مرجع:همه چیز در مورد فناوری نانو

[EN-EZEL 13,039]

برخي کاربردهاي قطعي و اجتناب*ناپذير نانوتکنولوژي در صنايع سنگين است:

 

هوانوردي:

مواد سبک*تر و با استحکام بيشتر کاربردهاي وسيعي در سازه*هاي هوانوردي و نيز در

فضانوردي دارند. زيرا در هر دو مورد وزن شاخص مهمي در فرآيندها و

دستگاه*هاي هوانوردي و فضانوردي است.

 

پالايش*گاه*ها:

با استفاده از کاربردهاي نانوتکنولوژي محصولات پالايش*گاه*ها (نظير فولاد و آلومينيوم) با خلوص بيشتري توليد خواهند شد.

صنعت حمل و نقل:

مواد سبکي که در عين حال از استحکام خوبي هم برخوردار باشند، در صنعت حمل و نقل

نيز به*کار گرفته مي*شوند. وسايلي که از اين مواد ساخته شده باشند، هم

سرعت بيشتري دارند و هم از امنيت بيشتري برخوردارند.

 

سازه*هاي ساختماني:

بتن يکي از مهم*ترين سازه*هاي ساختماني است که هرچه مقاومت و نفوذپذيري آن

بالاتر باشد، *مرغوب*تر است. با اضافه کردن نانوذرات ويژه*اي به سنگ*هاي

متخلخل بتن و پخش يکنواخت اين ذرات مي*توان بتني با مقاومت بالا،

نفوذپذيري کم و البته به طور قابل*ملاحظه اي سبک توليد کرد.

 

 

کاربردهاي نانو در فناوري اطلاعات و ارتباطات

دستگاه*هاي نيمه*رساناي جديد

 

دستگاه*هايي

که ساختار آنها بر اسپينوترنيک مبتني است نمونه*اي از به*کارگيري

نانوتکنولوژي در صنعت ارتباطات و فناوري اطلاعات است. مقاومت ماده در

برابر ميدان خارجي که از اسپين الکترون*ها ناشي مي*شود، مقاومت مغناطيسي

نام دارد. اين مقاومت مي*تواند به طور قابل ملاحظه*اي در اشياء نانومقياس

تقويت شود. اين مقاومت مغناطيسي که به gmr موسوم است ميزان چگالي ذخيره*اي

داده*ها را در ديسک سخت افزايش مي*دهد.

نوع ديگري از مقاومت مغناطيسي،

مقاومت مغناطيسي تونل*زن (tmr) است و به دليل وابستگي اسپين الکترون*ها

به تونل*زني آن الکترون از لايه*هاي فرومغناطيس مجاور اتفاق مي*افتد.

اثرات

gmr و tmr هردو مي*توانند در ساخت يک حافظه*ي اصلي غير فرار براي

کامپيوترها مورد استفاده*ي علمي قرار گيرند. چنين کاربردي در ساختار حافظه

دسترسي تصادفي مغناطيسي (mram)* ديده مي*شود.

در فناوري اطلاعات نوين،

دستگاههاي الکتريکي آنالوگ قديمي به وسيله*ي دستگاه*هاي الکترونوري يا

نوري جايگزين مي*شوند. زيرا اين دستگاه*ها به ترتيب پهناي باند و ظرفيت

بيشتري نسبت به دستگاه*هاي قبلي دارند.

در اين عرصه بلورهاي فوتونيک و نقاط کوانتومي دو موضوعي هستند که نتايج تحقيقات در باره*ي آنها بسيار اميدبخش است.

بلورهاي فوتونيک موادي هستند با يک متغيير تناوبي در شاخص انکساري با يک شبکه که نصف طول*موج نوري است که مورد استفاده قرار مي*گيرد.

اين

بلورها شبيه نيمه*رساناها عمل مي*کنند، با اين تفاوت که نيمه*رساناها با

الکترون*ها سروکار دارند ولي اين بلورها با نور و فوتون*ها.

 

کامپيوترهاي کوانتمي:

 

تمام دستاوردهاي جديد در زمينه*ي کامپيوتر از قوانين کوانتم براي کامپيوترهاي کوانتمي جديد استفاده مي*کند. اين کامپيوترها سبب کوتاه شدن زمان انجام الگوريتم مي*شوند.

[EN-EZEL 13,039]

نانو سیالات

گروهي جديد از سيالات که قادر به انتقال حرارت مي*باشند، نانوسيال ناميده مي*شوند. نانوسيالات به *وسيلة پخش و منتشر کردن ذرات در اندازه*هاي نانومتري در سيالات متداول منتقل کنندة گرما، به *منظور افزايش هدايت گرمايي و بهبود عملکرد انتقال حرارت، ساخته مي*شوند.

نتايج آزمايش*هايي که در رابطه با نحوة انتقال حرارت بر روي چندين نمونة نانوسيال انجام شد، نشان مي*دهد که عملکرد نانوسيالات در انتقال حرارت عموماً بيشتر از آن چيزي است که به *صورت نظري پيش*بيني شده است. اين واقعيت يک کشف اساسي در مسئلة انتقال حرارت مي*باشد.

 

نمودار 1- درصد افزايش هدايت گرمايي ذرات مس، اکسيد مس و آلومينيم در اتيلن گليکول (EG). همچنين نمايش افزايش هدايت گرمايي نانولوله*هاي کربني چندجداره در روغن و تطبيق آن با نظريه ماکسول

 

از نانوسيالات مي*توان به *منظور توسعة سيستم*هاي کنترل حرارت در بسياري کاربردها از جمله وسايل نقلية سنگين استفاده نمود. کنترل حرارت يکي از عوامل کليدي در فناوري**هاي مربوط به محصولاتي مانند پيل* سوختي و وسايل نقلية دوگانه سوز– الکتريکي مي*باشد که بيشتر آنها تحت دماهاي عمدتاً کمتر از دماي موتورهاي احتراقي داخلي متداول، عمل مي*کنند.

بنابراين نياز مبرمي به توسعة سيالات انتقال *دهندة حرارت با هدايت گرمايي خيلي بالا و نيز انتقال اين فناوري به صنايع خودرو وجود دارد.

اخيراً پژوهش*هايي در مورد نانوسيالات فلزي حاوي نانوذراتِ مسِ با قطرِ کمتر از 10 نانومتر که در اتيلن گليکول پخش شده بودند انجام شده است. اين پژوهش*ها نشان مي*دهد که در جزء حجمي بسيار اندکي از نانوذرات، رسانايي گرمايي مي*تواند بيشتر از قابليت رسانايي صرف خود سيال و يا نانوسيالات اکسيدي (مانند اکسيد مس و اکسيد آلومنيوم با قطر متوسط ذرات 35 نانومتر) باشد. همان*طور که در نمودار 1 نشان داده شده است. به علت اينکه تاکنون هيچکدام از نظريه*هاي معمول، اثرات ناشي از قطر ذرات و يا هدايت آنها بر روي ميزان هدايت نانوسيالات را پيش*بيني نکرده*اند، اين نتايج غير منتظره است.

اخيراً نانوسيالاتي حاوي نانو لوله كربني ساخته شده*اند و نتايج آزمايش*هاي انجام شده بر روي اين نانوسيالات نشان داده است که وجود نانولوله*ها در يک سيال، هدايت گرمايي آن را بطور چشمگيري افزايش مي*دهد.

جالبتر آنکه افزايش هدايت گرمايي مربوط به نانولوله يک گام از پيش*بيني *هاي انجام شده به وسيلة نظريه**هاي موجود فراتر است. از اين گذشته نمودار هدايت گرمايي اندازه *گيري شده بر حسب حجم*هاي جزئي، به *صورت غيرخطي مي*باشد حال آنکه تئوري*هاي رايج به وضوح وجود يک نسبت خطي را ميان اين دو پارامتر نشان داده بودند (نمودار 2).

از ويژگي*هاي کليدي نانوسيالات که تاکنون کشف شده**اند مي*توان هدايت*هاي گرمايي بسيار بالاتر از آنچه که سوسپانسيون*هاي مرسوم از خود نشان داده بودند، وجود نسبت غير خطي ميان هدايت گرمايي و غلظت نانولوله*هاي کربني در نانوسيالات و نيز وابستگي شديد هدايت گرمايي به دما و افزايش چشمگير در شار حرارتي بحراني را نام برد. هر کدام از اين ويژگي*ها در جاي خود براي سيستم*هاي حرارتي بسيار مطلوب مي*باشند و در کنار هم، نانوسيالات را بهترين کانديدا براي توليد سرد کننده*هاي مبتني بر مايع مي*نمايند. اين يافته*ها همچنين وجود محدوديت*هاي اساسي در مدل*هاي انتقال گرمايي متداول براي سوسپانسيون*هاي جامد/ مايع را به وضوح نشان مي*دهد.

از جمله عوامل انتقال حرارت در نانوسيالات، عبارتند از: حرکت نانوذرات، سطح مولکولي لايه*اي مايع در سطح مشترک مايع با ذرات، انتقال حرارت پرتابه*اي در نانوذرات و تأثير خوشه*اي شدن نانوذرات از جمله عوامل انتقال حرارت در نانوسيالات مي*باشند.

يک پروژة جديد با هدف کشف پارامترهاي کليدي، که در تئوري*هاي موجود و مفاهيم بنيادي مکانيزم*هاي افزايش انتقال حرارت نانوسيالات از قلم افتاده*اند، و نيز کشف مبناي تئوري براي افزايش غير عادي هدايت گرمايي نانوسيالات در جولاي سال 2000 با حمايت وزارت انرژي آمريكا و مرکز انرژي علوم پايه به تصويب رسيد.

ساختار نانوذرات در نانوسيالات در حال بررسي و آزمايش بوسيلة منبع فوتوني پيشرفتة آزمايشگاه ملي آرگون مي*باشد. بر طبق نتايج گزارش شده از دانشگاه A&M تگزاس، اين دانشگاه در حال مطالعه بر روي ارتباط بين جنبش نانوذرات و افزايش انتقال حرارت در آنها مي*باشد. با استفاده از نتايج جمع*آوري شده، توسعة يک مدل جديد انتقال انرژي در نانوسيالات که وابسته به اندازة نانوذره، ساختار و تأثير پويايي بر روي خصوصيات حرارتي نانوسيالات مي*باشد، امکان پذير شده است.

اين نحوة ارتباط رشته*هاي مختلف علمي و پروژه*هاي مشترک منجر به کشف مرزهاي جديدي در تحقيقات ترموفيزيک براي طراحي و مهندسي در زمينة توليد خنک*کننده*ها خواهد گرديد. تحقيق در مورد نانوسيالات مي*تواند به يک پيشرفت غير منتظره در زمينة سيستم*هاي ترکيبي مايع/جامد، براي کاربردهاي بي*شمار مهندسي از جمله خنک*کننده*هاي اتومبيل*ها و کاميون*هاي سنگين بيانجامد.

از عمده*ترين تأثيرات اين تحقيقات مي*توان به بيشتر شدن کارايي انرژي، کوچک*تر و سبک*تر شدن سيستم*هاي حرارتي، کمتر شدن هزينه*هاي عملياتي و پاک*سازي محيط زيست اشاره نمود.

 

 

نمودار 2- مقادير اندازه*گيري شده(منحني *هاي پيوسته) و مقادير پيش*بيني شده(خطوط ناپيوسته) افزايش هدايت گرمايي براي نانولوله در نانوسيالات روغن. به علت تشابه کلية مقادير محاسبه شده در حجم*هاي کوچک، بعضي از مقادير محاسبه شده با مقياس بزرگ*تري دوباره بر روي نمودار نمايش داده شده*اند. خط A: همبستگي کروسر هاميلتون، خطB: همبستگي برادي - بونکاز

(Bonnecaze & Brady)، خطC: نظريه ماکسول

 

نانوسيالات و کاميون هاي پيشرفته :

به علت نياز به موتورهايي با نيروي بيشتر، توليد کنندگان کاميون دائماً در جستجوي راه*هايي براي گسترش طرح*هاي آيروديناميک در وسايل نقليه*شان هستند. از جمله تلاش*ها در اين زمينه معطوف به کاهش مقدار انرژي مورد نياز جهت مقابله با مقاومت*هاي بالا مي*باشد. در يک کاميون سنگين معمولي، با سرعت 110 کيلومتر در ساعت، در حدود 65 درصد کل بازده موتور، صرف غلبه بر کشش*هاي آيروديناميک مي*شود که يکي از دلايل بزرگ اين امر مقاومت هوا مي*باشد.

در سيستم*هاي خنک کننده، با توجه به نوع سيال مورد استفاده رادياتورهاي متفاوتي مورد نياز است. جهت انتقال حرارت از موتور به رادياتور و در نهايت آزاد شدن اين حرارت به محيط اطراف، به کارگيري سيالات با ظرفيت*هاي گرمايي بالا ضروري مي*باشد.

اين سيالات قادرند بدون افزايش دماي خودشان حرارت را جذب و سپس آن را بسيار آهسته و بدون نياز به مقدار سيال بيشتر به محيط اطراف منتقل نمايند که اين انتقال آهستۀ گرما به محيط، موجب بزرگي اندازۀ رادياتورهاي وسايل نقليه معمولي مي*شود.

اگر سرعت انتقال حرارت توسط سيالات به*گونه*اي افزايش يابد، طراحي رادياتورها آسان و مؤثرتر شده و مي*توان آنها را کوچکتر ساخت. همچنين اندازۀ پمپ**هاي خنک کنندۀ وسايل نقليه مي*تواند کاهش يابد. موتورهاي کاميون*ها نيز مي*توانند به علت کارکردن تحت دماهاي بالاتر نيروي بيشتري توليد نمايند. افزايش هدايت گرمايي خنک*کننده*ها نيز مي*تواند ايده*اي مناسب براي توليد پيل*هاي سوختي پيشرفته و وسايل نقليۀ دوگانه سوز/الکتريکي باشد.

محققان آزمايشگاه آرگون در حال پيدا کردن روشي براي افزايش زياد هدايت گرمايي خنک کننده*ها در موتورهاي معمولي بدون بروز تأثيراتي مغاير با ظرفيت*هاي گرمايي آنها هستند.

بخش انرژي آزمايشگاه آرگون به طور مشترک با کمپاني Valvo Line، در حال کار در زمينۀ توسعۀ خنک*کننده*هاي نانوسيالي و روغن*هاي روان*ساز براي موتورهاي کاميون مي*باشد.

محققان آرگون هم*اکنون از يک روش يک مرحله*اي براي توليد نانوسيالات بر مبناي نانوذرات فلزي و يک روش دومرحله*اي براي توليد نانوسيالات بر مبناي نانوذرات اکسيدي، استفاده مي*کنند که هر دو شيوه، روش*هاي نسبتاَ آسان و اقتصادي براي توليد نانوسيالات هستند.

هم*اکنون محققان آرگون در حال بررسي تأثير دوده در روغن موتور مي*باشند. ميزان دوده در روغن موتور گاهي اوقات بيشتر از حد انتظار است. با وجود اينکه ذرات دوده به کوچکي ذرات نانومتري موجود در نانوسيالات نيستند، محققان دريافتند تجمع آنها در روغن موتور منجر به افزايش 15 درصدي در هدايت گرمايي روغن موتور مي*شود.

بر اساس اين يافته*ها محققان حسگري توليد نمودند که با اندازه*گيري ميزان افزايش هدايت گرمايي ذرات دودۀ جمع شده در روغن موتور قادر به نشان*دادن نحوۀ عملکرد موتور مي*باشد.

 

نانوسيالات فلزي و موتورهاي خنک*کننده :

ويژگي*هاي موتورهاي ديزلي از نظر محدوديت در واکنش*ها و راندمان کار به سرعت در حال دگرگون شدن است. سيستم*هاي خنک*کننده بايد بتوانند تحت دماهاي بالاتر کار کرده و مقادير بيشتري گرما به محيط اطراف منتقل کنند. اندازۀ رادياتورها نيز بايد کاهش يابد تا تجهيزات اضافي کاميون*ها حذف شده و رفت*و*آمد با آنها ساده*تر گردد. به*طور واقع*بينانه، محصور کردن نيروي خنک*کنندۀ بيشتر در فضاي کمتر، تنها با به کار بردن فناوري**هاي جديدي مانند نانوسيالات ممکن خواهد بود.

کاربرد ديگر اين مدل*سازي*ها، پيش*بيني ميزان هدايت گرمايي يک نانوسيال بر مبناي غلظت، دماي عملياتي و اندازۀ نانوذرات پخش شده در سيال مي*باشد. از اين گذشته اين امکان وجود دارد که خواص نانولايه*هايي که روي سطح نانوذرات معلق تشکيل مي*شوند، عاملي براي افزايش بيشتر هدايت گرمايي نانوسيالات مي باشد.

دو مکانيزم کليدي حرکت براوني و نانولايه*ها، توأماً از مهم*ترين عوامل افزايش هدايت گرمايي سيالات انتقال دهندۀ گرما مي*باشند.

محققان آزمايشگاه آرگون در حال بررسي خطرات احتمالي نانوسيالات براي سيستم هاي رادياتور مي*باشند. آنها موفق به ساخت وسيله*اي شدند که قادر به اندازه*گيري و آزمايش تأثيرجريان*هاي خنک کنندۀ متفاوت بر عملکرد يک رادياتور مي*باشد.

تحقيقات آينده بيشتر بر روي جنس نانوذرات به کار**رونده در ساخت نانوسيالات از جمله ذرات آلومينيوم و نانوذرات اکسيد فلزي روکش شده متمرکز خواهد شد.

[EN-EZEL 13,039]

نانو تکنولوژی چیست؟

نانو تکنولوژی در ترجمه لفظ به لفظ، به معنی تکنولوژی بسیار کوچک( نانو، به معنی بسیار بسیار کوچک، مقیاس 10 به توان منفی 9 بار کوچکتر) می باشد.

نانو تکنولوژی، فن آوری تغییر در خواص مولکول های تشکیل دهنده مواد است و به همین دلیل مقیاس نانو بهترین تعریف برای تکنولوژی می باشد. بشر سعی دارد تا با استفاده از نانوتکنولوژی خواص مولکول ها را تغییر دهد تا وقتی که جسمی از این مولکول ها درست شود و تمام خواس این مولکول ها ( و ماده اصلی) را در خود داشته باشد.

تاریخچه نانو تکنولوژی در دنیا

بعد از دهه نود که فن آوریب اطلاعات هیاهوی بسیاری در جهان بپا نمود در آغاز قرن بیست و یک دانشمندان تمرکز خود را بر روی فن آوری نوینی معطوف کرده اند که به عقیده عده ای نه تنها قسمتی از آینده بشری می باشد، بلکه این فن آوری تمامی آینده بشر را متحول خواهد ساخت. نانو تکنولوژی دارای سابقه زیادی نمی باشد. این موضوع برای اولین بار حدود 40 سال پیش مطرح شد.

در سال 1959 ، Richard Feynman دانشمند کوانتوم نظی و دارنده جایزه نوبل مطرح نمود اگر دانشمندان ترانزیستور را ساخته اند ما با علم اتمی می توانیم همین ترانزیستور ها را با مقیاس بسیار کوچک بسازیم. او قصد داشت تا با قرار دادن اتم ها در کنار یکدیگر کوچکترین مصنوعات بشری را بسازیم همانطور که گفته شد نظریه کار بر روی سیستم ها در سطح نانو برای اولین بار توسط Feynman استاد کوانتوم بیان گردید. بعدها یک دانشجو رشته کامپیوتر برای انجام پروژه فارغ التحصیلی خود، دانشمند بزرگ هوش مصنوعی دکتر Minsky که پدر علم هوش مصنوعی نیز شناخته می شود را به عنوان استاد راهنمای پروژه فارغ التحصیلی خود برگزید. این دانشجو آقای Eric Drexler نام داشت. Drexler که علاقه زیادی به نظریه های Feynman ( ساخت سیستم ها در ابعاد نانو) داشت، سعی در شکوفایی این فرضیات نمود. وی بعد از اخذ درجه استادی علوم کامپیوتر، با جمع آوری جوانان جویا و کوشا نظریه نانو تکنولوژی را بنا نهاد. اولین مقاله وی در زمینه نانو تکنولوژی در سال 1981 و با موضوع نانو تکنولوژی مولکولی به چاپ رسید. Drexler اولین کسی بود که در سال 1991 از دانشگاه MIT مدرک دکتری نانو تکنولوژی را دریافت نمود. وی هم اکنون رییس انیستیتو foresight, research fellow می باشد.

بعدها کشورهای توسعه یافته، برنامه ریزی های گسترده ای را برای فعالیت های تحقیقاتی و صنعتی در زمینه نانو تکنولوژی تدوین نموده اند. به روشنی می توان دید که آینده بشر در اختیار نانوتکنولوژی می باشد.

در ایران چند سالی است که تکنولوژی نانو به عنوان یکی از مهمترین تحقیقاتی زیر بنایی کشور مورد توجه قرار گرفته است.

کاربرد نانو تکنولوژی

شیشه هایی از جنس نانو که کثیف نمی شوند.

Nanotechnology glass در این بخش مایعی را به شما معرفی می کنیم که مانع از ماندن آب و یا هر نوع آلودگی دیگر بر سطوحی همچون شیشه و کروم می شود. پوشش محافظ شیشه، ماده ای است که باعث می شود هر نوع آلودگی بر روی شیشه خود به خود در کمتر از یک ثانیه پاک شود.

موارد استفاده از این محصول

• سقف های شیشه ای، نمای ساختمان ها و کاشی ها

• حمام و سرویس های بهداشتی

• سلول های خورشیدی

• صفحات نمایشگر، لنز دوربین، عینک، و بسیاری از موارد دیگر

مزایای استفاده از این ماده

• پس زدن آب از روی سطوح

• عدم رویت توسط چشم

• جلوگیری از رشد قارچ ها

• صرفه جویی در آب و مواد پاک کننده

دیدگاه علمی

باید توجه کنید که این ماده یک لایه نیست که بر روی سطوح کشیده می شود بلکه تغییر شیمیایی در سطوح مولکولی می باشد. که از آلوده شدن سطوح جلوگیری می نماید. این ترکیب آبگریز، نمی گذارد تا آب و یا هر ذره دیگری بر روی سطح شیشه و یا کروم بنشیند این ماده بسیار نازک و شفاف است و با چشم دیده نمی شود.

اولین محصول نانو در ایران

اولین محصول نانو تکنولوژی در ایران با نام نانو سید وارد بازار شد.

نانو تکنولوژی، یک شرکت ایرانی پیشرو و در زمینه فن آوری نانو، توانسته است که نانو نقره را درایران تولید می کند این محصول که خاصیت آنیت باکتریال دارد از ورود میکروب ها در محل های روکش شده توسط نانو نقره می شود.

از جمله کاربردهای این نانو نقره می توان به موارد زیر اشاره کرد: ظروف نگه داری غذا، کولرها، یخچال ها، وسایل کودکان، مواد شوینده، دستمال کاغذی و ...

[EN-EZEL 13,039]

ذخيره*سازي متان در نانولوله*های کربنی

يکي از مسائلي که امروزه در مبحث انرژي مطرح است، چگونگي ذخيره سازي سوخت*هاي پاکي مانند هيدروژن، متان و... براي كاربردهاي مختلف است. در حالت عمومي ذخيره سازي گاز طبيعي فشرده در وسايط نقليه در سيلندرهاي استيل سنگين و در فشارهاي بالا (20 تا 30 مگا پاسكال)صورت مي*پذيرد در حاليكه ذخيره سازي گاز به روش ANG(adsorbed natural gas) در محفظه*هاي سبك و با فشارهاي نسبتا پائيني (در حدود 4 مگا پاسكال)صورت مي*پذيرد، بنابراين ذخيره سازي گاز طبيعي به روش ANG مي*تواند يك انتخاب بسيار موثرتر باشد زيرا در فشارهاي پايين هزينه*هاي كمتري صرف ذخيره سازي مي*شود. امروزه جذب گاز متان با استفاده از جاذب*هاي متنوعي مانند كربن فعال شده(AC)، كربن اشتقاقي كربيد(CDC)، زئوليت*ها و نانولوله*هاي كربني تك ديواره(SWCNT)، نانولوله*هاي كربني چند ديواره(MWCNT)و... صورت مي*پذيرد. در اين مقاله مروري داريم بر مكانيزم ذخيره سازي گاز متان با استفاده از نانولوله*هاي كربني و در نهايت نتايج كار محققان مختلف را در زمينه ذخيره سازي گاز*ها با استفاده از نانو ساختارهاي كربني، مورد ارزيابي و مقايسه قرار مي*دهيم.

