شگفتی‌های نانولوله‌های کربنی

 این نانوساختارها، به جهت بهره مندی از خواص منحصر به فرد مکانیکی، الکترونیکی، شیمیایی و مغناطیسی بالقوه، توان استفاده در الکترونیک، ذخیره سازی هیدروژن، ترانزیستورها، باتری ها، حسگرها، حافظه ها، مقاوم ساختن مواد، صفحات نمایشگر، کابل های برق و... را دارند. خواص عالی و چند گانه نانولوله ها از یک طرف و طبیعت کربنی نانولوله باعث شده که در دهه گذشته شاهد تحقیقات مهمی در این حیطه باشیم.

 نانولوله ها نوعی از اولین نانومواد واقعی بودند که در سطح ملکولی با روش های مهندسی تولید شدند. برآوردها از این که دقیقا نانولوله کربنی چه قدرتی دارد متفاوت است. اما آزمایش ها قبلاً نشان داده اند که قدرت کششی این مواد بیش از 40 برابر فولاد مرغوب و درجه یک است طبق برخی برآوردها، یک رشته نانولوله ای نازک تر از موی انسان می تواند یک تریلی را آویزان نگه دارد. بسیاری از متخصصان فناوری نانو تصریح می کنند که نانولوله ها نه تنها قوی ترین موادی هستند که تاکنون ساخته شده اند، بلکه در زمره قوی ترین مواد هستند که ممکن است در آینده ساخته شوند.

تاریخچه نانو لوله های کربنی

نانولوله‌ های كربنی‌ كه از صفحات كربن به ضخامت یك اتم و به شكل استوانه‌ای توخالی ساخته شده است در سال 1991 توسط سامیو ایجیما (از شركت NEC ژاپن) كشف شد.

سال ها پیش سامیوایجیما در حال تحقیق پشت یک میکروسکوپ الکترونی نشسته بود که رشته هایی نانومتری را در رسوب سیاه رنگ دوده ای مشاهده کرد. این رشته ها از کربن خالص تشکیل شده بودند و مانند بلورهای منظم دارای ساختار متقارن و آرایش یافته بودند. این مولکول های بزرگ، زیبا و خیلی بلند خیلی زود نانولوله نام گرفتند و موضوع مطالعات علمی و مهندسی پیشرفته تا حال حاضر بوده اند. ایجیما می گوید: درست است که ساخت نانولوله های کربنی برای من شگفت انگیز بود، اما همه ماجرا اتفاقی نبود، چون من تجربه های زیادی در مشاهده ابعاد کوچک نمونه های کربنی مثل کربن آمورف (بی شکل) و لایه های بسیار نازک گرافیتی داشتم؛ بنابراین سال ها با ساختارهای کربنی آشنا بودم و روی آن کار می کردم. کشف فولرین توسط ریچارد اسمالی و همکارانش مرا تشویق کرد و باعث شد که من هم به ساختارهای جدید کربنی فکر کنم. به عقیده ایجیما هزینه های تحقیقات روی نانولوله ها بسیار بالا است. با این حال ساخت ابرخازن های نانولوله ای اولویت بیشتری دارد. اخیراً به کمک گاز نیتروژن و یک ورقه نازک فولادی با روشی به نام رشد فوق سریع نانولوله ها را تولید کردیم و امید می رود هزینه نانولوله 200 تا500 دلار به ازای هر کیلوگرم کاهش یابد.

