دانلود مقاله-گرافن در تجهیزات الکترونیکی
نانو تکنولوژی در خیال و در واقعیت
محققان موفق شدند با برهمکنش نانولوله کربنی با اسید آنها را از وسط شکافته و گرافن تولید کنند. با این کار گرافنهای یکنواختی با کیفیت بالا ایجاد میشود.
پژوهشگران چینی نانولولههای کربنی را بهصورت مسطح درآوردند تا با این کار گرافنی با کیفیت بالا بهدست آید. گرافن مادهای تک لایه از جنس کربن است که در سال ۲۰۰۴ به دنیا معرفی شد. این ماده دارای خواص بسیار جالب و شگفتانگیزی است بهطوری که از این ویژگیها میتوان در حوزههای مختلف استفاده کرد. با تمام این مزایا، هنوز یک مشکل بزرگ بر سر راه استفاده از این ماده وجود دارد، تولید انبوه آن بسیار دشوار است.
یکی از روشهای رایج برای تولید نانوروبانهای گرافنی، شکافتن نانولولهها بهصورت فیزیکی یا شیمیایی است. این شکاف باید در راستای طول نانولوله باشد. با این حال شکافتن مستقیم و کنترل شده نانولولهها بسیار دشوار است و اغلب منجر به تولید نانوروبانهای گرافنی غیریکنواختی میشود و یا این که نانولولههای سالم در میان محصول دیده میشود.
یکی از کاربردهای محتمل گرافن، تولید اجزای رسانای بهتر، برای صفحات لمسی گوشی ها می باشد.
یالیلی و همکارانش از دانشگاه تیانجین با استفاده از اسیدهای اکسیدکننده نانولولههای کربنی را از وسط شکافتند تا با این کار بر مشکل فوق فائق آیند. زمانی که قطر نانولولهها نسبت به ضخامت آن زیاد باشد آنگاه نانولوله بهصورت ورقهای صاف در میآید. این مانند حالتی است که آستین لباس زمانی که آن را نپوشیدیم بر اثر وزن خود به زمین میافتد و حالت استوانهای به خود نمیگیرد.
زمانی که نانولولههای قطور همانند آستین لباس روی زمین میافتد، لبههای تا خورده آن دارای پیوند کربن-کربن پرانرژی خواهد شد. این نقاط مستعد باز شدن توسط اسید هستند. در صورت استفاده از اسید پیوند کربن-کربن در این نقاط باز شده و در نهایت نانوروبانهای گرافنی یکنواختی ایجاد میشود.
پژوهشگران معتقدند که این روش ساده بوده و امکان افزایش حجم مواد در این روش موجب شده تا از آن بتوان برای تولید انبوه گرافن استفاده کرد. لی میگوید ما با استفاده از روش رسوب شیمیایی از فاز بخار توانستیم مقادیر ماکروسکوپی از نانولولههای کربنی تولید کنیم در قدم بعد تنها باید آنها را درون محلول اسید وارد میکرد.
توفیق حسن از محققان دانشگاه کمبریج میگوید در این پروژه از روشی استفاده شده که پیش از این هم مورد استفاده قرار میگرفت. اما نکته جالب این است که با استفاده از این روش میتوان گرافن را بهصورت انبوه تولید کرد. این روش میتواند کیفیت محصولات تولید شده را نیز افزایش دهد. در واقع میتوان گفت این روش اولین راهبرد هوشمند برای تولید انبوه نانوروبانهای گرافنی یکنواخت است.
محققان آمريکايي روشي براي افزايش ايمني نانولولههاي کربني يافتند. آنها سطح نانولولهها را با استفاده از پليمر پوشش دادند با اين کار ميزان برهمکنش نانولولهها با ساختارهاي سلولي به حداقل ميرسد. اين کار موجب ميشود تا بتوان از نانولولهها در تصويربرداريهاي زيستي استفاده کرد.
به گزارش سایت خبری پپنا، در صورتي که سطح نانولولههاي کربني چند جداره با استفاده از پليمر پوشش داده شود، فعاليت سطحي آنها کاهش مييابد؛ بنابراين اين مواد براي استفاده در حوزه زيست پزشکي نظير رهاسازي دارويي و تصويربرداري مناسب خواهد شد. اين نتيجهاي است که پژوهشگران دانشگاه کاليفرنيا و نورثوسترن در مطالعات اخير خود به آن رسيدهاند. در واقع پليمرها موجب تشکيل ساختاري برس مانند در سطح لولهها ميشوند که اين کار موجب ممانعت از برهمکنش ميان غشاي سلول زيستي با نانولولهها ميشود.
«ژانگ وانگ» ميگويد: ما نشان داديم که نانولولههاي کربني چندجداره با پوشش پليمري پلورنيک اف 108 موجب ميشود تا نانولولهها به راحتي در محيط سيال پراکنده شده و فعاليت سطحي آنها کاهش يابد. فعاليت سطحي دليل واکنشهاي مشکلساز در سلولهاي ريه است.
پژوهشگران ميگويند: اين نوع برهمکنشهاي خطرساز درون ساختارهاي سلولي موسوم به ليزوزوم انجام ميشود. ليزوزومهاي آسيب ديده در ماکروفاژهاي ريه مسيري را فعال ميکنند که در نهايت منجر به آسيبهاي مزمن در ريه ميشود.
اين گروه تحقيقاتي ابتدا نانولولهها را با استفاده از سروم آلبومين گاوي و يک فسفو ليپيد پوشش دادند، اما اثر عکس آن چيزي را که انتظار داشتند مشاهده کردند، در واقع نانولولهها موجب آسيبهايي در ريه موشهاي مورد آزمايش شده بودند.
مطابق اظهارات اين تيم تحقيقاتي، اين پليمر ساختاري برس مانند در سطح نانولوله تشکيل ميدهد که اين کار موجب پايدار شدن ليزوزومها شده و همچنين مانع از برهمکنش نانومواد با غشاي ليزوزوم ميشود.
«وانگ» ميگويد: ما معتقديم که پليمر PF108 ميتواند به عنوان پوششي براي نانولولههاي کربني چند جداره به کار رود و در نهايت موجب شود تا اين مواد با ايمني بيشتر در فرايندهاي درماني، تصويربرداري و تشخيص طبي مورد استفاده قرار گيرد. نتايج کار ما نشان داد که راهبرد طراحي بهتر براي ايمني بيشتر در نانومواد امکان پذير است و اين کار با تغيير خواص سطحي مواد انجام پذير است.
اين گروه تحقيقاتي آزمايشات مشابهي را روي نانوذرات اکسيد روي و نقره انجام دادند. نتايج کار آنها نشان داد که اشکال مشخصي از اين نانومواد داراي ايمني بيشتري نسبت به ديگر اشکال هستند. پژوهشگران قصد دارند تا مطالعات خود را روي نانومواد ديگر نيز انجام دهند، بويژه نانوموادي که در حال حاضر بطور رايج در صنعت استفاده ميشود.
نتايج اين تحقيق در نشريه «Nano Letters» به چاپ رسيده است.
اینکه چه زمانی قرار است این رشته های سبک، قدرتمند و میکروسکوپی جهان را تغییر دهند نامشخص است اما در ادامه چند شیوه جدید که محققان از این نانو لوله ها استفاده می کنند تا جهان را به مکانی شگفت انگیزتر تبدیل کنند، معرفی می شوند:
کارایی حقیقی نانولوله های کربنی
اگر در یک سیستم رایانه ای یک کابل مسی نتواند الکترونها را انتقال دهد کل سیستم از کار خواهد افتاد. در حالی که بیشتر مطالعات بر روی تولید نانولوله های کربنی متمرکز شده که کم هزینه و کارآمد هستند، محققان در موسسه ملی استاندارد و تکنولوژی یا NIST در حال اکتشاف بر روی کاربردهای واقعی نانولوله های کربنی هستند.
با کوچکتر شدن روز به روز الکترونیکها، تولید کنندگان در جستجوی شیوه هایی برای بهبود گنجایش آنها برای گنجاندن تجهیزات مورد نیاز هستند و به نظر می آید نانولوله ها بهترین راهکار برای مینیاتوری کردن اتصالات میان رایانه ها باشند. علاوه بر ابعاد کوچک این نانولوله ها، از کارایی بسیار زیادی برخوردارند و به صورت نظری می توانند هزار برابر رساناهای رایج فلزی جریان الکتریکی را انتقال دهند.
تصور نانو لوله های کربنی در حالی که در آینده ای نه چندان دور درون الکترونیکهای مصرفی جایگزین کابلهای مسی شده اند کار چندان دشواری نیست. با این همه توماس ادیسون نیز در زمان خود و در حالی که بر روی ساخت لامپ کار می کرد از رشته های کربنی استفاده کرد، رشته هایی که ابعاد نانویی نداشتند و به سرعت در آزمایشها سوخته می شدند، مشکلی که دانشمندان امروزی نیز باید برای برطرف کردن آن راهکاری بیاندیشند.
محققان بر این باورند که باید سطح مشترک نانولوله ها با دیگر فلزات به دقت مورد بررسی قرار گیرد. اکتشافات جدید در این زمینه می تواند منجر به مقرون به صرفه شدن و امکان پذیرشدن تولید انبوه نانولوله ها شده و سرعت جایگزینی آنها را درون الکترونیکهای مصرفی بالا ببرد.
متاسفانه جایگزینی کابلهای مسی توسط این نانولوله های کربنی در یک تراشه امیدوار کننده نبود زیرا الکترودهای فلزی تراشه زمانی که جریان از سطحی بالاتر رفت، مختل شدند و مدار طی 40 ساعت از کار افتاد. به گفته محققان NIST شاید این نانو رشته ها برای جایگزینی سیمهای مسی در ابزارهای مختلف کارامد نباشند، اما به طور حتم در ساخت ابزارها و نمایشگرهای قابل انعطاف کاربردی خواهند بود.
نانولولهها در آستانه كاربرد در ترانزیستورهای سریع هستند، اما آن ها هنوز هم در اتصالات داخلی استفاده میشوند. بسیاری از طراحان دستگاهها تمایل دارند به پیشرفتهایی دست یابند كه آن ها را به افزایش تعداد اتصالات داخلی دستگاهها در فضای كوچك تر، قادر نماید. ترانزیستورهای ساخته شده از نانولولهها دارای آستانه میباشند (یعنی سیگنال باید از یك حداقل توان برخوردار باشد تا ترانزیستور بتواند آن را آشكار كند) كه میتوانند سیگنالهای الكتریكی زیر آستانه را در شرایط اختلال الكتریكی یا نویزآشكار و ردیابی نمایند. همچنین از آنجایی كه ضریب تحرك، شاخص حساسیت یك ترانزیستور برای كشف بار یا شناسایی مولكول مجاور میباشد، لذا ضریب تحرك مشخص میكند كه قطعه تا چه حد میتواند خوب كار كند. ضریب تحرك تعیین میكند كه بارها در یك قطعه چقدر سریع حركت میكنند و این نیز سرعت نهایی یك ترانزیستور را تعیین مینماید.
لذا اهمیت استفاده از نانولولهها و تولید ترانزیستورهای نانولولهای با داشتن ضریب تحرك برابر با 100 هزار سانتیمتر مربع بر ولت ثانیه در مقابل سیلیكون با ضریب تحرك 1500 سانتیمتر مربع بر ولت ثانیه و ایندیم آنتیمونید (بالاترین ركورد بدست آمده تا به امروز) با ضریب تحرك 77 هزار سانتیمتر مربع بر ولت ثانیه بیش از پیش مشخص میشود.
حسگرها ابزارهایی هستند كه تحت شرایط خاص، از خود واكنشهای پیشبینی شده و مورد انتظار نشان میدهند. شاید دماسنج را بتوان جزء اولین حسگرهای كه بشر ساخت به حساب آورد. با توجه به وجود آمدن وسایل الكترونیكی و تحولات عظیمی كه در چند دهه اخیر و در خلال قرن بیستم به وقوع پیوسته است، امروزه نیاز به ساخت حسگرهای دقیقتر، كوچك تر و با قابلیتهای بیشتر احساس میشود.
حسگرهایی كه امروزه مورد استفاده قرار میگیرند، دارای حساسیت بالایی هستند به طوری كه به مقادیر ناچیزی از هر گاز، گرما یا تشعشع حساسند. بالا بردن درجه حساسیت، بهره و دقت این حسگرها نیاز به كشف مواد و ابزارهای جدید دارد. با آغاز عصر فناوری نانو، حسگرها نیز تغییرات شگرفی خواهند داشت. یكی از نامزدهای ساخت حسگرها، نانولولهها خواهند بود. با نانولولهها میتوان، هم حسگر شیمیایی و هم حسگر مكانیكی ساخت. به خاطر كوچك و نانومتر بودن ابعاد این حسگرها، دقت و واكنش آن ها بسیار زیاد خواهد بود، به گونهای كه حتی به چند اتم از یك گاز نیز واكنش نشان خواهند داد.
تحقیقات نشان میدهد كه نانولولهها به نوع گازی كه جذب آن ها میشود حساس می باشند؛ همچنین میدان الكتریكی خارجی، قدرت تغییر دادن ساختارهای گروهی از نانولولهها را دارد؛ و نیزمعلوم شده است كه نانولولههای كربنی به تغییر شكل مكانیكی از قبیل كشش حساس هستند. گاف انرژی نانولولههای كربنی به طور چشمگیری در پاسخ به این تغییر شكلها میتواند تغییر كند. همچنین میتوان با استفاده از مواد واسط، مانند پلیمرها، در فاصله میان نانولولههای كربنی و سیستم، نانولولههای كربنی را برای ساخت زیست حسگرها نیز توسعه داد. تحقیق در زمینه كاربرد نانولولهها در حسگرها در حال توسعه و پیشرفت است و مطمئناً در آیندهای نه چندان دور شاهد بكارگیری آن ها در انواع مختلف حسگرها (مكانیكی، شیمیایی، تشعشی، حرارتی و ..) خواهیم بود.
حسگرهای زیستی از الکترودهای پوشیده شده از آنزیمهایی خاص، برای احساس ترکیباتی ویژه استفاده می کند. زمانی که ترکیبات واکنش آنزیم را دریافت می کنند سیگنالهای قابل محاسبه الکتریکی از خود ایجاد می کنند. نانولوله ها می توانند این میدان مطالعاتی را متحول کنند همانطور که دانشمندان در دانشگاه پوردو در حال مطالعه بر روی کاربرد نانولوله ها به عنوان حسگرهای زیستی هستند.
محققان برای اینکار باید ابتدا نانولوله ها را با آب سازگار سازند و از این رو محققان DNA ترکیبی را ایجاد کرده اند که درون مایع به نانولوله ها متصل می شود. به گفته دانشمندان دانشگاه پوردو در آینده می توان توالی از DNA را به وجود آورد که مکمل نانولوله ها بوده و می تواند جایگزین آنزیمها در حسگرهای زیستی شوند.
بسیاری از متخصصان بر این باورند كه فناوری نمایشگرهای با صفحه تخت امروزی از نظر هزینه، كیفیت و اندازه صفحه نمایش، برای مصارف خانگی مناسب نیستند. آن ها معتقدند كه با استفاده از نمایشگرهایی كه از نانولولههای كربنی به عنوان منبع انتشار استفاده میكنند، می توانند این مشكلات را بر طرف كنند .
نانولولههای كربنی میتوانند عنوان بهترین گسیل كننده میدانی را به خود اختصاص داده و ابزارهای الكترونی با راندمان وكارایی بالاتری تولید كنند. خصوصیات منحصر به فرد این نانولولهها، تولیدكنندگان را قادر به تولید نوعی جدید از صفحه نمایشهای تخت خواهد ساخت كه ضخامت آن ها به اندازه چند اینچ بوده و نسبت به فناوریهای فعلی از قیمت مناسبتری برخوردار باشد. به علاوه كیفیت تصویر آن ها هم به مراتب بهتر خواهد بود.
در پدیده گسیل میدانی، الكترونها با استفاده از ولتاژ اندك از فیلمهای ضخیم دارای نانولوله به سمت صفحه نمایش پرتاب شده و باعث روشن شدن آن میشوند. هر نقطه از این فیلم، یك پرتاب كننده الكترون (تفنگ الكترونی) كوچك است كه تصویر را روی صفحه نمایش ایجاد میكند. ولتاژ لازم برای نمایشگر گسیل میدانی از طریق صفحه نمایش صاف متكی بر نانولوله نسبت به آنچه به صورت سنتی در روش اشعه كاتدی استفاده میشد، كمتر میباشد و این نانولولهها با ولتاژ كمتر، نور بیشتری تولید میكنند.
با کوچکتر شدن روز به روز الکترونیکها، تولید کنندگان در جستجوی شیوه هایی برای بهبود گنجایش آنها برای گنجاندن تجهیزات مورد نیاز هستند و به نظر می آید نانولوله ها بهترین راهکار برای مینیاتوری کردن اتصالات میان رایانه ها باشند
به دلیل كوچكی بسیار زیاد نانولولههای كربنی (كه در حد مولكولی است)، اگر هر نانولوله بتواند تنها یك بیت اطلاعات در خود جای دهد، حافظههایی كه از این نانولولهها ساخته میشوند میتوانند مقادیر بسیار زیادی اطلاعات را در خود ذخیره نمایند. با در نظر داشتن این مطلب، بسیاری از محققان در حال كار بر روی ساخت حافظههای نانولولهای میباشند؛ بنابراین رؤیای ساخت رایانههای با سرعت بالا عملی خواهد شد.