جذب گاز طبيعي در مواد متخلخلي مانند زئوليت*ها، كربن فعال شده (AC) غربال*هاي مولكولي، كربن اشتقاقي كربيد، بررسي و مطالعه شده است. اخيراً نانولوله*هاي كربني بخاطر خواص منحصر به فردشان از جمله تخلخل يكنواخت، استقامت كششي زياد، هدايت الكتريكي، بسيار مورد توجه و مطالعه قرار گرفته اند. نانولوله**هاي کربني به دو صورت تک ديواره (SWCNT) و چند ديواره (MWCNT) مي*باشند. تحقيقات زيادي به منظور جذب گاز متان كه يكي از اجزاي مهم گازطبيعي است، روي نانولوله*هاي كربني تك ديواره صورت گرفته است. اين در حالي است كه مطالعات درباره جذب گاز متان روي نانولوله*هاي كربني چند ديواره محدود مي*باشد. اما در بررسي*هاي انجام شده به نظر مي*رسد، خواص جذب گاز روي SWCNT*ها و MWCNTها كاملاً متفاوت مي*باشد.

در مطالعه اي که توسطSeifer انجام شد، اثر متقابل هيدروژن با فولرين*ها ونانولوله*هاي كربني نشان دهنده اين مطلب بود که يون هيدروژن H+ با کربن*هاي هيبريد شده SP2 از هر دو ماده تشکيل کمپلکس مي*دهد.Xianren و[2 Wenchuam] ، از روش DFT (Density Functional Theory) و روش شبيه سازي GCMC(Grand Canonical Mont Carlo) براي بررسي جذب CH4 در داخل SWCNT*ها استفاده نمودند. Bien fait از پراکندگي نوترون براي تشخيص نفوذ مولکول*هاي CH4 در SWCNT*ها استفاده کرد و در اين فرايند دو نوع جذب را مشاهده کرد، که يک نمونه مربوط به فاز شبه جامد براي يک مجموعه پيوند قوي*تر در دماي 120 درجه کلوين و ديگري مربوط به کامپوننت*هاي شبه مايع براي مجموعه پيوندهاي ضعيف*تر در 70 تا 129 درجه کلوين است.

 

بنابراين، مجموعه هاي جذبي متان در سطوح داخلي و خارجي نانولوله*هاي کربني به دو صورت شبه مايع و شبه جامد مي*باشد. همچنين گزارش شده است[1] که CNT هيدروژني با هيدروژن مرزي متناوب داخلي/خارجي (H-CNTزيگزاگي)0.55 eV پايداتر از CNT هيدروژني است که همه هيدروژن*هاي آن خارجي باشند(H-CNT آرمچير) و در اين حالت (H-CNT زيگزاگي)، فرمر، مولكول*هاي متان را با زاويه پيوندي تقريبا قائم در بر مي*گيرد. به*طوري كه متان به*طور قوي*تري روي سطوح خارجي H-CNT زيگزاگي ذخيره مي شود تا روي سطوح داخلي H-CNT زيگزاگي و H-CNT آرمچير. از آنجايي که متان بصورت چهارگوش است و زاويه*هاي پيوندي H-C-H در حدود 109.5 درجه است، کشيدکي الکترون*هاي فعال شده کربن روي چهار اتم هيدروژن پيوندي اثر مي*گذارد به صورتي که روي اتم*هاي هيدروژن کمبود جزئي الکترون به وجود مي*آيد، به همين دليل، مکانيزم جذب متان روي سطوح داخلي و خارجي نانولوله*هاي کربني به صورت شبه مايع و شبه جامد مي*باشد.[3] در مسير مکانيزمي که توسط SunnyE.Iyuke گزارش شده است[3]، مولکول متان با ساختار چهاروجهي با زاويه پيوندي تقريبا قائم، از داخل منافذ نانولوله از توده فاز گازي تا روي جاذبي با پيوند SP2 C=C که نسبتا غني از الکترون است، عبور مي*کند. دراين حالت چون اتم*هاي هيدروژن مولکول*هاي متان به خاطر کشيده شدن الکترون*ها به سمت کربن مرکزي داراي کمبود جزئي الکترون هستند، يک کمپلکس انتقال دهنده بار (CT) از کربوکاتيوني شامل دو پروتون را تشکيل مي*دهند. اين يون مي*تواند بطور درون مولکولي، گروه SP2 C=C را با يک پيوند SP3 C-C پايدار کند که مشابه با فضا گزيني [1]در واکنش*هاي شيميايي است. اينچنين فضا گزيني در جذب سطحي با سايز روزنه محدود شده، کوپل و يک نيروي انقباضي روي جذب شعاعي متان بعدي و پيوند هيدروژني بين SP3(C-C) از شبکه CNT و SP3 از مولکول متان، وارد مي*کند. از آنجاکه هر دو داراي يک ساختار چهاروجهي هستند، اين امر منجر به تشکيل يک فاز شبه مايع در روزنه CNT مي*شود. از طرف ديگر سطح خارجي CNT هيچ نوع محدوديتي در جذب ندارد، بنابراين مولکول*هاي متان بيشتري روي کربوکاتيون غيرپايدارحاضرجذب مي*شوند. اين پديده مي*تواند باعث جذب گازهاي بيشتري در شکل فاز شبه مايع متان روي سطح داخلي شود زيرا فضاي کافي براي پيوندها يا ارتعاشات مولکولي وجود دارد و انتقال از فاز جامد به فاز سيال، يک پديده متداول است.

در مطالعه اي که توسطSeifer انجام شد، اثر متقابل هيدروژن با فولرين*ها ونانولوله*هاي كربني نشان دهنده اين مطلب بود که يون هيدروژن H+ با کربن*هاي هيبريد شده SP2 از هر دو ماده تشکيل کمپلکس مي*دهد.Xianren و[2 Wenchuam] ، از روش DFT (Density Functional Theory) و روش شبيه سازي GCMC(Grand Canonical Mont Carlo) براي بررسي جذب CH4 در داخل SWCNT*ها استفاده نمودند. Bien fait از پراکندگي نوترون براي تشخيص نفوذ مولکول*هاي CH4 در SWCNT*ها استفاده کرد و در اين فرايند دو نوع جذب را مشاهده کرد، که يک نمونه مربوط به فاز شبه جامد براي يک مجموعه پيوند قوي*تر در دماي 120 درجه کلوين و ديگري مربوط به کامپوننت*هاي شبه مايع براي مجموعه پيوندهاي ضعيف*تر در 70 تا 129 درجه کلوين است.

بنابراين، مجموعه هاي جذبي متان در سطوح داخلي و خارجي نانولوله*هاي کربني به دو صورت شبه مايع و شبه جامد مي*باشد. همچنين گزارش شده است[1] که CNT هيدروژني با هيدروژن مرزي متناوب داخلي/خارجي (H-CNTزيگزاگي)0.55 eV پايداتر از CNT هيدروژني است که همه هيدروژن*هاي آن خارجي باشند(H-CNT آرمچير) و در اين حالت (H-CNT زيگزاگي)، فرمر، مولكول*هاي متان را با زاويه پيوندي تقريبا قائم در بر مي*گيرد. به*طوري كه متان به*طور قوي*تري روي سطوح خارجي H-CNT زيگزاگي ذخيره مي شود تا روي سطوح داخلي H-CNT زيگزاگي و H-CNT آرمچير. از آنجايي که متان بصورت چهارگوش است و زاويه*هاي پيوندي H-C-H در حدود 109.5 درجه است، کشيدکي الکترون*هاي فعال شده کربن روي چهار اتم هيدروژن پيوندي اثر مي*گذارد به صورتي که روي اتم*هاي هيدروژن کمبود جزئي الکترون به وجود مي*آيد، به همين دليل، مکانيزم جذب متان روي سطوح داخلي و خارجي نانولوله*هاي کربني به صورت شبه مايع و شبه جامد مي*باشد.[3] در مسير مکانيزمي که توسط SunnyE.Iyuke گزارش شده است[3]، مولکول متان با ساختار چهاروجهي با زاويه پيوندي تقريبا قائم، از داخل منافذ نانولوله از توده فاز گازي تا روي جاذبي با پيوند SP2 C=C که نسبتا غني از الکترون است، عبور مي*کند. دراين حالت چون اتم*هاي هيدروژن مولکول*هاي متان به خاطر کشيده شدن الکترون*ها به سمت کربن مرکزي داراي کمبود جزئي الکترون هستند، يک کمپلکس انتقال دهنده بار (CT) از کربوکاتيوني شامل دو پروتون را تشکيل مي*دهند. اين يون مي*تواند بطور درون مولکولي، گروه SP2 C=C را با يک پيوند SP3 C-C پايدار کند که مشابه با فضا گزيني [1]در واکنش*هاي شيميايي است. اينچنين فضا گزيني در جذب سطحي با سايز روزنه محدود شده، کوپل و يک نيروي انقباضي روي جذب شعاعي متان بعدي و پيوند هيدروژني بين SP3(C-C) از شبکه CNT و SP3 از مولکول متان، وارد مي*کند. از آنجاکه هر دو داراي يک ساختار چهاروجهي هستند، اين امر منجر به تشکيل يک فاز شبه مايع در روزنه CNT مي*شود. از طرف ديگر سطح خارجي CNT هيچ نوع محدوديتي در جذب ندارد، بنابراين مولکول*هاي متان بيشتري روي کربوکاتيون غيرپايدارحاضرجذب مي*شوند. اين پديده مي*تواند باعث جذب گازهاي بيشتري در شکل فاز شبه مايع متان روي سطح داخلي شود زيرا فضاي کافي براي پيوندها يا ارتعاشات مولکولي وجود دارد و انتقال از فاز جامد به فاز سيال، يک پديده متداول است.

[EN-EZEL 13,039]

ذخيره سازي گاز به روش ANG

 

شكل 1 سيستم ذخيره سازي گاز به روش ANG را نشان مي*دهد. به منظور كنترل دماي فرايند، سلول بارگيري(Loading Cell) و سلول جاذب (Adsorption Cell) و خطوط ارتباطي در يك حمام آب قرار دارند. قبل از شروع آزمايش بايستي ناخالصي*هاي سلول جذب را توسط يك پمپ خلاء زدود و وزن جاذب را در خلاء كامل اندازه گيري كرد، زمانيكه دما در سلول*هاي بارگيري و جاذب به حد مطلوب رسيد (حالت تعادل اوليه) آزمايش شروع مي*شود. ميزان فشار و دما در سلول*ها همانطور كه در شكل نشان داده شده است به يك ركوردر موبايل گزارش مي*شود و به اين صورت زمان تعادل واكنش در هنگاميكه فشار و دماي فرايند ثابت باقي ماند (حالت تعادل دوم) مشخص مي*شود سپس با موازنه جرم (معادله 1) بر مبناي دما و فشار اندازه گيري شده قبل و بعد از حالت تعادل مي*توان ظرفيت جاذب را تعيين كرد.

كه در معادله فوق، P، فشار، T، دما، V، حجم، R، ثابت گاز، M، وزن مولكولي، Z، ضريب تراكم پذيري گاز و Nتعداد مولكول*هاي جذب شده است. زيرنويس 1 نشان دهنده وضعيت تعادلي اوليه و زيرنويس 2 نشان دهنده وضعيت تعادلي نهايي است.[4]

 

 

Elena Bekyarova توسط اشتعال ليزري گرافيت، نانوهورن*هاي (نانوشاخ) كربني تك ديواره*اي (SWNH) را براي ذخيره سازي گاز متان، در دماي اتاق و بدون كاتاليست، توليد كرد (شكل 2). سايز و شكل مجموعه با نوع و فشار گاز بافر در حفره، كنترل مي*شود. اين ساختارهاي كربني در آرگون با فشار760 تور آماده مي*شوند. بخار كربن ذرات گرافيتي را با سايز يكنواختي در حدود 80 نانومتر توليد مي*كند كه از SWNHsبا قطر حدودا 2 تا 3 نانومتر تركيب شده*اند. دانسيته توده كه در اين روش ذخيره سازي گاز متان استفاده شده است (SWNHs فشرده شده در فشار 50 مگا پاسكال زير خلاء)، 0.97 گرم بر سانتيمتر مكعب مي*باشد. همانطور كه در شكل 2 مشاهده مي*شود ايزوترم*هاي جذب متان با دماي 303 كلوين در اين آزمايش بر اساس طبقه بندي BDDT از نوع I مي*باشند. داده*هاي آزمايشگاهي جاذب SWNHs با داده*هاي SWNT*هاي آرايه مربعي و آرايه مثلثي شبيه سازي شده، مقايسه شدند. ايزترم*هاي نانولوله*هاي سرباز(opened-end) آرايه مربعي و آرايه مثلثي با فاصله واندروالسي 0.34 نانومتر(فاصله بين ديواره*ها و لوله*هاي مجاور) با استفاده از روش GCMC شبيه سازي شده اند. در فشارهاي كم، ظرفيت جاذب SWNHها مشابه با SWNTهاي آرايه مربعي مي*باشد اما در فشارهاي بالاتر از 4 مگا پاسكال نانولوله*هاي تك ديواره آرايه مثلثي ظرفيت بيشتري را براي جذب گاز متان نشان مي*دهند بنابراين آرايش لوله *ها در SWNTها مي*تواند فاكتور مهمي در ذخيره سازي گاز متان باشد. ظرفيت ذخيره سازي جاذب*هاي SWNHفشرده شده در دماي 303 كلوين و فشار 3.5 مگا پاسكال، حدود 160 cm3/cm3 و ظرفيت ذخيره سازي جاذب*هاي SWNT با استفاده از روش مونت كارلو و DFT در دماي اتاق و فشار 4 مگا پاسكال 198گرم بر متر مكعب مي*باشد و اين در حالي است كه ظرفيت ذخيره سازي كربن فعال شده در دماي 303 درجه كلوين و فشار 3.5 مگا پاسكال در حدود 96 cm3/cm3 است.[6] متاسفانه گزارش*هاي آزمايشگاهي و تحقيقاتي اندكي درباره ذخيره سازي متان روي آرايه*هاي SWNT موجود است. Murise و همكارانش تنها رفتار فازي وجذبي متان روي نانولوله*هاي تك ديواره را در دماهاي پايين بررسي كردند.[6] Talapatra و همكارانش بطورآزمايشگاهي ميزان جذب گازهاي متان، گزنون و نئون را روي دسته*هاي SWNTاندازه گيري كردند و بطور غيرمنتظره اي مشاهده كردند كه هيچ گازي در فواصل بين آرايه اي SWNT جذب نشده است. [7]با اين وجود اين بدان معنا نيست كه فواصل بين آرايه*هاي SWNT ديگر نمي توانند گاز را جذب كنند. پس از مدتي، در يك مقاله ديگر از همان گروه مشاهده شد كه گاز متان مي*تواند در دسته*هاي SWNT سردسته (Closed-end)، جذب شود. [8]بنابر اين مشاهدات و مقايسه آنها با شبيه سازي*هايBekyarova مي*توان به اين نتيجه رسيد كه فاصله واندروالس يك فاكتور اوليه موثر روي ميزان جذب متان در فواصل بين آرايه*هاي SWNT است (شكل3 ). در پي اين نتيجه، Cao و همكارانش تحقيقات خود را در راستاي بهينه سازي فاصله واندروالس بين لوله*ها در آرايه*هاي SWNT ادامه دادند. اين گروه با استفاده از روش مونت كارلو جذب متان را روي SWNT*هاي آرايه مثلثي در دماي اتاق بررسي كردند. در ديواره اين نانولوله*ها اتم*هاي كربن به صورت آرميچير قرار گرفته*اند. از نتايج اين كار مشخص شد كه SWNT با آرايه مثلثي و فاصله واندروالسي 0.8 نانومتر بيشترين مقدار گاز متان را در دماي اتاق جذب مي*كند. در فشار 4.1 مگا پاسكال ظرفيت حجمي و ظرفيت جرمي جذب متان روي آرايه*هاي SWNT(15,15) با فاصله واندروالسي0.8 نانومتر216 v/v و215g CH4/Kg است.[9]

 

 

همانطور كه گفته شد مطالعات و تحقيقات جذب گاز متان روي نانولوله*هاي كربني چند لايه نسبت به نانولوله*هاي كربني تك لايه محدودتر مي*باشد. از جمله كساني كه در اين زمينه كار كرده است Sunny E.Iykenv از كشور مالزي است. وي توانست نانولوله*هاي كربني چند ديواره را با تكنيك رسوبدهي بخار شيميايي كاتاليست شناور(FCCVD) توليد كند. اين تكنيك مي*تواند در توليد انبوه نانولوله*هاي چند ديواره با هيبريدهاي مختلف مورد استفاده قرار گيرد. نانولوله*هاي كربني با هيبريد SP2 داراي بزرگترين سايز روزنه هستند. سايز روزنه در SP2 44.4 نانومتر و در SP1 وSP3 وSP4 به ترتيب برابر 9.1و8.9و8.7 نانومتر است. گاز متان بصورت مايع و شبه جامد روي نانولوله*هاي توليد شده جذب مي*شود. ايزوترم*هاي بدست آمده از آناليزر BET در اين آزمايش در شكل 5 نشان داده شده است. همان*طور كه مشاهده مي*شود، ايزوترم*هاي جذب براي كربن*هاي SP1 و SP2از نوع III مي*باشند در حاليكه ايزوترم*هاي جذب متان براي كربن SP3 داراي سه نقطه اوج است كه احتمالا مربوط به تغيير فاز مي*باشند. از اين گذشته ايزوترم دماي 15 درجه سانتيگراد داراي دو نقطه اوج مي*باشد كه نمايشگر نقاط تغيير فاز مي*باشند. در اين آزمايش مشاهده مي*شود كه جذب متان توسط نانولوله*هاي كربني چندلايه نسبتا پايين است در حاليكه با افزايش فشار بر مقدار گاز جذب شده اضافه مي*شود.

 

شكل4- تصاويرTEM از پنج نمونه CNT(SP2F,SP1,SP1,SP3,SP4) كه نمونه آخر داراي متان جذب شده است.

 

پس از آن در آزمايش*هايي كه توسطJae-Wook Lee انجام شد، نانولوله*هاي كربني چند ديواره با روش رسوب دهي بخار شيميايي(CVD) با طول يكنواخت و قطر مشخص ساخته شدند، شكل10 تصاوير TEMوSEM نانولوله*هاي چندلايه كربني ساخته شده را نشان مي*دهد. ضخامت ديواره*ها در حدود 15 تا 20 نانومتر و طول آنها در حدود 20 تا 30 ميكرومتر و دانسيته توده در حدود 0.005 تا 0.006 گرم بر سانتي متر مكعب است. در اين آزمايش گاز متان مورد استفاده داراي خلوص 99.9 درصد است. نتايج آزمايشگاهي كه در اين روش بدست آمده است در دماهاي 301.15 و313.15 و323.15 كلوين و در فشاري تا 3 مگا پاسكال موجود مي*باشد كه در جدول 1 نشان داده شده است. همانطور كه از اين جدول پيداست ظرفيت نانولوله*هاي چند ديوارهكربني در فشارهاي پايين تر از 1.5 مگا پاسكال بسيار كم مي*باشد در حاليكه در فشار*هاي بالاتر نيز ميعان موئينگي رخ مي*دهد. به علاوه فشار ميعان موئينگي با دما افزايش مي*يابد. [10]در شكل 6 ايزوترم*هاي جذب متان نشان داده شده اندكه مشاهده مي*شود ايزوترم*هاي جذب متان در گستره دمايي اين آزمايش، از نوعIV مي*باشند.[4]

 

شكل5- ايزوترم*هاي جذب/دفع متان در CNTها، (a) دفع متان از SP2 در دماهاي مختلف. (b) جذب متان روي SP1,SP2 (در دماهاي مختلف) وSP3

 

شكل6- ايزوترم*هاي جذب متان روي نانولوله*هاي كربني چند ديواره

 

[EN-EZEL 13,039]

نتيجه*گيري

 

بررسي جذب گاز درنانو ساختارها نشان مي*دهد كه پارامترهاي روزنه و دانسيته جادب مي*تواند در ميزان جذب گاز بسيار موثر باشد به طوري كه خواص روزنه*ها در SWNH*هاي فشرده شده به گونه اي است كه در دماي 303 درجه كلوين و فشار 3.5 مگا پاسكال، ظرفيت ذخيره سازي گاز متان اين نوع جاذب 160 v/v مي*باشد. در ارتباط با SWNTها مي*توان گفت كه آرايش آنها و فاصله واندروالسي در آنها از پارامترهاي مهم در ميزان ذخيره سازي گاز طبيعي مي*باشد. همانطور كه در نمودار شكل 2 نشان داده شده است، ميزان جذب گاز در SWNTهاي آرايه مربعي و آرايه مثلثي در فشارهاي پايين تقريبا يكسان است و اين ميزان در فشارهاي بالاتر از 4 مگا پاسكال در SWNTهاي آرايه مثلثي افزايش مي*يابد. همچنين SWNTهاي آرايه مثلثي با فاصله واندروالسي 0.34 نانومتر در فشار 4.11 مگاپاسكال ظرفيتي در حدود 170 v/v براي ذخيره سازي گاز متان دارند در حاليكه اين ظرفيت در SWNTهاي بهينه شده با فاصله واندروالسي 0.8 نانومتردر شرايط يكسان به 216 v/v مي*رسد كه حتي بيشتر از ظرفيت ذخيره سازي CNGدر فشارهاي 20 تا 30 مي*باشد(200 v/v).

 

در بررسي MWCNTها مشاهده مي*شود كه ظرفيت اين نانوساختارها در فشارهاي پايين، بسيار كم و در حدود 14 g/Kg است و در فشارهاي بالاتر ميعان موئينگي رخ مي*دهد. بعلاوه فشار مناسب براي ميعان موئينگي با افزايش دما، افزايش مي*يابد.

البته دو جدول هم دارم كه بذارم ولي راهشو نميدونم.

 

منابع

[1] Seifert G. Hydrogen on and in carbon nanostructures. Solid State Ionics 2003

[2] Zhang X. and Wang W. Methane adsorption in single-walled carbon nanotubes arrays by molecular simulation and density functional theory. Fluid Phase Equilibria 2002; 194-197: 289-295.

[3] Iyuke S.E., Fakhrul-Razi, A., Guan T.C. and Danna A.B.M. Methane Adsorptive Storage Characteristics in and on Carbon Nanotubes. J. Institution of Engineers, Malaysia (submitted).

[4] Jae-Wook Lee, Hyun-Chul Kang, Wang –Geun Shim, Chan Kim, and Hee Moon.Methane Asorption on Multi-Walled CarbonNanotube at(303.15,313.15 and 323.15)K. American Chemical Society. 2006

[5] Elena Bekyarova, Katsuyuki Murata, Masako Yudasaka. Single-Wall Nanostructured Carbon for Methane Storage. J.Phy.Chem. 2003. 107.

[6] Muris,M.; Dufau, N; Bienfait, M.J.P. Langmuir2000,16,7019.

[7] Talapatra,S. Zambano,A.D. Phys.Rev. Lett. 2000,85, 138.

[8] Talapatra, S.; Migone, A. D.Phys. Rev. B 2002, 65, 045416 [9] Dapeng Cao, Xianren Zhang, Jianfeng Chen, Optimization of Single_Walled Carbon Nanotube Arrys for Methane Storage at Room Temperature, J. Phys.Chem B, 2003,107,13286-13292.

[10] Lee,J.W.;Shim, W. G.; Moon, H. Adsorption equilibrium and kinetics for capillary condensation of trichloroethylene on MCM-48.2004,73,109-119

[EN-EZEL 13,039]

حل عددي جريان و انتقال حرارت درون ميكرو و نانومجاري کوتاه

محققان دانشگاه صنعتي شريف با حل عددي جريان و انتقال حرارت درون ميكرو و نانومجاري کوتاه، به راهكاري مفيد براي پيش*بيني عملكرد ميكرو و نانوتجهيزات دست يافتند.

دکتر شيدوش وكيلي*پور، دانش*اموخته دكتري مهندسي هوافضاي دانشگاه صنعتي شريف و مجري طرح خاطرنشان كرد: با گسترش روزافزون سرعت پردازش و حجم حافظه رايانه*ها، شبيه*سازي*هاي عددي، جايگاه ويژه*اي در صنايع گوناگون به دست آورده است. امروزه مدل*سازي عددي توانسته بسياري از هزينه*هاي انجام آزمايش*هاي تجربي را در صنايع مختلف كاهش دهد. انجام آزمايش و اندازه*گيري در ابعاد ميكرو و نانو علاوه*بر داشتن هزينه*هاي هنگفت، در اغلب موارد غير ممكن است. حل عددي جريان و انتقال حرارت در ابعاد ريز، راه*كاري مفيد براي پيش*بيني عملكرد ميكرو و نانوتجهيزات در شرايط دست*نيافتني در سطح آزمايشگاهي خواهد بود.