 خواص ویژه و منحصر به فرد آن ازجمله مدول یانگ بالا و استحكام كششی خوب از یك طرف و طبیعت كربنی بودن نانولوله‌ها (به خاطر این كه كربن ماده‌ای است كم وزن، بسیار پایدار و ساده جهت انجام فرایندها كه نسبت به فلزات برای تولید ارزان‌تر می‌باشد) باعث شده که در دهه گذشته شاهد تحقیقات مهمی در كارایی و پرباری روش‌های رشد نانولوله‌ها باشیم. كارهای نظری و عملی زیادی نیز بر روی ساختار اتمی و ساختارهای الكترونی نانولوله متمركز شده است. كوشش‌های گسترده‌ای نیز برای رسیدگی به خواص مكانیكی شامل مدول یانگ و استحكام كششی و ساز وکار عیوب و اثر تغییر شكل نانولوله‌ها بر خواص الكتریكی صورت گرفته است.می توان گفت این علاقه ویژه به نانولوله‌ها از ساختار و ویژگی‌های بی‌نظیر آن ها سرچشمه می‌گیرد.

ویژگی‌ها وخصوصیات نانولوله های کربنی

خصوصیات مافوق تصور زیادی است که به نانولوله ها اختصاص دارد. در بین این خصوصیات انعطاف عالی یعنی تغییر شکل و خم شدن و بازگشت به حالت اولیه، استحکام کششی و ثبات حرارتی، خصوصیاتی هستند که پیش بینی هایی رویایی از ساخت محصولات فناوری نانو را در سر می پرورانند: روبات های میکروسکوپی، بدنه های صاف و پولادین برای خودروها که به سختی در تصادفات مچاله می شوند، باروهای مصنوعی و ساختمان هایی که در برابر زلزله مقاوم هستند. با این همه اولین محصولاتی که از نانولوله ها استفاده کرده اند، هیچ کدام از این مواد را در بر ندارند.درپایین برخی از ویژگی های نانولوله های کربنی را ذکرمی کنیم:

*اندازه بسیار كوچك (قطر كوچكتر از 0/4 نانومتر)

* حالت رسانا و نیمه‌رسانایی آن ها بر حسب شكل هندسی‌شان

نانولوله‌ها بر حسب نحوه رول شدن صفحات گرافیتی سازنده ‌شان به صورت رسانا یا نیمه‌رسانا در می‌آیند. به عبارت دیگر از آنجا كه نانولوله‌ها در سطح مولكولی همچون یك باریكه سیمی در هم تنیده به نظر می‌رسند اتم‌های كربن در قالب شش وجهی به یكدیگر متصل می‌شوند و این الگوهای شش وجهی دیواره‌های استوانه‌ای را تشكیل می‌دهند كه اندازه آن تنها چند نانومتر می‌باشد. زاویه پیچش نوعی نانولوله، كه به صورت زاویه بین محور الگوی شش وجهی آن و محور لوله تعریف می‌شود، رسانا یا نارسانا بودن را تعیین می‌كند. تحقیقات د یگری نیز نشان داده‌اند كه تغییر شعاع نیز امكان بستن طول باند و عایق نمودن نانولوله فلزی را فراهم می‌كند. پس می‌توان گفت دوپارامتر اساسی که در این بین نقش اساسی بازی می‌كنند، یكی ساختار نانولوله و دیگری قطر و اندازه آن است. بررسی‌های دیگری نشان داده‌اند که خصوصیات الكتریكی نانولوله‌ها بسته به اینكه مولكول C60 در كجا قرار داده شود از یك هادی به یك نیمه‌هادی و یا یك عایق قابل تغییر می‌باشد.

 از آنجایی كه نانولوله‌های كربنی قادرند جریان الكتریسته را به وسیله انتقال بالستیك الكترون بدون اصطكاك از سطح خود عبور دهند- این جریان صد برابر بیشتر از جریانی است كه از سیم مسی عبور می‌كند- لذا نانولوله‌ها انتخاب ایده‌آلی برای بسیاری از كاربردهای میكروالكترونیك می‌باشند.

