انقلاب صنعتی دوم در راه است

**XMEHRDADX** · 17 دی، ۱۳۹۰

این مقاله در سال 1386 تهیه شده است

نانوتکنولوژي موضوع جديدي است و احتمالا براي برخي از مهندسين که فرصت مطالعه ندارند، امري ناشناخته مي‌باشد.

در سال 1857 محلول کلوئيدي طلا توسط مايکل فارادي کشف شد. در سال 1905 آلبرت انيشتين رفتار محلول‌هاي کلوئيدي را تشريح کرد.

در سال 1932 ايجاد لايه‌هاي اتمي به ضخامت يک ملکول توسط دانشمندان عملي شد. در سال 1959 کار با مواد در مقياس نانو مطرح شد.

در اوايل دهه 80 قرن بيستم دستگاهي اختراع شد که به کمک آن بررسي جابه‌جايي تک‌تک اتم‌ها با استفاده از آن (STM) ممکن شد.

در سال 1991 اولين تز دکتري مهندسي در زمينه نانوتکنولوژي در دانشگاه MIT دفاع شد.

در سال 2000 ميلادي برنامه‌هاي ملي آمريکا در زمينه نانو تکنولوژي به‌صورت مدون شروع شد.

واحد اندازه‌گيري نانو يک ميلياردم يا 10ـ9 متر است.

نانو تکنولوژي عبارت است از توانمندي توليد مواد منجمله فولاد، ابزار و سيستم‌هاي جديد با در دست گرفتن کنترل سطوح ملکولي و اتمي و استفاده از خواصي که به علت ابعاد کوچک ذرات در سطوح ايجاد مي‌شود[1و2].

نانوتکنولوژي يک رشته جديد نيست، بلکه يک رويکرد جديد در تمام زمينه‌هاي مهندسي منجمله مهندسي توليد قطعات فولادي است.

استفاده از فناوري نانو در آينده موجب ساخت مواد، انواع قطعات فولادي با وزن کمتر و خواص کاربردي بهتر خواهد شد. نانو تکنولوژي ريز ساختاري در ادامه فناوري ميکرو است. استفاده از تکنولوژي نانو موجب مي‌شود تا قطعات فولادي محکم تر، سبک تر، عايق حرارتي بهتر، با فرسايش کمتر و .... توليد شود.

فولاد ضدزنگ 316L تا چند سال پيش نهايت تکنولوژي جهاني بود. امروزه با استفاده از دانش نانو محققين توانستند در خواص کاربردي اين فولاد به صورت جهش‌وار بهبود ايجاد کنند. تنش تسليم فولاد 316L معمولي حدود 600 مگاپاسگال است.

در صورتي که تنش تسليم همين آلياژ فقط با ريز شدن دانه‌ها در حد نانو به بيش از 1500 مگاپاسگال رسيده است (شکل 1).

در شکل يك روند تغييرات تکنولوژي توليد فولاد و ميزان ازدياد طول آنها در حين کشش ديده مي‌شود. به عبارت ديگر با افزايش سطح تکنولوژي توليد فولاد مقاومت کشش آنها نيز افزايش مي‌يابد.

قسمتي از محصولات نشان داده شده در شکل(1) در دست تکامل بوده و پيش‌بيني مي‌شود در سال‌هاي آينده و حداکثر تا نيمه قرن حاضر وارد بازار شوند. بخش عمده‌اي از اين محصولات با استفاده از نانوتکنولوژي توليد خواهند شد.

هرچه اندازه دانه‌هاي فولاد316L به نانو نزديکتر شود، تنش تسليم آن افزايش خواهد يافت.

يعني شکل‌دهي چنين فولادي به سهولت و با هزينه کم انجام‌پذير است. مقاومت به سايش فولاد 316L با کاهش ابعاد دانه‌ها تا حد نانو افزايش چشمگيري مي‌يابد.

پيش‌بيني مي‌شود در سال‌هاي آينده انواع فولادهاي نانو ساختار يکي از تکنولوژي‌هاي کليدي قرن 21 باشد. در قطعات فولادهايي که به‌نحوي از نانو تکنولوژي در توليد آنها استفاده مي‌شود مي‌توان به سختي بالاتر از سختي سراميک‌هاي آلومينايي و استحکام بالاتر از استحکام فيبرهاي پايه کربني دست يافت.