 

وي درباره ميكرو و نانومجرا*هاي كوتاه گفت: «ميكرو و نانومجرا*هاي كوتاه از جمله تجهيزاتي هستند كه به وفور در ميكرو و نانوسامانه*هاي الكتريكي- مكانيكي به كار برده مي*شوند. هم*چنين به دليل طول كوتاه اين تجهيزات، نواحيِ در حال توسعه سرعت و دما در نزديكي دهانه ورودي، در عملكرد و بازده هيدروليكي و حرارتي ميكرو و نانومجرا*هاي كوتاه، نقشي اساسي دارند. از اين رو، حل صحيح عددي ميدان*هاي سرعت و دما در اين نواحي براي پيش*بيني عملكرد ميكرو و نانومجراهاي كوتاه لازم است.»

 

وكيلي پورافزود: «هدف اصلي پژوهش، به دست آوردن نوعي شرط مرزي ورودي براي حل عددي ميدان*هاي سرعت و دما با دقت مناسب درون ميكرو و نانومجرا*هاي كوتاه، به*خصوص در نواحي در حال توسعه، است.»

 

به گفته وي، روش عددي که در اين پژوهش استفاده شده، از مزاياي هر دو روش اجزاي محدود و حجم محدود به خوبي بهره مي*گيرد؛ از اين رو، به كمك توانمندي روش عددي حاضر و با استفاده از روش بقايي، جريان ورودي درون مجرا از دور دست مدل*سازي مي*شود. بدين ترتيب، نواحي در حال توسعه سرعتي و دمايي، تحت اثر شرايط صحيح*تر به وجود آمده در مقطع ورودي مجرا (از نقطه نظر فيزيكي) با صحت بيشتري حل عددي مي*شوند.

 

نتايج اين پژوهش مي*تواند در طراحي و بهينه*سازي ميكرو و نانوتجهيزات پزشكي ومهندسي كه از عبور سيال، درون مجاري استفاده مي*كنند، مؤثر واقع شود.

 

منبع : خبرگزاري دانشجويان ايران

[EN-EZEL 13,039]

چکیده

با توجه به گسترش روز افزون فناوری نانو و ایجاد تحولات بزرگ در صنایع مختلف توسط این فناوری لازم است که هر کسی بسته به تخصص خود اطلاعی هر چند کلی از کاربردها و قابلیت‌های فناوری نانو داشته باشد. در این مقاله ابتدا توضیحی کلی راجع به فناوری نانو داده شده است و با توجه به اهمیت و نقش گسترده نانولوله‌کربنی در فناوری نانو این ماده معرفی و خواص آن ذکر شده‌است، در ادامه به توضیح برخی از کاربردهای نانولوله‌ها در صنایع مرتبط با مهندسی مکانیک چون کامپوزیت‌ها، محرک‌ها و *****ها پرداخته شده است.

 

مقدمه

یک نانومتر يک ميليونيوم يک متر است بنابراین علم نانو آن بخش از است که ماده را در مقياسی بسيار کوچک بررسی می‌کند؛ و فناوری نانو به تولید و ساخت در مقیاس مولکولی و اتمی می‌پردازد، یا به عیارت دیگر با اجسام و ساختارها و سیستم‌هایی سر و کار دارد که حداقل در یک بعد اندازه‌ای کمتر از100 نانومتر دارند. با پیشرفت و گسترشی که علم و فناوری نانو طی چند سال اخیر داشته است انتظار می‌رود که به زودی تمامی زمینه‌های علم و فناوری را تحت تاثیر خود قرار دهد.

نانوفناوری صنایع مرتبط به مهندسی مکانیک را نیز بی بهره نگذاشته است و تحولات زیادی را از تولید کامپوزیت‌ها با استفاده از نانومواد تا تولید شتاب‌سنج هایی در اندازه نانو، ایجاد نموده است. در صنایع خودروسازی در قسمت‌های مختلف ماشین کاربردهای نانوفناوری را می‌بینیم، از شیشه‌های خود تمیز شو و بدنه‌های ضدخش گرفته تا باتری‌هایی با طول عمر بیشتر و وزن کمتر. در این میان نانولوله‌هاي کربني یکی از مواد اولیه‌ای هستند که به علت ویژگی ساختمانی‌، دارای کاربردهای مکانیکی مختلف و ویژه‌ای هستند.

 

 

نانولوله‌های کربنی

نانولوله‌هاي کربني يکي ازمهم ترين ساختارها در مقياس نانو هستند.این مواد اولین بار در سال 1991 توسط دانشمندي ژاپني به نام ايجما در درون دوده‌هاي حاصل از تخليه الکتريکي کربن در يک محيط حاوي گاز نئون کشف شد.[ ] اين ترکيبات شيميايي ، با ساختار اتمي شبيه صفحات گرافیت، از استوانه‌هايي با قطر چند نانومتر و طولي تا صدها ميکرومتر تشکيل شده‌اند.

نانولوله‌ها داراي مدول يانگي تقريباً 6 برابر فولاد ( 1TPa) و چگالي برابر 1.4 g/cm3 هستند. [ ] اين مواد در جهت محوري مقاومت کششي بسيار زيادي دارند و اين مزيت بسيار خوبي براي ساخت سازه‌هايي با مقاومت بالا در جهت خاص است. دليل اين مقاومت بالا از يک طرف استحکام پيوند كربن-كربن در ساختار نانولوله‌کربنی و از طرف ديگر شکل شش ضلعی اين ساختار است که به خوبي بار را در میان پیوندها توزيع مي‌کند. از طرف دیگر پایداری حرارتی نانولوله‌ها نیز بسیار بالا است. این خواص منحصربه فرد مکانیکی در نانولوله‌‌ها امکان استفاده از آن‌ها را در کاربردهای مختلف فراهم می‌کند. از جمله این کاربردها می توان از الکترونیک در مقیاس نانو، استفاده در کامپوزیت‌ها و نیز به عنوان وسایل ذخیره کننده گازها نام برد.

 

مقاومت نانولوله‌ها

رفتار مکانیکی نانولوله‌های کربنی به عنوان یکی از بهترین فیبرهای کربنی‌ای که تا کنون ساخته شده اند، بسیار شگفت انگیز است. فیبرهای کربنی معمول دارای مقاومتی تا 50 برابر مقاومت مخصوص (نسبت مقاومت به چگالی) فولاد هستند و از طرف دیگر تقویت کننده‌های خوبی در برابر بار در کامپوزیت‌ها هستند. بنابراین نانولوله‌ها یکی از گزینه‌های ایده‌آل در کاربرد ساختمانی هستند.

در نانولوله‌های کربنی چندلایه مقاومت حقیقی در حالات واقعی بیشتر تحت تاثیر لغزیدن استوانه‌های گرافیتی نسبت به هم قرار دارد. در واقع آزمایشاتی که به تازگی با استفاده از میکروسکوپ الکترونی جهت اندازه گیری تنش‌های نانویی صورت گرفته است مقاومت کششی نانولوله‌های کربنی چندلایه مجزا را اندازه گیری کرده اند.[ ] نانولوله‌ها بر اثر شکست sword-in-sheath می‌شکنند. این نوع شکست مربوط به لغزش لایه‌ها در استوانه‌های هم محور نانولوله چندلایه ونیز شکست استوانه‌ها به طور مجزا است. مقاومت کششی دیده شده در نانولوله‌های چندلایه حدود

اندازه‌گیری مقاومت یک نانولوله تک‌لایه مجزا مشکلات زیادی دارد. به تازگی روشی جهت این اندازه‌گیری پیشنهاد شده است: در این روش از یک میکروسکوپ نیروی اتمی استفاده می کنند تا خمشی را در نانولوله ایجاد کنند سپس با اندازه‌گیری مقدار جابجایی می توان ویژگی‌های مکانیکی آن را با مقادیر عددی بیان کرد.[ ] اکثریت آزمایشاتی که تاکنون صورت گرفته مقدار تئوری پیش‌بینی شده برای مدول یانگ نانولوله(1TPa) را تایید می‌کنند؛ ولی در حالی که پیش‌بینی مقاومت کششی در تئوری حدود 300GPa بوده است، بهترین مقادیر تجربی نزدیک به 50GPa می باشد. که اگرچه با تئوری فاصله‌ دارد اما هنوز هم تا ده برابر بیشتر از فیبرهای کربنی است.

شبیه سازی‌ها در نانولوله های تک لایه نشان می‌دهد که رفتار شکست و تغییر شکلی بسیار جالبی در آن‌ها وجود دارد. نانولوله‌ها در تغییر شکل‌های بسیار بالا با آزاد کردن ناگهانی انرژی به ساختار دیگری تبدیل می شوند. نانولوله‌ها تحت بار دچار کمانش و پیچش می شوند و به شکل مسطح تبدیل می‌گردند. آن‌ها بدون نشانی از کوچکترین شکست و خرابی دچار کرنش‌های خیلی بزرگی (تا 40%) می شوند. بازگشت پذیریِ تغییر شکل‌ها، مثلا کمانش، مستقیما در نانولوله های چندلایه با استفاده از میکروسکوپ عبور الکترون ثبت شده است.[ ]

به تازگی نظریه جالبی برای رفتار پلاستیکی نانوتیوب‌ها ارائه شده است.[ ] طبق این نظر بسته‌های 5و7 تایی کربن( پنتاگون-هپتاگون) تحت کرنش زیاد دچار عیب در شبکه مولکولی می شوند و این ساختار ناقص در طول جسم حرکت می‌کند و این حرکت باعث کاهش قطر مقطعی خواهد شد. جدایش این نقصان‌ها گلویی شدن در نانولوله را به همراه خواهد داشت. علاوه بر گلویی شدن مقطعی، در آن مقطع آرایش شبکه کربنی نیز تغییر خواهد کرد. این تغییرات در آرایش باعث می شود که میزان رسانش نانولوله کربنی تغییر یابد، این ویژگی می‌تواند منجر به کاربردی منحصر به فرد از نانولوله شود: نوع جدیدی از پروب، که با تغییرات در ویژگی‌های الکتریکی اش به تنش‌های مکانیکی پاسخ می‌دهد.[ ]

 

نانولوله‌های کربنی و کامپوزیت‌های پلیمری

مهم‌ترین کاربرد نانولوله‌های کربنی، که بر اساس ویژگی‌های مکانیکی آن‌ها باشد، استفاده از آن‌ها به عنوان تقویت کننده در مواد کامپوزیتی است. اگرچه استفاده از کامپوزیت‌های پلیمری پرشده با نانولوله یک محدوده کاربردی مشخص از این مواد است، اما آزمایشات موفقیت آمیز زیادی در تایید مفیدتر بودن نانولوله‌های کربنی نسبت به فیبرهای معمول کربنی، وجود ندارد؛ مشکل اصلی برقرار نمودن یک ارتباط خوب بین نانولوله و شبکه پلیمری و رسیدن به انتقال بار مناسب از شبکه به نانولوله‌ها در حین بارگذاری است. دلایل آن دو جنبه اساسی دارد: اول نانولوله‌ها صاف بوده و نسبت طولی‌ای (طول به قطر) برابر با رشته‌های پلیمری دارند. دوما نانولوله‌ها تقریبا همیشه به صورت توده‌های به هم پیوسته تشکیل می‌شوند که رفتار آن‌ها در مقابل بار، نسبت به نانولوله‌های مجزا، کاملا متفاوت است.

گزارشات متناقضی از مقاومت اتصال در کامپوزیت‌های پلیمر-نانولوله وجود دارد.[ , ] نسبت به پلیمر استفاده شده و شرایط عملکرد، مقاومت اندازه‌گیری شده متفاوت است. گاه گسست در لوله‌ها دیده شده است که نشانه‌ای از پیوند قوی در اتصال نانولوله-پلیمر است، و گاه لغزش لایه‌های نانولوله‌های چند لایه و جدایش آسان آن‌ها دیده شده که دلیلی بر پیوند اتصال ضعیف است. در نانولوله‌های تک لایه سر خوردن لوله‌ها بر روی یکدیگر را عامل کاهش مقاومت ماده می‌دانند. برای ماکزیمم کردن اثر تقویت کنندگی نانولوله‌ها در کامپوزیت‌های با مقاومت بالا، بایستی که توده های نانولوله در هم شکسته شده و پخش شوند و یا اینکه به صورت شبکه مربعی درآیند تا از سرخوردن جلوگیری کنیم. علاوه برآن بایستی سطح نانولوله‌‌ها تغییر داده شود، ضابطه‌مند گردند، تا اتصال محکمی بین آن‌ها و رشته‌های پلیمری اطرافشان ایجاد شود.

استفاده از نانولوله‌های کربنی در کامپوزیت‌هایی با ساختار پلیمری فواید مشخص و روشنی دارد. تقویت کنندگی با نانولوله به خاطر جذب بالای انرژی طی رفتار انعطاف‌پذیر الاستیک آن‌ها میزان سفتی کامپوزیت را افزایش می دهد؛ این ویژگی مخصوصا در شبکه‌های سرامیکی کامپوزیتی برپایه نانو اهمیت می‌یابد. چگالی کم نانولوله‌ها ، در مقایسه با استفاده از فیبرهای کوچک کربنی، یک ویژگی بسیار خوب دیگری در این کامپوزیت‌ها می‌باشد.نانولوله‌ها در مقایسه با فیبرهای کربنی معمول، تحت نیروهای فشاری کارایی بهتری ازخود نشان می‌دهند، که به خاطر انعطاف‌پذیری و عدم تمایل به شکست آن‌ها تحت نیروی فشاری است.تحقیقات تازه نشان داده اند که استفاده از کامپوزیت نانولوله‌کربنی چندلایه و پلیمر کاهنده زیستی (مانند PLA ) در رشد سلول‌های استخوانی ، بخصوص در تحریک الکتریکی کامپوزیت، بسیار کارآمدتر ازفیبرهای کربنی هستند.

 

شكل(1) a) تصوير SEM از صفحه نانولوله‌هاي كربني b) تصوير شماتيك از نحوه قرار گرفتن صفحه پيوسته‌ نانولوله‌ها‌ در محلول الكتروليت و چگونگي خنثي سازي بارها.[10]

 

نانومحرک‌ها

یکی دیگر از ویژگی جالب نانولوله‌های کربنی قابلیت و کارآمدی آن‌ها در تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی (تحریک ) می‌باشدکاربرد نانو لوله‌ها در حسگرهای تعمیم یافته و قطعات محرک ، که از ویژگی منحصربه فرد الکتریکی و مکانیکی آن‌ها ناشی می‌شود، از یک طرف ونسبت طول به قطر بسیار بالای آن‌ها از طرف دیگر، امکان تولید وسایل ماکرو مقیاس از آن‌ها را به راحتی میسر کرده است.[ ] ترکیب حسگرها-محرک ها در «ماهیچه‌های مصنوعی» با مقاومت و سفتی منحصر به فرد آن‌ها و ولتاژ تحریک نسبتا پایین آن‌‌ها (~10V) قابلیت‌های زیادی را به این محصولات می‌دهد.[ ]

تحریک نانولوله با جریان الکتریکی به دلیل انبساط هندسی پیوند کووالانسی کربن-کربن در اثر انتقال بار به درون نانولوله ایجاد می‌شود. محرک‌ها نیروی محرکه بسیاری از اجسام طبیعی و سازه‌های ساخت بشر را در مقیاس‌های مختلف تامین می‌کند. از سازه‌های فضایی و ربات‌ها در مقیاس ماکرو گرفته تا وسایل جراحی در مقیاس میکرو. محرک‌هایی که بر پایه مواد پیشرفته‌ای چون پیزو- و فرو- الکتریک‌ها و آلیاژهای حافظه‌دار کار می‌کنند، کاربردهای بسیاری در وسایل جدید بخصوص ابزاردقیق پیدا کرده‌اند[ ]

اولین کاربرد نانولوله‌ها به عنوان جزء تحریک شونده در سال 1999 توسط Baughman مطرح شد.[ ] او اولین کاربرد نانولوله‌ها را برای تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی گزارش کرد: محرک شامل صفحه‌هایی از نانولوله‌های کربنی تک‌لایه به عنوان دو الکترود درون الکترولیت یک فوق خازن است. ساختار ورقه‌ها به صورت بسته‌های درهم پیچیده نانولوله‌های کربنی است. تغییرات ولتاژ اعمالی باعث تزریق بارالکتریکی به نانولوله‌ها می‌شود[ ] که در محل تماس نانولوله‌-الکترولیت با جانشینی یون‌های الکترولیت جبران می‌شود. تغییرات اندازه در راستای پیوندهای کووالانسی است که در اثر تزریق بار ایجاد می‌شود.[ ](شکل1)

 

شكل(2) تصوير نوري از پنس نانومتري در ولتا‍‍‍ژهاي مختلف. هنگامي كه به ولتاژ آستانه مي‌رسد اثر الكترواستاتيك نانولوله‌ها را به هم مي‌بندد. با اعمال پتانسيل منفي نسبت به زمين نانولوله‌ها از يكديگر جدا خواهند شد..[10]

اثرات تحریک لوله‌های مجزا را می‌توان جهت ساخت نانوپنس‌ها بکاربرد.(شکل 2) استفاده از نانوپنسهایی که از نانولوله‌های کربنی مجزا ساخته شده‌اند می‌تواند منجر به کشف راه‌هایی حهت دستکاری در مقیاس نانو شود که راهی برای گسترش وسایل نانویی می‌باشد. نانولوله‌ها با لایه‌نشانی به الکترودهای فلزی چسبانده می‌شوند و با اعمال ولتاژ مستقیم دو الکترود مانند یک گیره به یکدیگر نزدیک می‌شوند.

*****های نانولوله‌های کربنی

با استفاده از روش تجزیه حرارتی پیوسته (شکل3) می‌توان استوانه‌های توخالی با قطر یک سانتی‌متر و طولی تا چندین سانتی‌متر تولید کرد که دیواره های آن از نانولوله‌های چندلایه (با طول 300µm تا 500µm) که به طور منظم به صورت شعاعی در کنار هم قرار گرفته‌اند، تشکیل شده است.[ ] این ماکرولوله‌های ساخته شده از نانولوله‌‌های کربنی پایداری مکانیکی بالایی دارند. در آزمایش کشش که در جهت محور ماکرولوله انجام شد مدول الاستیسیته‌ 50MPa و مقاومت کششی‌ 2.2 MPa برای این لوله بدست آمد. ماکرولوله می‌تواند اختلاف فشار درون و بیرون قابل قبولی را نیز تحمل کند( فشار درونی 0.01 mbar تا فشار خارجی 1atm)

این لوله را می‌توان در جدا کردن هیدروکربن‌های سنگین CmHn (m>12) از هیدروکربن‌های سبک‌ترمثل نفت CmHn (n=2m+2, m=1-12) استفاده کرد. یکی دیگر از کاربردهای این ***** استفاده از آن در جداسازی باکتری‌ها از آب آشامیدنی است. یکی از معمول‌ترین باکتری آلوده کننده آب آشامیدنی Escherichia coli است که طولی بین 2000nm تا 5000nm و عرضی از400nm تا 600nm دارد. آزمایشات نشان می‌دهد که ***** نانولوله‌ می‌تواند باکتری را کاملا از آب جدا نماید.[ ] برای اطمینان از ***** شدن کامل باکتری آب ***** شده و ***** نشده یک شب در دمای 37 درجه سانتی‌گراد نگهداری می‌شوند و در نهایت دیده می‌شود که باکتری‌‌ها در آب ***** نشده رشد کرده‌اند ولی چنین رشدی در آب *****شده دیده نمی‌شود.( شکل(4) روش و نتایج آن را نشان می‌دهد) در این روش سرعت سیال 1,1 ml min-1 cm-2 است.

 

 

شکل(3) ساخت لوله ماکرو مقیاس از نانولوله‌‌های کنار هم مرتب شده. a) شکل شماتیک دستگاه تولید نانولوله‌های مرتب شده به صورت شعاعی. مخلوط بنزن و فروسین با گاز آرگون به عنوان حامل توسط یک نازل به درون لوله کواترز اسپری می‌شود. دمای کوره 900 درجه سانتی‌گراد است. نحوه چیده شدن نانولوله‌ها در کنار هم کاملا به سایز نازل و سرعت جریان سیال وابسته است. با نفوذ دادن دقیق اسید به لایه درونی لوله کوارتز لوله ماکرو تولید شده را خارج می‌کنند. b) عکس لوله ماکرو تولید شده و اندازه تقریبی آن. c) عکس SEM از ماکرولوله که در آن نانولوله‌هایی که به صورت شعاعی در کنار هم منظم شده‌اند دیده می‌شود.( مقیاس 1mm) [15]

 

 

یکی از مهم‌ترین برتری‌های *****های نانولوله نسبت به *****های غشایی معمولی این است که آن‌ها را می‌توان به سادگی و بارها بعد از استفاده تمیزکرده و با یک تمیزکاری مافوق صوتی ساده (در دمای 120 درجه سانتی‌گراد به مدت 30 دقیقه) این *****ها را به شرایط و کارایی *****کننده‌گی اولیه‌شان بازگرداند.

این میزان دقت در جداسازی را می‌توان از یک طرف به دلیل تخلخل نانومتری در این ***** و از طرف دیگر رفتار جذب گزینشی نانولوله‌ها، دانست. جداسازی بیشتر در منفذ داخلی نانولوله رخ می‌دهد هرچند که منافذ خالی بین لوله‌ها را نیز نباید از یاد برد. یکی دیگر از برتری‌های *****های نانولوله‌ای پایداری حرارتی آن‌هاست که این امکان را به ما می‌دهد تا حتی در دمای 400ºC نیز از آن‌ها استفاده کرد در صورتی که *****‌های پوسته‌ای معمولی حداکثر تا دمای 52ºC می‌توانند کارایی داشته باشند.

 

شکل(4) جدایی باکتری‌ها با ***** نانولوله‌ کربنی. a) محلول ***** نشده شامل باکتری E-coli. رنگ کدر صورتی روشن نشان وجود باکتری است. b) مجموعه رشد یافته از باکتری‌ها (با فلش نشان داده شده است) به خاطر محیط آلوده آب. c) دستگاه تصفیه آب. آب آلوده از سمت فلش عمودی وارد ماکرو لوله‌ای که انتهای آن را مسدود کرده‌ایم می‌شود و آب تصفیه شده از جداره‌های استوانه از محل فلش‌های افقی خارج می‌شود. d) آب تصفیه شده که دارای رنگ شفاف نسبت به لوله اولیه است که نشان عدم حضور باکتری است. e) ظرف حاوی آب تصفیه شده است و مدتی نگهداری شده است، همانگونه که مشاهده می‌شود نشانی از وجود باکتری موجود نیست.

نتیجه گیری

با اینکه این مقاله تنها به بخش بسیار محدودی از کاربردهای نانوفناوری در صنایع پرداخته است اما با همین میزان کم نیز به خوبی روشن است که گسترش این فناوری و محصولات آن تا چه اندازه تحولات شگرفی را در زمینه‌های گوناگون مهندسی ایجاد کرده و خواهد نمود. بنابراین مهندسان آینده ما علاوه بر اینکه باید با علم مهندسی در زمینه تخصصی خود آشنایی داشته باشند باید مواد و قابلیت‌های جدیدی که فناوری نانو ایجاد می‌کند را نیز بشناسند.

[EN-EZEL 13,039]

نانوتکنولوژی

Nanotechnology

طبقه بندی : نانوتکنولوژی - مقالات

نانوتکنولوژی تولید کارآمد مواد و دستگاهها و سیستمها با کنترل ماده در مقیاس طولی نانومتر و بهره برداری از خواص و پدیده‌های نو ظهوری است که در مقیاس نانو توسعه یافته‌اند.

 

یک نانومتر چقدر است؟

یک نانومتر یک میلیاردم متر (10-9 m) است. این مقدار حدودا چهار برابر قطر یک اتم است. مکعبی با ابعاد 2.5 نانومتر ممکن است حدود 1000 اتم را شامل شود. کوچکترین آی سیهای امروزی با ابعادی در حدود 250 نانومتر در هر لایه به ارتفاع یک اتم ، حدود یک میلیون اتم را در بردارند. در مقایسه یک جسم نانومتری با اندازه‌ای حدود 10 نانومتر ، هزار برابر کوچکتر از قطر یک موی انسان است.

امکان مهندسی در مقیاس مولکولی برای اولین بار توسط ریچارد فاینمن (R.Feynnman) ، برنده جایزه نوبل فیزیک مطرح شد. فاینمن طی یک سخنرانی در انستیتو تکنولوژی کالیفرنیا در سال 1959 اشاره کرد که اصول و مبانی فیزیک امکان ساخت اتم به اتم چیزها را رد نمی‌کند. وی اظهار داشت که می‌توان با استفاده از ماشینهای کوچک ماشینهایی به مراتب کوچکتر ساخت و سپس این کاهش ابعاد را تا سطح خود اتم ادامه داد.