*برخورداری از خاصیت منحصر به فرد ترابری پرتابه‌ای

* قدرت رسانایی گرمایی خیلی بالا

* سطح جداره صاف یا قدرت تفكیك بالا

سطح جداره صاف نانولوله‌ها باعث می‌شود كه میزان عبور گاز از درون آن ها به مراتب بیشتر از غشاهای میكروحفره‌ای معمولی كه در جداسازی گازها مورد استفاده قرار می‌گیرند باشد. لذا می‌توان گازهایی مانند هیدروژن و دی‌اكسید كربن را با هدایت در نانولوله از هم جدا كرد. این كه آیا نانولوله‌ها واقعاً می‌توانند در خارج از آزمایشگاه نیز گازها را به طور انتخابی از خود عبور دهند یا نه باعث شده كه امیدهای زیادی به تولید هیدروژن و نیتروژن از هوا باشد.

* بروز خواص الكتریكی و مكانیكی منحصر به فرد در طول آن ها

*مدول یانگ بالا

* حساس به تغییرات كوچك نیروهای اعمال شده

اعمال فشار بر یك نانولوله می‌تواند ویژگی‌های الكتریكی آن را تغییر دهد كه بسته به نوع كشش یك نانولوله می‌توان رسانایی آن را افزایش یا كاهش داد. این امر به دلیل تغییر ساختار كوانتومی الكترون‌ها صورت می‌گیرد. لذا این امكان به فیزیكدان ها داده می‌شود كه ترانسفورماتور یا دستگاه‌های انتقال دهنده بر پایه نانولوله‌ها بسازند كه حساسیت زیادی به اعمال نیروهای بسیار كوچك دارند. همچنین توانایی نانولوله‌ها در احساس تغییرات بسیار كوچك فشار و باز تبدیل این فشار به صورت یك علامت الكتریكی می‌تواند در آینده امكان ساخت سوئیچ‌های نانولوله‌ای حساس به تغییرات بسیار كوچك فشار را به محققان بدهد.

* گسیل و جذب نور

نانولوله‌ها می‌توانند نور مادون قرمز را جذب و دفع كنند. همچنین تزریق همزمان الكترون از یك سر و تزریق حفره از سر دیگر نانولوله‌كربنی، موجب می‌شود كه نوری با طول موج 1/5 میكرومتر از نانولوله منتشر شود.

*ضریب تحرك الكتریسیته بسیار بالا

نانولوله‌ها در دمای اتاق دارای بالاترین ضریب تحرك الكتریسته نسبت به هر ماده شناخته شده دیگری هستند.

*خاصیت مغناطیسی، ممان مغناطیسی بسیار بزرگ

با قرار دادن یك نانولوله در زیر لایه مغناطیسی یا با افزودن الكترون یا حفره به نانولوله می‌توان خاصیت مغناطیسی در نانولوله ایجاد كرد .این خاصیت باعث می‌شود كه بتوان ساخت وسایلی را پیش‌بینی كرد كه در آن ها اتصالات مغناطیسی و الكتریكی از هم جدا شده‌اند. اتصال مغناطیسی را می‌توان برای قطبی كردن مغناطیسی نانولوله‌ها- دستكاری در اسپین‌ها- به كار برد و از اتصال‌های غیرمغناطیسی برای الكترودهای ولتاژ- جریان استفاده كرد. همچنین ممان مغناطیسی آن ها نیز قابل اندازه‌گیری است (0/1 مگنتون بور در هر اتم كربن).

* چگالی سطحی بسیار بالا

نانولوله‌ها دارای چگالی سطحی بسیار بالایی می‌باشند كه باعث استحكام بالای نانولوله می‌شود. می‌توان گفت این خاصیت در اثر ریز بودن قابل توجه آن ها پدیدار می‌شود.

* قابلیت ذخیره‌سازی

در نانولوله‌ها هر سه اتم كربن قابلیت ذخیره یك یون لیتیم را دارند در حالی كه در گرافیت هر شش اتم كربن توانایی ذخیره یك یون لیتیم را دارند. همچنین توانایی ذخیره انرژی در نانولوله‌ها چند برابر حجم الكترودهای گرافیتی است. لذا محققان امیدوارند بتوانند هیدروژن زیادی را در نانولوله‌ها برای كاربردهای انرژی و پیل‌های سوختی ذخیره كنند.