از كاربردهای دیگر نانو لوله ها می توان به امكان ذخیره هیدروژن در پیلهای سوختی، افزایش ظرفیت باتریها و پیلهای سوختی، افزایش راندمان پیلهای خورشیدی، جلیقههای ضدگلوله سبك و مستحكم، كابلهای ابررسانا یا رسانای سبك، رنگهای رسانا، روكشهای كامپوزیتی ضد رادار، حصار حفاظتی الكترومغناطیسی در تجهیزات الكترونیكی، پلیمرهای رسانا، فیبرهای بسیار مقاوم، پارچه های با قابلیت ذخیره انرژی الكتریكی جهت راه اندازی ادوات الكتریكی، ماهیچههای مصنوعی با قدرت تولید نیروی 100 مرتبه بیشتر از ماهیچههای طبیعی، صنایع نساجی، افزایش كارایی سرامیكها، مواد پلاستیكی مستحكم، تشخیص گلوكز، محلولی برای اتصال درونی تراشههای بسیار سریع، مدارهای منطقی و پردازندههای فوق سریع، كمك به درمان آسیبدیدگی مغز، دارورسانی به سلولهای آسیب دیده، از بین بردن تومورهای سرطانی، تجزیه هیدروژن، ژندرمانی، تصویربرداری، SPM، FEM، محافظ EMT، حسگرهای شیمیایی ، SET و LED، پیلهای خورشیدی و نهایتاً LSI اشاره كرد. البته در چند مورد اخیر بیشتر از نوع تك جداره آن استفاده میشود.
نانولوله های کربنی با این گستره كاربردها میتواند در آیندهای نه چندان دور بازار بزرگی را به خود اختصاص داده و زندگی بشر را تحت تأثیر خود قرار دهد.
نانوکامپوزيت هاي پليمري
خلاصه :
اين گزارش به معرفي اجمالي نانوکامپوزيت هاي
پليمري مي پردازد. سيليکات هاي لايه اي تا به امروز بيشترين کاربرد را در
ساخت نانوکامپوزيت ها داشته اند اخيرا به شدت از نانولوله هاي کربني نيز در
ساخت اين نانوکامپوزيت ها استفاده مي شود. از انواع رزين هاي مورد استفاده
به عنوان زمينه ناوکامپوزيت ها رزين هاي ترموپلاستيک و ترموست مي باشد.
در حال حاضر از موضوعات بسيار با درجه اهميت بالا در تحقيقات مطالعه فصل
مشترک فاز تقويت کننده مانند نانولوله ها و فاز زمينه مانند پليمرها مي
باشد.
مواد و توسعه مواد از پايههاي تمدن و فرهنگ انسان ميباشد. بشر حتي دورههاي تاريخي را با مواد نامگذاري كرده است. مثل عصر سنگي، عصر برنز، عصر آهن، عصر فولاد (انقلاب صنعتي)، عصر سيليكون و عصر سيليكا (انقلاب ارتباطات از راه دور) . اين نشان ميدهد كه مواد چقدر براي ما اهميت دارد. ما همواره در كوششيم كه از دنياي اطراف خود آگاهي داشته باشيم و آن را بهبود دهيم و ببينيم دنياي ما از چه چيزي ساخته شده است.
عصر جديد با شناخت يك ماده مشخص بوجود نخواهد آمد بلكه با بهينهكردن و مشاركتدادن تركيبي از چند ماده بوجود خواهد آمد. دنياي نانومواد و هيجانات همراه آن، فرصتهاي استثنايي براي توليد انقلاب در مواد كامپوزيتي بوجود آورده است.
كامپوزيتهاي پليمري به علت خواصي مانند استحكام، سفتي و پايداري حرارتي و ابعادي، چندين سال است كه در ساخت هواپيماها به كار ميرود. با ظهور و بهكارگرفتن نانوتكنولوژي، كامپوزيتهاي پليمري بسيار جذابتر خواهند شد.
تقويت پليمرها با استفاده از مواد آلي و يا معدني بسيار مرسوم
ميباشد. برخلاف تقويتكنندههاي مرسوم كه در مقياس ميكرون ميباشند، در
كامپوزيتهاي نانوساختاري فاز تقويتكننده در مقياس نانومتر ميباشد. توزيع
يكنواخت اين نانوذرات در فاز زمينه پليمري باعث ميشود فصل مشترك فاز
زمينه و فاز تقويتكننده در واحد حجم، مساحت بسيار بالايي داشته باشد. براي
مثال مساحت فصل مشترك ايجاد شده با توزيع سيليكات لايهاي در پليمر بيشتر
از 
700
خواهد بود. علاوه بر اين فاصله بين ذرات فاز نانومتري تقويتكننده با
اندازه ذرات قابل مقايسه خواهد بود. براي مثال براي يك صفحه با ضخامت nm 1
فاصله بين صفحات در حدود 10 نانومتر در فقط 7 درصد حجمي از فاز تقويتكننده
ميباشد. اين مورفولوژي از ويژگيهاي ابعاد نانومتري ميباشد.
هم از جنبه تجاري و هم از جنبه نظامي، ارزش نانوكامپوزيتهاي پليمري فقط به خاطر بهبود خواص مكانيكي نميباشد. در كامپوزيتها كارايي مورد نياز، خواص مكانيكي، هزينه و قابليت فرآوري از موضوعات بسيار مهم ميباشد. نانوكامپوزيتهاي پليمري بر اين محدوديتها غلبه كرده است. براي مثال پيشرفت سريع نانوكامپوزيتهاي پليمر- سيليكات لايهاي را درنظر بگيريد. تلاشهاي ده سال اخير باعث شده است كه مدول كششي و استحكام اين كامپوزيتها دوبرابر شود، بدون اينكه مقاومت به ضربه آنها كاهش يابد. مثلاً براي تعداد زيادي رزينهاي ترموپلاستيك مثل نايلون و اولفين و همچنين رزينهاي ترموست مثل اورتان، اپوكسي و سيلوگزان با افزايش مقدار كمي مثلاً 2% حجمي از سيليكات لايهاي ميتوان به اين خواص رسيد.
اخيراً جنرال موتورز و شركايش مثل Basel و Southarn Clay Products و Black hawk Automotive در قسمتهاي خارجي اتومبيل از نانوكامپوزيتهاي با زمينه اولفين ترموپلاستيك و تقويتكننده سيليكات لايهاي استفاده كردهاند.
يك نانوكامپوزيت اولفيني با 5/2% سيليكات لايهاي بسيار مستحكمتر و سبكتر نسبت به ذرات مرسوم تالك كه در ساخت كامپوزيتهاي مرسوم به كار ميرود، ميباشد. باتوجه به نوع قطعه و ماده تقويتكننده در يك نانوكامپوزيت اولفيني ميتوان كاهش وزني درحدود 20% را بدست آورد.
علاوه بر اين مقدار مواد مصرفي نيز نسبت به كامپوزيتهاي مرسوم كاهش خواهد يافت. اين مزايا باعث خواهد شد كه تأثيرات مثبتي بر مسائل زيست محيطي و بازيافت آنها داشته باشد. به عنوان مثال گزارش شده است كه استفاده از نانوكامپوزيتهاي پليمري با لايه هاي سيليكاتي در صنايع خودرو آمريكا باعث صرفهجويي در مصرف 5/1 ميليارد ليتر گازوئيل در طول عمر خودرو توليدشده در يك سال خواهد شد و درنتيجه چيزي در حدود 10 ميليارد پوند دياكسيد كربن كمتر نشر خواهد يافت.
باتوجه به گستردهبودن پليمرها و رزينها و همچنين نانومواد تقويتكننده و كاربردهاي فراوان آنها موضوع نانوكامپوزيت هاي پليمري بسيار گسترده ميباشد.
در توسعه مواد چند جزئي چه در مقياس نانو و يا ميكرو سه موضوع مستقل بايد مورد توجه قرار گيرد: انتخاب اجزاء، توليد، فرآوري و كارايي
در مورد نانوكامپوزيتهاي پليمري هنوز در اول راه ميباشيم و باتوجه به كاربرد نهايي آنها زمينههاي بسياري براي توسعه آنها وجود دارد.
دو روش اساسي توليد اين نانوكامپوزيتهاي پليمري "روشهاي درجا" و روش " ورقهاي کردن " Exfoliation) ) ميباشد. در روش درجا فاز تقويتكننده در زمينه پليمري توسط روشهاي شيميايي و يا جداسازي فازها توليد ميشود. زمينه پليمري به عنوان محلي براي تشكيل اين اجزاء ميباشد. به عنوان مثالي از اين روش ها ميتوان تجزيه و يا واكنش شيميايي مواد پيشسازه در زمينه پليمري را نام برد.
در حال حاضر ورقهايكردن لايههاي سيليكاتي و نانوفايبرها/ نانولولههاي كربني توسط صنايع بسياري مورد مطالعه و بررسي قرار گرفته است. همچنين مؤسسات دولتي و دانشگاهي بسياري بر روي اين موضوع كار ميكنند. درباره اين موضوع در ادامه صحبت خواهيم كرد.
سيليكاتهاي لايهاي (آلومينوسيليكاتهاي 2 به 1، فيلوسيليكاتها، رسهاي معدني و اسمكتيتها) تا به امروز بيشترين كاربرد را در تحقيقات نانوكامپوزيتهاي پليمري داشته است. سيليكاتهاي لايهاي ويژگي هاي ساختاري مانند ميكا و تالك دارد و از آلومينوسيليكاتهاي هيدراته تشكيل شده است. در شكل (1 ) ساختار كريستالي آنها را مشاهده ميكنيد.
نيزوهاي واندروالس در بين لايهها كه حامل كاتيونها ميباشند ( M + ) لايهها را كه توسط پيوند كووالانسي به هم متصلاند را از هم جدا ميسازد. اين لايهها ضخامتي در حدود 96/0 نانومتر دارند.
برخلاف تحقيقات 25 ساله بر روي توزيع سيليكاتهاي لايهاي در پليمرها، تحقيقات در زمينه توزيع نانولولههاي كربني در پليمرها بسيار جديد ميباشد. نانولولههاي كربني در حين افزايش و بهبود خصوصيات فيزيكي و مكانيكي پليمرها باعث ميشوند كه خواص الكتريكي و گرمايي رزينها نيز بهبود يابد. قطر اين نانولولهها ميتواند از 1 تا 100 نانومتر باشد و نسبت وجهي (طول به قطر) بيشتر از 100 يا حتي 1000 باشد. مانند سيليكاتهاي لايهاي ماهيت غيرهمسانگردي اين لولهها باعث ميشود كه در کسر حجمي کمي از نانولوله ها رفتار جالبي در اين نانوكامپوزيتها پيدا شود.
نانولولههاي كربني در دو گروه طبقهبندي ميشوند. نانولولههاي تكديواره و نانولولههاي چندديواره. علت علاقه به نانولولههاي كربني تكديواره و تلاش براي جايگزينكردن آنها در صنعت براساس محاسبات تئوري و تأييدات آزمايشگاهي بر خصوصيات عالي مكانيكي و رسانايي الكتريكي آنها مانند فلزات ميباشد.
رقابت بر روي توسعه روشهاي ساخت با هزينه كم، فرآوري نانولولههاي كربني تكديواره و همچنين پايداري خصوصيات اين نانولولهها در حين فرآوري پليمر- نانولوله، از موانعي هستند كه سرعت پيشرفت در توليد نانوكامپوزيتهاي پليمري پرشده با نانولولههاي كربني را محدود كردهاند.
برعكس در دسترسبودن و تجاريبودن نانولولههاي كربني چندديواره باعث شده است كه پيشرفتهاي بيشتري در اين زمينه داشته باشيم. تاحدي كه محصولاتي در آستانه تجاريشدن توليد شده است. به عنوان مثال از نانولولههاي كريني چندديواره (جايگزين Carbon-black ) در پودرهاي رنگ استفاده شده است.
استفاده از اين نانولولهها باعث ميشود كه رسانايي الكتريكي در مقدار كمي از فاز تقويتكننده حاصل شود و كاربرد آنها در پوششدادن قطعات اتومبيل ميباشد.
يكي ازمعايب نانولولههاي چندديواره نسبت به تكديواره اين است كه استحكامدهي آنها كمتر ميباشد زيرا پيوندهاي صفحات داخلي ضعيف ميباشند. در هر حال، درحال حاضر كاربردهايي كه باعث استفاده از نانولولهها در تقويتدادن پليمرها ميشود، بهبود خواص گرمايي و الكتريكي ميباشد تا بهبود خواص مكانيكي. بنابراين كاربرد نانولولههاي كربني چندديواره بسيار زياد ميباشد.
از نظر نظامي نيز فراهمكردن هدايت الكتريكي، و يا الكتريكي در فيلمها و فايبرهاي پليمري فرصتهاي انقلابي بوجود خواهد آورد. به عنوان مثال از پوستههاي الكتريكي-مغناطيسي گرفته تا كامپوزيتهاي رساناي گرما و لباسهاي سربازهاي آينده.
در نانوكامپوزيتهاي پليمري هدف نهايي، توزيع يكنواخت فاز تقويتكننده نانومتري ميباشد. اساساً 4 روش براي توليد نانوكامپوزيتهاي يكنواخت وجود دارد: فرآوري محلولي، پليمريزاسيون درجا، فرآوري مزوفازها و فرآوري مذاب. تحقيقات بسياري در مورد اين فرآيندها براي بررسي پارامترهاي كنترلكننده مورفولوژي نانوكامپوزيت حاصله با اين روشها وجود دارد.
عملگري سطحي و عناصر نانويي بهكاررفته در پليمرها بايد به گونهاي باشد كه نرخ پليمريزاسيون و محل شروع پليمريزاسيون قابل كنترل باشد. زيرا درحين پليمريزاسيون ممكن است عناصر نانويي تقويتكننده آگلومره شوند.
نقطه كليدي در تمام اين فرآيندها مهندسي فصل مشترك بين پليمر و نانوذره ميباشد. براي اين فرآيندها عموماً از سورفكتانتها استفاده ميشود. براي مثال از مولكولهايي كه بصورت يوني با سطح نانوذرات پيوند داشته باشند (در سيليكاتهاي لايهاي) استفاده ميشود و درمورد نانولولههاي كربني از پليمرهايي كه بصورت فيزيكي به آنها متصل ميشوند استفاده ميشود. اين بهسازيهاي سطحي باعث ميشوند كه عكسالعمل بين فصل مشتركها بهبود يابد. بيشترين تلاشها در حال حاضر بر روي بهسازهايي شده است كه باعث ميشود توزيع نانوذرات تسهيل يافته و بصورت يكنواخت توزيع شوند.
در حال حاضر موضوعات با درجه بالاي اهميت در تحقيقات عبارتند از: درك دقيق و عميق از منطقه فصل مشترك فاز تقويتكننده و پليمر، وابستگي خصوصيات فصل مشترك به شيمي سطح نانوذره، آرايش اجزاء و ارتباط بين منطقه فصل مشترك و خصوصيات نانوكامپوزيتها. همچنين درك كلي از ارتباط مورفولوژي و خصوصيات حاصله در رفتار مكانيكي، گرمايي و مقاومتي بسيار كم ميباشد.
نانو سیلور یا همان نانو ذرات نقره ، یکی از پر کاربرد ترین ذرات در حوزه
نانو پس از نانو لوله های کربن است، که هر روزه بر کاربرد آن در دنیای نانو
افزوده می شود.
نانوذرات نقره عمدتاً، بهدليل خواص فيزيکي و شيميايي ويژهاي که از خود
نشان ميدهند در مصارف الکترونيکي، نوري، دارويي و بهداشتي و کاتاليتيکي
کاربرد فراوان دارند.
یکی از دلایل کاربرد گسترده این ذرات ، به دلیل خاصیت آنتی باکتریال این
ذرات است و در واقع نانوذرات نقره براي عوامل بيماريزا يک سم تلقي ميشوند
و براي بدن انسان، غذاها و بافتها بيضررند. این در حالیست که نقره به
خودی خود فاقد ویا خیلی کمتر این خاصیت است. این خاصیت دوگانه ذرات نانو
در مقایسه با ذرات ماکروی نقره به دلیل اثر افزایش سطح در نتیجه افزایش
واکنش پذیری ماده و پیروی ماده از فیزیک وشیمی کوانتم در حالت نانو است.
http://www.nanoclub.ir/contents/nanosilver/image002.jpg
نانو ذرات نقره
نقره در ابعاد بزرگتر، فلزی با خاصیت واکنش دهی کم میباشد، ولی زمانیکه به
ابعاد کوچک در حد نانومتر تبدیل میشود خاصیت میکروب کشی آن بیش از 99 درصد
افزایش می یابد، به حدی که می توان از آن جهت بهبود جراحات و عفونتها
استفاده کرد. نقره در ابعاد نانو بر متابولیسم، تنفس و تولید مثل
میکروارگانیسم اثر می گذارد. تاکنون بیش از 650 نوع باکتری شناخته شده را
از بین برده است.
هر چند این فناوری به تازگی مورد توجه زیادی قرار گرفته و رونق بسیاری پیدا
کرده ، اما از آن در طب قدیم استفاده می شده بدون آنکه دلیل تاثیر آن
شناخته شود وحتی در جنگ برای کنترل عفونت زخم سربازان از سکه های نقره
استفاده می شده است .
دانشمندان مكانيسم هاي متفاوتي را براي تبيين اثرگذاري نقره بر ميكروبها
يافته اند. به دليل همين تعدد مكانيسم ها است كه ميكروبها نميتوانند نسبت
به نقره سازگار شوند و يا مقاومت پيدا كنند.امروزه به مدد فناوري نانو ساخت
ذرات نقره در ابعاد نانو ميسر گشته است ذرات نانو نقره به ما اين امكان
را ميدهند كه با كمترين غلظت خاصيت ضد ميكروبي بسيار قوي را از فلز نقره
شاهد باشيم.در ميان مكانيسم هاي متعددي كه از فلز نانو نقره شناخته شده است
، دو مكانيسم بصورت بارز در نظر گرفته مي شود كه به شرح زير است.
دو مکانیسم عمده نانو نقره ها عبارتند از :
1- مکانیسم کاتالیستی : تولید اکسیژن فعال توسط نقره، این مکانیسم بیشتر
درمورد کامپوزیت های نانو نقره ای صدق میکند که روی پایه های نیمه هادی
مانند TiO2 یا SiO2 قرار گرفته می شود. در این وضعیت ذره مانند یک پیل
الکتروشیمیایی عمل میکند و با اکسید کردن اتم اکسیژن، یون اکسیژن و با
هیدرولیزکردن آب، یون OH- را تولید می کند که هر دو از بنیان های فعال و از
قوی ترین عاملین ضد میکربی نیز می باشند.