همین عبارتهای افسانه وار فاینمن راهگشای یکی از جذابترین زمینه‌های نانو تکنولوژی یعنی ساخت روباتهایی در مقیاس نانو شد. در واقع تصور در اختیار داشتن لشکری از نانو ماشینهایی در ابعاد میکروب که هر کدام تحت فرمان یک پردازنده مرکزی هستند، هر دانشمندی را به وجد می‌آورد. در رویای دانشمندانی مثل جی استورس هال (J.Storrs Hall) و اریک درکسلر (E.Drexler) این روباتها یا ماشینهای مونتاژکن کوچک تحت فرمان پردازنده مرکزی به هر شکل دلخواهی در می‌آیند. شاید در آینده‌ای نه چندان دور بتوانید به کمک اجرای برنامه ای در کامپیوتر ، تخت خوابتان را تبدیل به اتومبیل کنید و با آن به محل کارتان بروید.

 

چرا این مقیاس طول اینقدر مهم است؟

خواص موجی شکل (مکانیک کوانتومی) الکترونهای داخل ماده و اثر متقابل اتمها با یکدیگر از جابجاییمواد در مقیاس نانومتر اثر می‌پذیرند. با تولید ساختارهایی در مقیاس نانومتر ، امکان کنترل خواص ذاتی مواد ازجمله دمای ذوب ، خواص مغناطیسی ، ظرفیت بار و حتی رنگ مواد بدون تغییر در ترکیب شیمیایی بوجود می‌آید. استفاده از این پتانسیل به محصولات و تکنولوژیهای جدیدی با کارآیی بالا منتهی می‌شود که پیش از این میسر نبود.

نظام سیستماتیک ماده در مقیاس نانومتری ، کلیدی برای سیستمهای بیولوژیکی است. نانوتکنولوژی به ما اجازه می‌دهد تا اجزاء و ترکیبات را داخل سلولها قرار داده و مواد جدیدی را با استفاده از روشهای جدید خود_اسمبلی بسازیم. در روش خود_اسمبلی به هیچ روبات یا ابزار دیگری برای سرهم کردن اجزاء نیازی نیست. این ترکیب پر قدرت علم مواد و بیوتکنولوژی به فرآیندها و صنایع جدیدی منتهی خواهد شد.

ساختارهایی در مقیاس نانو مانند نانو ذرات و نانولایه‌ها دارای نسبت سطح به حجم بالایی هستند که آنها را برای استفاده در مواد کامپوزیت ، واکنشهای شیمیایی ، تهیه دارو و ذخیره انرژی ایده‌ال می‌سازد. سرامیکهای نانوساختاری غالبا سخت‌تر و غیرشکننده‌تر از مشابه مقیاس میکرونی خود هستند. کاتالیزورهای مقیاس نانو راندمان واکنشهای شیمیایی و احتراق را افزایش داده و به میزان چشمگیری از مواد زائد و آلودگی آن کم می‌کنند. وسایل الکترونیکی جدید ، مدارهای کوچکتر و سریعتر و … با مصرف خیلی کمتر می‌توانند با کنترل واکنشها در نانوساختار بطور همزمان بدست آیند. اینها تنها اندکی از فواید و مزایای تهیه مواد در مقیاس نانومتر است.

 

منافع نانوتکنولوژی چیست؟

مفهوم جدید نانوتکنولوژی آنقدر گسترده و ناشناخته است که ممکن است روی علم و تکنولوژی در مسیرهای غیرقابل پیش بینی تأثیر بگذارد. محصولات موجود نانوتکنولوژی عبارتند از: لاستیکهای مقاوم در برابر سایش که از ترکیب ذرات خاک رس با پلیمرها بدست آمده‌اند، شیشه‌هایی که خودبه خود تمیز می‌شوند، مواد دارویی که در مقیاس نانو ذرات درست شده‌اند، ذرات مغناطیسی باهوش برای پمپهای مکنده و روان سازها ، هد دیسکهای لیزری و مغناطیسی که با کنترل دقیق ضخامت لایه‌ها از کیفیت بالاتری برخوردارند، چاپگرهای عالی با استفاده از نانو ذرات با بهترین خواص جوهر و رنگ دانه و ... .

قابلیتهای محتمل تکنیکی نانوتکنولوژی

محصولات خود_اسمبل

کامپیوترهایی با سرعت میلیاردها برابر کامپیوترهای امروزی

اختراعات بسیار جدید (که امروزه ناممکن است)

سفرهای فضایی امن و مقرون به صرفه

نانوتکنولوژی پزشکی که در واقع باعث ختم تقریبی بیماریها ، سالخوردگی و مرگ و میر خواهد شد.

دستیابی به تحصیلات عالی برای همه بچه‌های دنیا

احیاء و سازماندهی اراضی

 

برخی کاربردها

مدلسازی مولکولی و نانوتکنولوژی

در سازمان دهی و دستکاری مواد در مقیاس نانو ، لازم است تمامی ابزار موجود جهت افزایش کارایی مواد و وسایل بکار گرفته شود. یکی از این ابزار ، شیمی تحلیلی ، خصوصا مدل ‌سازی مولکولی و شبیه ‌سازی است. امروزه ابزار تحقیقاتی فراگیری مانند روشهای شیمی تحلیلی مزیتهای فراوانی نسبت به روشهای تجربی دارند. میهیل یورکاز شرکتContinental Tire North America می‌گوید:"روشهای تجربی مستلزم بهره‌گیری از نیروی انسانی ، شیمیایی ، تجهیزات ، انرژی و زمان است. شیمی تحلیلی این امکان را برای هر فرد مهیا می‌سازد که فعالیتهای شیمیایی چندگانه‌ای را در 24 ساعت شبانه ‌روز انجام دهد. شیمیدانها می‌توانند با انجام آزمایشها توسط رایانه ‌، احتمال فعالیتهای غیرمؤثر را از بین ببرند و گستره احتمالی موفقیتهای آزمایشگاهی را وسعت دهند.

نتیجه نهایی این امر ، کاهش اساسی در هزینه‌های آزمایشگاهی (مانند مواد ، انرژی ، تجهیزات) و زمان است." از طرف دیگر ، در شیمی تحلیلی سرمایه‌ گذاری اولیه جهت تهیه نرم‌افزار و هزینه‌های وابسته از جمله سخت‌افزار جدید ، آموزش و تغییرات پرسنل بسیار بالا خواهد بود. ولی با بکار گیری هوشمندانه این ابزار می‌توان هریک از هزینه‌های اولیه را نه تنها از طریق صرفه‌جویی در هزینه آزمایشگاه بلکه بوسیله فراهم نمودن دانشی که منجر به بهینه ‌سازی فرآیندها و عملکردها می‌شود، جبران ساخت.

این موضوع برای شیمیدانها بسیار مناسب است، ولی روشهای شبیه‌سازی چطور می‌توانند برای نانوتکنولوژیستها مفید واقع شود؟ محدودیتهای آزمایشگر در مقیاس نانو ، زمانی آشکار می‌شود که شگفتی جهان دانشمندان نظری وارد عمل می‌شود. در اینجا هنگامی که دانشمندان قصد قرار دادن هر یک از اتمها را در محل مورد نظر دارند قوانین کوانتوم وارد صحنه می‌شود. پیش‌بینی رفتار و خواص در محدودهای از ابعاد برای نانوتکنولوژیستها حیاتی است.

مدل‌سازی رایانه‌ای با بکارگیری قوانین اولیه مکانیک کوانتوم و یا شبیه‌سازیهای مقیاس میانی ، دانشمندان را به مشاهده و پیش‌بینی رفتار در مقیاس نانو و یا حدود آن قادر می‌سازد. مدلهای مقیاس میانی با بکارگیری واحدهای اصلی بزرگتر از مدلهای مولکولی که نیازمند جزئیات اتمی است، به ارائه خواص جامدات ، مایعات و گازها میپردازند. روشهای مقیاس میانی در مقیاسهای طولی و زمانی بزرگتری نسبت به شبیهسازی مولکولی عمل می‌کنند. می‌توان این روشها را برای مطالعه مایعات پیچیده ، مخلوطهای پلیمر و مواد ساخته‌شده در مقیاس نانو و میکرو بکار برد.

 

مدل ‌سازی خاک‌ رس

محققین دانشگاه لندن در انگلستان و دانشگاه Paris Sud در فرانسه ، شبیه‌سازیهایی بر اساس مکانیک کوانتوم برای مطالعه و کامپوزیتهای خاک ‌رس–پلیمر بکار برده‌اند. امروزه این ترکیبات یکی از موفق‌ترین مواد نانوتکنولوژی هستند، زیرا بطور همزمان مقاومت بالا و شکل‌پذیری از خود نشان می‌دهند؛ خواصی که معمولاً در یکجا جمع نمی‌شوند. نانو کامپوزیتهای پلیمر–خاک رس می‌توانند با پلیمریزاسیون در جا تهیه شوند؛ فرآیندی که شامل مخلوط کردن مکانیکی خاک معدنی با مونومر مورد نیاز است. بنابراین مونومر در لایه درونی جای‌گذاری می‌شود (خودش را در لایه‌های درون ورقه‌های سفال جای می‌دهد) و تورق کل ساختار را افزایش می‌دهد. پلیمریزاسیون ادامه می‌یابد تا سبب پیدایش مواد پلیمری خطی و همبسته گردد.

دانشمندان با بکارگیری Castep (یک برنامه مکانیک کوانتوم که نظریه کارکردی چگالی را بکار می‌گیرد) تحول کشف شده در این روش را که پلیمریزاسیون میان ‌گذار خود کاتالیست نامیده می‌شود مطالعه کردند. این پروژه ، دانشی نظری در زمینه ساز و کار این فرآیند جدید را بوسیله مشخص کردن نقش سفال در کامپوزیت فراهم نمود. ضروری است که دانش حاصل از شبیه‌سازیها ، جهت کنترل و مهندسی نمودن فعل و انفعالات پلیمر-سیلیکات به کمک دانشمندان آید.

دانشمندان در شرکت BASF شبیه‌ سازیهای مقیاس میانی را برای بررسی علم و رفتار ریزواره‌ها بکاربردند. ریزواره‌ها ذراتی کروی شکل با ابعاد نانو هستند که به صورت خود به خود در محلولهای کوپلیمری ایجاد می‌شوند و در زمینه‌هایی مانند سنسورها وسایل آرایشی و دارو رسانی کاربرد دارند. دانشمندانBASF با بکار گیری esoDyn ، یک ابزار شبیه ‌سازی برای پیش‌بینی ساختارهای مقیاس میانی مواد متراکم محلولهای تغلیظ ‌شده کوپلیمرهای آمفی‌فیلیک را بررسی کردند.

شبیه‌سازیها مشخص نمود که کدام شرایط مولکولی و فرمولی به شکل‌گیری "ریزواره‌های معکوس" مانند نانو ذرات آب در یک محیط فعال منتهی‌ میشود. چنین نتایجی برای درک رفتار عوامل فعال سطحی ضروری هستند. به کمک روشهایی مانند پرتاب محلول در آزمایشگاه می‌توان به نتایجی در این زمینه دست یافت، اما دستیابی به این نتایج ماهها به طول می‌انجامد، درحالی که آزمایشهای شبیه‌سازی شده تنها طی چند روز نتیجه می‌دهند.

 

محدودیتهای این روشها چیست؟

در حالیکه امروزه ابزار مدلسازی در سطح کوانتومی و مقیاس میانی به خوبی توسعه یافته‌اند، همچنان محدودیتهایی در این عرصه وجود دارد. برای مثال کاربردهایی در زمینه وسایل الکترونیک مستلزم انجام محاسبات مکانیک کوانتوم برای تعداد اتمهایی بیش از روشهای حاضر می‌باشد که بیش از توان عملیاتی منابع محاسبه‌گر فعلی است. همچنین مدلسازی کل وسایل امکان‌پذیر نیست، بویژه عملکردها و خواص آنها.

 

مباحث مرتبط

رویکرد نانوتکنولوژی

نانو الکترونیک

نانو بیوتکنولوژی

نانوتکنولوژی انقلاب صنعتی آینده

نانو تکنولوژی در صنعت

نانو تکنولوژی در پزشکی

نانو تکنولوژی در صنایع هوافضا

نانو کامپوزیتها

رایانه کوانتومی

فناوری اطلاعات

فناوری کشت سلولی

فناوری نانو

مهندسی مواد

منبع : متن از shimi.blogfa.com

[EN-EZEL 13,039]

عناصر پايه در فناوری نانو

طبقه بندی : نانو تکنولوژی - مقالات

عناصر پایه در فناوری نانو تفاوت اصلی فناوری نانو با فناوری‌های دیگر در مقیاس مواد و ساختارهایی است كه در این فناوری مورد استفاده قرار می‌گیرند. البته تنها كوچك بودن اندازه مد نظر نیست؛ بلكه زمانی كه اندازه مواد دراین مقیاس قرار می‌گیرد، خصوصیات ذاتی آنها از جمله رنگ، استحكام، مقاومت خوردگی و ... تغییر می‌یابد. در حقیقت اگر بخواهیم تفاوت این فناوری را با فناوری‌های دیگر به صورت قابل ارزیابی بیان نماییم، می‌توانیم وجود "عناصر پایه" را به عنوان یك معیار ذكر كنیم. عناصر پایه در حقیقت همان عناصر نانومقیاسی هستند كه خواص آنها در حالت نانومقیاس با خواص‌شان در مقیاس بزرگتر فرق می‌كند.

اولین و مهمترین عنصر پایه، نانوذره است. منظور از نانوذره، همانگونه که از نام آن مشخص است، ذراتی با ابعاد نانومتری در هر سه بعد می‌باشد. نانوذرات می‌توانند از مواد مختلفی تشکیل شوند، مانند نانوذرات فلزی، سرامیکی، ... .

دومین عنصر پایه، نانوكپسول است. همان طوری كه از اسم آن مشخص است، كپسول‌های هستند كه قطر نانومتری دارند و می‌توان مواد مورد نظر را درون آنها قرار داد و كپسوله كرد. سال‌هاست كه نانوكپسول‌ها در طبیعت تولید می‌شوند؛ مولكول‌های موسوم به فسفولیپیدها كه یك سر آنها آبگریز و سر دیگر آنها آبدوست است، وقتی در محیط آبی قرار می‌گیرند، خود به خود كپسول‌هایی را تشكیل می‌دهند كه قسمت‌های آبگریز مولكول در درون آنها واقع می‌شود و از تماس با آب محافظت می‌شود. حالت برعكس نیز قابل تصور است.

 

عنصر پایه بعدی نانولوله کربنی است. این عنصر پایه در سال 1991 در شركت NEC كشف شدند و در حقیقت لوله‌هایی از گرافیت می‌باشند. اگر صفحات گرافیت را پیچیده و به شكل لوله در بیاوریم، به نانولوله‌های كربنی می‌رسیم. این نانولوله‌ها دارای اشكال و اندازه‌های مختلفی هستند و می‌توانند تك دیواره یا چند دیواره باشند. این لوله‌ها خواص بسیار جالبی دارند که منجر به ایجاد کاربردهای جالب توجهی از آنها می‌شود.

 

عناصر پایه گوناگون و متنوع دیگری نیز وجود دارند.که هرکدام دررشته ای مهمتر هستند.ازآن جمله می توان به نانو سیمها،فولرین ها،آئروژلهاو...را نام برد.

منبع : متن از shimi.blogfa.com

[EN-EZEL 13,039]

استفاده از فناوري نانو براي جذب فلزات سنگين از پساب‌ها

 

حضور مقادير زيادي از فلزات سمي همانند جيوه، سرب، کادميوم، روي و فلزات ديگر در محيط زيست، خطرات جدي سلامتي براي انسان به همراه دارد و اين خطرات جوامع علميرا تحت فشار قرار مي‌دهد تا روش‌هاي اقتصادي و موثر جديدي براي شناسايي و حذف آلاينده‌هاي سمي توسعه دهند.

در اثر ترکيب نمودن تحقيقات انجام شده در زمينه تصفيه پساب‌ها و علوم مواد نوع جديدي از نانومواد با نام سيليس نانوساختاري توسعه يافته است که ويژگي‌هاي مورد نياز براي اين کاربردها را دار مي‌باشد.

اين ماده جديد با دارا بودن مساحت سطحي بالا و حفرات معمول، پس از يک فرايند عامل‌دار کردن که نتيجه آن اتصال ليگاندهاي آلي مختلف به سطح آن مي‌باشد، اين قابليت را پيدا مي‌کند تا فلزات سنگين را از پساب‌ها استخراج کند.اين قابليت همچنين موجب مي‌شود که اين ماده به يک حسگر حساس براي تشخيص اين فلزات سنگين تبديل شود؛ با در نظر گرفتن اينکه سطوح آلودگي مجاز براي آب آشاميدني روز به روز کمتر مي‌شود، سيليس عامل‌دار کاربردهاي ديگري نيز در ساير فرايندهاي تصفيه آب پيدا مي‌کند.

 

طراحي سيليس عامل‌دار نانوساختاري بر مبناي الگوبرداري از واکنشي است که فلزات سنگين با برخي مولکول‌هاي زيستي در سلول زنده دارند. با بررسي اين واکنش‌ها بهترين گروه عاملي که اين فلزات به آنها متصل مي‌شوند، شناسايي مي‌شود و در نتيجه مي‌توان اين گروه‌هاي عاملي را روي سيليس نانوساختاري متصل نمود. به عنوان مثال دانشمندان دريافته‌اند که فلزات سنگين به طور عمده با گروه‌هاي عاملي حاوي اکسيژن، نيتروژن، و گوگرد پيوند برقرار مي‌کنند.

در ادامه همين خط فکري، يک گروه از محققان URJC که مديريت آنها را دکتر ايزابل سيرا بر عهده دارد، توانستند از طريق ايجاد مواد جديدي با استفاده ازانواع مختلفي از سيليس همچون MCM-41 و HMS و تغيير آنها با 5- مرکاپتو-1- متيل تيازول بهبود عمده‌اي در ويژگي‌هاي جذبي سيليس ايجاد نموده و آنها را براي جمع‌آوري سرب و روي آماده کنند.

تحقيقات آنها همچنين نشان داد که اين مواد را قابليت چندين بار جذب و سپس رهاسازي فلزات سنگين را دارند. همچنين مواد جذب‌شده را دوباره مي‌توان بازيافت نموده و از آنها استفاده نمود که اين امر در بحث‌هاي اقتصادي براي صنعت و جامعه از اهميت بالايي برخوردار است.

 

نتايج اين تحقيق در آخرين شماره Journal of Separation Science و Journal of Colloid Interface Science منتشر شده است.

منبع : متن از shimi.blogfa.com

[EN-EZEL 13,039]

نانوحسگر

NanoSensor

 

حسگر چیست؟

حسگریک وسیله ی الکتریکی است که تغییرات فیزیکی یا شیمیایی را اندازه گیری می کند وآنها را به سیگنالهای الکتریکی تبدیل می نماید. حسگرها درواقع ابزار ارتباط ربات با دنیای خارج وکسب اطلاعات محیطی ونیز داخلی می باشند. ویا به طور کلی ابزارهایی هستند که تحت شرایط خاص ازخود واکنشهای پیش بینی شده ومورد انتظار نشان می دهند. شاید بتوان دماسنج را جزء اولین حسگرهایی دانست که بشرساخت .

 

ساختار کلی یک حسگر:

درطراحی یک حسگر دانشمندان علوم مختلف مانند بیوشیمی، بیولوژی، الکترونیک، شاخه های مختلف شیمی و فیزیک حضوردارند. قسمت اصلی یک حسگرشیمیایی یا زیستی عنصرحسگر آن می باشد. عنصرحسگر در تماس با یک آشکارساز است. این عنصرمسئول شناسایی و پیوند شدن با گونه ی مورد نظر در یک نمونه ی پیچیده است. سپس آشکارساز سیگنالهای شیمیایی را که در نتیجه ی پیوند شدن عنصرحسگر با گونه ی موردنظر تولید شده است را به یک سیگنال خروجی قابل اندازه گیری تبدیل می کند. حسگرهای زیستی بر اجزای بیولوژیکی نظیرآنتی بادی ها تکیه دارند. آنزیمها ، گیرنده ها یا کل سلولها می توانند به عنوان عنصر حسگرمورد استفاده قرار گیرند.

 

خصوصیات حسگرها:

یک حسگرایده آل باید خصوصیات زیررا داشته باشد :

1 . سیگنال خروجی باید متناسب با نوع و میزان گونه ی هدف باشد.

2. بسیار اختصاصی نسبت به گونه مورد نظر عمل کند.

3 . قدرت تفکیک و گزینش پذیری بالایی داشته باشد.

4. تکرارپذیری و صحت بالایی داشته باشد.

5. سرعت پاسخ دهی بالایی داشته باشد ( درحد میلی ثانیه ).

6. عدم پاسخ دهی به عوامل مزاحم محیطی مانند دما ، قدرت یونی محیط و …

 

نانوحسگرها:

با پیشرفت علم در دنیا و پیدایش تجهیزات الکترونیکی و تحولات عظیمی که در چند دهه ی اخیر و درخلال قرن بیستم به وقوع پیوست نیاز به ساخت حسگرهای دقیق تر،کوچکتر و دارای قابلیتهای بیشتر احساس شد. امروزه از حسگرهایی با حساسیت بالا استفاده می شود به طوریکه در برابر مقادیر ناچیزی از گاز، گرما و یا تشعشع حساس اند. بالا بردن درجه ی حساسیت، بهره و دقت این حسگرها به کشف مواد و ابزارهای جدید نیاز دارد. نانو حسگرها، حسگرهایی در ابعاد نانومتری هستند که به خاطرکوچکی و نانومتری بودن ابعادشان از دقت و واکنش پذیری بسیار بالایی برخوردارند به طوری که حتی نسبت به حضور چند اتم از یک گاز هم عکس‌العمل نشان می دهند.

 

انواع نانو حسگرها:

نانوحسگرها براساس نوع ساختارشان به سه دسته ی نقاط کوانتومی ، نانولوله های کربنی و نانوابزارها تقسیم بندی می شوند:

1. استفاده از نقاط کوانتومی درتولید نانو حسگرها:

نقاط کوانتومی به عنوان بلورهای نیمه هادی کوچک تعریف می شوند. با کنترل ابعاد نقاط کوانتومی، میدان الکترومغناطیسی نور را دررنگها و طول موجهای مختلف، منتشرمی کند. به عنوان مثال، نقاط کوانتومی از جنس آرسنیدکادمیوم با ابعاد 3 نانومتر نور سبز منتشر می کند؛ درحالی که ذراتی به بزرگی 5/5 نانومتر از همان ماده نور قرمز منتشرمی کند. به دلیل قابلیت تولید نور در طول موجهای خاص نقاط کوانتومی ، این بلورهای ریز در ادوات نوری به کارمی روند. دراین عرصه از نقاط کوانتومی در ساخت آشکارسازهای مادون قرمز، دیودهای انتشار دهنده ی نورمی توان استفاده نمود. آشکارسازهای مادون قرمز از اهمیت فوق العاده ای برخوردارند. مشکل اصلی این آشکارسازها مسئله ی خنک سازی آنهاست. برای خنک سازی این آشکارسازها از اکسیژن مایع وخنک سازی الکترونیکی استفاده می شود. این آشکارسازها برای عملکرد صحیح باید دردماهای بسیار پائین، نزدیک به 80 درجه کلوین کارکنند، بنابراین قابل استفاده در دمای اتاق نیستند، درصورتی که از آشکارسازهای ساخته شده با استفاده از نقاط کوانتومی می توان به راحتی در دمای اتاق استفاده کرد.

 

2. استفاده ازنانولوله ها درتولید نانوحسگرها:

نانو لوله های کربنی تک دیواره و چند دیواره به علت داشتن خواص مکانیکی و الکترونیکی منحصر به فردشان کاربردهای متنوعی پیدا کردند که از جمله می توان به استفاده از آنها به عنوان حسگرهایی با دقت بسیار بالا برای تشخیص مواد در غلظتهای بسیار پائین و با سرعت بالا اشاره کرد.

 

به طورکلی کاربرد نانو لوله ها در حسگرها را می توان به دو دسته تقسیم کرد:

الف ) نانولوله های کربنی به عنوان حسگرهای شیمیایی:

این حسگرها می توانند دردمای اتاق غلظتهای بسیارکوچکی از مولکولهای گازی با حساسیت بسیاربالا را آشکارسازی کنند. حسگرهای شیمیایی شامل مجموعه ای از نانولوله های تک دیواره هستند و میتوانند مواد شیمیایی مانند دی اکسید نیتروژن ( NO2 ) وآمونیاک ( NH3 ) را آشکارکنند. هدایت الکتریکی یک نانولوله نیمه هادی تک دیواره که درمجاورت ppm200 از NO2 قرارداده می شود، می تواند در مدت چند ثانیه تا سه برابر افزایش یابد و به ازای اضافه کردن فقط 2% NH3 هدایت دو برابر خواهد شد. حسگرهای تهیه شده ازنانولوله های تک دیواره دارای حساسیت بالایی بوده ودردمای اتاق هم زمان واکنش سریعی دارند. این خصوصیات نتایج مهمی درکاربردهای تشخیصی دارند.