* داشتن خاصیت ابررسانایی

نانولوله‌ها در دمای زیر k ْ15 ابررسانا شده‌اند. شعاع این نانولوله‌های ابررسانا فقط 0/4 نانومتر است. این كشف در نانولوله‌های كربنی نه تنها حیرت دانشمندان را به دنبال داشته بلكه قضایایی را كه حدود 40 سال پیش انتقال فاز را در سیستم‌های یك یا دو بعدی ممنوع می‌دانستند، رد كرده است. همچنین دانشمندان دلایلی را ارائه كرده‌اند كه می‌توان ابررسانایی دمای اتاق را در نانولوله‌های كربنی یافت. آن ها بیش از 20 دلیل ارائه كرده‌اند كه نانولوله‌های كربنی از خود خواصی را نشان می‌دهند كه بیانگر ابررسانایی دمای اتاق در آن هاست.

* تولید ولتاژ

با عبور مایع از میان كلاف‌هایی از نانولوله‌های كربنی تك جداره، ولتاژ الكتریكی ایجاد می‌شود. از این تكنیك برای ساخت حسگرهای جریان مایع برای تشخیص مقادیر بسیار اندك مایعات و نیز برای ایجاد ولتاژ در كاربردهای زیست پزشكی استفاده می‌شود. همچنین نشان داده شده است كه مایعات با قدرت یونی بالا ولتاژ بیشتری تولید می‌كنند.

* استحكام و مقاومت كششی بالا

میزان افزایش نیروی گرمایی و مقاومت نانولوله‌ها با ریشه سوم جرم اتم‌ها و مولكول‌ها متناسب است. همچنین حرارت دادن موجب افزایش استحكام نانولوله شده و مقاومت كششی آن را شش برابر می‌كند و هدایت آن نیز افزایش می‌یابد. تحقیقات اخیر نشان می دهد كه در اثر برخورد اتم‌ها یا مولكول‌ها با نانولوله‌ كربنی مقاومت الكتریكی آن تغییر می‌كند.

   ادامه دارد...

شناخت بیشترمواد هوشمند(2)

قسمت اول

یکی از مثال های ساده ماده هوشمند دینامیک عبارت است از رنگ گیری شیشه اتومبیل که بیشتر اوقات روشن است امّا بر اثر تابش نور شدید برای جلوگیری از اختلال در رانندگی، تیره می شود. تعریف ناسا از مواد هوشمند به این صورت است که"مواد هوشمند موادی هستند که موقعیت‌ها را به خاطر می‌سپارند و بامحرکهای مشخص می‌توانند به آن موقعیت باز گردند."

تعریف دایره المعارف تکنولوژیهای شیمیایی به این صورت است که "مواد و سازه‌های هوشمند، اشیائی هستند که شرایط محیطی را حس کرده و با پردازش این اطلاعات حسی نسبت به محیط عمل می‌کنند."

اگر بخواهیم مواد و تکنولوژیهای هوشمند (شامل عناصر، مواد مرکب، سیستمها و ...) را با توجه به خصوصیاتشان بشناسیم، این خصوصیات را می‌توان برای آنها نام برد:• فوریت: به این معنا که پاسخ آنها به صورت بلا درنگ (همزمان با تاثیر محرک) است.

• سازگاری: به این معنا که توانایی پاسخ به بیش از یک شرایط محیطی را دارا هستند.

• خود انگیزی: به این معنا که این هوشمندی در درون این مواد است نه در بیرون آنها.

• گزینش پذیری: به این معنا که پاسخ آنها مجزا و قابل پیش‌بینی است.

• مستقیمی: به این معنا که پاسخ داده شده با تحریک وارده در یک مکان قرار دارند.