2- مکانیسم یونی: دگرگون ساختن میکروارگانیسم به وسیله تبدیل پیوند های SH ــ به Sag ــ .
دراین مکانیسم ذرات نانونقره فلزی به مرور زمان یونهای نقره از خود ساطع می
کنند. این یونها طی واکنش جانشینی، باندهایSH- را در جداره میکروارگانیسم
به باندهای -SAg تبدیل می کنند، که نتیجه ای واکنش تلف شدن میکروارگانیسم
است.
خصوصیات نانو سیلور :
1- تاثیر بسیار زیاد
2- تاثیر سریع
3- غیر سمی
4- غیر محرک برای بدن
5- غیر حساسیت زا
6- قابلیت تحمل شرایط مختلف (پایداری زیاد)
7- آب دوست بودن
8- سازگاری با محیط زیست
9- مقاوم در برابر حرارت
10- عدم ایجاد و افزایش مقاومت و سازگاری در میکروارگانیسم
از دیگر قابلیتهای نانو سیلور، اضافه شدن به الیاف، پلیمر، سرامیک، سنگ، رنگ و... ، بدون تغییر دادن خواص ماده است
موارد استفاده نانو سیلور ها:
1- تجهیزات بهداشتی (مسواک و برسهای بهداشتی حمام ، تیغ جراحی و....)
2- ظروف پلاستیکی ( غذایی ، دارویی ، آرایشی )
3- لوازم خانگی(یخچال، جارو برقی، ماشین های لباس شوئی و ظرف شویی، سیستم تهویه و تصفیه هوا و رطوبت زا)
تاکنون حتما شاهد تبلیغات و یا استفاده ماشین های لباس شوئی با بهره گیری از تکنولوژِی نانو سیلور بوده اید.
در این تجهیزات برای گند زدائی و ضدعفونی کردن لباس ها و ماشین لباس شوئی از نانو سیلور استفاده می شود.
http://www.nanoclub.ir/contents/nanosilver/image006.jpg
4- مواد بسته بندی برای تازه و بهداشتی نگه داشتن مواد غذایی
5- بدنه وسایلی که انسان مداوم با آن تماس دارد( گوشی موبایل ، کیبورد و ...)
بیشتر نانوذرات به صورت پلیمری استفاده می شود.این پلیمرها باید در محیط
سرد و خشک و به دور از آفتاب نگهداری شوند که تحت این شرایط تا دو سال قابل
نگهداری هستند.
ذرات نانو سیلور را می توان به صورت پودر درآورد و در مواد و وسایل مختلف
استفاده کرد ( مسواک ، خمیر دندان ) ، که در آن صورت به محض تماس ماده با
آب ، نقره فعال شده و خاصیت آنتی باکتریال پیدا می کند.
طبق اولين بررسيهايي كه تاكنون روي نانوذرات فلزي انجام شده، برهم كنش
نانوذرات نقره با ابعاد يك تا 10 نانومتر با ويروس HIV-1 و چسبيدن اين
ذرات به آن مانع از اتصال اين ويروس به سلول ميزبان ميشود.بدین ترتیب
دانشمندان امیدوار شده اند که شاید بتوان این ویروس را به طور کامل از بین
برد.
روش های تولید:
توليد خارج سلولي نانوذرات نقره به وسيله باکتري Klebsiella pneumoniae در
روشنايي بررسي شدهاست. باکتري Klebsiella pneumoniae در محيطهاي کشت
مختلف، کشت داده شده و بهترين محيط از لحاظ توليد نانوذرات نقره مشخص
گرديدهاست. همچنين ميزان توليد نانوذرات نقره در شدت نورهاي مختلف نيز
مورد بررسي قرار گرفتهاست. پس از توليد نانوذرات در شرايط مختلف، خصوصيات
اين ذرات توسط روشهاي مختلفي از جمله؛ UV-Vis ، آناليز عنصري با روش EDX،
Flam Atomic Absorption Spectrophotometryو ميکروسکوپ الکتروني SEM و TEM
تعيين شدند.
نتايج حاصله نشان داد که يونهاي آبي هنگامي که در معرض باکتري Klebsiella
pneumoniae قرار گرفتند، احيا شدند و در نتيجه منجر به توليد نانوذرات نقره
گرديدند. همچنين بهترين محيط کشت و بهترين شدت نور براي توليد اين ذرات
مشخص گرديد.
دیگر روش های معمول تولید نانوذرات نقره به دلیل مشابهت فرآیند ،همراه با نانوذرات طلا قرار داده می شوند .
داستان خاصيت ضد ميكروبي نقره داستاني معاصر نيست بلكه اين خاصيت از ديرباز شناخته شده بوده و بكار مي رفته است براي مثال در جنگها جهت ترميم زخمهاي سربازان روي زخم سكه اي از جنس نقره قرار ميدادند و سپس محل زخم را مي بستند و يا براي نگهداري مواد غذايي از ظروف نقره اي استفاده مي شده است، و علت شيوع نيافتن بيماريهاي مسري در مناطق اعيان نشين را به ظروف نقره نسبت ميدهند.
دانشمندان مكانيسم هاي متفاوتي را براي تبيين اثرگذاري نقره بر ميكروبها يافته اند. به دليل همين تعدد مكانيسم ها است كه ميكروبها نميتوانند نسبت به نقره سازگار شوند و يا مقاومت پيدا كنند.
امروزه به مدد فناوري نانو ساخت ذرات نقره در ابعاد نانو ميسر گشته است ذرات نانو نقره به ما اين امكان را ميدهند كه با كمترين غلظت خاصيت ضد ميكروبي بسيار قوي را از فلز نقره شاهد باشيم.
در ميان مكانيسم هاي متعددي كه از فلز نانو نقره شناخته شده است ، دو مكانيسم بصورت بارز در نظر گرفته مي شودمقايسه اثرات پوستي نانونقره و نيترات نقره
پژوهشگران دانشگاه علوم پزشکي تهران، طي تحقيقاتي در زمينهي سميت نانوذرات
نقره به اين نتيجه رسيدند که بايد در استفاده از محصولات حاوي نانوذرات
نقره که در تماس با پوست بدن هستند، احتياط نمود.
خانم ميترا
کراني، کارشناس ارشد سمشناسي از دانشكدهي پزشكي دانشگاه علوم پزشکي
تهران، در گفتگو با بخش خبري سايت ستاد فناوري نانو گفت: «با ظهور فناوري
نانو و کاربرد گستردهي آن در صنايع مختلف، بررسي سميت اين مواد، مورد
توجه بسياري قرار گرفته است، بهطوريكه منجر به ارايهي شاخهاي از اين
علم بهنام نانوتوکسيکولوژي شدهاست. با توجه به كاربرد گستردهي نانونقره
بهعنوان مادهي آنتي باكتريال و عدم توجه كافي به جنبههاي سمي اين
ماده، لازم است در درجهي اول به جنبههاي سميت پوستي اين ماده و در
درجهي دوم به پتانسيل سميتهاي عضوي اين ماده از طريق تماس پوستي، توجه
شود».
خانم کراني، پاسخ به اين سوال که استفادهي طولاني مدت
(مكرر) جلدي از محصولات حاوي نانونقره در رقتهاي مختلف چه عوارضي بهصورت
جلدي يا سيستميك دارد و چه تفاوتي با عوارض سمي نيترات نقره دارد، را هدف
اين پژوهش عنوان کرد.
وي در اين مطالعه از خوکچهي هندي بهدليل
حساسيت پوستي بالاي آن و 3 غلظت متفاوت نانونقره بهعنوان گروههاي آزمون و
2 گروه کنترل مثبت(نيترات نقره) و كنترل منفي استفاده کردهاست. او سميت
پوستي حاد(14 روز) و تحت مزمن(13 هفته) نانونقره را بررسي کردهاست.
خانم کراني ابراز داشت: «پس از پايان مطالعه، سميت حاد فقط از پوست
نمونهي بافتي تهيه شد، درحاليكه در مطالعهي تحت مزمن، علاوه بر پوست،
از کبد و طحال نيز نمونهي بافتي تهيه و پس از بررسي هيستوپاتولوژي آنها
تغييرات غير طبيعي در آنها مشاهده شد».
وي در مورد نتيجهي
بررسيها گفت: «بر اساس نتايج حاصل از اين پژوهش، تا حدي ميتوان گفت که
در استفاده از محصولات حاوي نانونقره که در تماس با پوست بدن هستند بايد
احتياط نمود، ولي براي دادن پاسخ قطعي بايد تحقيقات بيشتري در رقتهاي
بالاتر (مثلا بررسي سميت مزمن نانونقره) و جنبههاي ديگر سميت نانونقره از
جمله موتاژنيسيته، كارسينوژنيسيته، تراتوژنيسيته، سميت عصبي و غيره
پرداخت».
محقق پژوهش، تحقيق در رابطه با سميت پوستي اين ماده را
نوآوري اين پژوهش عنوان کرد و گفت: «تاکنون اکثر تحقيقات انجام شده روي
سميت نانونقره به سميت خوراکي و استنشاقي اين نانوماده تمرکز داشتهاند».
بررسي ميزان نانونقرهي جذب شده و تجمع يافته در بافتهاي مورد مطالعه و
بررسي ارتباط بين ميزان تجمع اين مواد و تغييرات هيستوپاتولوژي ايجاد شده
در اين بافتها گام بعدي تحقيقات اين پژوهشگر و همکارانش است.
مقدمه
مواد غذايی از اهميت خاصی در سلامت بدن برخوردارند. برای حفظ سلامتی لازم
است تا يکسری از مواد روزانه به بدن برسند. متخصصان علم تغذيه، به ترتيب
اهميت و نياز بدن به مواد غذايی، هرمی را ترتيب دادهاند که به هرم مواد
غذايی معروف است. در شکل زير هرم مواد غذايی نشان داده شده است. همانطور
که در اين شکل میبينيد، موادی که در زير هرم هستند بايد بيشتر مصرف شوند
(مانند غلات، ميوهجات و سبزيجات).
شکل 1. هرم مواد غذايي.
امروزه به علت صنعتی شدن و روشهای نادرست
زندگی، متاسفانه بيشتر از مواد غذايی آماده، و يا پروتئينی و چربی استفاده
میکنيم و به علت عدم تحرک و ورزش، مردم با مشکلات زيادی از نظر سلامتی
مواجه شدهاند.
از طرف ديگر به علت عادت به استفاده از مواد آماده، مسئله بستهبندی مواد
غذايی هم اهميت بسيار زيادی پيداکرده است. همچنين، مسئله بستهبندی از نظر
بازاريابی، جلب مشتری و فروش مواد غذايی نيز دارای اهميت میباشد.
نانوغذا
به غذاهايی که در تهيه، بسته بندی ويا کاشتن آنها از فناورینانو، يا وسايل
نانومتری استفاده شده باشد ويا غذاهايی که به آنها نانومواد افزوده شده
باشد، نانوغذا میگوييم.
کاربرد فناوری نانو در صنايع غذايی
1. تهيه مواد غذايی با افزودنيهای رنگ، طعمدهنده و مغذی
2. کاهش هزينهها
3. تهيه غذاهايی که بتوانند رنگ و طعم خود را بر حسب رژيم غذايی، سليقه و يا حساسيتها و آلرژی افراد مختلف تغيير دهند.
4. بستهبندی مواد غذايی طوری که بتوان آنها را به مدت بيشتری نگهداری کرد.
در اين مقاله و مقالات بعدی به طور مفصل به بررسی هر يک از موارد بالا می پردازيم.
بستهبندی
يکی از کاربردهای فناورینانو که خيلی زود تجاری شد، در زمينه بستهبندی
مواد غذايی بود. در حال حاضر، تخمين زده میشود که بين 400 تا 500 محصول
مواد غذايی از بستهبندی نانويی استفاده میکنند. پيشبينی میشود که در 10
سال آينده حدود 25% از بستهبنديهای مواد غذايی از فناورینانو استفاده
کنند.
هدف اصلی استفاده از بستهبندی نانويی، افزايش دوام و ماندگاری مواد غذايی
است. برای اين منظور بايد تبادل گاز، نور و رطوبت بين فضای بيرون و داخل
بستهبندی را کنترل کرد. در ادامه، به برخی از کاربردهای فناورینانو در
صنعت بستهبندی مواد غذايی اشاره میشود:
1. میتوان بستهبندی نانويی را طوری طراحی کرد که مواد ضدباکتری،
آنزيمها، مواد مغذی و يا طعم دهندههايی را از خود آزاد کنند. به اين
ترتيب، عمر مواد غذايی در بستهبندی نانويی بيشتر میشود.
2. برخی بستهبندیهای نانويی به گونهای طراحی شدهاند که اگر ماده غذايی
درونشان شروع به تغيير کند، مثلا رطوبتش عوض شود و يا مقدار مواد ميکروبی
درون آن زياد شود، موادی آزاد میکند که اين تغييرات را خنثی کند (مانند
ترکيبات ضدباکتری). بيشتر بستهبنديهای ضدباکتری از نانوذرات نقره استفاده
میکنند اما در آينده، نانواکسيد روی، نانواکسيد منيزيم، نانواکسيد مس،
نانواکسيد تيتانيوم و نانولولههای کربنی در بستهبندیهای ضدباکتری مورد
استفاده قرار خواهند گرفت.
شکل 2. بايد بستهبندی مواد غذايی طوری باشد که از عبور هرگونه ميکروب و ويروس جلوگيری کند.
3. ايجاد پوششهاي خوراکی نانويی نيز يکی ديگر از کاربردهای فناورینانو در صنعت بستهبندی مواد غذايی است. اين پوششها به نازکی 5 نانومتر میباشند و با چشم ديده نمیشوند. از اين پوششها میتوان برای گوشت، ميوه، سبزيجات، پنير، شيرينیجات و نان استفاده کرد. اين پوششها سدی را در برابر تبادل رطوبت و گاز به وجود میآورند ( شکل 3).
شکل 3. پوششهاي خوراکی نانويی بر روی پنير.
4. بستهبندیهای مجهز به نانو سنسورها
دسته ديگری از کاربرد فناورینانو در صنعت بستهبندی مواد غذايی میباشد.
اين بستهبنديها میتوانند دما و رطوبت را در زمانهای مختلف ارزيابی کنند
و بر حسب شرايط، پاسخهای متناسبی را به مصرفکننده بدهند. برای مثال: با
تغيير رطوبت، رنگ بستهبندی تغيير میکند.
5. نانوبارکدها، مدل مولکولي بارکدهاي سنتي است و شامل نانوذرات فلزي
ميباشد که اثر انگشت شيميايي قابلشناسايي و خاصي دارند و ميتوانند از
طريق يک ماشين، تشخيص داده شوند. اين نوع بارکدها ميتوانند براي حفاظت
مارک و ارزيابي غذاهايي که در حالت عادي نميشود بارکدهاي سنتي را روي آنها
چسباند، استفاده شود.
6. نور خورشید از امواج مختلفی با طول موجهای متفاوت تشکِل شده است. برخی
از امواج برای سلامتی ما خطرناک هستند. در نتيجه بايد از رسيدن آنها به
بدن جلوگيری کرد. يکی از اين امواج خطرناک، امواج ماوراء بنفش میباشند. در
طبيعت لايه ارزون، تا حد زيادی از رسيدن اين امواج به ما جلوگيری می کند.
يکی از مشکلاتی که بستهبندي های شفاف دارند اين است که وقتی در معرض نور
قرار می گيرند، تابش ماوراء بنفش را از خود عبور داده و به ماده غذايی
میرسانند و در نتيجه نمیتوانند از ماده غذايی داخل خود به خوبی محافظت
کنند و ماده غذايی زود فاسد میشود. با استفاده از فناوری نانو
پلاستيکهايی توليد شدهاند که دارای نانوذرات اکسيد تيتانيوم هستند. اين
پلاستيکها آثار مخرب تابشهای ماوراء بنفش را کاهش میدهند.
7. امروزه از پلاستيکها برای بستهبندی برخی از مواد غذايی استفاده
میگردد. مشکل اصلی پلاستيکها اين است که وقتی به صورت زباله دور ريخته
میشود برای مدتهای طولانی در طبيعت باقی میماند و تجزيه نمیشود. اين
مسئله، باعث آلودگی محيط زيست میشود. از فناورینانو برای ساختن
بستهبنديهاي پلاستيکی بيولوژيکی که بتوانند در طبيعت تجزيه شوند کمک
گرفته میشود. اين پلاستيکها از گياهان ساخته میشوند و دوستدار محيط
زيست میباشند.
8. نانولولههای کربنی نيز میتوانند در بستهبندی مواد غذايی به کار روند.
اين مواد، اکسيژن و گاز دیاکسيدکربن را که سبب فساد ماده غذايی میشود،
به بيرون پمپ میکنند.
نتيجهگيری
همانطور که از مباحث مطرح شده مشخص میشود، فناورینانو میتواند در
زمينههای مختلف صنايع غذايی مانند ايجاد طعمهای جديد، بستهبندیهای بهتر
و ... کاربرد داشته باشد و به حل مشکلات کنونی کمک کند. البته تلاشها و
بررسیها در اين زمينهها هنوز در حال انجام میباشد و بسياری از شرکتهای
مطرح توليد کننده مواد غذايی هزينههای زيادی را برای تحقيق نقش
فناورینانو صرف میکنند.
شکل 1- یک قوطی پلاستیکی حاوی نانولوله های کربنی
برای روشنتر شدن موضوع، یک مثال را بررسی میکنیم. یکی از خصوصیات ماده که در دستهی خواص مکانیکی قرار میگیرد، استحکام ماده یا استحکام کششی آن است. به عبارتی، میزان مقاومت یک جسم در برابر نیروهایی که آن را از دو طرف میکشند، از خواص مهم ماده است. برای بررسی این ویژگی در موادی مانند فلزات یا پلیمرها، نمونهای از آن را از طریق روش استانداردی تهیه میکنند (مثالهایی از این نمونه در شکل 2 دیده میشود). سپس دو انتهای این نمونه را داخل گیرههایی قرار میدهند. پس از محکم کردن، به این دو گیره نیرویی در جهت دور کردن آنها از یکدیگر وارد میشود. در نتیجه جسم تحت نیروهای کششی قرار میگیرد و در نهایت میشکند. از طریق محاسبهی حداکثر نیروی وارد شده به جسم، میتوان استحکام ماده را به دست آورد.