ب) نانولوله های کربنی به عنوان حسگرهای مکانیکی:

هنگامی که یک نانولوله توسط جسمی به سمت بالا یا پائین حرکت می کند، هدایت الکتریکی آن تغییر می یابد. این تغییر در هدایت الکتریکی، با تغییر شکل مکانیکی نانولوله کاملا ً متناسب است. این اندازه گیری به وضوح امکان استفاده از نانولوله ها را به عنوان حسگرهای مکانیکی نشان می دهد. یا می توان با استفاده از مواد واسط مانند پلیمرها در فاصله ی میان نانولوله های کربنی وسیستم، نانولوله های کربنی را برای ساخت بیوحسگرها توسعه داد. شبیه سازی های دینامیکی نشان می دهد که برخی پلیمرها مانند پلی اتیلن می توانند به صورت شیمیایی با نانولوله کربنی پیوند یابند. همچنین مولکول بنزن نیز می تواند به وسیله ی پیوندهای واندروالس روی نانولوله ی کربنی جذب شود. این تحقیقات کاربردهای بسیار متنوع و وسیع نانولوله ها ی کربنی را نشان می دهد. تحقیق دراین زمینه هنوزدرحال توسعه وپیشرفت است ومطمئنا ً درآینده ای نه چندان دور شاهد به کارگیری آنها درابزارها و صنایع مختلف خواهیم بود.

 

3. استفاده ازنانو ابزارها درتولید نانوحسگرها:

با استفاده از این حسگرها شناسایی مقادیر بسیار کم آلودگی شیمیایی یا ویروس و باکتری در سامانه ی کشاورزی وغذایی ممکن است. تحقیقات درزمینه ی نانوابزارها جزء پژوهشهای علمی به روز دنیاست.

 

نانو حسگرها و کنترل آلودگی هوا:

یکی از نیازهای مهم و اساسی در ارتباط با کنترل آلودگی محیط زیست، پایش مستمرآلودگی هواست. با استفاده از نانوحسگرها پیشرفت مؤثری در زمینه ی کنترل آلودگی هوا صورت گرفته است. یکی از این راهکارها اختراع غبارهای هوشمند می باشد. غبارهای هوشمند مجموعه ای از حسگرهای پیشرفته به صورت نانو رایانه های بسیارسبک هستند که به راحتی ساعتها درهوا معلق باقی می مانند. این ذرات بسیار ریز از سیلیکون ساخته می شوند و می توانند ازطریق بی سیم موجود درخود اطلاعات موجود در خود را به یک پایگاه مرکزی منتقل کنند. سرعت این انتقال حدود یک کیلوبایت در ثانیه است. هم چنین حسگرهایی از جنس نانولوله های تک لایه ساخته شده اند که می توانند مولکولهای گازهای سمی را جذب کنند و همچنین آنها قادر به شناسایی تعداد معدودی از گازهای مهلک موجود درمحیط هستند. محققان معتقدند این نانوحسگرها برای شناسایی گازهای بیوشیمیایی جنگی و آلاینده های هوا کاربرد خواهند داشت.

منبع : متن از shimi.blogfa.com

[EN-EZEL 13,039]

محلولهای مغناطیسی نانو

Ferro fluid

طبقه بندی : نانو تکنولوژی - مقالات

محلول‌های مغناطیسی یکی از شاخه‌های فناوری نانو است که کمتر از دیگر شاخه‌های نانو به آن پرداخته شده‌است، ولی به تازگی کاربردهای جدیدی برای آن یافت شده است.

محلول‌های مغناطیسی (Ferro fluid) از ذرات بسیار ریز کلوییدی ( درحدود۱۰۰ - ۱۰ نانومتر ( m ۹- ۱۰) ) از جنس فلزاتی که خاصیت مغناطیسی دارند(مانند آهن و کبالت) به حالت سوسپانسیون در مایعی ، ساخته میشوند . پخش‌ کردن ذرات در مایع را می توان به کمک یک واکنش شیمیایی انجام ‌داد. ذرات پخش شده در مایع به علت ریز بودن به صورت کلوئیدی هستند ولی پس از گذشت مدت زمان نسبتاً کوتاهی به هم پیوسته و ذرات بزرگتری را تشکیل می‌دهند ، که در ا ین صورت حالت کلوییدی آن از بین رفته ، ذرات در محلول ته ‌نشین شده و خاصیت مغناطیسی خود را از دست می دهند .

هر قدر که ذرات ریزتر باشند ، محلول خاصیت مغناطیسی بهتری از خود نشان می‌دهد. به این علت است که در هنگام تولید ، موادی با نام ” سورفاکتانت ” به محلول اضافه می‌شود که روی دیواره‌های آن را می پوشاند و مانع از به هم پیوستن و بزرگ شدن ذرات می‌شود و ذرات با گذشت زمان خاصیت خود را از دست نمی‌دهند.

 

سورفکتانت ها :

کلمه سورفکتانت مخلوطی از “Surface active agent “ می باشد . سورفکتانتها معمولا ترکیباتی آلی هستند که دارای گروههای آبدوست که نقش دم و دنباله را دارد و گروههای آبگریز که نقش سر را دارد می باشند بنابراین معمولا به طور ناچیز در آب و حلالهای آلی حل می شوند.

وجود طبیعت دوگانه سبب ویژگیهای خاصی در این مولکول ها می شود به طوریکه می توانند در آب حل شده و در سطح مشترک آب – هوا یا بین دو سطح از دوفاز مختلف تجمع یافته و سبب کاهش کشش سطحی شوند. به طور نمونه در مورد بالاسورفکتانت ها ، از یکی از دو سرشان به کلویید متصل شده و از سر دیگر به محلول نزدیک اند، بنابراین سرهایی که در محلول قرار دارند همنام بوده و سبب دافعه بین کلوییدها می شود . در نتیجه از تجمع و به هم پیوستن آنها ممانعت نموده و محلول خاصیت مغناطیسی خود را حفظ می کند.

سورفکتانتها نقش مهمی در بسیاری از کاربرد ها عملی و محصولات بازی میکند مثلا : شونده ها - امولسیون کننده ها - جوهر سازی - کف سازی و ….سورفکتانتها معمولا بوسیله گروههای باردار تقسیم بندی می شوند . سورفکتانتهای غیریونی در قسمت سر خود بی بار هستند. اگر بار منفی باشد سورفکتانت آنیونی و اگر مثبت بود سورفکتانت کاتیونی داریم .. گاهی قسمت سر دارای هر دو بار منفی و مثبت است که به آن آمفوتریک گوئیم .

یک Ferro fluid معمولی ، از %۵ جامد مغناطیسی ، %۱۰ سورفاکتانت و % ۸۵ مایع تشکیل شده است. در عصر حاضر نانو تکنولوژی خدمت بسیاری به بشر کرده‌است . در شیمی ، در فیزیک و . . . همچنین در زمینه‌های پزشکی که با ساخت وسایل گوناگون در زمینه‌ی درمان ، انسانها را یاری کرده‌ است . نظریا تی وجود دارد مبنی بر اینکه به کمک این محلول می ‌توان کپسولهایی ساخت و دا روهایی را که برای بخشی از بدن مضر و برای بخشی دیگر مفید است ، به راحتی به محل مورد نظر برسانیم . با این روش که کپسولهایی از این جنس را پراز داروی مورد نظر کنیم و به وسیله‌ی آهنربا به محل مورد نظر برسانیم و در آنجا آنرا تخلیه کنیم .

در چند ساله‌ی اخیر دانشمندان به این عقیده رسیده‌اند که به کمک وارد کردن ا ین محلول به بدن می‌توان سلولهای سرطانی و یا ویروسها ( مثلا ایدز) را از بدن خارج کرد، به صورتی که ا ین ماده آنتی بادی (Anti body) موجود در خون را ( به وسیله بار مثبت آنها ) جذب کرده و آنتی بادی ها هم ویروسها را جذب میکنند که با خارج کردن Ferro fluid به وسیله آهنربا میتوان ویروسها را خارج کرد. ولی متأسفانه هنوز به مرحله‌ی عملی نرسیده‌است.

به غیر از استفاده‌های پزشکی ذکر شده در بالا استفاده‌های صنعتی هم برای این ماده ذکر شده‌است. مثلا در چیپهای مخصوص برای حرکت دا دن یک سیال مشکلاتی وجود دارد چون موتورهایی در آن اندازه‌ی ریز وجود ندارد و اگر هم وجود دارد بسیار پرهزینه است. اما با اضافه کردن مقداری از ا ین محلول به آن سیال می‌توان با نیروی مغناطیسی آن سیال را به حرکت در آورد. مورد دیگر استفاده از این ماده در بلند گو های پر قدرت است .این محلول خاصیت خود را در دماهای بالا ، مثلا در °C ۲۰۰ یا در دماهای پایین ، مثلا در °C ۵۰- و یا در برابر امواج هسته ای حفظ می کند .

 

منبع : متن از academist.ir

[EN-EZEL 13,039]

محلولهای مغناطیسی نانو

Ferro fluid

طبقه بندی : نانو تکنولوژی - مقالات

محلول‌های مغناطیسی یکی از شاخه‌های فناوری نانو است که کمتر از دیگر شاخه‌های نانو به آن پرداخته شده‌است، ولی به تازگی کاربردهای جدیدی برای آن یافت شده است.محلول‌های مغناطیسی (Ferro fluid) از ذرات بسیار ریز کلوییدی ( درحدود۱۰۰ - ۱۰ نانومتر ( m ۹- ۱۰) ) از جنس فلزاتی که خاصیت مغناطیسی دارند(مانند آهن و کبالت) به حالت سوسپانسیون در مایعی ، ساخته میشوند . پخش‌ کردن ذرات در مایع را می توان به کمک یک واکنش شیمیایی انجام ‌داد.

ذرات پخش شده در مایع به علت ریز بودن به صورت کلوئیدی هستند ولی پس از گذشت مدت زمان نسبتاً کوتاهی به هم پیوسته و ذرات بزرگتری را تشکیل می‌دهند ، که در ا ین صورت حالت کلوییدی آن از بین رفته ، ذرات در محلول ته ‌نشین شده و خاصیت مغناطیسی خود را از دست می دهند .هر قدر که ذرات ریزتر باشند ، محلول خاصیت مغناطیسی بهتری از خود نشان می‌دهد. به این علت است که در هنگام تولید ، موادی با نام ” سورفاکتانت ” به محلول اضافه می‌شود که روی دیواره‌های آن را می پوشاند و مانع از به هم پیوستن و بزرگ شدن ذرات می‌شود و ذرات با گذشت زمان خاصیت خود را از دست نمی‌دهند. سورفکتانت ها :کلمه سورفکتانت مخلوطی از “Surface active agent “ می باشد . سورفکتانتها معمولا ترکیباتی آلی هستند که دارای گروههای آبدوست که نقش دم و دنباله را دارد و گروههای آبگریز که نقش سر را دارد می باشند.

بنابراین معمولا به طور ناچیز در آب و حلالهای آلی حل می شوند.وجود طبیعت دوگانه سبب ویژگیهای خاصی در این مولکول ها می شود به طوریکه می توانند در آب حل شده و در سطح مشترک آب – هوا یا بین دو سطح از دوفاز مختلف تجمع یافته و سبب کاهش کشش سطحی شوند. به طور نمونه در مورد بالاسورفکتانت ها ، از یکی از دو سرشان به کلویید متصل شده و از سر دیگر به محلول نزدیک اند، بنابراین سرهایی که در محلول قرار دارند همنام بوده و سبب دافعه بین کلوییدها می شود . در نتیجه از تجمع و به هم پیوستن آنها ممانعت نموده و محلول خاصیت مغناطیسی خود را حفظ می کند.

سورفکتانتها نقش مهمی در بسیاری از کاربرد ها عملی و محصولات بازی میکند مثلا : شونده ها - امولسیون کننده ها - جوهر سازی - کف سازی و ….سورفکتانتها معمولا بوسیله گروههای باردار تقسیم بندی می شوند . سورفکتانتهای غیریونی در قسمت سر خود بی بار هستند. اگر بار منفی باشد سورفکتانت آنیونی و اگر مثبت بود سورفکتانت کاتیونی داریم .. گاهی قسمت سر دارای هر دو بار منفی و مثبت است که به آن آمفوتریک گوئیم . یک Ferro fluid معمولی ، از %۵ جامد مغناطیسی ، %۱۰ سورفاکتانت و % ۸۵ مایع تشکیل شده است. در عصر حاضر نانو تکنولوژی خدمت بسیاری به بشر کرده‌است . در شیمی ، در فیزیک و . . . همچنین در زمینه‌های پزشکی که با ساخت وسایل گوناگون در زمینه‌ی درمان ، انسانها را یاری کرده‌ است . نظریا تی وجود دارد مبنی بر اینکه به کمک این محلول می ‌توان کپسولهایی ساخت و دا روهایی را که برای بخشی از بدن مضر و برای بخشی دیگر مفید است ، به راحتی به محل مورد نظر برسانیم .

با این روش که کپسولهایی از این جنس را پراز داروی مورد نظر کنیم و به وسیله‌ی آهنربا به محل مورد نظر برسانیم و در آنجا آنرا تخلیه کنیم .در چند ساله‌ی اخیر دانشمندان به این عقیده رسیده‌اند که به کمک وارد کردن ا ین محلول به بدن می‌توان سلولهای سرطانی و یا ویروسها ( مثلا ایدز) را از بدن خارج کرد، به صورتی که ا ین ماده آنتی بادی (Anti body) موجود در خون را ( به وسیله بار مثبت آنها ) جذب کرده و آنتی بادی ها هم ویروسها را جذب میکنند که با خارج کردن Ferro fluid به وسیله آهنربا میتوان ویروسها را خارج کرد. ولی متأسفانه هنوز به مرحله‌ی عملی نرسیده‌است.به غیر از استفاده‌های پزشکی ذکر شده در بالا استفاده‌های صنعتی هم برای این ماده ذکر شده‌است. مثلا در چیپهای مخصوص برای حرکت دا دن یک سیال مشکلاتی وجود دارد چون موتورهایی در آن اندازه‌ی ریز وجود ندارد و اگر هم وجود دارد بسیار پرهزینه است. اما با اضافه کردن مقداری از ا ین محلول به آن سیال می‌توان با نیروی مغناطیسی آن سیال را به حرکت در آورد. مورد دیگر استفاده از این ماده در بلند گو های پر قدرت است .این محلول خاصیت خود را در دماهای بالا ، مثلا در °C ۲۰۰ یا در دماهای پایین ، مثلا در °C ۵۰- و یا در برابر امواج هسته ای حفظ می کند .

[EN-EZEL 13,039]

کاربرد فناوری نانو در صنعت لاستیک

طبقه بندی : نانو - مقالات

پیشگفتار

تاكنون در دنیا در صنایع پلیمری تحقیقات بسیار زیادی انجام شده است. از جمله آنها تحقیقات در زمینه فناوری نانو در صنعت لاستیك است. موارد استفاده از فناوری نانو اعم از نانوفیلرها و نانوكامپوزیت است كه به لاستیكها خواص ویژه ای می دهد.

بازار نانوكامپوزیت در 2005 به میزان 200 بیلیون یورو و در سال 2015 بر اساس آمارBSF به میزان 1200 بیلیون یورو پیش بینی شده است. در سال 2002 كشوری مثل ژاپن 1500 میلیون یورو در تحقیقات در زمینه فناوری نانو صرف كرده است. تحقیقات در زمینه فناوری نانو را بدون شك نمی توانیم رها كنیم. اكثر كشورهای دنیا تحقیقات و فعالیت در زمینه نانو را شروع كرده است، به عنوان مثال كشور هند تولید نانوكامپوزیت SBR را شروع كرده است.

همچنین صنایع خودرو در دنیا به سمت استفاده از نانو) PP نانوپلی پروپیلن( سوق پیدا كرده است و علت اصلی آن خواص مناسب از جمله سبكی، مقاومت حرارتی و مقاومت ضربه اینگونه مواد است. بنابراین رسیدن به خواص مطلوب ضرورت توجه به آن را بیش از هرچیز دیگر برای ما نمایان می سازد.

 

مقدمه (کاربردهای فناوری نانو در صنعت لاستیک):

با توجه به تحقیقات به عمل آمده چهار ماده نانومتری هستند كه كاربرد فراوانی در صنعت لاستیك سازی پیدا كرده اند. چهار ماده موردنظر عبارتنداز : اكسیدروی نانومتری(NanoZnO)، نانوكربنات كلسیم، الماس نانومتری، ذرات نانومتری خاك رس.

با اضافه كردن این مواد به تركیبات لاستیك، به دلیل پیوندهایی كه در مقیاس اتمی بین این مواد و تركیبات لاستیك صورت می گیرد، علاوه بر این كه خواص فیزیكی آنها بهبود می یابد، می توان به افزایش مقاومت سایش، افزایش استحكام، بهبود خاصیت مكانیكی، افزایش حد پارگی و حد شكستگی اشاره كرد.در زیبایی ظاهری لاستیك نیز تاثیر گذاشته و باعث لطافت، همواری، صافی و ظرافت شكل ظاهری لاستیك می گردد. همه اینها به نوبه خود باعث می شود كه محصولات نهایی، مرغوبتر، با كیفیت بالا، زیبایی و در نهایت بازارپسند باشند و توانایی رقابت در بازارهای داخلی و جهانی را داشته باشند.

 

كاربرد اكسیدروی نانومتری (NanoZnO) درلاستیك:

اكسیدروی نانومتری مادهای غیرآلی و فعال است كه كاربرد گسترده ای در صنعت لاستیك سازی دارد.كوچكی كریستالها و خاصیت غیرچسبندگی آنها باعث شده كه اكسیدروی نانومتری به صورت پودرهای زردرنگ كروی و متخلخل باشد.

از خصوصیات استفاده از این تكنولوژی در صنعت لاستیك، می توان به پایین آمدن هزینه ها، بازدهی بالا، ولكانیزاسیون(Volcanization) خیلی سریع و هوشمند و دامنه دمایی گسترده اشاره كرد.

اثرات سطحی و فعالیت بالای اكسیدروی نانومتری ناشی از اندازة بسیار كوچك، سطح موثر خیلی زیاد وكشسانی خوب آن است.

استفاده از اكسید روی نانومتری در لاستیك باعث بهبود خواص آن میشود از جمله میتوان به زیبایی و ظرافت بخشیدن به آن، صافی و همواری شكل ظاهری، افزایش استحكام مكانیكی لاستیك، افزایش مقاومت سایشی (خاصیت ضد اصطكاكی و سایش)، پایداری دمایی بالا، طول عمر زیاد و همچنین افزایش حد پارگی تركیبات لاستیك اشاره كرد كه همگی اینها بصورت تجربی ثابت شده است.

براساس نتایج بدست آمده میتوان نتیجه گرفت بهبود یافتن خواص فیزیكی لاستیك در اثر اضافه شدن ZnO ناشی از پیوند ساختار نانومتری اكسید روی با مولكولهای لاستیك است كه در مقیاس اتمی صورت می گیرد.

اكسید روی نانومتری در مقایسه با اكسید روی معمولی دارای اندازة بسیار كوچك ولی در عوض دارای سطح موثر بسیار زیادی می باشد. از لحاظ شیمیایی بسیار فعال و همچنین به دلیل اینكه پیوندهای بین اكسیدروی نانومتری و لاستیك در مقیاس مولكولی انجام می گیرد، استفاده از اكسیدروی نانومتری خواص فیزیكی و خواص مكانیكی از قبیل حد پارگی، مقاومت سایشی و ... تركیبات لاستیك را بهبود می بخشد.

 

كاربرد نانوكربنات كلسیم در لاستیك:

نانوكربنات كلسیم به طور گسترده ای در صنایع لاسیتك به كار می رود، زیرا اثرات خیلی خوبی نسبت به كربنات معمولی بر روی خواص و كیفیت لاستیك دارد.

استفاده از نانوكربنات كلسیم در صنایع لاستیك باعث بهبود كیفیت و خواص تركیبات لاستیك می شود. از جمله مزایای استفاده از نانوكربنات كلسیم می توان به توانایی تولید در مقیاس زیاد، افزایش استحكام لاستیك، بهبود بخشیدن خواص مكانیكی )افزایش استحكام مكانیكی) و انعطاف پذیر شدن تركیبات لاستیك اشاره كرد. همچنین علاوه بر بهبود خواص فیزیكی، تركیبات لاستیك در شكل ظاهری آنها نیز تاثیر می گذارد و به آنها زیبایی و ظرافت می بخشد كه این خود در مرغوبیت كالا و بازارپسند بودن آن تاثیر بسزایی دارد.

نانوكربنات كلسیم سبك بیشتر در پلاستیك و پوشش دهی لاستیك به كار میرود.

برای به دست آوردن مزایای ذكر شده، نانوكربنات كلسیم به لاستیكهای طبیعی و مصنوعی از قبیلNP، EPDM ،SBS ،BR ،SBR اضافه می گردد. نتایج به دست آمده نشان می دهد كه استحكام لاستیك بسیار بالا می رود.

استحكام بخشی نانوكربنات كلسیم برخواسته از پیچیدگی فیزیكی ناشی از پیوستگی در پلیمرهای آن و واكنشهای شیمیایی ناشی از سطح تعمیم یافته آن است.

نانوكربنات كلسیم سختی لاستیك و حد گسیختگی پلیمرهای لاستیك را افزایش داده و حداكثر توانی كه لاستیك می تواند تحمل كند تا پاره شود را بهبود می بخشد. همچنین مقاومت لاستیك را در برابر سایش افزایش می دهد.

به كار بردن نانوكربنات كلسیم هزینه ها را پایین می آورد و سود زیادی را به همراه دارد و همچنین باعث به روز شدن تكنولوژی و توانائی رقابت در عرصه جهانی می گردد.

به طور كلی نانوكربنات كلسیم در موارد زیادی به طور كلی یا جرئی به تركیبات لاستیك جهت افزایش استحكام آنها افزوده می شود.

 

كاربرد ساختارهای نانومتری الماس در لاستیك:

الماس نانومتری به طور گسترده ای در كامپوزیت ها و از جمله لاستیك در مواد ضد اصطكاك، مواد لیزكننده به كار می رود. این ساختارهای نانومتری الماس از روش احتراق تولید می شوند كه دارای خواص برجسته ای هستند از جمله می توان به موارد زیر اشاره كرد:

1) ساختار كریستالی( بلوری)

2) سطح شیمیایی كاملا ناپایدار

3) شكل كاملا كروی

4) ساختمان شیمیایی بسیار محكم

5) فعالیت جذب سطحی بسیار بالا

در روسیه، الماس نانومتری با درصدهای مختلف به لاستیك طبیعی ، Poly Soprene Rubber و FluorineRubber برای ساخت لاستیك هایی كه در صنعت كاربرد دارند از قبیل كاربرد در تایر اتومبیل، لوله های انتقال آب و ... مورد استفاده قرار می گیرد. نتایج به دست آمده نشان می دهد كه با اضافه كردن ساختارهای نانومتری الماس به لاستیك ها خواص آنها به شكل قابل توجهی بهبود می یابد از جمله می توان به :

1) 4 الی 5 برابر شدن خاصیت انعطاف پذیری لاستیك

2) افزیش 2 الی 5/2 برابری درجه استحكام

3) افزایش حد شكستگی تا حدود 2 Kg/cm700-620

4) 3 برابر شدن قدرت بریده شدن آنها

و همچنین به اندازة خیلی زیادی خاصیت ضدپارگی آنها در دمای بالا و پایین بهبود می یابد.

 

كاربرد ذرات نانومتری خاك رس در لاستیك:

یكی از مواد نانومتری كه كاربردهای تجاری گسترده ای در صنعت لاستیك پیدا كرده است و اكنون شركت های بزرگ لاستیك سازی بطور گسترده ای از آن در محصولات خود استفاده می كنند، ذرات نانومتری خاك رس است كه با افزودن آن به لاستیك خواص آن بطور قابل ملاحظه ای بهبود پیدا می كند كه از جمله می توان به موارد زیر اشاره كرد :

1) افزایش مقاومت لاستیك در برابر سایش

2) افزایش استحكام مكانیكی

3) افزایش مقاومت گرمایی

4) كاهش قابلیت اشتعال

5) بهبود بخشیدن اعوجاج گرمایی

 

ایده های مطرح شده:

1-7)افزایش دمای اشتعال لاستیك : تهیه نانوكامپوزیت الاستومرها از جملهSBR مقاوم، به عنوان مواد پایه در لاستیك سبب بهبود برخی خواص از جمله افزایش دمای اشتعال و استحكام مكانیكی بالامی شود و دلیل اصلی آن حذف مقدار زیادی از دوده است.