شناسایی مواد هوشمند

یکی از روش هایی که ماده می تواند هوشمند شود از این قرار است که فقط تحت شرایط خاصی واکنش برقرار کند. راه دیگر این است که جداسازی موادی را که ماده هوشمند در معرض آن ها قرار می گیرد، امکان پذیر کنند. مواد می توانند بر پایه توانایی های شناسایی ملکولی که به آن ها امکان می دهد به آشفتگی یا محرک های الکترومغناطیسی یا شیمیایی خاص پاسخ دهند، نیز هوشمند شوند.

رشد نانوسیم ها و نانولوله ها از تک بلورها از مقوله های شناسایی به شمار می آید. مولفه های مختلف نانوسیم ابتدا بلور دانه را که در میانه آن ها قرار دارد، می شناسند و آن گاه یکدیگر را شناسایی می کنند. در این روش، نانوسیم جامد در داخل یک محلول شستشو پخش می شود، دقیقاً به همان صورتی که یک قندیل یخ از طریق یخ زدن روی بلورهای خارجی و کمک آن در یک محلول اشباع نمک گسترش می یابد، یا نباتی که از شکر محلول بلوری می شود.

نمونه دیگر در یاخته زیستی یافت می شودبرای اینکه چیزی از غشاء رد شود، بیولوژی به اصطلاح مجراهایی را تعبیه کرده است که عملاً لوله هایی اند که فقط از آب پر شده اند. سطح مقطع این لوله ها دارای مقیاس نانویی است و این امکان را فراهم می آورند که مواد غذایی، مواد زاید، و سایر مواد مهم بین یاخته و محیط آن حرکت کنند.ترکیب شناسایی ملکولی و تجمع می تواند به ایجاد موادی انجامد که در بسیاری سطوح هوشمندند و فقط در مقیاس نانویی امکان پذیرند.

انواع مواد هوشمند

با توجه به تعاریف ارائه شده برای مواد هوشمند می توان آنها را به 2 گروه تقسیم کرد:

نوع اول

گروه اول این مواد را اصطلاحاً مواد هوشمند نوع اول یا مواد کرومیک می نامند، این مواد یکی از جالب ترین انواع مواد هوشمنددو موادی با قابلیت تغییر رنگ هستند. این دسته از مواد در پاسخ به محرک های محیط خارجی در ویژگی ها و خصوصیات شیمیایی، الکتریکی، مغناطیسی، مکانیکی و یا حرارتی دچار تغییر رنگ می شوند، این تغییر رنگ ناشی از تغییر خصوصیات نوری این مواد مانند ضریب جذب، قابلیت بازتاب و یا شکست نور است که در نتیجه تغییر در ساختار این مواد ایجاد می شوند. و خود ماده مستقیما این تغییرات را ایجاد می‌کندبه عنوان مثالی که برای همه ما آشناست می‌توان به عینکهای فتوکرومیک اشاره کرد که تحت تاثیر اشعه ماوراء بنفش تغییر رنگ می‌دهند.

تغییر شفافیت عینکهای فتوکرومیک نسبت به میزان نور دریافتی

انواع گروه اول

مواد فتوکرومیک: در برابر جذب انرژی تابشی در ساختار شیمیایی این مواد تغییر ایجاد می شود و از ساختاری با یک میزان جذب مشخص به ساختاری متفاوت با میزان جذب متفاوتی تبدیل می شود.

مولکول های این مواد در حال غیرفعال بی رنگ هستند و هنگامی که در معرض فوتون های با طول موج خاص قرار می گیرند. برانگیخته شده و شرایط بازتاب آنها تغییر می کند. با از بین رفتن منبع نور ماوراء بنفش این مولکول ها به حالت اولیه خود باز می گردند. کاربرد اصلی مواد فتوکرومیک در عینک ها و ساخت شیشه پنجره برخی از ساختمان ها است.

