كاربرد نانو تكنولوژی در صنعت برق

[سمندون 19437]

مانی كه قرن بیستم آغاز شد، افراد معمولی بسیار سخت می‌توانستند درك كنند كه خودروها و هواپیماها چگونه كار می‌كنند. بهره‌گیری از انرژی اتمی فقط در حد تئوری وجود داشت و شاید اكنون نیز برای عده‌ای در ابتدای قرن بیست و یكم بسیار سخت باشد كه باور كنند بشر روبوتهای میكروسكوپی خواهد ساخت و خط مونتاژ میكروسكوپی داشته باشد. تولید چنین محصولات خارق‌العاده‌ای حاصل بخشی از دانش بشری است كه به آن نانوتكنولوژی می‌گویند. بحث نانوتكنولوژی یكی از رایج‌ترین مباحث در مجامع علمی دنیاست و كشورهایی كه نتوانند در این فن‌آوری موقعیت مناسبی بدست آورند، در آینده در بسیاری زمینه‌ها از گردونه رقابت اقتصادی خارج می‌شوند چرا كه از جمله مهمترین شاخصه‌های قابلیت اقتصادی در آینده، توانایی خروج موفقیت‌آمیز از بحران انرژی است و از نانوتكنولوژی به منزله سلاحی جدید برای مقابله با این بحران یاد می‌شود.

امروزه از طرفی به دلیل كاهش یافتن منابع اولیه انرژی‌های فسیلی در دنیا و از طرف دیگر به دلیل ایجاد آلودگی‌های شدید زیست‌محیطی در اثر افزایش مصرف این منابع، توجه خاصی به منابع جدید تامین انرژی مانند انرژی‌های خورشیدی، بادی و … می شود. اما استفاده از این منابع مستلزم دستیابی به تكنولوژی تبدیل‌كننده این پتانسیل‌ها به انرژی‌های الكتریكی، مكانیكی و … است. (مثل پیلهای سوختی، سلهای خورشیدی و …)

از سوی دیگر، نانو تكنولوژی، به سبب بهبود كیفی ابزارها، مصرف كمتر مواد اولیه، مصرف كمتر انرژی، كاهش تولید مواد زائد و افزایش سرعت تولید در كشورهای پیشرفته به عنوان مهمترین روش تولید و ساخت این ابزارها، مطرح است. همچنین به كمك این فناوری گامهای موثری در جهت كاهش آلودگی زیست‌محیطی حاصل از سوختهای فسیلی، برداشته شده است. از این رو از مهمترین بسترهای بكارگیری نانوتكنولوژی در ساخت و تولید مبدلهای انرژی‌های نو (مثل سلهای خورشیدی و پیلهای سوختی)، كاهش آلاینده‌های زیست‌محیطی نیروگاههای گازسوز (با استفاده از كاتالیست‌های احتراق) و افزایش راندمان این نیروگاهها (با بكارگیری نانوپوششها و نانومگنت‌ها) است.

[سمندون 19437]

پیشرفتهای حاصله در زمینه نانوتكنولوژی (متالورژی)

تكنولوژی مواد،یك تكنولوژی بنیانی در زمینه فن‌آوری اطلاعات، حفاظت محیط زیست، بهینه سازی مصرف وتولید انرژی است. از سوی دیگر نانوتكنولوژی قابلیت بالایی در اصلاح خواص مواد موردمصرف و ابداع كاربردهای جدید برای مواد با كنترل ریزساختار آنها در ابعاد بسیاربسیار ریز دارد و از این رو می‌توان ظهور آن را یك انقلاب بزرگ در ‎‎آغاز قرنبیست‌و یكم دانست. بطور كلی پیشرفتهای حاصل از نانوتكنولوژی در شاخه متالورژی رامی‌توان به دو دسته تقسیم كرد:

الف) پیشرفتهای حاصله در ساخت و تولید

ب) پیشرفتهای حاصله در تغییر خواص مواد مورد مصرف یه كمكنانوتكنولوژی

 