2-7)كاهش وزن لاستیك : تهیه و بهینه سازی نانوكامپوزیت الاستومرها با وزن كم از طریق جایگزین كردن این مواد با دوده در لاستیك، امكان حذف درصد قابل توجهی دوده توسط درصد بسیار كم از نانوفیلر وجود دارد. بطوریكه افزودن حدود 3 تا 5 درصد نانوفیلر می تواند استحكام مكانیكی معادل 40 تا 45 درصد دوده را ایجاد كند. بنابراین با افزودن 3 تا 5 درصد نانوفیلر به لاستیك، وزن آن به مقدار قابل توجهی كاهش می یابد.

3-7)افزایش مقاومت در مقابل نفوذپذیری گاز : نانوكامپوزیت الاستومرها بویژه EPDM بدلیل دارا بودن ضریب عبوردهی كم نسبت به گازها بویژه هوا می توانند در پوشش داخلی تایر و تیوب ها مورد استفاده قرار می گیرد. زیرا یكی از ویژگیهای نانوكامپوزیت EPDM مقاومت بسیار بالای آن در برابر نفوذ و عبور گازها می باشد. بنابراین این نانوكامپوزیت ها می تواند جایگزین مواد امروزی گردد. همچنین این نانوكامپوزیت ها از جمله الاستومرهایی است كه می تواند در آلیاژهای مختلف با ترموپلاستیكها كاربردهای وسیعی را در صنعت خوردو داشته باشد.

4-7)قطعات لاستیكی خودرو : نانوكامپوزیت ترموپلاست الاستومرها می تواند به عنوان یك ماده پرمصرف در صنایع ساخت و تولید قطعات خوردو بكار رود. از ویژگی های این مواد، بالا بودن مدول بالا ، مقاومت حرارتی، پایداری ابعاد، وزن كم، مقاومت شعله می باشد. لذا نانوكامپوزیت ترموپلاستیك الاستومرهای پایهEPDM و PP می توانند تحول چشمگیری را در ساخت قطعات خوردو ایجاد نماید.

5-7)افزایش مقاومت سایشی لاستیك : استفاده از نانوسیلیكا و نانواكسیدروی در تركیبات تایر سبب تحول عظیمی در صنعت لاستیك می شود. بطوریكه با افزودن این مواد به لاستیك علاوه بر خواصی ویژه ای كه این مواد به لاستیك می دهند، امكان افزایش مقاومت سایشی این لاستیكها وجود دارد.

6-7)نسبت وزن تایر به عمر آن : با افزودن میزان مصرف یكی از نانوفیلرها می توان مصرف دوده را پایین آورد. به عبارت دیگر اگر وزن تایر كم شود، عمر لاستیك افزایش می یابد. بنابراین جهت بالا بردن عمرلاستیك كافی است با افزودن یك سری مواد نانومتری به لاستیك عمر آن را افزایش داد.

 

 

منبع : انجمن مهندسی شیمی بیرجند

[EN-EZEL 13,039]

فناوری نانو

Nanotechnology

طبقه بندی : نانو تکنولوژی - مقالات

پزشکی و بدن انسان:

رفتار مولکولی در مقیاس نانومتر، سیستم‌های زنده را اداره می‌کند. یعنی مقیاسی که شیمی، فیزیک، زیست‌شناسی و شبیه‌سازی کامپیوتری، همگی به آن سمت درحال گرایش هستند.

* فراتر از سهل‌شدن استفاده بهینه از دارو، نانوتکنولوژی می‌تواند فرمولاسیون و مسیرهایی برای رهایش دارو(Drug Delivery) تهیه کند، که به‌نحو حیرت‌انگیزی توان درمانی داروها را افزایش می‌دهد.

 

* مواد زیست‌سازگار با کارآیی بالا، از توانایی بشر در کنترل نانوساختارها حاصل خواهدشد. نانومواد سنتزی معدنی و آلی را مثل اجزای فعّال، می‌توان برای اعمال نقش تشخیصی(مثل ذرات کوانتومی که برای مریی‌سازی بکار می‌رود) درون سلو‌ل‌ها وارد نمود.

* افزایش توان محاسباتی به‌وسیله نانوتکنولوژی، ترسیم وضعیت شبکه‌های ماکرومولکولی را در محیط‌های واقعی ممکن می‌سازد. اینگونه شبیه‌سازی‌ها برای بهبود قطعات کاشته‌شده زیست‌سازگار در بدن و جهت فرآیند کشف دارو، الزامی خواهدبود.

۱. دوام‌پذیری منابع: کشاورزی، آب، انرژی، مواد و محیط زیست پاک:

نانوتکنولوژی منجر به تغییراتی شگرف در استفاده از منابع طبیعی، انرژی و آب خواهد شد و پساب و آلودگی را کاهش خواهدداد. همچنین فنّاوری‌های جدید، امکان بازیافت و استفاده مجدد از مواد، انرژی و آب را فراهم خواهند کرد. در زمینه محیط زیست، علوم و مهندسی نانو، می‌تواند تأثیر قابل ملاحظه‌ای در درک مولکولی فرآیندهای مقیاس نانو که در طبیعت رخ می‌دهد؛ در ایجاد و درمان مسایل زیست‌محیطی از طریق کنترل انتشار آلاینده‌ها؛ در توسعه فنّاوری‌های “سبز” جدید که محصولات جانبی ناخواسته کمتری دارند و یا در جریانات و مناطق حاوی فاضلاب، داشته‌باشد. لازم به ذکراست، نانوتکنولوژی توان حذف آلودگی‌های کوچک از منابع آبی (کمتر از ۲۰۰ نانومتر) و هوا (زیر ۲۰ نانومتر) و اندازه‌گیری و تخفیف مداوم آلودگی در مناطق بزرگ‌تر را دارد.

در زمینه انرژی، نانوتکنولوژی می‌تواند به‌طور قابل ملاحظه‌ای کارآیی، ذخیره‌سازی و تولید انرژی را تحت تأثیر قرار داده مصرف انرژی را پایین بیاورد. به عنوان مثال، شرکت‌های مواد شیمیایی، مواد پلیمری تقویت‌شده با نانوذرات را ساخته‌اند که می‌تواند جایگزین اجزای فلزی بدنه اتومبیل‌ها شود. استفاده گسترده از این نانوکامپوزیت‌ها می‌تواند سالیانه ۵٬۱ میلیارد لیتر صرفه‌جویی مصرف بنزین به ‌همراه داشته‌باشد.

همچنین انتظار می‌رود تغییرات عمده‌ای در فنّاوری روشنایی در ۱۰ سال آینده رخ دهد. می‌توان نیمه‌هادی‌های مورد استفاده در دیودهای نورانی(LED ها) را به مقدار زیاد در ابعاد نانو تولید کرد. در امریکا، تقریبا” ۲۰% کل برق تولیدی، صرف روشنایی(چه لامپ‌های التهابی معمولی و چه فلویورسنت) می‌شود. مطابق پیش‌بینی‌ها در ۱۰ تا ۱۵ سال آینده، پیشرفت‌هایی از این دست می‌تواند مصرف جهانی را بیش از ۱۰% کاهش دهد که ۱۰۰ میلیارد دلار در سال صرفه‌جویی و ۲۰۰ میلیون تن کاهش انتشار کربن را به‌همراه خواهدداشت.

 

هوا و فضا:

محدودیت‌های شدید سوخت برای حمل بار به مدار زمین و ماورای آن، و علاقه به فرستادن فضاپیما برای مأموریت‌های طولانی به مناطق دور از خورشید، کاهش مداوم اندازه، وزن و توان مصرفی را اجتناب‌ناپذیر می‌سازد. مواد و ابزارآلات نانوساختاری، امید حل این مشکل را بوجود آورده‌است.

“نانوساختن”(Nanofabrication) همچنین در طرّاحی و ساخت مواد سبک‌وزن، پرقدرت و مقاوم در برابر حرارت، موردنیاز برای هواپیماها، راکت‌ها، ایستگاههای فضایی و سکّوهای اکتشافی سیّاره‌ای یا خورشیدی، تعیین‌کننده است. همچنین استفاده روزافزون از سیستم‌های کوچک‌شده تمام خودکار، منجر به پیشرفت‌های شگرفی در فنّاوری ساخت و تولید خواهدشد. این مسأله با توجه به اینکه محیط فضا، نیروی جاذبه کم و خلأ بالا دارد، موجب توسعه نانوساختارها و سیستم‌های نانو –که ساخت آنها در زمین ممکن نیست- در فضا خواهدشد.

 

امنیت ملّی:

برخی کاربردهای دفاعی نانوتکنولوژی عبارت‌اند از: تسلط اطّلاعاتی از طریق نانوالکترونیک پیشرفته به‌عنوان یک قابلیت مهم نظامی، امکان آموزش مؤثّرتر نیرو، به کمک سیستم‌های واقعیت مجازی پیچیده‌تر حاصله از الکترونیک نانوساختاری، استفاده بیشتر از اتوماسیون و رباتیک پیشرفته برای جبران کاهش نیروی انسانی نظامی، کاهش خطر برای سربازان و بهبود کارآیی خودروهای نظامی، دستیابی به کارآیی بالاتر(وزن کمتر و قدرت بیشتر) موردنیاز در صحنه‌های نظامی و در عین‌حال تعداد دفعات نقص فنّی کمتر و هزینه کمتر در عمر کاری تجهیزات نظامی، پیشرفت در امر شناسایی و در نتیجه مراقبت عوامل شیمیایی، زیستی و هسته‌ای، بهبود طرّاحی در سیستم‌های مورد استفاده در کنترل و مدیریت عدم تکثیر سلاح‌های هسته‌ای، تلفیق ابزارهای نانو و میکرومکانیکی جهت کنترل سیستم‌های دفاع هسته‌ای. در بسیاری موارد، فرصت‌های اقتصادی و نظامی مکمّل هم هستند. کاربردهای دراز مدت نانوتکنولوژی در زمینه‌های دیگر، پشتیبانی کننده امنیت ملّی است و بالعکس.

 

کاربرد نانوتکنولوژی در صنعت الکترونیک

ذخیره‌سازی اطلاعات در مقیاس فوق‌‌العاده کوچک: با استفاده از این فناوری می‌توان ظرفیت ذخیره‌سازی اطلاعات را در حد ۱۰۰۰ برابر یا بیشتر افزایش داد و نهایتاً به ساخت ابزارهای ابرمحاسباتی به کوچکی یک ساعت مچی منتهی شود. ظرفیت نهایی ذخیره اطلاعات به حدود یک ترابیت در هر اینچ مربع برسد، و این امر موجب ذخیره‌ سازی ۵۰ عدد DVD یا بیشتر در یک هارد دیسک با ابعاد یک کارت اعتباری می‌شود. ساخت تراشه‌ها در اندازههای فوقالعاده کوچک به‌عنوان مثال در اندازههای ۳۲ تا ۹۰ نانومتر، تولید دیسک‌های نوری ۱۰۰ گیگابایتی در اندازه‌های کوچک نیز میباشد.

 

شکل‌گیری بازارهای بسیار بزرگ

شواهد موجود نشان می‌دهد که درصد بالایی از بازارهای محصولات مختلف متکی بر نانوتکنولوژی خواهد بود و به همین دلیل دولت‌ها و شرکت‌های بزرگ و کوچک به دنبال کسب جایگاهی برای خود در این بازارها هستند. میهیل روکو، رییس کمیته علوم و فناوری نانو در ریاست‌جمهوری آمریکا طی مقاله‌ای در ماه می‌‌سال ۲۰۰۱، پتانسیل نانوتکنولوژی برای تغییر چشمگیر در اقتصاد جهانی را یادآوری نموده است. بر مبنای پیش‌بینی وی و بخش دیگری از صاحب‌نظران در ده الی ۱۵ سال آینده نانوتکنولوژی بازار نیمه‌هادی را به طور کامل تحت تأثیر قرار خواهد داد. خبرهایی نیز که اخیراً از شرکتهای اصلی سازنده پردازنده‌های کامپیوتر در آمریکا و ژاپن منتشر شده است، از ورود پردازنده‌های حاوی یک میلیارد نانوترانزیستور تا قبل از ۱۰ سال آینده حکایت دارد. به عنوان مثال شرکت اینتل اعلام نموده است که در سال ۲۰۰۷ پردازنده‌های متکی بر نانوترانزیستور را با قدرت و سرعت بسیار بیشتر و مصرف کمتر نسبت به آخرین دستاوردهای امروزی نیمه‌هادی‌ها وارد بازار خواهد کرد.

در بخش دارو نیز پیش‌بینی شده است تا ۱۰ الی ۱۵ سال آینده نیمی از این صنعت متکی بر نانوتکنولوژی خواهد بود که خود نیاز به وسایل تزریق جدید و آموزشهای پزشکی روزآمد خواهد داشت یا در مورد موادشیمیایی، فقط ذکر بازار ۱۰۰ میلیارد دلاری کاتالیست‌ها که تا ۱۰ سال آینده به طور کامل متکی بر کاتالیست‌های نانوساختاری خواهد بود، برای نشان دادن اهمیت بحث کافی است. از هم‌اکنون بازار بزرگی برای بکارگیری مواد جدید در محصولات فعلی در حال شکل‌گیری است. موادی که می‌توانند خواص جدید و فوق‌العاده‌ای به محصولات موجود بخشیده و موجب کاهش قیمت آنها شوند. به عنوان نمونه نانولوله‌های کربنی(Carbon NanoTubes) با وزن بسیار کمتر و استحکام بسیار بیشتر نسبت به موادی چون فولاد، بخش زیادی از صنایع را در آینده تحت تأثیر قرار خواهد داد.

در کنار این پیش‌بینی‌ها، این سؤال باید مطرح شود که جایگاه کشورهایی که به نانوتکنولوژی دسترسی ندارند، در بازارهای آینده و اقتصاد جهانی چه خواهد بود. با توجه به اینکه سهم هر کشور یا بنگاه در زمان شکل‌گیری یک بازار تثبیت می‌شود، زمان سرمایه‌گذاری برای رسیدن به جایگاه مناسب، همین امروز است.

 

شاخه‌های اصلی

در دسته‌بندی علوم نانویی، همچنان مسایل حل نشدهٔ زیادی وجود دارد. اما شاخه‌هایی که در زیر آورده شده‌اند، اساس نانو تکنولوژی را تشکیل می‌دهند:

* نانو روکش‌ها

* نانو مواد

o نانو پودرها

o نانو لوله‌ها(نانو تیوب‌ها)

o نانو کامپوزیت‌ها

* مهندسی مولکولی

o موتورهای مولکولی(نانو ماشین‌ها)

* نانو الکترونیک

o نانو سنسورها

o نانو ترانزیستورها

 

زمینه‌های کاربرد

علم مواد، شیمی و علوم مهندسی

منبع : academist.ir

[EN-EZEL 13,039]

نانو پزشكی

طبقه بندی : نانو تکنولوژی - مقالات

بدن انسان از ساختارهای مولكولی فعال و پیچیده ای ساخته شده است و زمانی كه این ساختارها دچار آسیب شوند، سلامتی انسان تهدید می شود .روشهای متفاوتی برای تشخیص بیماریها وجود دارند .به عنوان مثال یك پزشك می تواند از طریق سوالاتی كه از بیمار می پرسد یا عكس گرفته شده با اشعه X و یا جراحی ، به علل یك بیماری پی ببرد .پزشكان قادر به تشخیص بیماریهای مختلفی هستند ولی تاكنون بیماریهای بسیاری نیز ناشناخته و مرموز باقی مانده اند .شناخت یك بیماری به معنای داشتن اطلاعاتی كامل راجع به آن نیست .مثلا پزشكان می توانند قبل از اینكه در مورد نوع میكروب اطلاعاتی داشته باشند، عفونت را تشخیص دهند .بدون در نظر گرفتن درمانهایی از قبیل ماساژ دادن و پرتوافكنی ، جراحی و مصرف داروها دو نوع اصلی درمان هستند .

جراحی روشی مستقیم برای برطرف كردن ناراحتیهای بدن است كه امروزه توسط متخصصان مجرب و آموزش دیده انجام می شود .جراحان به منظور درمان ، برای برداشتن غدد سرطانی ، برطرف كردن انسداد رگها و حتی جایگزین كردن اعضای مختلف ، پوست و بافت بدن را برش می دهند .این روش می تواند خطرات بسیاری در برداشته باشد .به هوش نیامدن ، مقاومت بدن در برابر عضو جدید و از بین رفتن سلولها، نمونه ای از این خطرات هستند .جراحان كنترل دقیق بر عمل جراحی ندارند .بدن انسان توسط ماشینهای مولكولی كه اكثرا داخل سلولها هستند، فعالیت می كند .جراحان قادر به دیدن مولكولها و در نهایت ترمیم آنها نیستند .بنابراین علم كنونی قادر به درمان كامل بیماریها و یا حتی تشخیص بسیاری از بیماریها نیست .پزشكان همواره سعی كرده اند كه به بدن كمك كنند تا خود عمل درمان و التیام بخشی را انجام دهد .در ابتدا این عمل روند كندی داشت ولی با به كارگیری متدها و تجهیزات جدیدی كه امروزه وارد عرصه پزشكی شده اند، سرعت زیادی به خود گرفته است .در آینده ای نه چندان دور، بیماریهای مهلكی چون ایدز و سرطان ، قابل پیشگیری و درمان خواهند شد .اگر تصور چنین مساله ای برایتان غیر ممكن است ، به پیشرفتهای جهان پزشكی توجه كنید .در زمان قدیم تصور بریدن بدن انسان به وسیله كارد آن هم بدون احساس هیچ گونه دردی ، ناممكن بود .وجود بیماریهای لاعلاج بسیاری كه در دوران قدیم وجود داشته اند و اكنون داروهایی برای درمان آنها كشف شده است ، این امید را برای ما زنده نگه می دارد كه در آینده ای نزدیك تمام بیماریها قابل پیشگیری و درمان خواهند بود .

قابلیتها و توانمندیهای نانوپزشكی این نكته را گوشزد می كند كه می توان به زندگی و زنده بودن امیدوار بود .امروزه ممكن است در عنفوان جوانی حمله قلبی یا سرطان ناگهانی و غیر منتظره به سراغ مان بیایند .اما به راستی بیماران در حال مرگ چگونه می توانند از فواید تكنولوژیهای آتی پزشكی بهره جویند‚ چگونه می توان از ساختار فیزیكی بدن محافظت كرد تا پیشرفتهای تكنولوژی پزشكی در آینده ، سلامتی را به بیماران باز گرداند .

موضوعی خارق العاده در علم پزشكی مطرح شده است مبنی بر اینكه بیماران در حال مرگ را می توان منجمد كرد و سپس به مدت چندین دهه یا حتی چندین قرن در نیتروژن مایع نگهداری كرد تا زمانی كه تكنولوژی پزشكی به حدی پیشرفت كند كه قادر به بازگرداندن سلامتی آنها شود.

نانوتكنولوژی ، تكنولوژی برتر قرن بیست و یكم است كه امكان ساخت ماشین های مولكولی پیچیده را در اختیار ما قرار می دهد .نانوپزشكی فن به كارگیری تدابیر نانوتكنولوژی است و راه حلی است برای پایان دادن به بحرانهای جهانی مراقبتهای پزشكی .

نانوتكنولوژی قادر به پیشگیری و معالجه بیماریهاست .البته این مبحث هنوز در حال گذراندن مراحل اولیه خود است ولی توان متغیر ساختن علم پزشكی قرن بیست و یكم را داراست .ابتدایی ترین تجهیزات نانوپزشكی را می توان در تشخیص بیماریها به كار گرفت .

در كنار تمام داروها وتجهیزات پزشكی كه نانوتكنولوژی برای علم پزشكی به ارمغان آورده است ، نانوروباتهای ساخته شده می توانند تا بدانجا توسعه داده شوند كه بدون هیچ آسیب و ناراحتی وارد بدن شوند و به تشخیص بیماریها و درمان آنها بپردازند .نانوروباتها قادر به ترمیم سلولها، بافتها و اعضاء هستند .بیماریهایی چون سرطان ، هموفیلی ، آرتروز، رماتیسم ، ایدز و برخی از بیماریهای ذهنی توسط آنها كنترل می شود و در نهایت از بین می رود .نانوروباتها به قدری كوچكند كه می توانند به راحتی از میان رگها عبور كنند .این روباتها طور ی طراحی شده اند كه توسط سرنگ به بدن انسان تزریق می شوند و سپس از طریق رگها و دیگر مسیرهای سلولی در بدن انسان گردش می كنند .نانوروباتها یا نانوماشین ها می توانند اعضای داخلی بدن و چگونگی كاركرد آنها را تنظیم كنند و به قدری پیشرفته اند كه در جراحی پلاستیك نیز به كار گرفته می شوند .با وجود نانوروباتها، انسانها قادرند فرم بدن خود را از نو بسازند و حتی جنسیت خود را تغییر دهند .این نانوروبات ها در زمینه های پزشكی همچون موارد زیر نیز كاربردهای فراونی دارند:

تغییر شكل دادن DNA

مستحكم كردن استخوانهای شكسته

تغییر رنگ مو، چشم و پوست

با تزریق نانوماشین ها به ماهیچه می توان توانایی انسان را افزایش داد .نانوماشین ها می توانند جایگزین گلبولهای خون نیز شوند و خونی بسازند كه قابلیت نقل و انتقال وترمیم سلولهای مختلف بدن را داشته باشد و موجب حیات ابدی شود .خون ساخته شده ارزان قیمت خواهد بود و از لحاظ كارآیی همانند خون معمولی است و بدون در نظر گرفتن گروه خونی قابل تزریق به همه انسانها نیز هست .

نانوماشین های نانوپزشكی به وجود آورنده مرحله جدیدی از تكامل انسانی هستندكه سبب بقاء بشر می شوند .نانو ماشین ها طوری طراحی شده اند كه قادر به ساخت اتم ها و در نتیجه درمان بسیاری از بیماریهای مزمن امروزی هستند .

تصلب شرائین یكی از این بیماریهاست .در اثر این بیماری ، كلسترول در دیواره های داخلی رگها رسوب می كند و سبب تنگ شدن رگها می شود .زمانی كه شاهرگهای قلب نیز بر اثر این بیماری تنگ شدند، آن گاه خطر احساس می شود .هنگامی كه جریان خون محدود می شود، بافتهایی كه توسط رگها تغذیه می شوند، خواهند مرد .اولین نشانه های گرفتن رگها در قلب ، بروز آنژین است .اگر بیماری پیشرفته شود، ماهیچه های قلب می میرند و سبب حمله قلبی می شود .بدین منظور نانوماشین هایی طراحی و برنامه ریزی شده اند كه قادر به جستجو، یافتن و برطرف كردن رسوبات كلسترول و در نتیجه باز كردن مجدد رگها هستند .با كمك نانو ماشین های ترمیم كننده سلولها، می توان مشكلات مربوط به سلولها و بافتها را برطرف كرد .بدین منظور ماشین های ترمیم كننده سلولها به ابزارها و گیرنده های حسی در ابعاد مولكولی احتیاج دارند .اندازه این ماشین ها با اندازه باكتریها و ویروسها برابر است .ماشین های ترمیم كننده سلولها می توانند در مسیر جریان خون حركت كنند و همان گونه كه ویروس ها داخل سلولها می شوند، به سلولها وارد شوند .نانوماشین ها با تست كردن محتوا و فعالیت سلولها، مشكلات موجود را مشخص می كنند .نانوماشین ها برحسب مشكل تشخیص داده شده ، تعیین می كنند كه آیا سلول باید ترمیم شود و یا اینكه از بین برود .برای درمان سرطان نیز از این روش استفاده می شود .در ضمن ، كنترل این نانوماشین ها توسط نانوكامپیوتر صورت می گیرد .

از آنجایی كه تمام ناراحتی ها و مشكلات فیزیكی انسان در اثر تغییر آرایش اتمها صورت می پذیرد، ماشین های ترمیم كننده سلولها، اتمها را به محل صحیح خود باز می گردانند و مشكل را برطرف می كنند .با وجود جالب بودن این موضوع ، باید در نظر داشت كه برطرف كردن ناراحتی های فیزیكی به تنهایی نمی تواند مشكل اصلی را رفع كند .به عنوان مثال اگر فردی دچار ضربه مغزی شود، بافتهای آسیب دیده او ترمیم می شوند اما اطلاعاتی كه در سلولهای مغز ذخیره شده بودند از بین می رود .یكی از مواردی كه توسط نانوتكنولوژی قابل درمان نیست مربوط به سلامتی ذهن است .با این وجود برخی از تواناییهای ذهنی از طریق بازیابی سطوح هورمونی و شیمیایی مغز، درمان می شوند .