مواد ترومیک: این مواد در نتیجه جذب گرما با تغییرات شیمیایی با تغییر فاز مواجه می شوند. تغییرات ایجاد شده برگشت ناپذیر است و با از بین رفتن عامل ایجاد کننده تغییرات دمایی این مواد به حالت اولیه باز می گردند. دماسنج های نواری که با قرار گرفتن بر روی بدن تغییر رنگ می دهند بر همین اساس کار می کنند.

مواد مکانوکرومیک و کموکرومیک: تغییرات فشار یا تغییر شکل از خصوصیات بازتابی متفاوتی برخوردار خواهند بود. در برخی از محصولاتی که از این مواد ساخته شده اند با تغییر فشار، نوشته های مخفی شده در سطح به نمایش در خواهند آمد. کاغذهای تورنسل که در محیط های اسیدی و بازی رنگهای متفاوتی دارند نمونه ای از محصولاتی هستند که براساس ویژگی مواد کموکرومیک ساخته شده اند و در برابر تغییرات PH  محیط واکنش نشان می دهند.

مواد الکتروکرومیک: این گروه از مواد هوشمند، موادی هستند که در نتیجه قرار گرفتن در یک جریان یا اختلاف پتانسیل الکتریکی رنگ آنها به صورت بازگشت پذیر تغییر می کند.

پنجره هایی که به وسیله عبور جریان الکتریسیته تیره و روشن می شوند از کاربردهای این نوع مواد هستند به طور کلی مواد هوشمند ترکیبی از مواد مختلف هستند که در تعامل با یکدیگر عمل می کنند و از ویژگی های منحصر به فردی برخوردار خواهند بود.

نوع دوم

گروه دوم مواد هوشمند را گروهی از مواد تشکیل می دهند که دارای قابلیت تبدیل انرژی از سطحی به سطح دیگر هستند.

همه اجسام و محیط های پیرامون آنها دارای سطح مشخصی از انرژی هستند. هنگامی که سطح انرژی ماده و محیط اطراف آن یکسان است می گوییم ماده در تعادل با محیط است یعنی در این حالت تغییر انرژی وجود نخواهد داشت. اما اگر ماده در سطح انرژی متفاوتی نسبت به سطح انرژی به وجود خواهد آمد در مواد هوشمند و غیرهوشمند سطح انرژی همواره باید ثابت باشد؛ با وارد کردن انرژی به مواد سطح انرژی در آنها افزایش می یابد که معمولاً این انرژی افزوده شده به صورت افزایش انرژی درونی جسم خود را آشکار می کند. اما از ویژگی های مواد هوشمند این است که این انرژی را به صورت های مختلفی که از کارآیی و عملکرد بیشتری برخوردار است تبدیل می کنند.

انواع مواد هوشمند دسته دوم به شرح زیر هستند:

مواد فتوولتائیک (قدرت زای نوری): این مواد که آنها را قدرت زای نوری نیز می نامند در پاسخ به محرک نورمرئی جریان الکتریکی ایجاد می کنند.

مواد ترموالکتریک(دمابرقی): به این گروه از مواد هوشمند نوع دوم مواد دما برقی نیز گفته می شود. این مواد در مقابل تغییرات دما توانایی تولید برق دارند.

مواد نورتاب: لومینسانس به تابش نوری گفته می شود که عامل ایجاد آن همانند لامپهای رشته ای، التهاب ماده نیست و عاملی مانند واکنش شیمیایی موجب آن می شود. به عبارت دیگر لومینسانس تابش نور در نتیجه دریافت انرژی است. در واقع این مواد انرژی دریافت شده را در طول موج های مرئی بازتابش می کنند. ماده در اثر منبع تحریک بیرونی مانند الکتریسیته، واکنش شیمیایی و یا حتی اصطکاک، تحریک شده و واکنش نشان می دهد و در زمانی که عامل تحریک از بین رفت و اتمها به حالت اولیه بازگشتند تابش نور اتفاق می افتد. در حقیقت مواد نورتاب برعکس مواد فتوولتائیک عمل می کنند.

