در پاسخ به این سوال، در تهیه نوک یا مغز مداد از عنصر کربن (در قالب دگرشکل یا آلوتروپ گرافیت) استفاده میشود که برای استحکام بیشتر با خاک رس ترکیب میگردد.
ماهیت شیمیایی نوک مداد؛ کربن خالص در جامه گرافیت
مغز مدادهایی که روزانه برای نوشتن و طراحی از آنها استفاده میکنیم، برخلاف تصور عمومی از یک عنصر خالص و سخت ساخته نشدهاند؛ بلکه ماتریکسی مهندسیشده بر پایه عنصر کربن هستند.
کربن در NATURE به شکلهای گوناگونی یافت میشود که به آنها آلوتروپ میگویند. گرافیت یکی از پایدارترین آلوتروپهای کربن در فشار و دمای استاندارد است.
در ساختار اتمی گرافیت، هر اتم کربن با سه اتم دیگر پیوند کووالانسی قوی برقرار کرده و صفحات ششضلعی (هگزاگونال) شبکهای را پدید میآورد که به صورت لایهلایه روی هم چیده شدهاند.
چرا گرافیت مینویسد؟ مکانیسم فیزیکی انتقال روی کاغذ
راز اصلی نوشتاری بودن گرافیت در نحوه اتصال این لایههای ششضلعی به یکدیگر نهفته است. در حالی که پیوندهای درون یک لایه بسیار قوی هستند، پیوند میان لایههای موازی از نوع نیروهای ضعیف واندروالس است.
هنگامی که نوک مداد را روی الیاف سلولزی کاغذ حرکت میدهید، اصطکاک ناچیزی برای غلبه بر این نیروهای ضعیف بینلایهای کافی خواهد بود.
این امر سبب میشود که صفحات اتمی کربن مانند ورقهای یک کتاب متلاشی شده، سُر بخورند و به صورت لایههای میکروسکوپی تیره بر روی سطح کاغذ باقی بمانند.
نکته مهم: به دلیل همین ساختار لایهای و توانایی لغزش صفحات روی یکدیگر، گرافیت علاوه بر صنعت نوشتافزار، به عنوان یک روانکننده جامد صنعتی در محیطهای با دمای بالا نیز کاربرد دارد.
راز سختی و نرمی مداد؛ نقش کلیدی خاک رس کائولین
اگر مغز مداد فقط از گرافیت خالص ساخته میشد، به شدت نرم و شکننده بود و با کمترین فشار پودر میشد. برای حل این مشکل، پودر گرافیت را با نوعی خاک رس ساختاری (عمدتاً کائولین) و آب مخلوط میکنند.
نیکلاس ژاک کنته، دانشمند فرانسوی، کشف کرد که با تغییر نسبت میان گرافیت و خاک رس، میتوان درجه سختی، مقاومت و میزان تیرگی نوک مداد را به طور دقیق کنترل کرد.
پس از مخلوط شدن، این خمیر از روزنههای باریک عبور داده شده، به صورت رشته برش میخورد و در کوره حرارتی با دمای بالا (بین ۸۰۰ تا ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد) پخته میشود تا ساختار سرامیکی مستحکمی به خود بگیرد.
کالبدشکافی مدادهای رنگی؛ چرا در آنها خبری از کربن نیست؟
یک نکته بسیار مهم در مهندسی نوشتافزار این است که در تهیه مغز مدادهای رنگی، عنصر کربن یا گرافیت هیچ جایگاهی ندارد.
گرافیت به دلیل ماهیت رنگی تیره و کدر خود، شفافیت رنگدانهها را به کلی نابود میکند. از این رو، مدادهای رنگی ساختاری کاملاً متفاوت دارند.
پایه ساختاری مغز مداد رنگی شامل پیگمنتها (رنگدانههای آلی یا معدنی)، موم (واکس) یا روغنهای خاص برای روانی، و چسبهای سلولزی به همراه پرکنندههای خنثی است و فرآیند پخت حرارتی کوره را نیز طی نمیکنند.
جمعبندی ساختار مداد
جواب پیشنهادی: مغز مداد از عنصر کربن با آرایش لایهای گرافیت ساخته شده که میزان تیرگی و استحکام آن توسط نسبت مخلوط با خاک رس و فرآیند پخت حرارتی تعیین میشود.
نظرات