مشكل كهولت نیزتوسط نانوماشین ها برطرف می شود .ناتوان شدن استخوانها، چروك شدن پوست ، كاهش فعالیت آنزیمها، التیام كند و آهسته زخمها، ضعیف شدن حافظه و تمامی مشكلات ناشی از كهولت در اثر آسیب مولكولها، موجب عدم توازن شیمیایی و تغییر ساختارهای مولكولی می شوند.اگر ماشین های ترمیم كننده سلولها بتوانند سلولها و ساختارهای آسیب دیده را ترمیم كنند، روند كهولت خیلی آرامتر طی خواهد شد .درنتیجه پیشرفت نانوتكنولوژی و نانوپزشكی ، ممكن است میانگین عمر انسان زمانی به صدها تا هزاران سال برسد.

درمان بیماریها با ابزارهای نانوتكنولوژی

با ادغام شركت های Star pharma و panibo و جذب افراد سرشناسی چون دونالدتومالیا كاشف درخت سان ها ، توسط این شركت ها امكان انجام تحقیقات گسترده تر بر روی ملكولهای درخت سان فراهم گردید ه است. شركت Starpharma در نظر دارد تا ا بهره گیری از خواص ویژه درخت سان ها به ابداعات جدیدی در زمینه دارو درمانی و دارورسانی دست یابد. بگفته آنها درخت سان ها اولین نانو ساختارهایی خواهند بود كه مانند دارو وارد بدن انسان خواهند شد.

17 سپتامبر 2001- جان‌راف نیز مانند مكانیك ، مهندس یا دانشمند برای كارش به ابزارهای دقیقی نیاز دارد. اما جائیكه دیگران به دنبال آچار، گیج یا پیچ‌گوشتی هستند، دكتر راف و تیم محققش در Starpharma در جستجوی لوله آزمایش هستند.

از سال 1996 آنها در حال پیشرفت بوده‌اند و ابزارهایی مولكولی با ابعاد یك میلیاردم متر(نانومتر) ساخته‌اند. این ابزارها دقیقترین ابزارها و وسایلی هستند كه تا به حال توسط بشر ساخته شده است.

این گروه در شركت Starpharma واقع در ملبورن، با مجهز شدن به این مولكولها، تركیبات و داروهایی را توسعه داده‌اند، كه امیدوارند بیماریهای كشنده مانند ایدز، سرطان، هپاتیتها و قوباء را معالجه و یا از آنها جلوگیری كنند.

هفته گذشته این شركت گام مهمی برای رسیدن به این هدف برداشت و خبر داد كه شركت تشخیص طبی Panbio Limited به DNL (Dendritic Nanotechnologies Ltd.) پیوسته است- شركتی كه قبلاً توسط Starpharma و دونالد تومالیا (شیمیدان دانشگاه مركزی میشیگان) یكی از پیشگامان در این زمینه تاسیس شده بود.

دكتر راف می‌گوید، همبستگی باعث تلفیق تخصص پیشگامان سه حوزه علمی در استفاده از درختسان‌ها (dendrimers)، كه مولكولهای دست‌ساز بزرگی هستند، میشود. او می‌گوید، دكتر تومالیا و تیم محققش در توسعه ساختارهای درخشان پیشقدم بودند درحالیكه Starpharma دو یا سه سال است كه شروع به رقابت در استفاده از درختسان برای داروسازی كرده است.

با كار در سطح اتمی، دانشمندان در DNL درختسان‌هایی می‌سازند،كه نزدیك به 1000 اتم دارند و تقریباً بزرگترین مولكولهای جهان هستند. یكی از خصوصیاتی كه درختسان‌ها را بی‌نظیر می‌سازد، این است كه كاملاً یك شكل ساخته می‌شوند. دكتر‌راف می‌گوید، چیزی كه آنها را خیلی مفید ساخته این است كه می‌توان رفتارشان را از لحاظ شیمیایی دستكاری كرد. " آنها شبیه مولكولهای معمولی رفتار نمی‌كنند. آنها تقریباً شبیه ساختارهای مكانیكی رفتار می‌كنند و می‌توانیم آنها را وارد كنیم تا آنچه را كه ما می‌خواهیم انجام دهند: به كبد بروند، روی سطح سلول بنشینند، یا به درون آن بروند."

دكتر راف می‌گوید، این راهكارها در معالجه پزشكی متحول‌كننده هستند. درختسان‌ها می‌توانند شبیه پروتئینها ساخته شوند و مانند داربست عمل نمایند و چندین عامل مختلف مقابله‌كننده با بیماری را بر روی خود به جاهای مخصوص دارای عفونت حمل كنند.

دكتر را ف می‌گوید شركت Panbio در مورد شناسایی كاربردهای درختسان‌ها پیشرفت‌هایی كرده است. با تغییر دادن سطح یك درختسان، مواد مختلف را می‌توانیم وادار كنیم به آن بچسبند، كه این میتواند باعث دقت خیلی بالایی در تشخیص بیماریها شود. او می‌گوید ، DNL درختسان‌ها را در عرض چندماه خواهد فروخت و Starpharma پس از تصویب اداره مركزی غذا و داروی ایالات متحده (FDA) آزمایشهای انسانی را از نیمه اول سال بعد شروع خواهد كرد. او می‌گوید :"درخت سان‌ها اولین نانوساختارهایی خواهند بودكه مانند دارو وارد بدن انسان خواهند شد."

در ضمن در كنار تحقیقات آنها، یك مسیر كلیدی پژوهشی هم وجود دارد تا قیمت محصول درختسان را پایین بیاورد.

منبع : متن از articles.ir

[EN-EZEL 13,039]

نانوسراميک چيست ؟

Nano Ceramic

گردآورنده : سید محسن محمودی سپهر

طبقه بندی : نانو تکنولوژی - مقالات

زمان ظهور نانوسرامیك‌ها را می‌توان دهه 90 میلادی دانست. در این زمان بود كه با توجه به خواص بسیار مطلوب پودرهای نانوسرامیكی، توجهاتی به سمت آنها جلب شد، اما روشهای فرآوری آنها چندان آسان و مقرون به‌صرفه نبود. با پیدایش نانوتكنولوژی، نانوسرامیك‌ها هرچه بیشتر اهمیت خود را نشان دادند. در حقیقت نانوتكنولوژی با دیدگاهی كه ارائه می‌كند، تحلیل بهتر پدیده‌ها و دست‌یافتن به روشهای بهتری برای تولید مواد را امكان‌پذیر می‌سازد.

شكل‌گرفتن علم و مهندسی نانو، منجر به درك بی‌سابقه اجزای اولیه پایه تمام اجسام فیزیكی و كنترل آنها شده‌است و این پدیده به‌زودی روشی را كه اغلب اجسام توسط آنها طراحی و ساخته می‌شده‌اند، دگرگون می‌سازد. نانوتكنولوژی توانایی كار در سطح مولكولی و اتمی برای ایجاد ساختارهای بزرگ می‌باشد كه ماهیت سازماندهی مولكولی جدیدی خواهندداشت و دارای خواص فیزیكی، شیمیایی و بیولوژیكی جدید و بهتری هستند. هدف، بهره‌برداری از این خواص با كنترل ساختارها و دستگاهها در سطوح اتمی، مولكولی و سوپرمولكولی و دستیابی به روش كارآمد ساخت و استفاده از این دستگاهها می‌باشد.

هدف دیگر، حفظ پایداری واسط‌ها و مجتمع‌نمودن نانوساختارها در مقیاس میكرونی و ماكروسكوپی می‌باشد. همیشه با استفاده از رفتارهای مشاهده‌شده در اندازه‌های بزرگ، نمی‌توان رفتارهای جدید در مقیاس نانو را پیش‌بینی كرد و تغییرات مهم رفتاری صرفا" به‌خاطر كاهش درجه بزرگی اتفاق نمی‌افتند، بلكه به دلیل پدیده‌های ذاتی و جدید آنها و تسلط‌یافتن در مقیاس نانو بر محدودیتهایی نظیر اندازه، پدیده‌های واسطه‌ا‌ی و مكانیك كوانتومی می‌باشند.

نانوسرامیك‌ها :

نانوسرامیك‌ها، سرامیك‌هایی هستند كه در ساخت آنها از اجزای اولیه در مقیاس نانو (مانند نانوذرات، نانوتیوپ‌ها و نانولایه‌ها) استفاده شده‌باشد، كه هركدام از این اجزای اولیه، خود از اتمها و مولكولها بدست آمده‌اند. بعنوان مثال، نانوتیوپ یكی از اجزای اولیه‌ا‌ی است كه ساختار اولیه كربن c60 را تشكیل می‌دهد. به‌طور كلی فلوچارت سازماندهی نانوسرامیك به شكل زیر می‌باشد :

بنابراین مسیر تكامل نانوسرامیك‌ها را می‌توان در سه مرحله خلاصه كرد :

مرحله 1 : سنتز اجرای اولیه

مرحله 2 : ساخت ساختارهای نانو با استفاده از این اجزاء و كنترل خواص

مرحله 3 : ساخت محصول نهایی با استفاده از نانوسرامیك بدست‌آمده از مرحله دوم

ویژگیها :

ویژگیهای نانوسرامیك‌ها را می‌توان از دو دیدگاه بررسی كرد. یكی ویژگی نانوساختارهای سرامیكی، و دیگری ویژگی محصولات بدست‌آمده است.

ویژگیهای نانوساختارهای سرامیكی :

كوچك، سبك، دارای خواص جدید، چندكاركردی، هوشمند و دارای سازماندهی مرتبه‌ا‌ی.

ویژگیهای محصولات نانوسرامیكی :

خواص مكانیكی بهتر: سختی و استحكام بالاتر و انعطاف‌پذیری كه ویژگی منحصربه‌فردی برای سرامیك‌هاست.

داشتن نسبت سطح به حجم بالا كه باعث كنترل دقیق بر سطح می‌شود.

دمای زینتر پایین‌تر كه باعث تولید اقتصادی و كاهش هزینه‌ها می‌گردد.

خواص الكتریكی، مغناطیسی و نوری مطلوب‌تر: قابلیت ابررسانایی در دماهای بالاتر و قابلیت عبور نور بهتر.

خواص بایویی بهتر (سازگار با بدن).

كاربردها :

نانوتكنولوژی باعث ایجاد تحول چشمگیری در صنعت سرامیك گشته‌است. در این میان نانوسرامیك‌ها، خود باعث ایجاد تحول عظیمی در تكنولوژی‌های امروزی مانند الكترونیك، كامپیوتر، ارتباطات، صنایع حمل‌ونقل، صنایع هواپیمایی و نظامی و … خواهندشد. برخی كاربردهای حال و آینده نانوسرامیك‌ها در جدول زیر آمده‌است.آینده حال زمان نانوساختارها

نانوروكش‌های چندكاركردی رنگ‌دانه‌ها پولیش‌های مكانیكی-شیمیایی حایل‌های حرارتی حایل‌های اپتیكی (UV و قابل رؤیت) تقویت Imaging مواد جوهرافشان دوغاب‌های روكش ساینده لایه‌های ضبط اطلاعات پوشش‌ها و دیسپرژن‌ها

سنسورهای ویژه مولكولی ذخیره انرژی

(پیل‌های خورشیدی و باطری‌ها) غربال‌های مولكولی مواد جاذب و غیرجاذب داروسازی كاتالیست‌های ویژه پركننده‌ها سرامیك‌های دارای سطح ویژه بالا

نوارهای ضبط مغناطیسی قطعات اتومبیل فعال‌كننده‌های پیزوالكتریك نیمه‌هادی‌ها لیزرهای كم‌ پارازیت نانوتیوپها برای صفحه نمایشهای وضوح بالا هدهای ضبط GMR

نانوابزارهای عملگر

شكل‌دهی سوپرپلاستیك سرامیكها مواد ساختاری فوق‌العاده سخت و مستحكم سرماسازهای مغناطیسی سیمان‌های انعطاف‌پذیر مواد مغناطیسی نرم با اتلاف كم ابزارهای برش WC/Co با سختی بالا سیمان‌های نانوكامپوزیت سرامیك‌های تقویت‌شده

«الگوریتم ها» و «تراشه» های كوانتومی

محاسبات كوانتومی یك زمینه جدید و امیدواركننده با قابلیت بالقوه بالای محاسباتی است، اگر در مقیاس بزرگ ساخته شود. چندین چالش عمده در ساخت رایانه كوانتومی بزرگ مقیاس، وجود دارد: بررسی و تصدیق محاسبات و معماری سیستم آن.

قدرت محاسبات كوانتومی در قابلیت ذخیره‌سازی یك حالت پیچیده در قالب یك "بیت" ساده نهفته است.

روش‌های نوینی به منظور ساخت مدارهای منطقی سطح پائین، سوئیچ‌كننده‌ها، سیم‌ها، دروازه‌های اطلاعاتی، تحت پژوهش و توسعه قرار گرفته‌اند كه كاملاً متفاوت از تكنیك‌های حاضرند و به طور عمیقی ساخت مدارهای منطقی پیشرفته‌ را تحت تأثیر قرار می‌دهند. از برخی از دیدگاه‌ها، در آینده‌ای نزدیك، در حدود 20 سال آینده، طراحان مدارهای منطقی ممكن است به مدارهائی دسترسی پیدا كنند كه یك بیلیون بار از مدارهای حال حاضر سریعترند.

مسائلی نظیر طراحی، بكارگیری،‌ تعمیر و نگهداری و كنترل این ابرسیستم‌ها به گونه‌ای كه پیچیدگی بیشتر به كارآئی بالاتری منتهی شود، زمانی كه سیستم‌های منطقی شامل 107، سوئیچ باشد،مهم است. به سختی ممكن است كه آنها را به طور كامل و بی‌نقص،‌ بسازیم، بنابر این رسیدگی و اصلاح عملگرهای شامل بررسی هزاران منبع خواهد بود. از این رو طراحی یك سیستم با فضای حداقل، حداقل هزینه در زمان و منابع، یك ارزش است. چنین سیستمی می‌تواند در قالب "توزیع یافته"، "موازی" ویا در یك چهارچوب "سلسله مراتبی" قرار گیرد.

سخت‌افزارها و مدارهای منطقی راه درازی را پیموده‌اند. ترانزیستورهای استفاده شده در یك مدار ساده CPU چندین میلیون بار كوچكتر از ترانزیستور اصلی ساخته شده درسال 1947 است. اگر یك ترانزیستور حال حاضر با تكنولوژی 1947 ساخته شود نیازمند یك كیلومتر مربع سطح می‌باشد (قانون مور)، در حالی كه در 10 الی 20 سال آینده تكنولوژی موفق به گشودن راهی جهت تولید مدارهای منطقی 3 بعدی خواهد شد.

در این میان، چندین پرسش سخت و پژوهشی كه در آكادمی‌ها وصنعت به آن پرداخته می‌شود وجود دارد:

گرفتن پیچیدگی‌ها در تحلیل روش‌های تولید SWITCH ،در روش‌های متولد شده به منظور مدل‌سازی چگونگی كارآئی آنها، در مدارهای منطقی مورد نیاز مهندسان، و امتیازات روش‌های نوین فناورانه بر روش های كلاسیك.

لحاظ كردن ملاحظاتی مبنی بر تعداد سوئیچ‌ها در واحد سطح و حجم در درون ابزار (گنجایش)، تعداد نهائی سوئیچ‌ها در درون ابزار (حجم)، شرایط حدی عملگرها، سرعت عملگرها، توان مورد نیاز، هزینه تولید و قابلیت اعتماد به تولید و دوره زمانی چرخه عمر آن.

پاسخ این تحلیل ها جهت پژوهش‌ها را به سمت روش‌های بهتر تولید سوییچ، هدایت خواهد كرد. ودر نهایت یافتن این كه چگونه یك روش ویژه در بهترین شكلش مورد استفاده قرار خواهد گرفت و نیز تحلیل و تباین روش‌های مختلف تولید.

حركت به سمت طراحی ظرفیت ابزار، جهت استفاده مؤثر از 1017 ترانزیستور یا سوئیچ است. چنین طراحی‌هائی در مقیاس‌های مطلوب ، حتی بی‌شباهت در مقایسه با افزایش ظرفیت ابزارها خواهد بود.

طراحی‌های قویتر و ابزارهای بررسی قوی‌تر به منظور طراحی "مدارهای منطقی" با چندین مرتبه مغناطیسی بزرگتر و پیچیده‌تر.

طراحی پروسه‌های انعطاف‌پذیرتر جهت مسیر تولید از مرحله طراحی منطقی،‌ آزمایش و بررسی، تا بكارگیری در سخت‌افزار.

پروسه‌ها می‌بایستی به قدری انعطاف‌پذیر باشند كه:

الف) توسعه اشتراكی درطراحی، آزمایش و ساخت ،به گونه‌ای كه هیچ یك از این گام‌ها تثبیت شده نباشد.

ب) توسعه طراحی، و بررسی به منظور كاوش یك روش نوین ساخت با هدف تقویت نقاط قوت و كم كردن نقاط ضعف .هر نوع از سیستم نانویی كه توسط طراحان ساخته می‌شود می‌بایستی صحت عملكرد آن تضمین شود.

شاخص مقیاس حقیقی و لایه‌های افزوده شده نامعین در سیستم‌های نانوئی،‌ نیازمند انقلاب در طراحی سیستم‌ها و الگوریتم‌ها است. روش‌هائی كه در زیر معرفی می‌شود، الگوریتم‌هائی هستند كه به صورت بالقوه قادرند مسأله پیچیدگی محاسبات را كاهش دهند.

1) بررسی مقیاسی سیستم‌های نانوئی:

مانع بزرگی به نام« بررسی چند میلیون ابزار نانومقیاس»، نیاز به روش‌های انقلابی به منظور بررسی سیستم‌هائی كه ذاتاً بزرگتر، پیچیده‌تر و دارای درجات نامعینی پیچیده‌تری هستند، را روشن می‌كند. در ابتدا مروری كوتاه خواهیم داشت بر ضرورت "آزمایش مدل."[1]

آزمایش مدل از روش‌های پذیرفته شده و رسمی در حوزه بررسی روش‌های ساخت است. این حوزه شامل كاوش فضای طراحی است به منظور دیدن این نكته كه خواص مطلوب در مدل طراحی شده حفظ شده باشد، به گونه ای كه اگر یكی ازاین خواص، مختل شده باشد،‌ یك""Counter Example تولید شود. Model Checking Symbolic بر مبنای [2]ROBDDها یك نمونه از این روش‌ها است.

بهرحال، BDDها به منظور حل مسائل ناشی از خطای حافظه بكار گرفته می‌شوند و برای مدارات بزرگتر با تعداد حالات بزرگتر و متغیرتر مقیاس پذیر نمی‌باشند.

دو روش عمده برای حل این مسأله وجود دارد:

یك روش حل مبتنی بر محدود كردن آزمایش كننده مدل[3] به یك مدار unbounded، است كه به نام "unbounded model checking" یا UMC نامیده می‌شود،‌ به گونه‌ای كه خواص آزمایش شده به تعداد دلخواه از Time-Frame" "ها وابستگی ندارد.

روش دیگر مبتنی بر مدل "مدار محدود[4]" استوار است كه به نام[5] BMC نامیده می‌شود در این روش بررسی مدل با تعداد ویژه و محدودی از Time-Frame" "ها صورت می‌گیرد.

ابتدا در مورد فرمولاسیون UMC كه مبتنی بر "رسیدن به سرعت در مراتب مغناطیسی" است و به وسیله تكنیك‌های مقیاس پذیر"BMC" پیروی می‌شود،‌ بحث می‌كنیم و بالاخره این كه چهارچوبی را برای بررسی و لحاظ كردن درجات نامعینی به سیستم، معرفی می‌كنیم.

2- "UMC" مقیاس‌پذیر:

مزیت"UMC" بر "BMC" در كامل بودن آن است. روش "UMC" می‌تواند خواص مدل را همانگونه كه هست لحاظ كند زیرا این روش مبتنی بر قابلیت آزمایش به كمك نقاط ثابت است. عیب این روش در این است كه""ROBDD كاملاً به مرتبه متغیرها حساس است. ابعاد BDD می‌تواند غیرمنطقی باشد اگر مرتبه متغیرها بد انتخاب شود. در پاره‌ای از موارد (نظیر یك واحد" ضرب") هیچ مرتبه متغیری به منظور رسیدن به یك ROBDD كامل كه نمایشگر عملكرد مدار باشد،‌ وجود ندارد. به علاوه، برای خیلی از شواهد مسأله،‌ حتی اگر ROBDD برای روابط انتقال ساخته شود،‌ حافظه می‌تواند هنوز در خلال عمل كمیت‌گذاری، بتركد.

پژوهش‌های اخیر بر بهبود الگوریتم‌های BDD جهت كاهش انفجار حافظه استوار و استفاده از خلاصه نگاری و تكنیك‌های كاهش، جهت كاهش اندازه مدل، تمركز یافته‌اند.

"SAT Solver"ها ضمیمه BDD ها می‌شوند. روابط انتقال یك سیستم در قالب K، Time-Frame"" باز می‌شود. "SAT" هابه ابعاد مسأله كمتر حساسند. اما به هر حال، SATها دارای یك محدودیت هستند و آن این كه خواص یك مدار را با تعداد محدودی (K)، می‌سنجند.

اگر هیچ Countervecample در K، Time-Frame یافت نشد، هیچ تضمینی برای همگرائی حل مسأله وجود ندارد.

BMC"" در مقایسه با UMC"" مبتنی بر"BDD" ،كامل نمی‌باشد. این روش می‌تواند فقط "Counter Example"ها را بیابد و قادر به محاسبه خواص نمی‌باشد مگر آن كه یك حد بر روی حداكثر اندازه Counter Example"" تعیین شود.

روشی برای تركیب SAT-Solver و BDD به صورت فرمول CNF به كار گرفته شده است.

منبع : articles.ir

[EN-EZEL 13,039]

نانو ذرات

طبقه بندی : نانو تکنولوژی - مقالات

با گذر از میكروذرات به نانوذرات، با تغییر برخی از خواص فیزیكی روبرو می‌شویم، كه دو مورد مهم آنها عبارتند از: افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم و ورود اندازه ذره به قلمرو اثرات كوانتومی.

افزایش نسبت مساحت سطحی به حجم كه به‌تدریج با كاهش اندازه ذره رخ می‌دهد، باعث غلبه‌یافتن رفتار اتم‌های واقع در سطح ذره به رفتار اتم‌های درونی می‌شود. این پدیده بر خصوصیات ذره در حالت انزوا و بر تعاملات آن با دیگر مواد اثر می‌گذارد. مساحت سطحی زیاد، عاملی كلیدی در كاركرد كاتالیزور‌ها و ساختارهایی همچون الكترودها- یا افزایش كارآیی فناوری‌هایی همچون پیل سوختی و باتری‌ها- می‌باشد. مساحت سطحی زیاد نانوذرات باعث تعاملات زیاد بین مواد مخلوط ‌شده در نانوكامپوزیت‌ها می‌شود و خواص ویژه‌ای همچون افزایش استحكام یا افزایش مقاومت حرارتی یا شیمیایی را موجب می‌شود.

از مكانیك كلاسیك به مكانیك كوانتومی به صورتی ناگهانی‌تر رخ می‌دهد. به محض آن كه ذرات به اندازه كافی كوچك شوند، شروع به رفتار مكانیك كوانتومی می‌كنند. خواص نقاط كوانتومی مثالی از این دست است. این نقاط گاهی اتم‌های مصنوعی نامیده می‌شوند؛ چون الكترون‌های آزاد آنها مشابه الكترون‌های محبوس در اتم‌ها، حالات گسسته و مجازی از انرژی را اشغال می‌كنند.

علاوه بر این، كوچك‌تربودن ابعاد نانوذرات از طول موج بحرانی نور، آنها را نامرئی و شفاف می‌نماید. این خاصیت باعث شده است تا نانوذرات برای مصارفی چون بسته‌بندی، مواد آرایشی و روكش‌ها مناسب باشند.

برخی از خواص نانوذرات با درك افزایش اثر اتم‌های سطحی یا اثرات كوانتومی به‌راحتی قابل پیش‌بینی نیستند. مثلاً اخیراً نشان داده شده است كه «نانوكره‌های» به‌خوبی شكل‌یافتة سیلیكون به قطر 40 تا 100 نانومتر، نه‌تنها سخت‌تر از سیلیكون می‌باشند بلكه از نظر سختی بین سافیر و الماس قرار می‌گیرند.

نانوذرات از زمان‌های بسیار دور مورد استفاده قرار می‌گرفتند. شاید اولین استفاده آنها در لعاب‌های چینی سلسله‌های ابتدایی چین بوده است. در یك جام رومی موسوم به جام لیكرگوس از نانوذرات طلا استفاد شده است تا رنگ‌های متفاوتی از جام برحسب نحوة تابش نور (از جلو یا عقب) پدید آید. البته علت چنین اثراتی برای سازندگان آنها ناشناخته بوده است.