شکل 2- نمونه های تست کشش که بر اثر فرآیند کشش، شکسته شدهاند.
اما همانطور که تاکنون متوجه شدهاید، قطر نانولولههای کربنی بسیار کمتر از آن است که بتوان آن را توسط ابزارهای متداول نگه داشت. گرچه در سالهای اخیر، دانشمندان توانستهاند با استفاده از روشهایی، نانولولهها را در یک محل مشخص قرار دهند و خواص آنها را بررسی نمایند (شکل 3).
شکل 3- یک نانولولهی چند دیواره که به دو سوزن نوک تیز روبروی هم متصل شده است.
شکل 4- در مواد جامد، میتوان فرض کرد که پیوند بین اتمها مانند یک فنر
عمل میکند و آنها را در یک فاصلهی مشخص تعادلی از یکدیگر قرار میدهد.
با نوشتن روابط
فیزیکی بین این ذرات و به دست آوردن سرعت و جهت حرکت آنها در هر لحظه،
میتوانیم حرکت تک تک آنها را بررسی کنیم. به این ترتیب میتوانیم با
استفاده از قضایا و روابط حاکم بر فیزیک نیوتنی، تا حدودی به ویژگیهای
دنیای نانومتری پی ببریم. آیا میدانید این ویژگیها کدام هستند؟
1-2) روش المان محدود
در این روش که بیشتر مورد توجه مهندسین مکانیک میباشد، میتوانیم پیوندهای
بین اتم های کربن را به عنوان میله هایی (در اصطلاح به آن «تیر»
میگویند که معادل واژهی beam در انگلیسی میباشد) در نظر بگیریم و
اتمهای کربن نیز نقش خود را به عنوان محل اتصال آنها بازی میکنند. به
این ترتیب ساختاری شبیه به نانولولههای کربنی پدید می آید. ابتدا باید
ویژگیهای این میله را تنظیم کنیم. مهندسین مکانیک ویژگیهای انواع میله
ها (با توجه به جنس، شکل و ضخامت) را به خوبی میشناسند و میتوانند با
بررسیهای خود بهترین میله را انتخاب نمایند. اکنون ساختار نانولوله مانند
یک سازهی مهندسی، برای بررسی آماده است (شکل 5) و میتوان با وارد کردن
نیروهایی بر آن، خواص این نانولوله را بررسی کرد.
شکل 5- تصویری از یک نانولولهی کربنی مدل شده برای آنالیز المان محدود
1-3) روشهای دیگر
روشهای مختلفی برای شبیهسازی وجود دارند که برخی از آنها بر پایهی اصول
بسیار پیچیدهی فیزیکی استوار هستند. با استفاده از محاسبات مخصوص به این
علوم، میتوان روابط بین اتمهای کربن را در نانولوله و همچنین روابط بین
اتمهای کربن در یک نانولوله و محیط پیرامون آن را بررسی نمود.
رابطه ی 1- قانون اختلاط کامپوزیت ها
در این مقاله، بیشتر به خواص مکانیکی نانولولههای کربنی پرداخته شد. بررسی دیگر خواص نانولولهها نیز با روشهای کم و بیش مشابه انجام میگیرد. در مقالات بعدی، به طور خاص به خواص مختلف نانولولههای کربنی میپردازیم و در برخی موارد، روش به دست آوردن این خواص را نیز به طور مشروح بیان میکنیم.
شکل 1-نمای يک نانوترانزيستور واقعی
همان طور که در مقالات چهارم و پنجم نانو الکترونیک ملاحظه کردیم، ساختار ترانزیستورهای معمولی دارای دو پایانهی سورس و درین است که در فناوری کنونی یک لایهی سیلیسیومی اتصال بین آن را برقرار میکند. اما در ترانزیستورهایی که با نانو لولههای کربنی ساخته میشوند این اتصال توسط یک نانو لولهی کربنی که خواص نیمه رسانایی دارد برقرار میشود. این ترانزیستور که با نانو لولههای کربنی ساخته شده، میتواند همانند همان ترانزیستور سیلیسیومی همچون یک کلید عمل کند و مدارات الکترونیکی را بسازد (شکل 2).
شکل 2-پايانه های سورس و درین در ترانزیستورهایی که با نانو لولههای کربنی ساخته میشوند
 |
 |
| شکل1- برای اتصال آجرها در یک ساختمان به مصالح ساختمانی دیگری نظیر شن و ماسه و سیمان نیاز داریم | شکل2- برای برقراری اتصالات ترانزیستورها هم به سیمهای فلزی که خواص رسانایی الکتریکی دارند، احتیاج است |
در اولین نسلهای مدارهای مجتمع به دلیل بزرگی ابعاد ترانزیستورها و تبعا تعداد کم ترانزیستورها در مدار مجتمع، اتصالات میانی از پیچیدگی بسیاری برخوردار نبودند. اما به تدریج با کوچکتر شدن ابعاد ترانزیستورها و افزایش تعداد آنها در مدارهای مجتمع، اتصالات میانی آنها نیز بیشتر شد و نقش آنها در طراحی مدارهای مجتمع بیش از گذشته با اهمیت گردید. پیچیدگی، گستردگی و افزایش تعداد اتصالات میانی به تدریج تا آن جا پیش رفت که پژوهشگران را با چالش جدی در طراحی و ساخت مدارهای مجتمع روبرو ساخت. پژوهشگران راه حل کاهش پیچیدگی اتصالات میانی را در فرآیند طراحی و سپس فرآیند ساخت، در چند لایه کردن اتصالات میانی یافتند. یعنی آنها سعی میکردند همهی اتصالات میانی را در یک لایه قرار ندهند، بلکه در بیش از یک لایه طراحی کنند و بسازند. بدین ترتیب در حالی که مدارهای مجتمع در سال 1985 فقط شامل یک لایه اتصالات میانی بودند، در سال 2000 تعداد لایههای اتصالات میانی فلزی به عدد 5 رسید و هم اکنون در فناوریهای جدید تعداد لایههای اتصالات میانی بیش از 8 میباشد.
 |
 |
شکل3- پژوهشگران راه حل کاهش پیچیدگی اتصالات میانی را در فرآیند طراحی و سپس فرآیند ساخت، در چند لایه کردن اتصالات میانی یافتند (الف- تصویر شماتیک و ب- تصویر واقعی) |
|
لذا از آن جایی که عملکرد مدارهای مجتمع پیشرفتهی امروزی به کیفیت اتصالات میانی بسیار وابسته است، فرآیند طراحی و ساخت اتصالات میانی جایگاه مهم و خاصی را در صنعت ساخت مدارهای الکتریکی مجتمع پیدا کرد.
شکل 4- از آن جایی که نانو لولههای کربنی تک جداره (SWCNTs) و نانو
لولههای کربنی چند جداره (MWCNTs) توانایی رسانایی جریان الکتریکی با
چگالی زیاد را دارند، به صورت خاص میتوانند به عنوان اتصالات میانی مدارات
الکتریکی مجتمع مورد استفاده قرار بگیرند
از آن جایی که نانو لولههای کربنی تک جداره (SWCNTs) و نانو لولههای کربنی چند جداره (MWCNTs) توانایی رسانایی جریان الکتریکی با چگالی زیاد را دارند، به صورت خاص میتوانند به عنوان اتصالات میانی مدارات الکتریکی مجتمع مورد استفاده قرار بگیرند. هم اکنون پژوهشهای بسیاری برای این منظور انجام شده است و در حال انجام است که به نتایج مورد پذیرشی نیز رسیدهاند. مخصوصا استفاده از نانو لولههای کربنی در اتصالات میانی کوتاه بسیار مورد توجه قرار گرفته است. با توجه به این که حدود 70 درصد توان الکتریکی مدارهای مجتمع در اتصالات میانی مصرف میشود و بخش قابل توجهی از این توان در اتصالات میانی کوتاه مورد مصرف قرار میگیرد، با جایگزین کردن اتصالات میانی فلزی با نانو لولههای کربنی میتوان مصرف توان الکتریکی را نیز در مدارهای الکتریکی مجتمع کاهش داد.
در طول چند سال اخیر، با پیشرفت علم و
فناوری، تحول عظیمی در تولید صفحههای نمایش رخ داده است. برای درک بزرگی
این تحول، تنها کافی است برای مدتی کوتاه مقابل ویترین یکی از شرکتهای
تولید کننده نمایشگرها و تلویزیونها بایستید، و ببینید چگونه تلویزیونهای
تخت امروزی با تصاویری شفاف و زنده که قطرشان تنها چند سانتیمتر است،
جایگزین تلویزیونهای بزرگ و جاگیر گذشته شدهاند! اما اساس کار این
تلویزیونهای تختِ رنگی که شفافیت تصاویرشان همگان را مجذوب خود ساخته
چیست، و با تلویزیونهای نسلهای قدیمیتر چه تفاوتی دارد؟
به طور کلی، همهی صفحه نمایشها با روشن كردن نقاطی به نام پیكسل، تصویر
را ایجاد مینمایند. معمولاً تمام سطح این صفحات، از پیكسلهایی با سه 
رنگ
سبز، آبی و قرمز پوشیده شده است و تركیب رنگهای مختلف، تصویری تمام رنگی
تشكیل میدهد. در تلویزیونهای نسل گذشته، برای روشن کردن این پیکسلها،
از لامپ تصویر نسبتاً بزرگی در پشت صفحه نمایش استفاده میشد. بدیهی است که
هر چه سطح صفحه نمایش افزایش مییافت نیاز به استفاده از لامپ تصویر
بزرگتری نیز بود. همین مساله، باعث افزایش حجم و وزن تلویزیونها میشد.
اما در تلویزیونهای جدید، با بهرهگیری از فناوریهای مختلف (مانند: LCD،
پلاسما و CRT) نور لازم برای روشنایی صفحه نمایش، بدون استفاده از لامپ
تأمین میشود. اساس کار در این تلویزیونها، شلیک جریانی از الکترونها به
صفحهی شفافیست که با ماده فلورسنت پوشیانده شده است. الکترونها باعث
برانگیختگی اتمهای این ماده، و درنتیجه گسیل نور از ماده فلورسنت و تشکیل
تصویر میشوند. البته، بسیاری از متخصصان براین باورند كه تمام نمایشگرهای
با صفحهی تخت امروزی، از نظر كیفیت، هزینه و اندازه صفحه نمایش، برای
مصارف خانگی مناسب نیستند؛ و در بسیاری از آنها مشکلات نشر میدان مانند عدم
پایداری میدانهای تولیدی در بازههای زمانی طولانی دیده میشود. آنها
معتقدند، با استفاده از نانولولههای كربنی و بهرهگيری از خواص الکتریکی
ویژه آنها در نمایشگرها، میتوان این مشكلات را برطرف نمود .در این
نمایشگرهای گسیل میدانی که از آنها به اختصار به (EPD) یاد میشود،
الكترونها با استفاده از ولتاژ اندك، از فیلمهای ضخیم دارای نانولوله به
سمت صفحه نمایش پرتاب شده و باعث روشن شدن آن میگردند. در واقع؛ هر
نانولوله در این فیلم، یك پرتاب كننده الكترون (تفنگ الكترونی) كوچك است كه
تصویر را روی صفحه نمایش ایجاد میكند.
نمایشگرهای تولید شده با نانولولهی کربنی، نسبت به نمایشگرهای دیگر مانند
LCD، وزن کمتر، مصرف انرژی کمتر، درخشندگی مناسبتر، واکنش سریعتر نسبت به
تصاویر جدید، میدان مغناطیسی پایینتر (در هنگام روشن کردن دستگاه) و دمای
کاری بالاتر است. علاوه بر این، استفاده از نانولولههای كربنی سبب
میشود، صفحات نمایش در هنگام روز و وجود نور آفتاب دارای روشنایی كافی
باشند و بتوان از زوایای مختلف، و نه فقط از زاویه رو به رو، به صفحه نمایش
نگاه كرد. از دیگر نکات جالب توجه در این نمایشگرها، هزینه ساخت پایین
آنها نسبت به ساخت سایر نمایشگرها با فناوریهای دیگر است. در نتیجه،
نانولولههای كربنی میتوانند عنوان «بهترین گسیل كننده میدانی» را به خود
اختصاص داده، و ابزارهای الكترونی با راندمان و كارایی بالاتری تولید
نمایند. تمام این تجربیات و نوآوریها گویای آن است که ما در آیندهای
نزدیک، زندگی با کیفیت بالاتر را به کمک شناخت و بهرهمندی بیشتر از دنیای
زیبای نانو لمس خواهیم کرد.
فناوری نانو در ماهیگیری
در سال 2006، شرکت Ulvac ژاپن، قلابهای ماهیگیری جدیدی را با فناوری نانو
تولید و به بازار عرضه نمود. این قلابها، به ماهیگیران کمک میکند
بتوانند تا چهار برابر معمول، ماهی صید کنند. قسمت اتصال طعمه در این
قلابها، با بهرهگیری از خواص ویژه نانوذرات، توسط پوششهای نوری نانومتری
پوشیده شده است. این نانوپوششها، سبب انعکاس بالای نور، و درخشندگی طعمه
از هر زاویه دیدی میشوند. این ویژگی، باعث جذب بیشتر ماهیها به سمت قلاب
ماهیگیری میگردد.
گرمكنندههای پا
همگی شما كیسههای آب گرم را دیدهاید. بستههای گرمكنندهی بلوری چطور؟ همانهایی كه با نام تجاری «آتروپا
ت»
در ایران به فروش میرسد؛ همان كیسههایی كه با گذاشتن در آب گرم تا حدود
یك روز گرما را در خود نگه میدارد. ولی احتمالاً با باندهای پودری آشنا
نیستید؛ باندهایی كه از پودرهای خاص ِ فشردهشده ساخته شدهاند، و معمولاً
كابردهای پزشكی و ورزشی دارند. این باندها، میتوانند تا دو روز گرما را در
خود نگه دارند. همهی این موارد به كنار! تصور كنید لایهای به ضخامت دو
میلیمتر در اختیار داشته باشید كه توانایی نگه داشتن گرما را تا 20 روز در
خود داشته باشد. در مارس 2004 (فروردین 1383)، شركتی آمریكایی چنین
گرمكنندهای را با استفاده از فناوری نانو به بازار ارائه كرد.
در این محصول، از فناوریی موسوم به «آئروژل» استفاده شده است، كه در مقایسه
با دیگر گرمکنندهها، از لحاظ زمانی دو سه برابر بیشتر حرارت را در خود
نگه میدارد. جالب این است که، ضخامت این لایهها در حدود دو میلیمتر است.
از این محصول، در تولید پوتینهای نیروی ویژهی ارتش آمریكا به صورت تجاری
استفاده شده است. علاوه بر این، برندهی ماراتن قطب شمال در سال 2004 و
تیم اسكی كانادا نیز از این محصول استفاده كردهاند.
تشخیص بیماری آلزایمر توسط نانوذرات طلا
حتما تاکنون نام بیماری آلزایمر را شنیده
اید،
آلزایمر از آن دسته بیماریهایی است که افراد با افزایش سن، به آن دچار
میشوند. اولین موضوعی که ممکن است با شنیدن کلمه آلزایمر در ذهن تداعی
شود، از دست دادن حافظه است. اما از دست دادن حافظه یا فراموشی، در واقع؛
اولین نشانه این بیماری است، و در پی آن مشکلات عدیدهای برای مبتلایان به
آلزایمر به وجود میآید. متاسفانه درمان قطعی برای آلزایمر وجود نداشته و
تشخیص بیماری نیز، گاهی در مراحل پیشرفته و پس از ایجاد پلاكهای خونی كهنه
و تارهای عصبی درهمتنیدهای در بافت مغز (که متشكل از پروتئین تو (Tau)
در سلولهای مغز هستند) صورت میگیرد. بنابراین، آنچه در این بیماری،
همانند بسیاری از بیماریها قابلتوجه است، تشخیص زودهنگام و شروع درمان
است. جالب است بدانید، فناوری نانو موفق به کشف روشی سریع برای شناسایی
نشانههای این بیماری شده است. این روش بر مبنای تحلیل طیفهای پراش دو-
فوتون نانوذرات طلا است که به طور گزینشپذیری، نخستین پروتئینهایی كه در
بدن یك بیمار مبتلا به آلزایمر شکل گرفته است را شناسایی میكند، تا با
مصرف به موقع دارو، از شدت پیشرفت بیماری كاسته شود و بتوان در مراحل
اولیه، بیماری ر ا کنترل کرد.
نانولوله های کربنی
يكي
از مهمترین نانومواد مورد بحث در فناوري نانو، نانولولههاي كربني هستند.
نانولوله هاي كربني، استوانه هاي نانومتري هستند که از اتم هاي كربن ساخته
شده اند. آنها بسيار ظريف هستند و قطرشان حدود 10000 بار كوچكتر از یک
تار موي انسان است.
نانولوله تک دیواره ای که معمولاً باکی تیوب گفته میشود تنها یک لایه دارد و
دو سر آن با یک نصفه مولكول فولرین مسدود شده است. نانولوله هاي كربنی
شبيه یک ورقه گرافيتي لوله شده هستند. قطر نانولوله ها محدود به ابعاد
نانومتری است اما طول آنها مي تواند به ابعاد سانتیمتری برسد.
دو نوع اصلی از نانولوله های كربني وجود دارد: نانولوله هاي كربني چند
ديواره و تك ديواره. هر دو نوع نانولوله با هندسه های گوناگونی مشاهده شده
اند.
شکل 1 -نانولوله تک دیواره
نانولوله های كربني تك ديواره را بر اساس هندسه مي توان به سه گروه مختلف تقسيم بندي كرد: نانولوله های كربني صندلي، زيگزاگ و كايرال. این سه دسته معمولاً از لحاظ خواص مختلف متفاوتند. نانولولههاي چند ديواره شامل 7 تا 20 استوانه هم محور هستند.