بهره‌گيري از نانو تکنولوژي در توليد قطعات فولادي سبب افزايش مقاومت به‌خوردگي بيش از سوپرآلياژها با پايه نيکل مي‌‌شود. همچنين فولادهايي از نانو تکنولوژي به‌صورت هدفمند در توليد قطعات صنعتي استفاده مي‌شوند.

اين قطعات فولادي داراي نسبت بيشتر استحکام وزني از آلياژهاي تيتانيوم و جوش‌پذيري بهتر از آلياژهاي پايه کبالت خواهند بود.

استفاده از فناوري نانو در 10 سال آينده تعداد زيادي از توليدات امروزي بشر را تحت تاثير قرار خواهد داد. محققين پيش‌بيني كردند استفاده از فناوري فرارشته‌اي نانو تا سال 2014 در 15 درصد انواع توليدات جهاني منجمله فولاد دخالت خواهد کرد. محصولاتي که با استفاده از نانو تکنولوژي در سال 2014 توليد خواهند شد، بنابر پيش‌بيني محققين حدود 2600 ميليارد دلار به قيمت‌هاي امروزي ارزش خواهند داشت.[2]

سياستگذاري فناوري نانو

بسياري از کشورهاي صنعتي و در حال توسعه (در حدود 30 کشور) برنامه‌هايي را در سطح ملي براي پشتيباني از فعاليت‌هاي تحقيقاتي و صنعتي فناوري نانو تدوين و اجرا مي‌‌كنند.

اين برنامه‌ريزي‌ها به اين سبب است که فناوري نانو به‌عنوان انقلابي در شرف وقوع است که آينده اقتصادي کشورها و جايگاه آنها را در جهان تحت تاثير جدي قرار خواهد داد. اين مسئله در کشورها توسط صاحبنظران و محققان تبيين شده و براي مديران اجرايي به صورت يک امر شفاف و قطعي در آمده است[3].

در کشورهاي پيشرفته صنعتي در چند سال اخير تحرکات شديدي از طرف دولت‌ها براي سرعت بخشيدن به توسعه فناوري نانو صورت گرفته و فعاليت‌هايي که تا قبل از اين به صورت خودجوش توسط محققان انجام مي‌گرفته است، با تشويق و حمايت‌هاي مستقيم دولت‌ها ادامه يافته‌اند.

فناوري نانو فرصت‌هاي متعدد و مختلف تجاري و اقتصادي را فراهم کرده و خواهد کرد.

به‌طور کلي در حوزه نانوتکنولوژي سازمان‌هاي بزرگ در مطالعات خود براي سرمايه‌گذاري روي فناوري‌هاي دراز مدت به‌دنبال کاربردهايي از نانوتکنولوژي هستند که از ميزان سوددهي بالايي برخوردار باشند تا سهم خود را در بازار افزايش دهند. از سوي ديگر شرکت‌هاي نوپا به دنبال به‌کارگيري تکنولوژي‌هاي هستند تا سهمي از بازار را در اختيار گرفته و به اين شکل توجه خريداران را به خود جلب کنند. بيشتر سرمايه‌گذاران فناوري نانو در آمريکا شرکت‌هاي نوپاي متکي بر سرمايه مخاطره‌پذير در عرصه نانومواد هستند که از دانشگاه‌ها مشتق شده و از وجوه عمومي ريشه گرفته‌اند. در ژاپن نيز کيرتسوها (ابر شرکت‌هاي ژاپني) در بسياري از زمينه‌هاي فناوري نانو فعال هستند.

بسياري از صاحب‌نظران و محققين نانوتکنولوژي را تکنولوژي آينده دانسته‌اند. به‌عنوان نمونه کميته مشاوران رئيس‌جمهور آمريکا در علوم و تکنولوژي در تاييد برنامه‌هاي ملي نانوتکنولوژي براي سال 2001 از نانوتکنولوژي به‌عنوان محور آينده جهان ياد کرده‌اند.