كربن بلك مشهورترین مثال از یك ماده نانوذره‌ای است كه ده‌ها سال به طور انبوه تولید شده است. حدود 5/1 میلیون تن از این ماده در هر سال تولید می‌شود. البته نانوفناوری راهی برای استفادة آگاهانه و آزادانه از طبیعت نانومقیاس ماده است و كربن بلك‌های مرسوم نمی‌توانند برچسب نانوفناوری را به خود بگیرند. با این حال قابلیت‌های تولید و آنالیز جدید در نانومقیاس و پیشرفت‌های ایجادشده در درك نظری رفتار نانومواد- كه قطعاً به معنای نانوفناوری است- می‌تواند به صنعت كربن بلك كمك نماید.

نانوذرات در حال حاضر از طیف وسیعی از مواد ساخته می‌شوند؛ معمول‌ترین آنها نانوذرات سرامیكی می‌باشد، كه به بخش سرامیك‌های اكسید فلزی- نظیر اكسید‌های تیتانیوم، روی، آلومینیوم و آهن- نانوذرات سیلیكات كه عموماً به شكل ذرات نانومقیاسی خاك رس می‌باشند، تقسیم می‌شوند. طبق تعریف حداقل باید یكی از ابعاد آنها كمتر از 100 نانومتر باشد. نانوذرات سرامیكی فلزی یا اكسید فلزی تمایل به داشتن اندازة یكسانی در هر سه بعد، از دو یا سه نانومتر تا 100 نانومتر، دارند (ممكن است شما انتظار داشته باشید كه چنین ذرات كوچكی در هوا معلق بمانند اما درواقع آنها به وسیلة نیروهای الكتروستاتیك به یكدیگر چسبیده و به شكل پودر بسیار ریزی رسوب می‌كنند).

نانوذرات سیلیكاتی كه در حال حاضر مورد استفاده قرار می‌گیرند ذراتی با ضخامت تقریباً 1 نانومتر و عرض 100 تا 1000 نانومتر هستند. آنها سال‌ها پیش از این تولید می‌شده‌اند، معمول‌ترین نوع خاك رس كه مورد استفاده قرار می‌گیرد مونت‌موریلونیت (Montmorillonite)، یا آلومینوسیلیكات لایه‌ای می‌باشد. نانوذرات می‌توانند با پلیمریزاسیون یا به وسیلة آمیزش ذوبی (اختلاط با یك پلاستیك مذاب) با پلیمرها تركیب شوند. برای پلاستیك‌های ترموست این یك فرآیند یك‌ طرفه است، چون آنها در اثر حرارت محكم و سفت می‌شوند و نمی‌توانند دوباره ذوب شوند. در عوض ترموپلاستیك‌ها می‌توانند به دفعات در اثر حرارت ذوب شوند.

نانوذرات فلزی خالص می‌توانند بدون اینكه ذوب شوند (تحت نام پخت) در دماهای پائین‌تر از دمای ذوب ذرات بزرگ‌تر، وادار به آمیخته شدن با یك جامد شوند؛ این كار منجر به سهل‌تر شدن فرآیند تولید روكش‌ها و بهبود كیفیت آنها، خصوصاً در كاربردهای الكترونیكی نظیر خازن‌ها، می‌گردد. نانوذرات سرامیكی اكسید فلزی نیز می‌توانند در ایجاد لایه‌های نازك- چه بلوری و چه آمورف- مورد استفاده قرار گیرند.

نانوذرات سرامیكی نیز می‌توانند، مانند نانوذرات فلزی، در دماهای كمتر از دمای همتاهای غیر نانومقیاسی خود به سطوح و مواد توده‌ای تبدیل شوند و هزینة ساخت را كاهش دهند. سیم‌های ابررسانا از نانوذرات سرامیكی ساخته می‌شوند؛ چون در حالی كه مواد سرامیكی متعارف بسیار شكننده هستند، مواد سرامیكی نانوذرة Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes ای نسبتاً انعطاف‌پذیرند. یک زمینة بسیار جذاب، استفاده از آنها برای ساخت روکش‌های نانوبلورین است، که در گزارش دیگری مورد بحث قرار می گیرد. مثلاً نیروی دریایی آمریکا هم اکنون از سرامیک‌های نانوبلورین استفاده می کند.

اگر چه نانوذرات سرامیكی اكسید فلزی، فلزی و سیلیكاتی با كاربردهای كنونی و پیش‌بینی شده بخش اعظم نانوذرات را تشكیل می‌دهند، اما نانوذرات بسیار دیگری نیز وجود دارند. ماده‌ای به نام كیتوسان (Chitosan)، كه در حالت دهنده‌های مو و كرم‌های پوست مورد استفاده قرار می‌گیرد، از نانوذرات ساخته شده‌ است. این فرآیند در اواخر سال 2001 ثبت شد. این نانوذرات جذب را افزایش می‌دهند.

روش‌های تولید

برای تولید نانوذرات روش‌های بسیار متنوعی وجود دارد. این روش‌ها اساساً به سه گروه تقسیم می‌شوند: چگالش از یک بخار، سنتز شیمیایی و فرآیندهای حالت جامد نظیر آسیاب كردن. پس از تولید می‌توان ذرات را بسته به نوع كاربردشان مثلاً با مواد آب دوست یا آب گریز پوشاند.

چگالش بخار

از این روش برای ایجاد نانوذرات سرامیكی فلزی و اكسید فلزی استفاده می‌شود. این روش شامل تبخیر یك فلز جامد و سپس چگالش سریع آن برای تشكیل خوشه‌های نانومتری است كه به صورت پودر ته‌نشین می‌شوند. از روش‌های مختلفی می‌توان برای تبخیر فلز استفاده نمود و تغییر دستگاهی كه امكان تبخیر را به وجود می‌آورد، طبیعت و اندازة ذرات را تحت تأثیر قرار می‌دهد. در هنگام ایجاد نانوذرات فلزی برای جلوگیری از اكسیداسیون از گازهای بی‌اثر استفاده می‌شود، حال آنكه برای تولید نانوذرات سرامیكی اكسیدفلزی از اكسیژن هوا استفاده می‌شود. مهم‌ترین مزیت این روش میزان كمی آلودگی است. در نهایت اندازة ذره با تغییر پارامترهایی نظیر دما و محیط گاز و سرعت تبخیر كنترل می‌شود.

یك روش كه شاید در اصل، چگالش بخار نباشد روش سیم انفجاری است كه از آن توسطArgonide استفاده می‌كند. به خاطر اینكه سیم فلزی در اثر انفجار به خوشه‌های فلزی تبدیل ‌شود جریان برقی با ولتاژ بالا به آن اعمال می‌شود (مشابه دمیدن با یك مفتول به درون حباب شیشه‌ای مذاب). این كار در یك گاز بی‌اثر انجام می‌شود كه سریعاً ‌ذرات را فرو می‌نشاند.

نوع دیگری از روش چگالش بخار، روش تبخیر در خلأ بر روی مایعات روان (Vaccum Evaporation on Running Liquids) است. در این روش از فیلم نازكی از مواد نسبتاً‌ ویسكوز- یك روغن یا پلیمر- در یک استوانة دوار استفاده می‌شود. در این دستگاه، خلأ ایجاد می‌شود و فلز مورد نظر در خلأ ‌تبخیر یا پراكنده می‌شود؛ ذرات معلقی كه در مایع تشكیل می‌شوند، می‌توانند به اشكال مختلفی رشد یابند.

توشیبا با استفاده از رسوبدهی شیمیایی بخار (CVD) كه عموماً برای تولید فیلم‌های نازك در صنعت مدارات مجتمع به كار می‌رود، روش جدیدی را برای تولید نانوذرات توسعه داده است. هر دو شكل مایع و گاز در یك رآكتور قرار داده می‌شود. برحسب پارامترهای مختلف (مثل نسبت گاز به مایع، نحوة افزایش گاز و مایع،‌ دما و زمان حرارت‌دهی) اشكال مختلفی از ذرات را می‌توان تولید كرد. همسان‌بودن نانوذرات در برخی از كاربردها از اهمیت زیادی برخوردار است؛ مثلاً جهت استفاده از نانوذرات در دیسك‌های ذخیره داده لازم است همه آنها هم‌اندازه باشند. این شركت فرآیند خود را با اكسید تیتانیوم آزمایش كرده و نانوكره‌هایی با ابعاد nm100-1 پدید آورده است. همچنین با پوشش‌دادن یكی از آنها با چندین ذره، خوشه‌ای از ذرات را ساخته است.

سنتز شیمیایی

عمدتاً استفاده از روش سنتز شیمیایی شامل رشد نانوذرات در یك واسطة مایع، حاوی انواع واكنشگرهاست. روش سل ژل نمونة چنین روشی است. از این روش برای ایجاد نقاط كوانتومی نیز استفاده می‌شود. به طور كلی برای كنترل شكل نهایی ذرات، روش‌های شیمیایی بهتر از روش‌های چگالش بخار هستند. در روش‌های شیمیایی، اندازة نهایی ذره را می‌توان یا با توقف فرآیند در هنگامی كه اندازة مطلوب به دست آمد، یا با انتخاب مواد شیمیایی تشكیل‌دهندة ذرات پایدار؛ و یا توقف رشد در یك اندازة ‌خاص، كنترل نمود. این روش‌ها معمولاً‌ كم هزینه و پر حجم هستند، اما آلودگی حاصل از مواد شیمیایی می‌تواند یك مشكل باشد و می‌تواند یكی از استفاده‌های رایج نانوذرات، یعنی پخت آنها برای ایجاد روكش‌های سطحی، را دچار مشكل نماید.

فرآیند‌های حالت جامد

از روش آسیاب یا پودر كردن می‌توان برای ایجاد نانوذرات استفاده نمود. خواص نانوذرات حاصل تحت تأثیر نوع مادة آسیاب‌كننده، زمان آسیاب و محیط اتمسفری آن قرار می‌گیرد. از این روش می‌توان برای تولید نانوذراتی از مواد استفاده نمود كه در دو روش قبلی به آسانی تولید نمی‌شوند. آلودگی حاصل از مواد آسیاب‌كننده خود می‌تواند یك مسئله باشد.

پیشرفت‌های روش‌های تولید

هر چه بازار نانوذرات در عرصه فناوری‌های پیشرفته- همچون صنعت كامپیوتر و داروسازی- توسعه می‌یابد، تقاضا برای نانوذرات دارای اندازه و یا شكل تعریف‌شده در مقیاس انبوه و قیمت اندك افزایش می‌یابد. این روند موجب اصلاح مداوم فناوری‌های تولیدی موجود و پیشرفت‌ روش‌های تولیدی نوین می‌گردد.

در دو سال گذشته، محققان شروع به استفاده از سیالات فوق بحرانی (SCFها) به عنوان واسطه رشد نانوذرات فلزی كرده‌اند. فرآیندهای ته‌نشینی با سیالات فوق بحرانی باعث تولید ذراتی با توزیع اندازه باریك می‌گردد. گازها در بالای فشار بحرانی (Pc) و دمای بحرانی (Tc) به سیالات فوق بحرانی تبدیل می‌شوند. SCFها واجد خواصی مابین گاز و مایع می‌باشند. عموماً به دلیل شرایط نسبتاً ملایم CO2 (C31ْ bar, Tc=73Pc=) از آنها استفاده می‌شود. ضمن آنكه مشكلاتی همچون گرانی، سمیت، خورندگی و قابلیت انفجار و احتراق را ندارند. یك راه اصلاح فناوری سیال فوق بحرانی مخلوط‌نمودن عوامل فعال سطحی با محلول آبی یك نمك فلزی در CO2 فوق بحرانی است. این فرآیند به تولید میكروامولسیون‌ها منجر می‌شود كه در زمرة نانورآكتورهای بالقوه برای سنتز نانوذرات بسیار همگن به شمار می‌روند.

Sumitomo Electric اخیراً یك فرآیند رسوبدهی الكتریكی‌ای را توسعه داده است كه طی آن یون‌های فلزی در یك حلال آبی حل شده، سپس به صورت نانوذرات فلزی احیا می‌شوند. این شركت مدعی است فرآیند او در مقایسه با راهكارهای رسوبدهی شیمیایی بخار بسیار اقتصادی و به‌صرفه است.

روش‌های تولید نوین دیگری نیز گزارش شده‌اند، كه بر استفاده از امواج مایكرویو، مافوق صوت، و تقلید از طبیعت استوارند.

به دلیل قابلیت سیستم‌های طبیعی در خلق نانوساختارهای دارای دقت اتمی، فرآیندهای زیستی شایسته امعان نظرند. برخی از باكتری‌ها می‌توانند نانوذرات مغناطیسی یا نقره‌ای را بسازند. از پروتئین‌های باكتریایی برای رشد مگنتیت در آزمایشگاه استفاده شده است. سلول‌های مخمر می‌توانند نانوذرات سولفید كادمیوم را ایجاد كنند. به‌تازگی محققان هندی قارچی را یافته‌اند كه می‌تواند نانوذرات طلا را خلق كند. عده‌ای در آمریكا از پروتئین‌های ویروسی برای خلق نانوذرات نقرة دارای شكل‌های جذاب استفاده كرده‌اند. پیوستگی بین راهكارهای تقلیدگرایانه از طبیعت و سنتز شیمیایی با حلقة میانی ماكرومولكول‌هایی همچون درخت‌سان‌ها تكمیل می‌شود. از این مواد برای ساخت نانوذرات آمورف كربنات كلسیم- یك ماده كلیدی در سیستم‌های زیستی- استفاده شده است.

روكش دهی و اصلاح شیمیایی

روكش‌دهی یا اصلاح شیمیایی انواع نانوذرات شیوه‌ای رایج و زمینه‌ای است كه نوآوری‌های جدید و ارزشمندی را ارائه می‌دهد.

نانوذرات سیلیكات(سیلیكات‌ها یا اكسید‌های سیلیكون نیز سرامیك هستند) برای به دست آوردن خاصیت آب گریزی بیشتر، باید به صورت شیمیایی اصلاح شوند؛ مثلاً با یون‌های آمونیوم یا مولكول‌های بزرگ‌تر نظیر سیلسزكیوكسان‌های الیگومریك چندوجهی (Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes)، كه هم برای روكش‌دهی نانوذرات سیلیكات و هم به عنوان پركنندة روی خودشان مناسب هستند. POSS حاوی یك هستة معدنی (سیلیكون- اكسیژن) و هشت گروه جانبی مختلف آلی است، كه این گروه‌ها نوعاً‌ دارای شعاع 5/1 نانومتر هستند و می‌توانند به آسان‌ترشدن پیوند پلیمرها به یكدیگر كمك كنند و برای پیوند پروتئین آغازگر به زیست‌مواد، نویدبخش باشند. گاهی اوقات POSSها جزء نانوذرات طبقه‌بندی می‌شوند.

فروسیالات، كه در اوایل دهة 1960 ساخته شدند، از نانوذراتی مغناطیسی به كوچكی 10 نانومتر استفاده می‌كنند كه با یك مادة پایداركننده همانند گرافیت پوشانده می‌شوند و در حاملی نظیر روغن، آب یا نفت سفید معلق می‌شوند. هر ذره، آهن‌ربای كوچكی است كه یك میدان مغناطیسی را به ذرات اعمال و رفتاری غیرمعمولی را در سیال ایجاد می‌كند و اجازة كنترل فشار، ویسكوزیته، هدایت الكتریكی، هدایت گرمایی و ضریب انتقال نور را در سیال می‌دهد. جذب انرژی از محیط به صورت حرارت می‌باشد و لذا این سیالات را می‌توان به عنوان سردساز مورد استفاده قرار داد.

 

منابع:

www.nano.ir & nanoresearch.persianblog.ir

[EN-EZEL 13,039]

جهان ریاضیات در فضای نانو

گردآورنده : شاهرخ رضایی

طبقه بندی : نانو تکنولوژی - مقالات

علوم نانو و فناوری نانو بیانگر رهگذری به سوی دنیایی جدید هستند. سفر به اعماق سرزمین اتمها و مولکولها نوید دهندة اثراث اجتماعی شگفت‌انگیزی است: در علوم بنیادین، در فناوریهای نو، در طراحی مهندسی و تولیدات، در پزشکی و سلامت و در آموزش.

پیش‌بینی‌های گسترده در حوزه کشفیات جدید، چالشها، درک مفاهیم، حتی هنوز فرم و محتوای موضوع، مه‌آلود و اسرارآمیز است. این مقاله می‌کوشد تا چالشهای دنیای ریاضیات را در مواجهه با دنیای شگفت‌انگیز نانو بررسی کند. به عبارت دیگر، ریاضیات در معماری پازل نانو چه نقشی خواهد داشت:

همگان بر این نکته توافق دارند که پیشرفتهای بزرگ، مستلزم تعامل میان مهندسان، ژنتیست‌ها، شیمیدانان، فیزیکدانان، داروسازان، ریاضیدانان و علوم رایانه ای ها است. شکاف میان علوم و فناوری، میان آموزش و پژوهش، میان دانشگاه و صنعت، میان صنعت و بازار بر مجموعه تأثیرگذار خواهد بود. دلایل کافی مبتنی بر فصل مشترک میان نظامهای کلاسیک و فرهنگ ها موجود است.

این انقلاب علمی و فناورانه، منحصر به فرد است. این بدین معنی است که می‌بایستی نه تنها در بعد علمی، که در سایر ابعاد، نیز زیرساختهای بنیادین با حداکثر انعطاف پذیری در برابر تغییرات را پیش‌گویی و پیش‌بینی کنیم.

دانش ریاضیات به عنوان خط مقدم جبهة علم مطرح است. ویژگی بدیهی ریاضیات در علوم نانو «محاسبات علمی» است. محاسبات علمی در فناوریی که به عنوان فناوری انقلابی مطرح شده است. محاسبات علمی در طول، تفسیر آزمایشات، تهیة پیش‌بینی در مقیاس اتمی و مولکولی بر پایة تئوری کوانتومی و تئوریهای اتمی است.

همانگونه که ریاضیات زبان علم است، محاسبات، ابزاری عمومی علم و کاتالیزوری برای تعاملات عمیق‌تر میان ریاضیات و علوم است. یک تیم محاسبات، دربارة مدلشان و اثر محاسباتشان و تطبیق‌پذیری آن با واقعیت، به بحث می‌پردازند. «‌محاسبات» رابطی میان آزمایش و تئوری است. یک تئوری و یک مدل ریاضی، پیش نیاز محاسبات است و یک آزمایش تنها اعتبار بخش هر نوع تئوری، مدل و محاسبات است.

مدلهای ریاضی، ستونهای راهگشا به سوی بنیاد علم و تئوریهای پیش بین هستند. مدلها، رابطهایی بنیادین در پروسه‌های علمی هستند و اغلب اوقات در سیستم‌های آموزشی به فاز مدلسازی و محاسبات، تأکید کافی نمی‌شود. یک مدل ریاضی بر پایة فرمولاسیون معادلات و نامعادلات اصول بنیادین استوار است و مدل درگیر با درک کامل پیچیدگیهای مسأله نظیر، جرم، اندازة حرکت و توازن انرژی است. در هر سیستم فیزیکی واقعی تقریب اجازه داده می‌شود، تا مدل را در یک قالب قابل حل عرضه کنند. اکنون می‌توان مدل را یا به صورت «تحلیلی» و یا بصورت «عددی» حل کرد. در این حالت مدلسازی ریاضی یک پروسه پیچیده است،زیرا می‌بایستی دقت و کارآیی را همزمان نشان دهد.

در علوم نانو و فناوری نانو، مدلسازی نقش محوری را بر عهده دارد، بویژه وقتی که بخواهیم عملکرد ماکروسکوپی مواد را از طریق طراحی در مقیاس اتمی و مولکولی کنترل کنیم، آن هم در شرایطی که درجات آزادی زیاد باشد. مدلسازی ریاضی یک ضرورت در این فضای مه آلود است. تفسیر داده‌های آزمایشگاهی یک ضروت حتمی است. همچنین برای هدایت، تفسیر، بهینه سازی، توجیه رفتارهای آزمایشگاهی، مدلسازی ریاضی ضرورت می‌یابد.

یک مدل مؤثر، راه رسیدن به تولیدات جدید، درک جدید رفتارشناسی، را کوتاه می‌کند و تصحیح گر هوشمندی است که از نتایج گذشته درس می‌گیرد.

مدلسازی نه تنها ویژگی منحصر به فرد ریاضیات است بلکه پلی بسوی فرهنگهای مختلف علمی است.

تئوری در هر مرحله از توسعة علم، نقش محوری دارد، ارزیابی حساسیت مدل به شرایط پروسه‌های فیزیکی ، و حصول اطمینان از اینکه معادلات و الگوریتمهای محاسباتی با شرایط کنترل آزمایشگاهی سازگارند، از چالشهای مهم است. تئوری نهایتاً بسوی تعریف نتایج و درک فیزیکی سیستم، میل خواهد کرد و اغلب اوقات ریاضیات جدیدی لازم نیست تا به منظور رسیدن به درک رفتار، ساخته شود.

عبور از تئوریهای موجود ارزشمند است و اغلب نیز اتفاق می‌افتد. زمانی مدلها، مشابه سیستم‌های شناخته شده هستند که دقت ریاضی بالایی را داشته باشند اما در جهان شگفت ‌انگیز نانو، مدلهای مختلف و جدید، چالشهای جدی را در دانش ریاضیات پدید می‌آورند. تئوریهای جدید در مقیاسهای زمانی غیر قابل پیش‌گوئی اتفاق می‌افتند و تئوریهای قدرتمند در قالبهای عمیق شکل می‌گیرند. میان‌برهای اساسی لازم است تا شبیه‌سازی صورت گیرد:

طراحی در مقیاس اتمی و مولکولی، کنترل و بهینه سازی عملکرد مواد و ابزار آلات، و کارآیی شبیه‌سازی رفتار طبیعی، از مهمترین چالشها است. این چالش‌ها نوید دهندة برهم کنشهای کامل میان حوزه‌های مختلف ریاضی خواهد بود.

آثار اجتماعی این چالش‌ها زیاد و متنوع خواهد بود.

منافع حاصل از مشغولیت ریاضیدانان فعال، توازن با چالشهای اصلی در زمینه رشد زیرساختهای ریاضیات، تغییرات در ساختار آموزش ریاضیات، از جمله آثار ورود ریاضیات به دنیای شگفت انگیز نانو خواهد بود.

جامعه ریاضی می‌بایستی اصلاح شود: تئوریهای بنیادین، ریاضیات میان رشته‌ای و ریاضیات محاسباتی و آموزش ریاضیات.

ریاضیات چه حوزه‌هایی را در بر خواهد گرفت؟ الگوریتمهای اصلی در حوزه‌های ریاضیات کاربردی و محاسباتی، علوم کامپیوتر، فیزیک آماری، نقش مرکزی و میان بر ساز را در حوزة نانو بر عهده خواهند داشت.

برای روشن شدن موضوع برخی از اثرات ریاضیات را در فرهنگ نانو بررسی می‌کنیم:

ـ روشهای انتگرال گیری سریع و چند قطبی سریع: اساسی و الزامی به منظور طراحی کدهای مدار (White, Aluru, Senturia) و انتگرال گیری به روش Ewala در کد نویسی در حوزه‌های شیمی کوانتوم و شیمی مولکولی (Darden ۱۹۹۹)

ـ روشهای« تجزیه حوزه»، مورد استفاده در شبیه‌سازی گسترش فیلم تا رسیدن به وضوح نانوئی لایه‌های پیشرو مولکولی با مکانیک سیالات پیوسته در مقیاسهای ماکروسکوپیک (Hadjiconstantinou)

ـ تسریع روشهای شبیه سازی دینامیک مولکولی (Voter ۱۹۹۷)

ـ روشهای بهبود مش‌بندی تطبیق پذیر: کلید روشهای شبیه پیوسته که ترکیب کنندة مقیاسهای ماکروئی، مزوئی، اتمی ومدلهای مکانیک کوانتوم از طریق یک ابزار محاسباتی است (Tadmor, Philips, Ortiz)

ـ روشهای پیگردی فصل مشترک: نظیر روش نشاندن مرحله‌ای Sethian, Osher که در کدهای قلم زنی و رسوب‌گیری جهت طراحی شبه رساناها مؤثرند (Adalsteinsson, Sethian) و نیز در کدگذاری به منظور رشد هم بافت ها (Caflisch)

ـ روشهای حداقل کردن انرژی هم بسته با روشهای بهینه سازی غیر خطی (المانی کلیدی برای کد کردن پروتیئن‌ها) (Pierce& Giles)

ـ روشهای کنترل (مؤثر در مدلسازی رشد لایه نازک‌ها (Caflisch))

ـ روشهای چند شبکه‌بندی که امروزه در محاسبات ساختار الکترونی و سیالات ماکرومولکولی چند مقیاسی بکار گرفته شده است.

ـ روشهای ساختار الکترونی پیشرفته ، به منظور هدایت پژوهشها به سمت ابر مولکولها (Lee & Head – Gordon)

منبع : articles.ir