شکل 2 - یک گرم از نانولوله های تک دیواره
شکل
3- بسته به نحوه قرار گيري واحدي هاي شش ضلعي بر روي پيرامون يك استوانه،
سه ساختار هندسي را مي توان براي نانولوله های كربني تصور كرد: نانولوله
های کایرال، زیگزاگ و صندلی
ساختارهاي
هندسي صندلي و زيگزاگ، دو شكل ساده هستند. سومين دسته اين ساختار ها،
ساختار مارپيچ یا كايرال است كه واحدهاي شش ضلعي در آن به شكل مارپيچ حول
محور استوانه قرار گرفته اند و پيوندهاي كربن C-C در هر شش ضلعی زواياي
متفاوتي با محور نانولوله ميسازند. نانولوله های دسته صندلي خاصيت فلزي
داشته و نانولوله های كايرال خاصيت نيمه هادی دارند.
شکل 4 - خواص متفاوت نانولوله ها در حالتهای مختلف
روشهاي
مختلفي به منظور ساخت نانولوله های كربني توسعه يافته است: تجزيه
کاتالیزوری هيدروكربن ها، تخليه قوس الكتريكي، سایش ليزري و روش الکترولیز.
مهمترین عيب همه اين روشها خلوص پايين است كه استفاده از فرايندهاي
پرهزينه خالص سازي را ضروری می سازد. مساله هزینه هم جای خود را دارد. هم
اکنون امکان رشد سریع مقدار زیادی نانولوله وجود دارد اما هزینه آن به
اندازه مطلوب نیست.
نانولوله های كربني به خاطر خواص منحصر به فرد الكتريكي، نوري و
مكانيكيشان، مواد جديدی را برای کاربردهای مختلف نويد می دهند. این
کاربردها می توانند در زمينه هاي الكترونيك مولكولي (ترانزيستور اثر ميدانی
از نانولوله كربني، سيم هاي كوانتومي از نانولوله های كربني)، علم مواد
(كامپوزيت هاي پيشرفته، سوزن ميكروسكوپ های نيروي اتمي)، بيوشيمي (حسگرهاي
شيميايي، ظروف مولكولي) و غيره مي باشند.
ساختار
نانولوله های كربني همانند گرافيت کاملاً از پيوندهاي sp2 تشکیل شده اند. پیوندهای sp2 از sp3 که در الماس وجود دارد محکمترند. این ساختار پيوندي استحكام منحصر به فردی را به نانولوله های کربنی می دهد. نانولوله های كربني داراي نسبت طول به قطر بالايي مي باشند و همیشه حالت يك بعدي (لوله) دارند.
شکل5 - هر اتم کربن در ساختار نانولوله
می تواند آثاری ایجاد کند و نحوه استقرار هندسی کربن ها می تواند برایند
اثرهای هر کربن را تغییر دهد.
قوس، گاز و بلاست اولین روشها برای تولید نانولوله
هر
چند سومیو ایجیما اولین کسی بود که نانولوله را کشف و مشاهده کرده، اما
بدون شک او اولین کسی نبوده که آنها را تولید کرده است. شاید غارنشینان نیز
ناخواسته در آتشی که در غارهایشان روشن می کردند مقادیر اندکی نانولوله
تولید کرده باشند. در اثر شکستن پیوندها با حرارت، اتمهای کربن حتی در یک
ذغال قادر به ترکیب شدن هستند. برخی از آنها توده های بی شکلی ایجاد می
کنند، اما برخی می توانند شکل یک توپ فوتبال یا کپسولهای بلند استوانه ای
که به ترتیب باکی بال و نانولوله نامیده می شوند را ایجاد کنند. دانشمندان
در اولین روشهای تولید نانولوله، ذغالی تهیه می کردند که نانولوله های
زیادی از آن گرفته می شد. این روشها محدودیتهای زیادی داشتند که در سالهای
اخیر بسیاری از آنها بهبود یافته است. تولید نانولوله ها با طولهای بسیار
متفاوت، عیوب فراوان در نانولوله و تاب بیش از حد در آنها از این مشکلات
بود.
روش قوس الکتریکی : جرقه بزرگ
در سال 1992 اولین روش برای ساخت مقادیر میکروسکوپی نانولوله ها منتشر شد.
دو میله گرافیتی را با سیم به برق متصل کنید، در فاصله چند میلیمتری از هم
قرار دهید و کلید را بزنید. در اثر 100 آمپر جرقه بین دو میله کربن به یک
بخار داغ تبدیل می شود. قسمتی از آن به شکل نانولوله رسوب می کند.
شکل 6- روش قوس الکتریکی
میزان استخراج نانولوله ها در این روش تا 30 درصد وزنی از زغال برجای مانده
را در برمی گیرد. دمای بالا و کاتالیستهای فلزی که به میله های گرافیتی
اضافه شده نانولوله های تک دیواره و چند دیواره را با عیوب کم یا بدون عیب
تولید می کند. این روش نانولوله ها را با طول کمی (50 میکرون یا کمتر)
تولید می کند و آنها در اندازه و جهات تصادفی شکل می گیرند.
روش نشست بخار شیمیایی: گاز داغ
ژاپنی ها اولین کسانی بودند که از این روش برای تولید نانولوله های کربنی استفاده کردند. این روش رسوب شیمیایی بخار نام گرفته است.
شکل 7- دسته های نانولوله که در کنار هم به صورت مکعب مشاهده می شوند.
شکل 8 -نانولوله های کربنی ایستاده در کنار هم
در این روش یک بستر مناسب برای رشد را در یک دستگاه گرما دهنده قرار دهید،
آن را تا 600 درجه سانتیگراد گرم کنید و کم کم یک گاز حاوی کربن مثل متان
به آن اضافه کنید. وقتی گاز تجزیه می شود، اتمهای کربن آزاد می شوند و می
توانند به شکل نانولوله های کربنی باز آرایی شوند. اخیراً یک کاتالیست
متخلخل ساخته شد که باعث می شود تمام کربن موجود در گاز ورودی به نانولوله
تبدیل شود. با الگوی چاپ شده کاتالیستها روی سطح بستر می توان نانولوله ها
را در موقعیت و طرح مناسب آرایش داد.
میزان استخراج نانولوله ها در این روش 20 تا نزدیک 100 درصد وزنی است. روش
رسوب شیمیایی بخار ساده ترین راه در بین روشهای دیگر برای تولید نانولوله
در مقیاس صنعتی است. این روش می تواند نانولوله های بلندی تولید کند که می
توانند به عنوان الیاف در کامپوزیتها استفاده شوند. اما نانولوله های تولید
شده عموماً چند دیواره اند و معمولاً با عیب همراه هستند، در نتیجه تنها
به میزان یک دهم نانولوله های تولید شده به روش قوس الکتریکی استحکام
دارند.
سایش لیزری: توفانی از اتمها
وقتی
که خبر ساخت نانولوله منتشر شد، ریچارد اسمالی و همکارانش با پالسهای قوی
لیزری در حال سایش یک فلز بودند تا مولکولهای فلزی زینتی را ایجاد کنند.
آنها میله های گرافیتی را جایگزین فلز کردند و خیلی زود نانولوله های کربنی
با استفاده از پالسهای لیزر به جای برق برای تولید گاز داغ کربن تولید شد.
این گروه با سنجش کاتالیستهای مختلف به شرایطی رسید که توانست نانولوله
های کربنی تک دیواره را به شکل غیر منتظره ای از این گاز داغ ایجاد کند.
شکل 9- روش لیزر بلاست
میزان استخراج نانولوله ها در این روش تا 70 درصد وزنی است. نانولوله های
تک دیواره تولید شده در محدوده مشخصی از قطر با تغییر دمای واکنش قابل
کنترل هستند. اما این روش بسیار پرهزینه است چون به تجهیزات لیزری بسیار
گران قیمت نیاز دارد.
طرز تهيه یک مرحله ای
یکی
از روشهای جدید تولید نانولوله های کربنی روش تولید يك مرحله اي نانولوله
های كربني با كيفيت بالا است که از آب کمک می گیرد و به طور مستقيم از
گرافيت، نانولوله می سازد. اين روش جديد و مهم به شكل موفقی توانسته با
ساير روش هاي ساخت مانند تجزيه كاتالیزوری هيدروكربن ها، تخليه قوس
الكتريكي، سایش ليزري و روش هاي الکتروليز رقابت مي كند. نقطه ي قوت اين
روش در سادگي، هزينه پایین و بازدهی بالای آن است.
تولید صنعتی نانولوله های کربنی
خواص مواد نانوساختار به تنهایی در شرایط آزمایشگاهی نمی تواند به محصولات
فنی انتقال پیدا کند. بنابرای تولید در مقیاس انبوه برای خیلی از نانومواد
مانند نانولوله های کربنی یک ضرورت قبلی است. روش معمول برای تولید
نانولوله های کربنی رسوب بخار شیمیایی گازهای غنی از کربن است. اتمهای آزاد
کربن که از تخریب حرارتی گازهای واکنش ایجاد می شوند لایه لایه روی
کریستال های کاتالیستی شکل می گیرند تا نانولوله های کربنی را ایجاد کنند.
با توجه به بهبود فرایندهای فنی مانند بهینه سازی کاتالیستها، محصولات
جانبی نامطلوبی مثل کربن سیاه دیگر تولید نمی شود. علاوه براین ایجاد
روشهای مختلف واکنش راه را برای تولید انبوه نانولوله های کربنی باز کرده
است.
شکل 10- تولید صنعتی نانولوله های کربنی
فرایند پیوسته تولید نانولوله های کربنی چند دیواره: در یک راکتور پرحرارت،
هیدروکربنهای گازی به کمک کاتالیستها در جوی از یک گاز بی اثر تخریب می
شوند. نانولوله های کربنی که روی ذرات کاتالیست شکل می گیرند به صورت کلوخه
در کف راکتور رسوب می کنند و بطور پیوسته به عنوان محصول تخلیه می شوند.
نانولوله کربنی تمیز شده و باز می شود و اگر نیاز بود اصلاح شیمیایی می
شود.
خصوصيات
اگر
قبول كنيم كه روشهاي توليد به كمك فناوري نانو به دوران طلايي خود رسيده
است بايد نانولولههاي كربني را فرزند طلايي اين دوران به شمار آوريم.
نانولوله های کربنی به جهت بهرهمندي از خواص منحصر به فرد مكانيكي،
الكترونيكي، شيميايي، مغناطيسي بالقوه، از تواناييهايي براي استفاده در
الكترونيك، ذخيره هيدروژن، مواد، ترانزيستورها، باتريها، سنسورها،
نمايشگرهاي گسيل ميداني، حافظههاي نانولولهاي، استحكام دادن به
كامپوزيتها، فناوريهاي صفحات نمايشگر، کابلهای برق و ... برخوردارند. در
بیشتر این موارد خصوصیات ذاتی اتم كربن با ساختار مولكولي نانولوله های
كربني همراه می شود. برای مثال پيوندهاي sp2 در جداره نانولوله های كربني،
انعطاف و استحكام ويژه اي به آن مي بخشد.
خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی زیر که مربوط به نانولوله-ها است، آنها را مواد ممتازی کرده است:
ساختارهای استوانه ای شکل نانولوله مثل ورقه هاي گرافيتي هستند که لوله شده
و رفتارهاي متفاوتی از مواد حجیم نشان می دهند. این خاصیت طبيعت چندگانه
نانولوله های كربني را در رسانایی بیشتر می کند: نانولوله های كربني بسته
به ساختار هندسي شان، هم مي توانند خواص فلزي داشته باشند و هم قادرند خواص
نيمه هادي ها را از خود نشان دهند. الکترون در نانولوله می تواند با سرعت
بسیار بیشتری نسبت به فلزاتی مانند مس حرکت کند و منحرف و پخش نشود. از
رسانایی الکتریکی نانولوله ها می توان در جذب خراشهای صوتی، جذب انرژی یا
جایگزینی با مدارهای سیلیکونی در تراشه ها استفاده کرد.
خواص مکانيکی نانولوله های کربنی
نانولوله
های كربني رفتار کشسان قابل توجهي را از خود نشان مي دهند به طوري كه مي
توانند بيش از پنج برابر طول اوليه خود كشيده شوند. نانولوله ها بالاترين
استحكام كششي را كه تا به حال اندازه گيري شده دارند. بالاترين حد اندازه
گيري شده براي يك نانولوله، 63 گیگاپاسكال بوده است. هيچ ماده كامپوزيتي تا
به حال توليد نشده است كه به اين مقدار برسد. نانولوله ها محکمترین و سخت
ترین الیاف شناخته شده است. نانولوله ها به خاطر اندازه کمشان 6 بار سبکتر
از فولاد و درعین حال 500 برابر محکمتر از فولاد هستند. آنها را می توان
جای سیمهای مسی یا برای ساخت پلاستیکهای ابررسانا استفاده کرد. نانولوله
های دو دیواره پایداری شیمیایی و حرارتی بیشتری نسبت به نانولوله های تک
دیواره دارند. نانولولههاي چند ديواره در سنسورهای حرارتی، ابزارهای
نانوالکترونیک و نانوکامپوزیتها استفاده می شود.
وسایل ورزشی باید طوری ساخته شوند که حداقل انرژی را از ورزشکاران بگیرند.
علاوه بر تغییر طراحی ابزارها کاهش وزن نیز در این امر موثر است. دوچرخه
ها، چوب هاکی روی یخ و ... از این کاهش وزن بهره می برند. امروزه خیلی از
قطعات سنگین فلزی با الیاف شیشه، کربن، تفلون و نایلون تعویض شده است. پلی
یورتان ها نیز پلاستیک های سبکی هستند که انعطاف و ضربه گیری بالایی دارند.
این خواص در کالاهای ورزشی بیشتر نیاز است. علاوه بر این موارد نانولوله
های کربنی نیز واقعاً وزن را کم کرده اند. این امر فقط با به کار بردن
نسبتی از نانولوله در یک ترکیب پلیمری امکان پذیر شده است. مثلاً وزن یک
چوب ماهیگیری 13 متری با استفاده از نانولوله به 850 گرم رسیده است.
خواص فلورسنس نانولوله های کربنی
وقتي نانولوله های كربني در معرض امواج مادون قرمز قرار می گیرند پديده فلورسانس رخ مي دهد.
خواص حرارتی نانولوله های کربنی
خاصیت وابستگی ویژگي هدايت گرمايي كريستال هاي گرافيت به جهت در
نانولوله های كربني هم دیده می شود. هدایت حرارتی نانولوله های کربنی از
الماس بیشتر است. در برخی آزمایش ها، هدایت حرارتی نانولوله حداقل دو برابر
الماس بوده است. نانولوله با این خصوصیت ظرفیت استفاده برای خنک سازی فضای
داخل کامپیوتر را دارد.
انرژي گرمايي در نانولوله ها اساسا در يك جهت، در راستاي محور لوله توسط
امواج صوتي حمل مي شود. مطالعات بر روي هدايت حرارتي نانولوله ها نشان مي
دهد كه انرژي گرمايي با سرعت 10 کیلومتر بر ثانيه در طول لوله انتقال مي
يابد. به خاطر نيروهاي واندروالسي ضعيف بين لوله اي، امواج صوتي حتي در يك
دسته سه بعدي از نانولوله ها هم باز در يك بعد حركت مي كند.
وقتي قطر نانولوله كاهش مي يابد، تغيير از ساختار صفحه اي شبه دوبعدي به
لوله تك بعدي، نقش بسيار مهمي را در افزايش هدايت حرارتي در راستاي محور
لوله و اطمينان از عايق بودن حرارتي در جهت عمود بر محور نانولوله دارد.
قطر کم نانولوله های کربنی تک دیواره و فضای خالی داخل آن، امکان وارد کردن
مولکولها یا اتمهای کوچک در داخل لوله را فراهم میکند.
خلاصه :
اگر قبول كنيم كه روشهاي توليد به كمك
فناوري نانو به دوران طلايي خود رسيده است بايد نانولولههاي كربني را
بچههاي طلايي اين دوران به شمار آوريم. خواص منحصر به فرد (مكانيكي-
الكترونيكي- شيميايي- مغناطيسي- ) اين مواد رويايي موجب شده است كه
قابليتهاي كاربردي زيادي براي آن ها به وجود آيد.
پيشبيني يك بازار 12 ميليارد دلاري در مدت 5 سال ( 2002تا 2007) حاكي از
آن است نانولولههاي كربني تأثير بيشتري از ترانزيستور در جامعه امروزي
خواهند داشت.
خبرنامه فناوري نانو در راستاي رسالت مشخص خود، مطالعات مختلف وگسترده اي
را در زمينه نانو لوله ها صورت داده و آن ها را به صورت خبر يا مقاله (در
ماه نامه و سايت ستاد) در دسترس علاقه مندان قرار داده است. در تحقيق حاضر
با بررسي تمامي مقالات و خبرهاي منتشر شده در100 شماره پيشين خبرنامه، ضمن
جمعبندي خلاصه ويژگيها و موانع توليد نانولولهها، روند حاكم بر اين
محصول از سنتز تا كاربرد به طور اجمالي ارائه شده است.
|
اشاره |
|
نانولوله هاي كربني كه از صفحات كربن به ضخامت يك اتم و به شكل استوانهاي توخالي ساخته شده است در سال 1991 توسط ساميو ايجيما (از شركت NEC ژاپن) كشف شد. خواص ويژه و منحصر به فرد آن ازجمله مدول يانگ بالا و استحكام كششي خوب از يك طرف و طبيعت كربني بودن نانولولهها (به خاطر اين كه كربن مادهاي است كم وزن، بسيار پايدار و ساده جهت انجام فرايندها كه نسبت به فلزات براي توليد ارزانتر ميباشد) باعث شده که در دهه گذشته شاهد تحقيقات مهمي در كارايي و پرباري روشهاي رشد نانولولهها باشيم. كارهاي نظري و عملي زيادي نيز بر روي ساختار اتمي و ساختارهاي الكتروني نانولوله متمركز شده است. كوششهاي گستردهاي نيز براي رسيدگي به خواص مكانيكي شامل مدول يانگ و استحكام كششي و ساز وکار عيوب و اثر تغيير شكل نانولولهها بر خواص الكتريكي صورت گرفته است.مي توان گفت اين علاقه ويژه به نانولولهها از ساختار و ويژگيهاي بينظير آن ها سرچشمه ميگيرد. |
|
جمع بندي |
نانولولههای کربنی که از صفحات کربن به ضخامت یک اتم و به شکل استوانهای توخالی ساخته شدهاست در سال ۱۹۹۱ توسط سامیو ایجیما (از شرکت NEC ژاپن) کشف شد.