به‌دليل تاثيرات شگرف نانوتکنولوژي در اکثر عرصه‌هاي مختلف علوم و تکنولوژي، صاحب‌نظران بر اين باور هستند که کشورهايي که متخصصين آنها از مباحث نانو علم و اطلاع نداشته و آن را در صنايع کشور خود به کار نگيرند، اين کشورها در دهه‌هاي آينده فرصتي براي رشد نخواهند داشت و شکوفايي بسياري از فناوري‌هاي مهم از جمله صنعت فولاد به‌عنوان دستاوردهاي مهم قرن بيستم بدون بهره‌‌گيري از فناوري نانو در قرن 21 دچار اختلال خواهند شد.

از اين جهت اين مسئله براي محققان و مسولان هر کشوري امري حياتي است[4].

فناوري نانو در فرآيند توليد فولاد همانند اکثر صنايع ديگر بيش از آنکه ويژگي‌هاي کاملا جديدي در محصولات فولادي ايجاد كند، سبب بهبود ويژگي‌هاي قبلي آنها مي‌شود.

به‌طور خلاصه بايد گفت، با وجود سابقه چندين هزار ساله صنعت فولاد، اين صنعت جوان پايه‌هاي توسعه جامعه و فناوري جوان نانو موتور توسعه و پيشرفت کشورها در آينده خواهد بود (به‌دليل اينكه اين صنعت در حال تکامل و رشد است آن را صنعت جوان مي‌دانند.).

تلاقي اين دو زوج جوان جذاب در سال‌هاي آينده براي کشورها سرنوشت‌ساز خواهد بود. چيني‌ها که در چند سال اخير رشد سرسام‌آور و کمي در توليد فولاد داشتند با به‌کارگيري فناوري نانو در ارتباط با توليد فولاد به خصوص در ارتباط با برخي از قطعات فولادي مصرفي در برج 660 متري در دست ساخت که قبل از شروع بازي‌هاي المپيک 2008 به بهره‌برداري خواهد رسيد، مويد آينده‌نگري آنها و استفاده بهينه از سرمايه‌ها براي گسترش زيرساخت‌ها و آرزوي داشتن جايگاه برتر کمي و کيفي در عرصه جهاني فولاد است.

1. افزايش مقاومت به خزش و خواص دماي بالاي فولاد با استفاده از نانوتکنولوژي

امروزه فولاد‌هاي با کاربرد دماي بالا نقش مهمي را در ساخت قطعات مورد نياز صنايع مختلف ايفا مي‌کنند. در اين راستا افزايش مقاومت به خزش فولاد‌ها تاثير زيادي در عمر مفيد و نوع کاربرد فولادها دارد.

خزش يکي از انواع تغيير شکل يافتن است که تحت شرايط اعمال تنش در دماي بالا در مواد با استحکام پايين ظاهر مي‌شود. به‌منظور افزايش مقاومت به خرش فولادها از تکنيک رسوب‌دهي ذرات ريز که عموما اکسيد‌ها هستند، استفاده مي‌شود.

از آنجا که اين فرآيند با استفاده از اکسيدهاي گران و نا مطمِئن صورت مي‌گيرد و براي توليد انبوه مناسب نيستند، ايده استفاده از نانوتکنولوژي در اين ارتباط تقويت شد.

در موسسه بين‌المللي علم مواد در ژاپن تحقيقاتي براي افرايش ذرات نانومتري اکسيدهاي مختلف و تاثير آن در افزايش مقاومت به خزش فولادهاي تجاري معمولي انجام شده است.

محققان اين موسسه توانسته اند با افزايش ذرات نانومتري به يک ترکيب خاص آلياژي، مقاومت به خزش فولاد را در حدود 100 برابر افزايش دهند.

آلياژهاي به کار برده شده براي اين کار شامل ذرات نانويي کربونيتريد و همچنين اکسيد ايتريم بوده که با استفاده از روش‌هاي پيچيده آلياژسازي مکانيکي ساخته شده‌اند[3و4].

در شرکت ORNL (آمريكا) روي يک نوع فولاد زنگ نزن ريختگي تحقيقاتي انجام شده است. محققان اين شرکت توانسته‌اند توسط نانوتکنولوژي و با آزمايشات زياد روي آلياژهاي متفاوت از جمله منگنز، نيتروژن و کاربيد نيوبيوم نوعي فولاد زنگ نزن ريختگي تحت عنوان "CF8C-PLIUS" بسازند. اين فولاد براي ساخت قطعات با کاربردهاي دماي بالا از جمله فولاد‌هاي ديزلي، توربين‌هاي گازي و... به‌کار برده مي‌شود. شکل 2 ذرات نانوبلوري کاربيد نيوبيوم فولاد "CF8C-PLUS" را در مقايسه با فولاد مرسوم استاندارد "CF8C" نشان مي‌دهد.