پیشرفتهای حاصله در ساخت و تولید

در شاخه ساخت و تولید،امروزه مهمترین كارهای انجام شده در زمینه تولید نانوذرات ونانوپودرهاست. نانوپودرها موادی هستند كه به علت دارا بودن خواص منحصر به فرد خود در نوع خاصی ازتولید بنام «تولید پایین به بالا» مورد استفاده قرار می‌گیرند. در تولید پایین بهبالا به جای اینكه ماده مورد نظر را از تراش دادن ماده توده‌ای بسازند، آن را ازذرات و مولكولهای تشكیل دهنده‌اش می‌سازند. این روش باروش معمولی (تولید از بالا بهپایین) بسیار متفاوت است زیرا در تولید معمولی، حجم بسیار زیادی از مواد زاید حاصلاز تراش، دور ریخته می‌شود ولی در تولید پایین به بالا، علاوه بر اینكه چنین مشكلیوجود ندارد، استحكام ماده تولیدی نیز به علت كم شدن نواقص ریزساختاری بالامی‌رود

[سمندون 19437]

پیشرفتهای حاصله در بهبود خواص مواد با نانوساختارسازی

محققان و دانشمندان علم مواد و فیزیك بر این باورند كه بسیاری از خواص فیزیكی مواد ارتباط تنگاتنگی با ریزساختار ماده (آرایش اتمی، تركیب شیمیایی و همگنی آرایش كریستالی یك جامد در یك یا دو یا سه بعد) دارد. بدیهی است با پذیرش چنین اصلی می‌توانیم انتظار تغییر خواص فیزیكی یك جامد را در اثر تغییر یافتن یكی از پارامترهای مذكور داشته باشیم. در ارتباط با نانومواد گزارشات متعددی در خصوص تغییرات خواص در اثر این تحولات ارایه شده است كه با توجه به كاربردهای بسیار جالب آنها، تلاشهای زیادی جهت درك پدیده‌های نوظهور ایجاد شده در حال انجام است. در واقع تغییر در ساختار اتمی مواد، نقش تعیین‌كننده‌ای در كنترل خواص مواد نانوساختار دارد. به عنوان مثال كم‌شدن ابعاد دانه در حد نانونمتر اثر شدیدی بر تولید و حركت نابجائیها و در نتیجه افزایش چشمگیر استحكام تسلیم، سختی و چقرمگی دارد. همچنین مقاومت به سایش و خوردگی مواد نانوساختار از نمونه‌های معمول بیشتر است.

 

ریزساختار نانو مواد

در یك تقسیم‌بندی كلی انواع مواد نانوساختار می‌توانند بر اساس تركیب شیمیایی كریستالیتها یا مرز دانه‌ها، شكل بلوها و … در چهار گروه دسته‌بندی شوند. بر اساس این مدل در ساده‌ترین حالت (گروه اول) كریستالیتها و نواحی مرزی دارای تركیب شیمیایی یكسان هستند. مثل پلیمرهای نیمه هادی كه در آنها لایه‌های كریستالی روی هم چیده شده، توسط لایه‌های غیركریستالی جدا می‌شوند. این كریستالیتها، ساختار كریستالی متفاوت اما تركیب شیمیایی یكسانی دارند.

گروه دوم نیز مشابه گروه اول است، با این تفاوت كه علاوه بر ساختار كریستالی، تركیب شیمیایی كریستالیت‌ها نیز با یكدیگر متفاوت است. حالت سوم حالتی است كه یك كریستالیت غالب وجود دارد كه بین دانه‌های آن مرزدانه است. در اینحالت یك نوع اتم یا مولكول در نواحی مرزی به گونه‌ای تجمع می‌یابد كه هم تغییرات ساختاری و هم شیمیایی را به طور مضاعف داشته باشیم. نوع چهارم جامدهای نانوساختار، می‌تواند بصورت توزیع كریستالهای نانومتری با اشكال مختلف (نظیر صفحه‌ای، میله‌ای و …) در یك زمینه با تركیب شیمیایی متفاوت پدیدار شود (مثل آلیاژهای رسوب سختی شده)

