.
تقويت پليمرها با استفاده از مواد آلي يا معدني بسيار مرسوم است. از نظر ساختاري، ذرات و الياف معمولاً باعث ايجاد استحکام ذاتي ميشوند و ماتريس پليمري ميتواند با چسبيدن به مواد معدني، نيروهاي اعمالشده به کامپوزيت را به نحو يکنواختي به پُرکن يا تقويتکننده منتقل کند. در اين حالت، خصوصياتي چون سختي، شفافيت و تخلخلِ مادة درون کامپوزيت تغيير ميکند. ماتريس پليمري همچنين ميتواند سطحِ پُرکن را از آسيب دور نمايد و ذرات را طوري جدا از هم نگه دارد که رشد تَرَک به تأخير افتد. گذشته از تمام اين خصوصيات فيزيکي، اجزاي مواد نانوکامپوزيتي ميتوانند بر اثر تعامل بين سطح ماتريس و ذرات پُرکن، ترکيبي از خواصّ هر دو جزء را داشته باشند و بهتر عمل کنند.
کامپوزيتهايي که بستر فلزي دارند، کموزن و سبکاند و به علت استحکام و سختيِ بالا، کاربردهاي وسيعي در صنايع خودرو و هوا ـ فضا پيدا کردهاند. اما اين کاربردها به لحاظ ضعف در قابليت کشيده شدن در چنين کامپوزيتهايي، محدود شدهاند. تبديل کامپوزيت به نانوکامپوزيت سبب افزايش بازده استحکامي و رفع ضعفِ بالا ميشود.
نانوکامپوزيتهاي نانوذرهاي
در اين کامپوزيتها از نانوذراتي همچون (خاک رس، فلزات، و...) به عنوان تقويتکننده استفاده ميشود. براي مثال، در نانوکامپوزيتهاي پليمري، از مقادير کمّيِ (کمتر از 10درصدِ وزني) ذرات نانومتري استفاده ميشود. اين ذرات علاوه بر افزايش استحکام پليمرها، وزن آنها را نيز کاهش ميدهند. مهمترين کامپوزيتهاي نانوذرهاي، سبکترين آنها هستند.
نانوکامپوزيتهاي نانولولهاي
نانولولههاي کربني در دو گروه طبقهبندي ميشوند: نانولولههاي تکديواره و نانولولههاي چندديواره. در اين نوع از کامپوزيتها، اين دو گروه از نانولولهها در بستري کامپوزيتي توزيع ميشوند. در صورتي که قيمت نانولولهها پايين بيايد و موانع اختلاط آنها رفع شود، کامپوزيتهاي نانولولهاي موجب رسانايي و استحکام فوقالعادهاي در پليمرها ميشوند و کاربردهاي حيرتانگيزي همچون آسانسور فضايي براي آن قابل تصور است.
تحقيقات در زمينة توزيع نانولولههاي کربني در پليمرها بسيار جديد هستند. علاقه به نانولولههاي تکديواره و تلاش براي جايگزين کردن آنها در صنعت، به علت خصوصيات عاليِ مکانيکي و رسانايي الکتريکي آنها است. (رسانندگي الکتريکي اين نانولوله¬ها در حد فلزات است.)
اما در دسترس بودن و تجاري بودن نانولولههاي چندديواره، باعث شده است که پيشرفت بيشتري در اين زمينه صورت بگيرد. تا حدي که اکنون ميتوان از محصولاتي نام برد که در آستانة تجاري شدنِ توليد هستند. براي نمونه، نانولولههاي کربنيِ چندديواره در پودرهاي رنگ به کار رفتهاند.
استفاده از اين نانولولهها باعث ميشود که رسانايي الکتريکي در مقدار کمي از فاز تقويتکننده به دست آيد. از نظر نظامي نيز فراهم کردن هدايت الکتريکي فرصتهاي انقلابي به وجود خواهد آورد. به عنوان مثال، از پوستههاي الکتريکي ـ مغناطيسي گرفته تا کامپوزيتهاي رساناي گرما و لباسهاي سربازان آينده!