2. افزايش استحکام فولاد با استفاده از نانوتکنولوژي

در يک موسسه فنانوري نانو با عنوان Sandvik (آمريكا) نوعي فولاد ضدزنگ تحت عنوان "Sandvik nanoflex" با خصوصيات استثنايي توليد شده که داراي استحکام بسيار بالا و در عين حال شکل‌پذيري و مقاومت به خوردگي و خواص عالي است. اين ترکيب هم چنين قابليت جوشکاري خوبي دارد و در صنايع مختلف از جمله پزشکي، ورزشي و... کاربرد دارد. همچنين اين فولاد قابليت جايگزيني به جاي فولادهاي کروم سخت شده در صنعت خودرو را دارد[5].موسسه تحقيقاتي NNK ژاپن روي ورق‌هاي فولادي که تحت عنوان "Sheet Nano Hiten Steel" شناخته مي‌شوند و براي ساخت برخي قطعات اتومبيل کاربرد دارند، مطالعاتي انجام داده است. محققان اين شرکت توانسته‌اند توسط فناوري نانو ورق‌هاي فولادي شکل‌پذير با استحکام بسيار بالا (حدود 800MPa) بسازند.

محققان شرکت NNK با استفاده از يک روش جديد رسوب سختي که شامل به‌کارگيري رسوب‌هاي با ترکيب خاص آلياژي و بهينه‌سازي شرايط نورد گرم و کوچک کردن اندازه رسوبات تا ابعاد نانو بود، سختي ورق‌ها را به ميزان قابل ملاحظه‌اي افزايش دهند. شکل 3 ميزان پيشرفت و خواص مکانيکي محصولات جديد را در سال‌هاي 1998 تا 2001 را نشان مي‌دهد[6و7].ورق‌هاي ساخته شده توسط NNK به سبب افزايش استحکام در واحد وزن در کل، نسبت به ورق‌هاي مشابه وزن کمتري داشته و در نتيجه وزن نهايي خودرو را کاهش مي‌دهند.

نهايتا سوخت مصرفي در عمر مفيد خودرو کاهش چشمگيري يافته و علاوه بر صرفه‌جويي در مقدار انرژي مصرفي، حرکت خودرو موجوب آلودگي کمتر محيط‌زيست خواهد شد[9].

شکل 4 قسمت‌هايي از بدنه خودرو را که مي‌توان آن را از فولاد جديد ساخت، نشان مي‌دهد. موسسه بين‌المللي مواد ژاپن (NIMS) تحقيقاتش را بر روي نوعي فولاد که براي لوله‌هاي انتقال گاز CO2 به‌کار مي‌رود متمرکز نموده است.

**XMEHRDADX** · 17 دی، ۱۳۹۰

محققين اين موسسه موفق به ساخت نوعي فولاد جديد شده‌اند که با استفاده از ذرات نانومتري نيتريد، استحکام بالايي پيدا مي‌کنند. اين استحکام تا دماهاي 600 تا 700 درجه سانتيگراد پايدار بوده و مقاومت به خزش فولاد را به مقدار قابل‌ملاحظه‌اي افزايش مي‌دهد. مقاومت به خزش فولاد جديد با فولاد مرسوم مورد استفاده به نام "steel p92" که براي انتقال گاز CO2 کاربرد دارد در شکل 5 مقايسه شده است. همچنين ميزان پايداري استحکام فولاد در دماي بالا (کارپذيري گرم) در مقايسه با دو نوع فولاد ديگر در شکل 6 نشان داده شده است[10].

3. افزايش مقاومت به خوردگي فولاد با استفاده از نانوتکنولوژي

خوردگي، تخريب يک ماده در اثر واکنش با محيطي که در آن قرار دارد تعريف مي‌شود. تخمين هزينه‌هاي سالانه خوردگي در آمريکا در حدود 274 ميليارد دلار است.