بدین ترتیب می‌توان با اعمال كنترلهای بسیار دقیق، شاهد تاثیرات نانوساختارسازی بر بهبود خواص مواد مورد استفاده بود

[سمندون 19437]

بكارگیری نانوتكنولوژی در افزایش راندمان سلهای خورشیدی

خورشید كه به یك نیروگاه اتمی شباهت دارد، منبع شگفت‌انگیزی است. انرژی خورشید در اثر همجوشی هسته‌ای بوجود می‌آید. درجه حرارت درون خورشید حدود 15 میلیون درجه سانتیگراد برآورد شده است، به صورتی كه تنها انرژی تشعشعی آن كه پس از طی 15000 میلیون كیلومتر در مدت 8 دقیقه به زمین می‌رسد. هزاران برابر مصرف كنونی جهان است. میزان تابش خورشید و امكان استفاده از آن در كشوهای مختلف متفاوت است. ایران از این نظر دررده نخستین كشورها قرار دارد، زیرا بنا بر محاسبات انجام شده میانگین سالیانه تابش خورشید بر هر متر مربع، 2200 كیلووات است. در سالیان گذشته حدود شش میلیارد دلار در جهان در زمینه استفاده از انرژی خورشیدی سرمایه‌گذاری شده است. انرژی خورشیدی را می‌توان با روشهای گوناگون به سایر انواع انرژی تبدیل كرد. یكی از این روشها، استفاده از سلهای خورشیدی است.

سلهای خورشیدی ابزارهایی هستند كه انرژی خورشیدی را به انرژی الكتریكی تبدیل می‌كنند. در این تبدیل انرژی خورشیدی ابتدا به حرارت یا انرژی شیمیایی و سپس به انرژی الكتریكی تبدیل می‌شود. معمولترین نوع سلهای خورشیدی بر اساس تبدیل مستقیم انرژی خورشیدی به الكتریسیته (فوتوولتائیك) بوده و ولتاژ حاصل از آنها می‌تواند در یك مدار خارجی، جریان ایجاد كند و كار انجام دهد

[samyar 3407]

تولید موتورهای مولكولی (نانوتكنولوژی)

22 ژانویه 2002 – محققین اعلام كردند كه با تركیب مولكولهای آلی و چندین تكه فلز، موفق به ساخت موتورهای مولكولی شده‌اند كه قادر به حمل اشیائی با وزن چند برابر خود می‌باشد. كارلومونتمانو. استاد مهندس هوا فضا و مكانیك دانشگاه كالیفرنیا لس‌آنجلس و دیگر ابزارهای میكروسكوپی را در كنفرانس سیستم‌های میكروالكترومكانیكی تشریح كرد. اجزای كلیدی این موتورها، تركیبی از مولكولها هستند كه (ماده‌ای شیمیایی كه بعنوان منبع انرژی كلیدی این موتورها، تركیبی از مولكولها هستند كه (ماده‌ای شیمیایی كه بعنوان منبع انرژی در موجودات زنده استفاده می‌شود) را تجزیه می‌كنند. 6 ساختار مولكولی در این موتورها وجود دارد. كه 3 تای آن به عنوان چرخها و 3 تای دیگر به عنوان سیلندرهای موتور محسوب می‌شوند این 3 ساختار سیلندری نیز مولكول هفتمی را ( كه به عنوان شفت موتور در نظر گرفته شده است) احاطه می‌كنند. ارتفاع و قطر كل این موتور حدود 11 نانومتر است كه صدها مرتبه كوچكتر از قطر موی انسان می‌باشد. واكنش‌های شیمیایی باعث می‌شود كه سیلندرها به ترتیب حركت كرده و شفت را بچرخاند.