خواص ویژه و منحصر به فرد آن از جمله مدول یانگ بالا و استحکام کششی خوب از یک طرف و طبیعت کربنی بودن نانولولهها (به خاطر این که کربن مادهای است کم وزن، بسیار پایدار و ساده جهت انجام فرایندها که نسبت به فلزات برای تولید ارزانتر میباشد) باعث شده که در دهه گذشته شاهد تحقیقات مهمی در کارایی و پرباری روشهای رشد نانولولهها باشد. کارهای نظری و عملی زیادی نیز بر روی ساختار اتمی و ساختارهای الکترونی نانولوله متمرکز شدهاست. کوششهای گستردهای نیز برای رسیدگی به خواص مکانیکی شامل مدول یانگ و استحکام کششی و ساز وکار عیوب و اثر تغییر شکل نانولولهها بر خواص الکتریکی صورت گرفتهاست. میتوان گفت این علاقه ویژه به نانولولهها از ساختار و ویژگیهای بینظیر آنها سرچشمه میگیرد.
ویژگیهای نانولولههای کربنی
انواع نانولولههای کربنی
روشهای تولید نانو لولههای کربنی
کاربردهای نانولولههای کربنی
چالشهای فراوری
او به همشهری میگوید: من در آبان 1349 در یک خانواده فرهنگی متولد شدم. در سال 1367 در رشته مهندسی مکانیک با گرایش جامدات در دانشگاه صنعتی شریف پذیرفته شدم و4 سال بعد با درجه عالی در تمام گرایشات فارغالتحصیل شدم و همان سال بهعنوان دانشجوی برتر مهندسی مکانیک از ریاستجمهوری وقت (هاشمی رفسنجانی) جایزه گرفتم.
در آزمون کارشناسیارشد با رتبه یک رقمی در همین دانشگاه در رشته مهندسی مکانیک گرایش طراحی کاربردی قبول شدم و در سال 74 با درجه عالی و بهعنوان شاگرد اول دانشکده مکانیک و شاگرد دوم دانشگاه در مقطع کارشناسی ارشد، مدرک خود را اخذ کردم و به همین دلیل از وزیر علوم وقت نیز (دکتر معین) جایزه نفیس دیگری دریافت کردم و به خاطر علاقه به این رشته و پشتکار زیاد از یکی از دانشگاههای آمریکا با بورس کامل در مقطع دکترا پذیرفته شدم و مهندسی مکانیک را ادامه دادم و در1997 میلادی (دیماه 1377) موفق به اخذ مدرک دکترا با درجه ممتاز a+ شدم و بلافاصله در دانشگاه ایالتی ایلینویز بهعنوان استادیار آموزشی دانشکده مهندسی مکانیک در سن 25 سالگی بهکارگرفته شدم. پس از یک سال و نیم و بهدلیل موفقیتهای علمی کسب شده به دانشگاه کلمسون آمدم و هماکنون دانشیار دانشکده مهندسی مکانیک و رئیس گروه دینامیک و کنترل دانشکده و مدیر تحقیقاتی آزمایشگاه مواد هوشمند و نانو هستم.
من بهطور تخصصی روی مواد هوشمند کار میکنم. از چند سال پیش فعالیت اصلی من بر مطالعه و تحقیق روی این مواد متمرکز بوده است. این تحقیقات و دستاوردهای حاصل از آن در تشخیص بسیاری از مواد شیمیایی و بیولوژیکی مانند باکتریها، ویروسها و حتی DNA کاربرد وسیعی دارد. ما با استفاده از مهندسی مکانیک و بهرهگیری از روشهای فوق پیشرفته آنالیز ارتعاشاتی و کنترل این مواد میتوانیم ذرات بسیار کوچک را تشخیص دهیم که این ذرات میتواند طیف وسیعی از باکتریها مانند ایکلای باشد که در مواد غذایی و روده انسان بهوفور یافت میشود.
همچنین در حال حاضر مشغول انجام تحقیقاتی هستیم تا این مواد و رباتهای بسیار کوچک را با دقت کنترل کنیم و از آنها در جابهجایی DNA و حتی تغییر ماهیت آن و در نتیجه تغییر ماهیت سلولی استفاده کنیم. ما در آینده نزدیک با استفاده از رباتهای بسیار کوچک در ابعادی حدود یکهزارم قطر موی انسان که با چشم غیرمسلح قابل مشاهده نیستند و فرستادن آنها به داخل بدن و کنترل دقیق آنها از خارج از بدن انسان، قادر خواهیم بود
جراحیهای فوقالعاده مهم و پیشرفته را بدون بازکردن محل جراحی با موفقیت انجام دهیم و آنها را در جراحیهایی مانند باز کردن رگهای قلب و حتی خُردکردن برخی تومورها مانند تومور مغزی به کار بگیریم. بنابراین بیشترین کاربرد نتایج پروژه من در پزشکی است ولی هماکنون بخش اصلی پایهای تحقیق یعنی درک و فهم رفتارهای مواد هوشمند در حال انجام است تا با کنترل دقیق حرکت، آنها در همان مسیری حرکت کنند که مد نظر ما است وهمان کاری را در آن نقطه بهخصوص انجام دهند که ما میخواهیم و این مهمترین بخش کار است که نیاز به تحقیق زیادی در زمینه مهندسی مکانیک هم از لحاظ دینامیک مواد و هم کنترل آنها دارد.
در27 اردیبهشت ماه امسال هفدهمین کنفرانس سالانه بینالمللی مؤسسه مکانیک که در دانشگاه تهران برگزار میشود من بهعنوان سخنران کلیدی درباره ماهیت و چگونگی جابهجایی و حرکت مواد هوشمند در ابعاد نانو صحبت خواهم کرد.
مواد هوشمند به موادی اطلاق میشود که بتوانند به تحریکهای خارجی مثل میدانهای الکتریکی پاسخدهند بهطوری که ما بتوانیم با استفاده از این پاسخها رازهای نهفته درون آنها را کشف کنیم. بنابر این، این مواد قابلیت شناسایی تحریکات خارجی را دارند؛ عاملی که باعث میشود اینها به تحریکهای خارجی پاسخ دهند جفت کردن میدانهای مختلف مثل میدان الکتریکی، مغناطیسی و مکانیکی است.
ساختار کریستالی این مواد بهگونهای است که نیروی وارد شده از طرف یک میدان خارجی باعث تغییر شکل و ایجاد میدان الکتریکی توسط ساختار کریستالی جدید میشود، این میدان الکتریکی جریان الکتریکی را بهوجود میآورد که بهعنوان پاسخ این مواد قابل مشاهده است. بنابراین به این مواد هوشمند میگویند؛ چون در برابر نیروی وارده از طرف ما، جواب مناسبی میدهند یا به زبان خود با ما سخن میگویند. تفاوتی که این مواد با بقیه مواد (غیرهوشمند) دارند این است که در این مواد به نوعی هوشمندی طبیعی نهفته است که میتوانند مثل موجود زنده به تحریک خارجی پاسخ مناسب بدهند.
همانطور که اگر شما بخواهید یک موجود زنده را وادار به حرکت کنید عکسالعمل نشان میدهد و حتی مقاومت میکند، این مواد هم در برابر تحریکات خارجی وارد شده (که بهصورت مکانیکی، مغناطیسی و الکتریکی است) واکنشهای مناسبی از خود بروز میدهند. این مواد با تبدیل 2میدان مختلف مکانیکی و مغناطیسی به میدان الکتریکی پاسخ و واکنش خود را در برابر تحریکات به ما نشان میدهند و این پاسخ معمولا بهصورت تغییر و جابهجایی یا ایجاد جریان الکتریکی است که ما میتوانیم با اندازهگیری میزان جابهجایی یا جریان الکتریکی یا میزان خمیدگی آنها بفهمیم این مواد چه میزان حرکت کردهاند و میزان پاسخ آنها چه مقدار بوده است. تحلیل و پردازش این اطلاعات میتواند به ما کمک کند تغییر و جابهجایی آنها را بهصورت کنترل شده و مورد دلخواه انجام دهیم.
مواد هوشمند شامل 3بخش اصلی است:1- سنسور یا حسگر که تحریک را حس میکند 2- بخش عملگر یا اکتیوژن که میتواند حرکت را انجام دهد 3- بخش مهم آنکه پردازشگر است و مغز مواد هوشمند را تشکیل میدهد که با پردازش عملکرد بخش حسگر و عملگر، هماهنگی مناسبی را از نظر کارایی برای آنها رقم میزند.
حافظه پردازشگر در خود این مواد نهفته است. کوارتزها از جمله این مواد هستنند که خواص آنها بیش از 2قرن پیش شناخته شد ولی تاکنون در زمینه کاربردی کردن آنها کار زیادی صورت نگرفته است. چون این مواد در ابعاد بسیار کوچک و نانو هستند. آلیاژهای مثبت نیز جزء مواد هوشمند محسوب میشوند؛ زیرا با تغییر حرارت میتوانند تغییر شکل بدهند و این ویژگی کاربردهای زیادی در دانشهای مختلف دارد. اینها موادی هستند که حافظه دارند و میتوانند زمان تحریک وارد شده و نیز زمان تغییرحرکت صورت گرفته خود را به نوعی ثبت و نگهداری کنند وما با استفاده ازتحلیل این حافظه میتوانیم رفتار آنها را کشف کنیم و در دانشی مانند پزشکی به کار بگیریم؛ یعنی همان کاری که در قالب یک پروژه بزرگ تحقیقاتی به من سپرده شده است تا با مطالعه رفتار این مواد، آنها را به خدمت انسان درآوریم.
باید توجه داشت که سازه هوشمند متفاوت از ماده هوشمند است. مواد هوشمند بهطور طبیعی دارای این خاصیت هستند مانند بعضی نمکهای ساحلی، برخی آلیاژها و سنگها و کوارتز، در حالی که سازههای هوشمند توسط انسان و از مواد هوشمند ساخته میشوند. یعنی سازه هوشمند باید در بخشی از خود علاوه بر مواد و ترکیبات دیگر مواد هوشمند داشته باشد. البته موادی مصنوعی هم وجود دارند که تحت فرایندهای خاصی هوشمندی در آنها ایجاد میشود مانند مواد پیایزوالکتریک یا مواد هوشمند سنتتیک که در اثر جریان الکتریکی بسیار بالا این خاصیت در آنها ایجاد میشود. به عبارت بهترمواد خاصی اگر در مدت زمان زیادی تحتتأثیر شوک الکتریکی قرار گیرند مواد مصنوعی هوشمند را بهوجود میآورند که کاربردهای زیادی هم دارد و معمولا بیشتر از مواد هوشمند طبیعی مورد استفاده قرار میگیرد.
بنیاد علوم آمریکا 6 سال پیش(2003 ) این پروژه را به من واگذار کرد. بودجه تحقیقاتی بالایی به آن اختصاص یافت بهگونهای که در مرحله اول در آغاز کار نیممیلیون دلار (500 هزار دلار) و 2سال بعد نیز نیم میلیون دلار دیگر به آن تزریق شد و بهطور کلی تاکنون حدود 5/1میلیون دلار بودجه صرف تحقیقات و تامین تجهیزات اندازهگیری حرکت این مواد، شده است.(یک سوم این بودجه به تامین تجهیزات آزمایشگاهی اختصاص یافته است.)
بله، در اروپا و ژاپن. ولی کاری که ما در بخش حرکت و کنترل آنها انجام دادهایم و نوآوریهایی که در این بخش ما به آن دست یافتهایم در حال حاضر در دنیا منحصر به فرد است. ما از نوع خاصی از مواد هوشمند و کنترلرهای ویژهای برای این رباتها در سیستم خود استفاده میکنیم که از این نظر از گروههای تحقیقاتی دیگر جلوتر هستیم.
برای بنیاد علوم آمریکا که بزرگترین بودجه تحقیقاتی محض را بهخود اختصاص میدهد 10 تا 12 میلیارد دلار بودجه در نظر گرفته میشود این بنیاد تحقیق صرف انجام میدهد و تحقیقات کاربردی در مراکز و سازمانهای دیگری مانند وزارت دفاع و وزارت انرژی و سلامت انجام میشود. که بودجه تحقیقاتی جداگانهای دارند. بهطور کلی در بخش پژوهشها و تحقیقات پایهای حدود 25 تا 30 میلیارد دلار و 2برابر این مبلغ در بخش پژوهشهای کاربردی بودجه اختصاص مییابد.
من دانشگاههای صنعتیشریف، تهران، امیرکبیر و بعضی دانشگاههای شهرستانها را بازدید و مشاهده کردهام که محدودیتهای زیادی برای انجام پروژههای تحقیقاتی وجود دارد. البته شاید همین محدودیتها در برخی موارد باعث نوآوریهایی شده و مثلا با بودجههای کمتری تحقیقات پایهای خوبی صورت گرفته است ولی زمانی که تحقیق به مرحله کاربردی شدن میرسد باید تجهیزات مورد نیاز وجود داشته باشد یا برای تامین آن بودجه مناسبی در نظر گرفته شود که در این مرحله متأسفانه به خاطر بودجههای کم، کار به کندی و سرعت پایین پیش میرود و نتایج آن بسیار دیر نمایان میشود یا اصلا متوقف میشود.
به عبارت بهتر انجام تحقیقات کاربردی در ایران بسیار مشکل است در حالی که در پروژههایی که پایهای و محض است و نیازی به تجهیزات خاصی ندارد استادان و دانشجویان ایرانی بسیار خوب درخشیدهاند و پا بهپای دانشجویان در آمریکا پیش میروند. به هر حال عملیاتی کردن پروژهها با محدودیت همراه است که مانع بزرگی بر سر راه پیشرفت و توسعه ایران است.
باید سیستم پیوستهای وجود داشته باشد تا یک تحقیق کاربردی شود. در غیراین صورت حاصل تحقیق فقط چاپ مقاله و فارغالتحصیل شدن دانشجو خواهد بود و هیچ مشکلی از جامعه رفع نخواهد کرد. یک تفاوت دیگر این است که در آمریکا نیاز جامعه، اساس و پایه پروژههای تحقیقاتی را شکل میدهد تا دانشگاهیان با کار روی آنها نیاز جامعه را برآورده کنند، پروژه تحقیقاتی صرفا یک ایده دانشجویی یا عضو هیئت علمی نیست که بعد از انجام تحقیقات و صرف بودجه ندانند آن را در کجا بهکار بگیرند.
بنابراین ابتدا بنیادهای مختلف موجود مثل بنیاد علوم، در جامعه نیازسنجی میکنند و با اولویتبندی نیازها، آنها را بهصورت پروژههایی با بودجههای مناسب در اختیار پژوهشگران در دانشگاهها قرار میدهند. بهعنوان مثال جراحی بدون باز کردن و شکافتن بدن انسان یک نیاز مهم در جامعه است که بهعنوان پروژه تحقیقاتی تعریف و در اختیار من قرار گرفته است. بهطور کلی کاربردی کردن یک تحقیق نیاز به یک زنجیره به هم پیوسته دارد که در اینجا حلقههای زنجیر یکی بعد از دیگری وارد عمل میشوند و به همین دلیل تحقیقات تقریبا به سرعت کاربردی و به صورت محصول نهایی وارد جامعه میشود.
در ایران این زنجیره به خاطر حلقههای مفقود شده از هم گسسته است و بنابراین بسیاری از تحقیقات خوب فقط تا مرحله چاپ مقاله پیش میروند و به نتیجه نمیرسند. من که عضو هیئت تحریریه 2مجله معتبر علمی ( مجله مهندسان مکانیک آمریکا که مطالب آن در زمینه دینامیک و کنترل است و مجله مهندسان برق و الکترونیک که به چاپ مقاله در رشته مکاترونیک میپردازد) هستم مقالات علمی بسیار ارزشمندی از ایران دریافت میکنم ولی نتیجه این مقالات در جامعه ایران مشاهده نمیشود چون اصلا به مرحله بهره برداری نمیرسد.
زیرا این امر مهم اصلا سازمان یافته و ارگانیزه شده نیست بهعنوان مثال من به خاطر علاقهای که به دانشجویان تشنه آموختن ایرانی دارم به جز 2سفر اخیر با هزینه شخصی آمدهام و از دانشگاههای مختلف دیدن کردهام و تبادلاتی با آنها داشتهام ولی در اینجا دانشمندان ایرانی زیادی هستند که به دلایل مختلف فرصت انتقال تجربیات و اطلاعات به آنها داده نمیشود یعنی سیستم خاص یا پایگاههای اطلاعاتی وجود ندارد که این افراد نخبه خارج از ایران و قابلیتهایشان بهطور رسمی شناسایی و از آنها دعوت به همکاری شود و سفرهای مطالعاتی و تحقیقاتی با تسهیلات بیشتری صورت گیرد.
اگر سیستم یکپارچه مدیریتی مناسبی وجود داشته باشد که زمانی که این استادان و متخصصان در ایران هستند در یک چارچوب مشخص و با پرداخت هزینه مناسب از دانش آنها استفاده شود یا دعوت به تدریس شوند دانشجویان مستعد و متخصصان و استادان ایرانی از دانش هموطنانشان در خارج از کشور بهرهمند خواهند شد و این انتقال اطلاعات صورت خواهد گرفت.