استفاده از فرآيندهاي مختلف مرتبط با فناوري نانو از جمله راه‌حل‌هاي موثر و مفيدي است که امروزه جهت کاهش ميزان خوردگي محصولات مختلف به‌کار برده مي‌شود. شرکت فولادي MMFX با تحقيقاتي که در چند سال اخير بر روي فولادهاي فريتي انجام داده است، توانسته با حذف دسته‌اي از سلول‌هاي ميکروارگانيکي (شکل 7) مقاومت به‌خوردگي اين نوع فولاد‌ها را افزايش دهد.

نتايج حاصل که با به‌کارگيري فرآيندهاي نانو به دست آمده است سبب افزايش مقاومت به‌خوردگي، استحکام و ساير خواص مکانيکي فولاد شده است[11].

گروهي از محققين دانشگاه پنسيلوانيا در آمريکا روي چند نوع آلياژ تيتانيوم و فولاد ضدزنگ مورد استفاده در مهندسي پزشکي آزمايشاتي انجام داده‌اند.

اساس کار آنها پوشش‌دهي اين آلياژها توسط ذرات نانومتري SiO2 است و تاثير اين پوشش‌دهي سازگاري با بافت‌هاي بدن است. با استفاده مناسب از اين ذرات و کنترل اندازه، مقدار و نحوه پوشش‌دهي مي‌توان خواص بسيار خوبي براي قطعات قابل کاشت در بافت‌هاي زنده بدن به‌دست آورد[12 و 2]. همچنين در توليد انواع ايمپلنت‌هاي فلزي تحقيقات زيادي انجام گرفته که بتوان با استفاده از نانو تکنولوژي در توليد فولاد مصرفي براي شکل‌‌دهي ايمپلنت‌ها ضخامت آنها را کاهش داده و مقاومت مکانيکي آنها را افزايش داد. مثلا در توليد استنت‌هاي کرونري امروزه از فولاد L316 استفاده مي‌شود که با پوشش‌دهي مناسب در حد ميکرون و قرار دادن داروي ضدانعقاد در حد نانو در زير اين پوشش و همچنين داروهاي ضد تکثير سلول‌هاي داخلي رگ، تحولي چشمگير به‌وجود آمده است (شکل 8). محققين به اين تکامل نسبي در 6 سال قبل دست يافته‌اند كه متاسفانه از اين استنت‌هاي هوشمند کرونري به وزن حداکثر 5 گرم و به قيمت بيش از 2 ميليون تومان به تعداد زيادي سالانه در ايران مصرف مي‌شود. محققين به فکر افزايش خواص مکانيکي فولاد 316L مصرفي هستند تا بتوانند سطح تماس استنت کرونري با لايه داخلي رگ را که حدود 12 درصد است به زير 8 درصد برسانند. مسلما قيمت چنين استنتي به جاي 2 ميليون تومان به وزن 3 تا 4 گرم حدود 4 ميليون تومان خواهد بود. مراحل صدور مجوز FDA آمريکا براي آزمايش استنت‌هاي فولادي که با استفاده از نانوتکنولوژي توليد مي‌شوند در بدن انسان به اتمام نرسيده است.

با استفاده از نانوتکنولوژي روش‌هاي مختلف تشخيص باليني تکامل بيشتري يافته‌اند. نسل فعلي سيستمMRI که با استفاده نانوتکنولوژي تصويربرداري انجام مي‌شود، نسل پيشرفته سيستم‌هاي قديمي MRI است. همچنين استفاده از نانوذرات مغناطيسي در رفع برخي از فلج‌هاي عصبي مي‌تواند مفيد است.

منابع

1. محمدرضا تحريري، سمينار درس کاربرد فلزات در مهندسي پزشکي،کارشناسي ارشد بيومواد، دانشگاه صنعتي اميرکبير، دانشکده مهندسي پزشکي.

2. سيدتقي نعيمي، جزوه کارشناسي ارشد کاربرد فلزات در مهندسي پزشکي، دانشگاه صنعتي اميرکبير، دانشکده مهندسي پزشکي.

3. Richard H.Smith, "A policy framework for developing a national nanotechnology program", M.S thesis, Virginia polythecnic institute and state university, 1998

4.