نانوکامپوزيتِ خاک رُس ـ پليمر
نانوکامپوزيت خاک رُس ـ پليمر يک مثال موردي از محصولات نانوتکنولوژي است. در اين نوع ماده، از خاک رُس {3} به عنوان پُرکننده براي بهبود خواص پليمرها استفاده ميشود. خاک رُسهاي نوع اسمکتيت {4}، ساختار لايهلايه دارند و هر لايه تقريباً يک نانومتر ضخامت دارد. صدها يا هزاران عدد از اين لايهها به وسيلة يک نيروي واندروالسيِ ضعيف روي هم انباشته ميشوند تا يک جزء رُسي را تشکيل دهند. با يک پيکربندي مناسب، اين امکان وجود دارد که رُسها را به اَشکال و ساختارهاي گوناگون، درون يک پليمر به شکل سازمانيافته قرار دهيم.
معلوم شده است که بسياري از خواص مهندسي، هنگامي که در ترکيب ما از ميزان کمي ــ معمولا ً چيزي کمتر از 5 درصد وزني ــ پُرکننده استفاده شود، بهبود قابل توجهي مييابد.
امتياز ديگر نانوکامپوزيتهاي خاک رُس ـ پليمر اين است که تأثير قابل توجهي بر خواص اُپتيکي (نوري) پليمر ندارند. ضخامت يک لاية رُس منفرد، بسيار کمتر از طول موج نور مرئي است. بنابراين، نانوکامپوزيتي که خوب ورقه شده باشد، از نظر اُپتيکي شفاف است. از طرفي، با توجه به اينکه امروزه حجم وسيعي از کالاهاي مصرفي جامعه را پليمرهايي تشکيل ميدهند که بهراحتي ميسوزند يا گاهي در مقابل شعله فاجعه ميآفرينند، لزوم تحقيق در خصوص مواد ديرسوز احساس ميشود. نتايج تحقيقات حاکي از آن است که ميزان آتشگيري در اين نانوکامپوزيتهاي پليمري حدود 70 درصد نسبت به پليمر خالص کمتر است. در عين حال، اغلب خواص کاربردي پليمر نيز تقويت ميشوند.
اولين کاربرد تجاري نانوکامپوزيتهاي خاک رُس ـ نايلون 6، به عنوان روکش نوار زمانسنج براي ماشينهاي تويوتا، در سال 1991 بود. در حال حاضر نيز از اين نانوکامپوزيت در صنعت لاستيک استفاده ميشود. با افزودن ذرات نانومتريِ خاک رُس به لاستيک، خواص آن به طور قابل ملاحظهاي بهبود پيدا ميکند که از جمله ميتوان در آنها به موارد زير اشاره کرد:
1. افزايش مقاومت لاستيک در برابر سايش 
2. افزايش استحکام مکانيکي
3. افزايش مقاومت گرمايي
4. کاهش قابليت اشتعال
5. کاهش وزن لاستيک
مهمترين تأثير نانوکامپوزيتها در آينده کاهش وزن محصولات خواهد بود. ابتدا کامپوزيتهاي سبکوزن و بعد تجهيزات الکترونيکي کوچکتر و سبکتر در ماهوارههاي فضايي.
سازمان فضايي آمريکا (ناسا) در حمايت از فناوري نانو بسيار فعال است. بزرگترين تأثير فناوري نانو در فضاپيماها، هواپيماهاي تجاري و حتي فناوري موشک، کاهش وزن مواد ساختمانيِ سازههاي بزرگ دروني و بيروني، جدارة سيستمهاي دروني، اجزاي موتور راکتها يا صفحات خورشيدي خواهد بود.
در مصارف نظامي نيز کامپوزيتها موجب ارتقا در نحوة حفاظت از قطعات الکترونيکي حساس در برابر تشعشع و خصوصيات ديگر همچون ناپيدايي در رادار ميشوند.
کامپوزيتهاي نانوذرة سيليکاتي به بازار خودروها وارد شدهاند. در سال 2001 هم جنرال موتورز و هم تويوتا شروع به توليد محصول با اين مواد را اعلام کردند. فايدة آنها افزايش استحکام و کاهش وزن است که مورد آخر صرفهجويي در سوخت را به همراه دارد.
علاوه بر اين، نانوکامپوزيتها به محصولاتي همچون بستهبندي غذاها راه يافتهاند تا سدي بزرگتر در برابر نفوذ گازها باشند (مثلاً با حفظ نيتروژن درونِ بسته يا مقابله با اکسيژن بيروني).
همچنين خواصّ تعويق آتشگيريِ کامپوزيتهاي سيليکات نانوذرهاي، ميتواند در رختِ خواب، پردهها و غيره کاربردهاي بسياري پيدا کند.