مواد پیزوالکتریک: این مواد در بسیاری از ابزارها مانند میکروفون ها، فندک ها، چاقوهای جراحی و بلندگوها مورد استفاده قرار می گیرند. در این مواد یک نیروی مکانیکی موجب تغییر شکل ماده شده و این تغییر شکل سبب تولید الکتریسیته می شود. در صورتی که به این مواد انرژی الکتریکی وارد شود ماده تغییر شکل پیدا می کند و این تغییر شکل نیز قابل تبدیل به یک نیروی مکانیکی است.

         ادامه دارد...

فناوری نانووصنعت الکترونیک (1)

نانوالکترونیک رویکرد تازه ای را در صنعت الکترونیک در زمینه انواع جدید مدارها، پردازشگرها، شیوه های ذخیره اطلاعات و حتی روش های نوینی الکترونیک نوری جهت انتقال اطلاعات دارد. در ادامه سعی می کنیم کاربرد های فناوری نانو رادر صنعت الکترونیک بررسی کنیم.

ذخیره سازی و حافظه ها

در جریان ساختن یک رایانه یا هر وسیله الکترونیکی دیگر، انباشتن و ذخیره اطلاعات بر پایه ای موقتی یا دراز مدت اهمیت دارد. ذخیره کردن اطلاعات در قطعات حافظه انجام می شود و از این رو انواع مختلف آن ها از آغاز ورد حافظه های با مغز مغناطیسی تاکنون به کار برده شده اند. در واقع، افزایش توانایی حافظه- یعنی مقدار اطلاعاتی که می شود در حجم معینی از فضا ذخیره کرد- حتی شتابان تر از منحنی قانون مور برای چگالی ترانزیستور، ارتقاء یافته است.

حافظه های دیسک سخت بر شالوده مغناطیس متکی اند، اطلاعات به صورت قطبش مغناطیسی روی یک دیسک ذخیره و به وسیله هد (نوک) خاصی با چرخش دیسک، خوانده یا نوشته می شود. پدیده ای که در اینجا در کار است مقاومت مغناطیسی غول آسا نام دارد که به اثر میدان های مغناطیسی بر مقاومت الکتریکی اشاره دارد. بسته به قطبش مغناطیسی (اینکه آیا بیت اطلاعات یک باشد یا صفر)، جریان های الکتریکی ثبت شده در هد خواندن فرق خواهند کرد. هم اكنون ظرفیت دیسك های مغناطیسی رایانه ها با استفاده از قانون مور افزایش یافته است و بازاری در حدود چهل میلیارد دلار را در اختیار دارد.

با بهره گیری از ساختارهای نانویی، می توان اندازه بیت های حافظه را اساساً بیشتر کاست و به این وسیله چگالی حافظه مغناطیسی و کارایی آن را افزایش داد و هزینه و بهایش را پایین تر آورد. روش های لیتوگرافی نانویی هم اکنون برای مهیا کردن برخی حافظه های بسیار نیرومند به کار گرفته می شوند.

علم و فناوری نانوامکانات حافظه ای متفاوتی ارائه می کنند. مثلاً مواد فوتو شکستار ، نمایانگر فقط یک نوع حافظه اپتیکی اند. سی دی ها و دی وی دی ها که برای ضبط موسیقی و فیلم می روند، خود نوعی فناوری اپتیکی به شمار می آیند که خواندن آن ها به کمک لیزر صورت می گیرد.

در واقع با استفاده از  فناوری نانومی توان ظرفیت ذخیره سازی اطلاعات را در حد هزار برابر یا بیشتر افزایش داد. ذخیره سازی اطلاعات مبحثی بسیار مهم و ضروری است كه می تواند به روش های مختلفی انجام شود.