این موتور در هر ثانیه 8 بار می‌چرخد بدون اینكه نوسانی در آن بوجود آمده یا ساختار آن به هم بخورد محققین می‌گویند این قبیل موتورها در صورتی كارایی دارند كه دائماً‌ روشن نباشند. آنها در تحقیقات خود دریافتند كه افزودن اتمهای منفرد روی به نقاط معین بین سیلندرهای این موتور. باعث توقف حركت سیلندها می‌شود. بنابراین افزودن روی به محلولی كه موتور در آن قرار گرفته است. باعث توقف حركت آن شده پس از رفع روی موتور مجدداً‌ شروع به چرخیدن می‌كند.

ساخت چنین موتورهایی باعث تولید ابزارهای فوق العاده كوچك بدون دخالت دست بشر خواهد شد. این گروه اظهار داشته‌اند كه در پروژه‌ای دیگر، قصد ساخت سنسورهای كوچكی را دارند كه قابلیت حركت به نقاط مورد نظر را دارند.

مارلن بورن، تحلیلگر ابزارهای میكرو الكترو مكانیكی می‌گوید، حركت در میان بافتهای زنده، به یكی از موضوعات جذاب در علم پزشكی تبدیل شده‌ است. ولی گفت كه تولید چنین موتورهایی باعث به وجود آمدن منافع عالی در تحقیقات علوم بشری خواهد شد. یكی از زمینه‌هایی كه واقعاً در پیشرفت زندگی بشر دخالت دارد. توسعه نانوتكنولوژی و ابزارهای میكرو الكترومكانیكی است.

بورن گفت گذشته از توسعه و تجاری سازی استفاده از این ابزارها در كاربردهای درمان در بیمارستانها، درمانگاهها و غیره … جز اهداف بزرگ محققین است.

بورن در مصابحه‌ای گفت اگر بخواهیم در مورد استفاده از ماشینها در بدن انسان سخن بگوییم دو مسأله بوجود می‌آید. اولاً چگونه می‌توان مردم را در مورد آنها آموزش داد، ثانیاً آیا ما نیاز به توضیح چگونگی استفاده از این موتورها داریم؟ و یا آیا باید بیان كنیم كه چه كسی می‌تواند از آنها استفاده كند؟

وی گفت زمانیكه این سوالات پاسخ داده می‌شود می‌توان از این ابزار در انتقال مستقیم داروهای شیمیایی به سلولهای سرطانی استفاده كرد. ضمناً قابلیت‌های این ابزار به انتقال و یا حركت محدود نمی شود.

تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی الكتریكی می‌كند ما اكنون باید در فكر طراحی ماشینهایی باشیم كه با استفاده از نیروی بشری و یا سیستمهای زنده. بتوان این ابزار را شارژ و یا تغذیه كرد.

یكی از اهداف دراز مدت محققین در تحقیقات بر روی این ابزار رفع نیاز به باتریهای شیمیایی در بدن است. این ابزار همچنین می‌توانند *****های تشكیل دهنده كه از عبور ذرات با ابعاد چند نانومتر جلوگیری كنند. بورن گفت: استفاده از این فناوری در تصفیه نیز به خاطر منافذ منظم و كاملاً مهندسی *****ها. بسیار مفید می‌باشد. این *****ها می توانند باعث تصفیه مواد دارویی به حد قابل ملاحظه‌ای شوند.

Mems كنفرانس ۲۰۰۶ با همكاری موسسه مهندسین برق و الكترونیك و انجمن رباتیك و اتوماسیون به ارائه آخرین اخبار و تحقیقات در زمینه‌ سیستمهای مولكولی پرداخت . دانشمندان انتظار دارند كه این فناوری در چند سال آینده باعث پیشرفت در زمینه‌های مختلفی مانند پزشكی رایانه و صنعت ربات سازی شود.