اگر این ارتباط بهصورت رسمی و از بالا و بهطور منظم انجام گیرد باعث افزایش ارتباطات علمی با ایرانیان خارج از کشور میشود که نتیجه بسیار خوبی در پی خواهد داشت. این کار نیاز به مدیریت خوب دارد نه سرمایه زیاد. فکر میکنم در میان مسئولان رده بالا یا حتی بخش خصوصی باید همت زیادی بهوجودآید تا این ارتباط افزایش و بهطور مرتب و منظم تداوم یابد و از پراکندگی و غیرمتمرکز بودن آن جلوگیری شود.
ناسا بر روي رهبري اولين تغييرات در زمينه
پرواز ماوراء صوت توسط مواد هوشمند حساب ويژهاي باز کرده است. وزارت دفاع
آمريکا مواد هوشمند را در سناريويي به نام "سربازهاي آينده" تاثير به سزايي
داده است و از ابزارهاي هوشمند تا لباسهايي شبيه به مارمولک ياد کرده است.
در سوي ديگر طيف کاربردهاي اين مواد نيز ميتوان به اسباببازيها،
ابزارهاي روزمره و ... نام برد.
شايد برايتان جالب باشد که بدانيد سابقه
مواد هوشمند به 300 سال قبل از ميلاد، و دوران کيمياگري باز ميگردد. در
آن زمان اگر چه توانايي توليد طلا وجود نداشت اما فعاليتهايي براي تغيير
رنگ و خصوصيات فلزهاي محتلف صورت گرفت که برخي از مواد مورد استفاده آنها
را ميتوان از مواد هوشمند دانست.
تعريف مواد هوشمند
معمولا
عبارت "مواد هوشمند" را بدون تعريف دقيقي از آنچه مورد نظرمان است استفاده
ميکنيم. از طرفي هم ارائه يک تعريف دقيق به طرز عجيبي دشوار است.
استفاده گستردهاي از اين کلمه ميشود اما موافقتي کلي بر روي معناي آن
وجود ندارد. اما ببينيم تعريف ناسا از مواد هوشمند چيست:
"مواد هوشمند موادي هستند که موقعيتها را به خاطر ميسپارند و با
محرکهاي مشخص ميتوانند به آن موقعيت باز گردند."
تعريف دايره المعارف تکنولوژيهاي شيميايي کمي جامعتر به نظر ميآيد:
"مواد و سازههاي هوشمند، اشيائي هستند که شرايط محيطي را حس کرده
و با پردازش اين اطلاعات حسي نسبت به محيط عمل ميکنند."
هرچند
که به نظر ميآيد اين دو تعريف به يک رفتار اشاره ميکنند اما ميتوان
آنها را از دو قطب مختلف دانست. تعريف اول به مواد طوري نگاه کرده است که
در ذهن ما عناصر، آلياژها و ترکيبها را تداعي ميکند. چيزهايي که توسط
ساختار مولکولي خود قابل شناسايي و اندازهگيري هستند. اما در تعريف دوم به
مواد به صورت مجموعهاي از فعاليتها اشاره شده است. در واقع در تعريف دوم
با مجموعهاي از مواد يا سيستمها سر و کار داريم و آن حالت قابل شناسايي و
اندازهگيري بودن به آن وضوح نيست.
اما اگر بخواهيم مواد و تکنولوژيهاي
هوشمند (شامل عناصر، مواد مرکب، سيستمها و ...) را با توجه به خصوصياتشان
بشناسيم، اين خصوصيات را ميتوان براي آنها نام برد:
• فوريت: به اين معنا که پاسخ آنها به صورت بلا درنگ (همزمان با تاثير محرک) است.
• سازگاري: به اين معنا که توانايي پاسخ به بيش از يک شرايط محيطي را دارا هستند.
• خود انگيزي: به اين معنا که اين هوشمندي در درون اين مواد است نه در بيرون آنها.
• گزينش پذيري: به اين معنا که پاسخ آنها مجزا و قابل پيشبيني است.
• مستقيمي: به اين معنا که پاسخ داده شده با تحريک وارده در يک مکان قرار دارند.
انواع مواد هوشمند
با
توجه به تعاريف موجود مواد هوشمند را ميتوان به دو دسته تقسيم کرد. در
ادامه به خلاصهاي از خصوصيات اين مواد اشاره ميشود و در بخشهای بعدي به
هريک به طور کاملتر ميپردازيم:
نوع اول
اين دسته از مواد در
پاسخ به محرکهاي محيط خارجيشان در يک يا چند خصوصيت خود – شيميايي،
الکتريکي، مکانيکي، مغناطيسي و گرمايي- تغيير ايجاد ميکنند. البته يک
سيستم کنترل خارجي موجب اين تغييرات نيست و خود ماده مستقيما اين تغييرات
را ايجاد ميکند. به عنوان مثالي که براي همه ما آشناست ميتوان به عينکهاي
فتوکروميک اشاره کرد که تحت تاثير اشعه ماوراء بنفش تغيير رنگ ميدهند. دو
دسته از اين مواد در ادامه معرفي شدهاند:
شکل 2: تغيير شفافيت عينکهاي فتوکروميک نسبت به ميزان نور دريافتي
ترموکروميک: موادي که تحت تاثير گرما در
ساختارشان تغييراتي ايجاد ميشود و به علت تغيير در بازتابهاي آن رنگ
متفاوتي از آن ديده ميشود.
• مواد با حافظه شکلي: اين مواد تواناي
تغيير شکل تحت تاثير محرکهاي مختلف (مانند دماهاي مختلف) را دارا هستند. به
عنوان مثال با افزايش دما تغيير شکل ميدهند و با بازگشت دما به مقدار
اوليه شکل اصلي خود را مييابند.
نوع دوم
اين دسته از
مواد هوشمند شامل آنهايي است که انرژي را از نوعي به نوع ديگر تبديل
ميکنند. نمونهاي که شايد با آن آشنا باشيد مواد پيزوالکتريک هستند که در
پاسخ به محرک الکتريکي از خود حرکت مکانيکي نشان داد و در پاسخ به محرک
مکانيکي الکتريسيته توليد ميکنند. دو نوع از اين مواد نيز در اينجا معرفي
شدهاند:
• مواد فتو ولتائيک (قدرتزاي نوري): اين مواد در پاسخ به محرک نور مرئي جريان الکتريکي ايجاد ميکنند.
• مواد ترمو الکتريک (دما برقي): اين مواد نيز در مقابل تغييرات دما توانايي توليد برق را دارند.
دستهبندي مواد
در اينجا قصد نداريم که به تقسيمبندي کلي مواد بپردازيم. بلکه ميخواهيم با ارائه يک نمودار مواد هوشمند را بهتر بشناسيم:
جدول 1: دستهبندی مواد و سيستمهای هوشمند
نانو و مواد هوشمند
) مواد کرومیک
یکی از جالبترین دستههای مواد هوشمند که بسیار هم مورد توجه قرار میگیرد مواد با قابلیت تغییر رنگ نام دارد. نکتهای که باید در این زمینه دقت کنیم این است که در واقع تغییر رنگی که از آن نام میبریم در واقع تغییر خصوصیات نوری این مواد مانند ضریب جذب، قابلیت بازتاب و یا شکست است. در واقع چیزی که ما از رنگ میدانیم به منبع نور و طبیعت چشممان مربوط است و این تغییر رنگ در اثر یک تغییر ساختار در این مواد است:
مواد فتوکرومیک:
این مواد در برابر جذب انرژی تابشی تغییر در ساختار شیمیاییشان ایجاد میشود و از ساختاری با یک میزان جذب مشخص به ساختاری متفاوت با میزان جذب متفاوتی تبدیل میشوند. مولکولهای مورد استفاده در حالت غیرفعال بیرنگ هستند و وقتی در معرض فوتونهای با طول موج خاص قرار گیرند به صورت برانگیخته در میآیند و شرایط بازتاب آنها متفاوت میشود. با از میان رفتن منبع ماوراء بنفش مولکول به حالت اولیه بر میگردد. کاربرد اصلی مواد فتوکرومیک در عینکها و همچنین پنجره برخی از ساختمانهاست.
مواد ترموکرومیک:
این مواد گرما را جذب کرده و تغییرات شیمیایی و یا تغییر فاز میدهند. نکته مهم این است که این تغییرات بازگشتپذیرند و با تغییرات دما دچار این تغییرات میشوند. شاید به دماسنجهایی نواری برخورد کرده باشید. در اصطلاح علمی به آنها ترمومتر گفته میشود که با گذاشتن آن بر روی بدن تغییر رنگ داده و عدد دمای بدن را نمایش میدهد و با برداشتن آن از روی بدن به حالت عادی بر میگردد.
مواد مکانوکرومیک و کموکرومیک:
در مورد این دو نوع مواد دو مثال جالب وجود دارد. مواد مکانوکرومیک با تغییرات فشار و یا تغییر شکل خصوصیات بازتابی متفاوتی از خود نشان میدهند و محصولاتی از آنها تولید شده است که تحت فشار و یا کشش خاص متنی که در آنها مخفی شده نشان داده میشود. در مورد مواد کموکرومیک هم حتما با نام کاغذهای تورنسل آشنا هستید که در محیطهای بازی و اسیدی رنگهای متفاوتی از خود نشان میدهند .
مواد الکتروکرومیک:
الکتروکرومیک به طور گستردهای به موادی گفته میشود که در اثر قرار گرفتن در یک جریان و یا اختلاف پتانسیل الکتریکی رنگ آنها به طور بازگشتپذیر تغییر کند. به عنوان مثال پنجرههای الکتروکرومیک به وسیله الکتریسیته روشن یا تار میشوند. این مواد از یک جزء تشکیل نشدهاند و معمولا به صورت چند لایه از مواد هستند که با یکدیگر کار میکنند.
۲) مواد با حافظه شکلی
یکی از معروفترون آلیاژهای با حافظه شکلی مادهای به نام نیتینول است که از آن به صورت سیمی استفاده میشود. در نگاه اول این سیمها همانند سیمهای معمولی به نظر میآیند که به راحتی تغییر شکل میدهند و رسانای الکتریسیته نیز هستند؛ اما در مقایسه با سیمهای معمولی فولادی و مسی بسیار گرانتر هستند.
دو مشخصه در این سیمها وجود دارد که آنها را از سایر سمها متفاوت میکند:
▪ این سیمها حافظه دارند. به عنوان مثال میتوان آنها را به هر شکلی در آورد و سپس با گرم کردن آنها تا دمای بالای ۹۰ درجه سانتیگراد به حالت اولیهشان برگرداند.
▪ این نکته که شاید جالبتر هم باشد این است که میتوان این سیمها را برنامهریزی کرد تا شکل خاصی را به خاطر بسپارند! این کار به این صورت انجام میشود که شکل دلخواهمان را به سیم میدهیم و سپس سیم را به مدت تقریبی ۵ دقیقه با دمای ۱۵۰ درجه سانتیگراد گرما میدهیم یا جریان الکتریسیته را از آن عبور میدهیم. حالا میتوانیم سیم را به هر شکل دیگری درآوریم و برای برگشت آن به شکل اولیه کافی است آن را در آب داغ بیندازیم.
دسته دیگری از مواد با حافظه شکلی سیمهای ماهیچهای هستند که از آلیاژهای نیکل و تیتانیوم ساخته شدهاند و در دمای اتاق به راحتی میتوان آنها را تغییر شکل داد. نکتهای که این مواد را جذاب میکند این است که با عبور جریان الکتریسیته با نیروی خوبی (که میتوان از آن استفاده کرد) به شکل اولیه خود برمیگردند. اگر بخواهید دقیقتر بدانید باید بگوییم که این سیمها اگر تا ۸ درصد اندازه اولیهشان کشیده شوند بازهم میتوانند به حالت اولیه باز گردند اما استفادههایی که از آنها میشود تغییر طولهای در حدود ۳ تا ۵ درصد طول اولیه است.
فناوري نانو ميتواند اثرات قابل توجهي در صنعت نفت داشته باشد، در مطلب زير بعد از اشاره به برخي از اين تأثيرات، تعدادي از كاربردهاي فناوري نانو در صنعت نفت بويژه در بحث آلودگي محيط زيست و نيز سنسورهاي نانو به طور مختصر معرفي گرديده است:
مقدمه هنگامي كه ريچارد اسملي ( Richard Smally ) برندة جايزة نوبل، بالك مينسترفلورسنس را در سال 1985 در دانشگاه رايس كشف نمود، انتظار اندكي داشت كه تحقيق او بتواند صنعت نفت را متأثر سازد. سازمان انرژي آمريكا ( DOE ) سرمايهگذاري خود را در قسمت فناوري نانو با 62 درصد افزايش داد تا مطالعات لازم در زمينة موادي با نامهاي باكيبالها ( Bulky Balls ) و باكيتيوبها ( Bulky Tubes ) استوانههاي كربني كه داراي قطر متر ميباشند صورت گيرد. نانولولههاي كربني با وزني در حدود وزن فولاد، صد برابر مستحكم تر از آن بوده، داراي رسانش الكتريكي معادل با مس و رساني گرمايي هم ارز با الماس ميباشند. نانوفيلترها ميتوانند به جداسازي مواد در ميدانهاي نفتي كمك كنند و كاتاليستهاي نانو ميتوانند تأثير چندين ميليارد دلاري در فرآيند پالايش بهدنبال داشته باشند. از ساير مزاياي نانولولههاي كربني ميتوان به كاربرد آنها در تكنولوژي اطلاعات ( IT ) نظير ساخت پوششهاي مقاوم در مقابل تداخلهاي الكترومغناطيسي، صفحههاي نمايش مسطح، مواد مركب جديد و تجهيزات الكترونيكي با كارآيي زياد اشاره نمود.
علم نانو يك تحول بزرگ در مقياس بسيار كوچك
بسياري از محققان و سياستمداران جهان معتقدند كه علم نانو ميتواند تحولات اساسي در صنعت جهاني ايجاد نمايد صنعت نفت نيز از پيشرفت اين تكنولوژي بهرهمند خواهد گشت.
علم نانو ميتواند به بهبود توليد نفت و گاز با تسهيل جدايش نفت وگاز در داخل مخزن كمك نمايد. اين كار با درك بهتر فرآيندها در سطوح مولكولي امكانپذير ميباشد. با توجه به اينكه نانو مربوط به ابعادي در حدود متر ميباشد، نانوتكنولوژي به مفهوم ساخت مواد و ساختارهاي جديد توسط مولكولها و اتمها در اين مقياس ميباشد.
خوشبختانه كاربردهاي عملي نانو در صنعت نفت جايگاه ويژهاي دارند.
نانوتكنولوژي ديدگاههاي جديد جهت استخراج بهبوديافتة نفت فراهم كرده است. اين تكنولوژي به جدايش موثرتر نفت و آب كمك ميكند . با افزودن موادي در مقياس نانو به مخزن ميتوان نفت بيشتري آزاد نمود. همچنين ميتوان با گسترش تكنيكهاي اندازهگيري توسط سنسورهاي كوچك، اطلاعات بهتري دربارة مخزن بدست آورد.
مواد نانو
صنعت نفت تقريباً در تمام فرآيندها احتياج به موادي مستحكم و مطمئن دارد. با ساخت موادي در مقياس نانو ميتوان تجهيزاتي سبكتر، مقاومتر و محكمتر از محصولات امروزي توليد نمود. شركت نانوتكنولوژي GP در هنگكنگ يكي از پيشگامان توسعة كربيد سيليكون، يك پودر سراميكي در ابعاد نانو ميباشد.
با استفاده از اين پودرها ميتوان مواد بسيار سختي توليد نمود. اين شركت در حال حاضر مشغول مطالعه و تحقيق بر روي ساير مواد مركب ميباشد و معتقد است كه ميتوان با نانوكريستالها تجهيزات حفاري بادوامتر و مستحكمتري توليد كرد. همچنين متخصصان اين شركت يك سيال جديد حاوي ذرات و نانوپودرهاي بسيار ريز توليد نمودهاند كه بهطور قابل توجهي سرعت حفاري را بهبود ميبخشد. اين مخلوط آسيبهاي وارده به ديوارة مخزن در چاه را حذف نموده و قابليت استخراج نفت را افزايش ميبخشد.
آلودگي
آلودگي توسط مواد شيميايي و يا گازهاي آلاينده يك مبحث بسيار دشوار در توليد نفت و گاز ميباشد. نتايج بدستآمده از تحقيقات دانشمندان حاكي از آن است كه نانوتكنولوژي ميتواند تا حد مطلوبي به كاهش آلودگي كمك كند.
در حال حاضر فيلترها و ذراتي با ساختار نانو در حال توسعه ميباشند كه ميتوانند تركيبات آلي را از بخار نفت جدا سازند. اين نمونهها عليرغم اينكه اندازهاي در حدود چند نانومتر دارند، داراي سطح بيروني وسيعي بوده و قادر به كنترل نوع سيال گذرنده از خود ميباشند. همچنين كاتاليستهايي با ساختار نانو جهت تسهيل در جداسازي سولفيد هيدروژن، آب، مونوكسيدكربن، و دياكسيد كربن از گازطبيعي در صنعت نفت بكار گرفته ميشوند. در حال حاضر مطالعاتي بر روي نمونههايي از خاك رس در ابعاد نانو و جهت تركيب با پليمرهايي صورت ميپذيرد كه بتوانند هيدروكربنها را جذب نمايند. بنابراين ميتوان باقيماندههاي نفت را از گل حفاري جدا نمود.
سنسورهاي هيدروژن خود تميز كننده
خواص فوتوكاتاليستي نانوتيوبهاي تيتانيا در مقايسه با هر فرمي از تيتانيا بارزتر ميباشد، بطوريكه آلودگيهاي ايجادشده تحت تابش اشعة ماوراء بنفش بهطور قابل توجهي از بين ميروند. تا اينكه سنسورها بتوانند حساسيت اصلي خود نسبت به هيدروژن را حفظ نمايد. تحقيقات انجامگرفته در اين زمينه حاكي از آن است كه نانوتيوبهاي تيتانيا داراي يك مقاومت الكتريكي برگشتپذير ميباشند، بطوريكه اگر هزار قطعه از آنها در مقابل يك ميليون اتم هيدروژن قرار بگيرند، مقاومت الكتريكي آن در حدود يكصد ميليون درصد افزايش مييابد.
سنسورهاي هيدروژن بطور گستردهاي در صنايع شيميايي، نفت و نيمهرساناها مورد استفاده قرار ميگيرند. از آنها جهت شناسايي انواع خاصي از باكتريهاي عفونتزا استفاده ميگردد. به هر حال محيطهايي نظير تأسيسات و پالايشگاههاي نفتي كه سنسورهاي هيدروژن از كاربردهاي ويژهاي برخوردار ميباشند، ميتوانند بسيار آلوده و كثيف باشند اين سنسورهاي هيدروژن نانوتيوبهاي تيتانيا هستند كه توسط يك لاية غيرپيوستهاي از پالاديم پوشانده شدهاند. محققان اين سنسورها را به مواد مختلفي نظير اسيد استريك ( يك نوع اسيد چرب )، دود سيگار و روغنهاي مختلفي آلوده نمودند و سپس مشاهده كردند كه تمام اين آلودهكنندهها در اثر خاصيت فوتوكاتاليستي نانوتيوبها از بين ميروند. حد نهايي آلودگيها زماني بود كه دانشمندان اين سنسورها را در روغنهاي مختلفي غوطهور ساخته و سنسورها توانستند خواص خود را بازيابند.
محققان سنسورها را در دماي اتاق به مقدار هزار قطعه در مقابل يك ميليون اتم هيدروژن در معرض اين گاز قرار دادند و مشاهده نمودند كه در طرحهاي اولية سنسور مقاومت الكتريكي آن به ميزان 175000 درصد تغيير ميكند. سپس سنسورها را توسط لايهاي به ضخامت چندين ميكرون از روغن موتور پوشاندند تا بطور كلي حساسيت آنها نسبت به هيدروژن از بين برود. سپس اين سنسورها را در هواي عادي به مدت 10 ساعت در معرض نور ماوراء بنفش قرار دادند و پس از يك ساعت مشاهده نمودند كه سنسورها مقدار قابل توجهي از حساسيت خود را بدست آورده و پس از گذشت 10 ساعت تقريباً بطور كامل به وضعيت عادي خود بازگشتند.
عليرغم قابليت بازگشتي بسيار مناسب اين سنسورها نميتوانند پس از آلودگي به انواع خاصي از آلودهكنندهها حساسيت خود را باز يابند براي مثال روغن WQ -40 به علت دارابودن مقداري نمك خاصيت فوتوكاتالسيتي نانوتيوبها را تا حد زيادي از بين ميبرد.
با افزودن مقدار اندكي از فلزات مختلف نظير قلع، طلا، نقره، مس و نايوبيم، يك گروه متنوعي از سنسورهاي شيميايي بدست ميآيند. اين فلزات خاصيت فوتوكاتاليستي نانوتيوبهاي تيتانيا را تغيير ميدهند. به هر حال سنسورها در يك محيط غيرقابل كنترل در دنياي واقعي توسط مواد گوناگوني نظير بخارهاي آلي فرار، دودة كربن و بخارهاي نفت و همچنين گرد و غبار آلوده ميگردند. قابليت خودپاككنندگي اين سنسورها طول عمر آنها را افزايش و از همه مهمتر خطاي آنها را كاهش ميدهد.
سنسورهاي جديد در خدمت بهبود استخراج نفت
براساس آخرين اطلاعات چاپ شده توسط سازمان انرژي آمريكا، استخراج نفت در حدود دو سوم از چاههاي نفت آمريكا اقتصادي نميباشد. با توجه به دما و فشار زياد در محيطهاي سخت زيرزميني، سنسورهاي قديمي الكتريكي و الكترونيكي و ساير لوازم اندازهگيري قابل اعتماد نميباشند و در نتيجه شركتهاي استخراج كنندة نفت در تهية اطلاعات لازم و حساس جهت استخراج كامل و مؤثر نفت از مخازن با برخي مشكلات مواجه ميباشند.
در حال حاضر محققان در آزمايشگاه فوتونيك دانشگاه صنعتي ويرجينيا در حال توسعة يكسري سنسورهاي قابل اعتماد و ارزان از فيبرهاي نوري جهت اندازهگيري فشار، دما، جريان نفت و امواج آكوستيك در چاههاي نفت ميباشند. اين سنسورها بهعلت مزايايي نظير اندازة كوچك ،ايمني در قبال تداخل الكترومغناطيسي ، قابليت كارآيي در فشار و دماي بالا و همچنين محيطهاي دشوار، مورد توجه بسيار قرار گرفتهاند. از همه مهمتر اينكه امكان جايگزيني و تعويض اين سنسورها بدون دخالت در فرآيند توليد نفت و باهزينة مناسب فراهم ميباشد. در حال حاضر عمل جايگزيني و تعويض سنسورهاي قديمي در چاههاي نفت ميليونها دلار هزينه در پي دارد. سنسورهاي جديد از نظر توليد بسيار مقرون به صرفه بوده و اندازهگيريهاي دقيقتري ارائه ميدهند.
انتظار ميرود كه تكنولوژي اين سنسورها توليد نفت را با ارائه اندازهگيريهاي دقيق و قابل اعتماد و كاهش ريسكهاي همراه با اكتشاف و حفاري نفت بهبود بخشد. همچنين سنسورهاي جديد بهعلت برخي كاربردهاي ويژه نظير استخراج دريايي و افقي نفت، جايي كه بكاربستن سنسورهاي قديمي در چنين شرايطي بسيار مشكل ميباشد، از توجه ويژهاي برخوردارند.
پژوهشگران دانشگاه صنعتی سهند موفق به طراحی و
اجرای انواع روشهای نوین در ازدیاد برداشت نفت شده اند که برخی از آنها در
کشور و منطقه برای نخستین بار ارائه شده است.
دکتر علیرضا طباطبایی نژاد ، رئیس مرکز تحقیقات نفت دانشگاه صنعتی سهند با
اعلام این خبر گفت : این مرکز فعالیت خود را از سال1381 با همکاری وزارت
نفت و زیر نظر معاونت پژوهشی و فناوری دانشگاه صنعتی سهند ، با هدف ایجاد
انسجام در پژوهشهای مربوط به صنایع بالادستی نفت و تربیت نیروی متخصص و کار
آمد برای صنعت نفت کشورآغاز کرده و در حال حاضر پژوهشگران مرکز در زمینه
های ازدیاد برداشت نفت ، شبیه سازی مخازن نفتی ، اندازه گیری و مدلسازی
رسوبات نفتی واکس و آسفالتین طرحهای مختلفی اجرا می کنند.
وی افزود : ساخت دستگاه PVT Cell (سیستم اندازه
گیری همزمان فشار و حجم و دما) ،ساخت دستگاه سنجش مقاومت مغزه ، ساخت انواع
مغزه نگهدارها ، ساخت انواع مختلف انباشتگرها و حمام کنترل دما ، طراحی و
توسعه نرم افزارهای شبیه سازی مخازن نفتی ، طراحی سیستم مطالعات انواع
روشهای ازدیاد برداشت نفت و ساخت دستگاه مطالعات ازدیاد برداشت نفت با
استفاده از امواج میکروویو از مهمترین طرحهایی است که با موفقیت در مرکز به
اتمام رسیده است.
رئیس مرکز تحقیقات نفت دانشگاه صنعتی سهند گفت: مطالعات آزمایشگاهی فرآیند
های مختلف ازدیاد برداشت نفت شامل تزریق گازهای غیر هیدورکربنی ، تزریق
متناوب آب و گاز ، تزریق امولسیون معکوس ، تزریق ژل پلیمر و نانو مواد
هوشمند نیز از طرحهای در حال اجرای مرکز می باشد.
دکتر طباطبایی نژاد افزود : مطالعات رسوب آسفالتین در دیواره چاههای نفتی
که مانع از استخراج نفت می شود ، با روشهای مختلف به دو صورت مدلسازی در
سطح ومخزن نیز جزو برنامه های پژوهشی اصلی مرکز می باشد.
وی گفت : ثبت 15 اختراع از ساخت دستگاههای مرکز ، چاپ بیش از 80 مقاله
علمی معتبر در سطح ملی و بین المللی و تربیت بیش از80 دانش آموخته در مقطع
کارشناسی ارشد، از مهمترین موفقیتهای مرکزتحقیقات نفت دانشگاه صنعتی سهند
به شمار می رود.
همانطور که در مقالات گذشته مطالعه کردید؛
مواد هوشمند به آن دسته از مواد گویند که می توانند محیط و شرایط اطراف خود
را درک نمایند و به آن واکنش نشان دهند. هم اکنون فلزات و کامپوزیت های
هوشمند در موارد بسیاری کاربرد و جایگاه خود را در صنعت پیدا کرده اند.
برای مثال امروزه از فلزی به نام نیتینول (ترکیبی از نیکل و تیتانیوم) در
ساخت فریم عینک ها استفاده می شود که بعد از خم شدن مجدد به شکل اولیه بر
می گردد و سبب می شود که شکل فریم عینک همیشه مانند روز اولی باشد که
خریداری شده است. این تنها یک مثال از این دسته مواد است که حاصل تحقیقات
ناسا می باشد. در حال حاضر کامپوزیت های حافظه دار به دو دسته فلزی
(آلیاژی) و پلیمری تقسیم می شوند. در اینجا به نحوه عملکرد نیتینول به
عنوان یک آلیاژ حافظه دار و نیز کاربرد آن در زندگی روزمره اشاره می کنیم.
قبل
از هر مطلب لازم است که متذکر شویم که آلیاژهای حافظه دار دو ویژگی دارند:
یکی اینکه آنها تا حدودی الاستیک هستند و دیگر آنکه حافظه دار هستند یعنی
قابلیت ذخیره سازی انرژی مکانیک و نیز آزاد سازی آن را دارا هستند. درست
مانند آب که در دماهای مختلف از حالتی به حالت دیگر تبدیل می شود این دسته
از فلزات نیز به علت اینکه مولکول ها در آنها قابلیت چیده مان مجدد دارد
(البته آنچه که باعث می شود تا مولکول ها در کنار هم باقی بمانند و حالت
جامد را حفظ کنند متفاوت است) قابلیت بازگشت به شکل اولیه را دارند. حال
ببینیم این فلزات حافظه دار چگونه عمل می کنند: عاملی که سبب تغییر شکل فلز
و یا بازگشت به شکل اولیه خود می شود، اختلاف ساختار مولکولی در هر فاز
است. در شکل پایین سمت چپ، فلز حافظه دار را در حالتی که شکل اولیه خود را
در دمای اتاق دارد را نشان می دهد. زمانی که بار اعمال می شود فلز تغییر
شکل می دهد. سپس به محض برداشته شدن باز و کمی گرما مولکول ها به شکل یک
ساختار سخت در می آیند به گونه ای که به یک ساختار با شبکه ای متفاوت مبدل
می شوند. اما هنوز وضعیت قرارگیری مولکولی معمولی است و همان ساختار فیزیکی
در مقیاس ماکرو وجود دارد.
با توجه به اینکه این دسته از فلزات زیست سازگار (سیستم ایمنی به آنها عکس العمل نشان نمی دهد) هستند و از ویژگیهای مکانیکی قابل قبولی (مقاوم در برابر خوردگی) برخوردار هستند در ساخت ایمپلنت ها و پلیت های (کاشتنیها) ارتوپدی در موارد شکستگی ها قابل استفاده هستند. شاید بدانید که در شکستگی های استخوان های صورت از پلیت های ویژه ای استفاده می شود تا استخوانهای صورت را طی دوره شکستگی در کنار هم نگه دارد. در گذشته از پلیت هایی از جنس استیل برای این کار استفاده می شده است . در ابتدا ممکن است که استخوان درست لب به لب هم و در کنار هم قرار گیرند اما به مرور این وضعیت از دست می رود که در نهایت سبب به تاخیر افتادن جوش خوردن شکستگی می شود. با ظهور آلیاژ های حافظه دار و کاربرد آنها در ساخت پلیت ها این مشکل رفع شده است. امروزه جراحان از فلزهای حافظهدار به جای استیل استفاده می کنند به این طریق که ابتدا فلز را کمی سرد می کنند و سپس در محل نصب می کنند. در اثر دمای بدن مقداری فلز گرم می شود و به این طریق پلیت فشار لازم جهت در کنار هم نگهداشتن قطعات شکستگی را حفظ می کند و سبب می شود تا استخوان در حداقل زمان ترمیم شود.
مشکلی که در طراحی این نوع پلیت ها وجود
داشت مربوط به تنظیم فشار مناسب و مطلوب است. برای مثال اینکه چه مقدار فلز
باید تغییر شکل داده شود تا کشش لازم را ایجاد کند خود جای بررسی دارد. در
اینجاست که فناوری نانو وارد عرصه شده تا به تغییر نحوه قرار گیری اتم ها
در ترکیبات کمک کند. هم اکنون گروه های تحقیقاتی در حال انجام مطالعه بر
روی این تنظیم این مکانیزم با کمک فناوری نانو می باشند.
مواد هوشمند
خلاصه :
پليمرهاي رسانا دسته اي از مواد الکترونيکي هيجان انگيزي هستند
که بواسطه داشتن ترکيبي از خواص الکتريکي و نوري فلزات يا نيمه هاديها و
خواص مکانيکي پليمرها کاربردهاي وسيعي يافته اند بطوريکه با مطالعه درک و
بکار گيري خواص شيميايي و ديناميکي آنها يک خط ارتباطي به دنياي مولکولي و
بيومولکولي بدست مي آيد که پايه اي براي توسعه سيستمهاي هوشمند وابسته از
طريق پيشرفت ارتباطات درون سيستمي خواهد بود.
انتشار کتابي در مورد نانومواد هوشمند
شرکت ريسرچ اند مارکت بهتازگي کتاب جديدي با عنوان «نانومواد هوشمند» معرفي
کرده است. اين کتاب جامع توسط انتشارت جان وايلي منتشر شده است.
در حال حاضر نانو مواد هوشمند مورد توجه خاص تحقيقات مواد قرار گرفته و بهطور
مداوم ويژگيهاي آنها در حال شناسايي است.
اين کتاب بزرگ و نسبتا جامع در 30 فصل، به چهار قسمت اصلي تقسيم شده است: مواد
غيرآلي، مواد آلي، مواد کامپوزيت و مواد زيستي. اين کتاب، آخرين تحقيقات و
پيشرفتهاي حوزه نانو مواد هوشمند نظير: پردازش، ويژگيها و کاربردها را پوشش
ميدهد. مواردي مانند مواد ادوات ملکولي، مواد biomimetic ، مواد کامپوزيتي
پليمري، مواد مربوط به حوزه انتقال انرژي و اطلاعات و نيز مواد سازگار با محيط
زيست را پوشش داده است.
برخي از موضوعات محوري پوشش داده شده در اين کتاب عبارتند از:
بخش مواد غيرآلي:
• سنتز، تعيين مشخصات و خودآرايي نقاط کوانتومي کلوييدال
• اکسيدهاي فلزي نيمههادي تک بعدي
• نانوساختارهاي اکسيد روي و کاربردهاي آنه
• نانومواد هوشمند براي کاربردهاي انرژي و هوايي
بخش مواد آلي:
• نانوپليمرها، سنتز مواد پليمري و کاربرد آنها در ادوات تبديل انرژي و ...
بخش مواد کامپوزيتي
نانو کامپوزيتهاي هوشمند
ادوات و مواد زيستي
نانوذرات هيدروژل در دارورساني، نقاط کوانتومي براي شناسايي و ردگيري ملکولهاي
زيستي در بافتها و سلولها، نانوالياف مبتني بر ادوات زيست دارويي و ...
اين کتاب توسط آشوتوش تيواري، آنتوني تونر و ميشارا هيساتوشي کوباياشي نوشته
شده است.
برای دانلود مقاله بروی لینک زیر کلیک نمایید.
برای دانلود کلیک کنید.
حافظه هاي نانولوله ي كربني
يكي از چالش هاي موجود در مواد نانوساختار سنتز اين مواد در ابعاد ماكروسكوپي و بكارگيري آنها در فرايندهاي معمول مي باشد . در راستاي حل اين مشكل نانولوله هاي كربني به شكل ماكروسكوپي و با خواص و خصوصيات نانو رشد داده شد . در اين روش نانوفيلتر از نانولوله هاي كربني بروش شناورسازي كاتاليست و لايه نشاني در حالت بخار با استفاده از خوراك هيدروكربني بر روي ميله كوارتزي داخل راكتور تشكيل مي گردد . از تجمع نانولوله هاي كربني بر روي اين ميله لايه متراكمي حاصل مي گردد كه بعنوان نانوفيلتر بكار گرفته مي شود . خوراك هيدروكربني بوسيله گاز حامل هيدروژن با نسبتهاي مختلف درون راكتور در دماي 900 تا 1100 درجه سانتيگراد واكنش صورت مي گيرد . در اين فرايند تاثير دما ، زمان ماند ، دبي گاز ، غلظت خوراك و نسبت حجمي خوراك به گاز حامل بر روي لايه تشكيل شده بررسي گرديد . بعد از تشكيل لايه فرايند خالص سازي انجام گرديد و آناليز و ساختار نانوفيلترها با اسپكتروسكوپي رامان و TEM, SEM, XRD بررسي گرديد . نانوفيلترهاي تهيه شده با تخلخلهاي مختلف مورد ارزيابي جداسازي هيدروكربنهاي سبك از سنگين قرار گرفت
شرکتهاي فعال در زمينه فناورينانو و آب
پس از اشاره به کاربردها و قابليتهاي فناورينانو در صنعت آب، در اين قسمت
تعدادي از شرکتهاي فعال اين صنعت که از فناورينانو در محصولات و توليدات
خود استفاده کردهاند معرفي ميشود. عمده فعاليت اين شرکتها در زمينه
نانوفيلترها و در مرحله بعد نانوحسگرهايي است که به منظور تشخيص مواد و
ذرات موجود در آب مورد استفاده قرار ميگيرند . | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
شرکت Environmentalcare | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
شرکت پیشگامان نانومواد ایرانیان زیر مجموعه گروه علمی-بازرگانی ثانی 