حافظه های مغناطیسی و نوری (اپتیکی) متداول عمدتاً دو بعدی اند و بر شالوده یک سطح تخت استوارند. حافظه هایی چون حافظه های تمام نگاشتی و حافظه های شکستار نور بر پایه بر هم کنش نور و ماده استوارند. در چنین حافظه هایی، ذخیره اطلاعات از طریق تغییر حالت های ملکولی با میدان های لیزری پر شدّت صورت می گیرد. لیزرها برای نوشتن اطلاعات در داخل حافظه، یعنی اطلاعاتی که با تابش بیشتر لیزری پر شدّت می تواند تغییر کند یا با نور کم شدّت تر قابل خواندن است، به کار می رود. یکی از چشم گیرترین مزیت های چنین نانو ساختارهای اپتیکی از این قرار است که می توانند در سه بعد وجود داشته باشند، زیرا نه تنها سطح بلکه بدنه ماده هم خوانده می شود. این امر می تواند به کارایی های بالاتر و توانایی ذخیره در حافظه های اپتیکی منجر شود.

انواع حافظه های جدید

اکثر وسایل جدید الکترونیکی نیاز به حافظه زیاد دارند. امروزه مصرف کنندگان، طالب حافظه هایی با گنجایش گیگابایتی هستند. فلش های جدیدی الان در بازار است که بیش از 60GB حافظه دارد و همچنان مطلوب است که ذخیره بیشتر در فضای کمتری انجام گیرد. فناوری رایج این خواسته ها را به سختی فراهم می کند، اما فناوری نانو راه حل هایی بهتر پیشنهاد می کند.

یکی از ابزار جدید ذخیره اطلاعات استفاده از نقاط کوانتومی نیکلی در اندازه های نانومتری است که انتظار می رود برای ذخیره کردن ترابایتی داده ها، حتی در منازل و در استفاده های شخصی مورد استفاده قرار گیرد. با توجه به وسایل ذخیره سازی نسبتاً بزرگ (از نظر فیزیکی) که هم اکنون داریم و این واقعیت که در حوزه های مختلف، به اندازه هایی در حدود گیگابایت نیاز داریم، پتانسیل بالایی برای فعالیت در این زمینه وجود دارد.

هر نقطه کوانتومی شامل یک توپ مجزا چند صد اتمی است که می تواند یکی از دو حالت مغناطیسی را داشته باشد. این به آن ها اجازه می دهد که یک بیت اطلاعاتی (صفر یا یک) را در بر بگیرند، همان طور که در محاسبات ماشینی عرف است. در دیسک های سخت رایج، بیت های اطلاعاتی باید به اندازه کافی دور از هم قرار گرفته باشند تا تلافی نداشته باشند. نقاط کوانتومی به صورت واحدهای کاملاً مستقلی عمل می کنند که از نظر ساختاری به هم متصل نیستند، بنابراین می توانند تا حدی به یکدیگر نزدیک تر شوند. آن ها می توانند تا تراکم مشخصی آرایش یابند که اجازه می دهد هر نوع اطلاعاتی تا 5 ترابایت در فضایی به اندازه یک تمبر پستی ذخیره گردد. فعالیت ها هم چنان باید ادامه پیدا کند تا زمانی که این نانو نقاط بهتر عمل کنند و با دیگر وسایل محاسباتی از قبیل تراشه های سیلیکونی کار کنند.

پردازشگرهای سریع تر

به علت محدودیت در فناوری های رایج، تولیدکنندگان پردازشگرها روی به فناوری نانو آورده اند تا نسل بعدی پردازشگرها و اجزای کامپیوتری را تولید کنند.پردازش گرهای امروزی از ابعاد نانومتری استفاده می کنند. هر چه ابعاد ریزتر باشد، سرعت پردازش سریع تر خواهد شد و هم چنین قدرت پردازش بالایی را می توان در فضایی کم ایجاد کرد.

 خیلی از شرکت ها در حال حاضر در آخرین مراحل توسعه تراشه های پردازنده با ابعادی حدود 60 نانومتر هستند. شرکت اینتل در حال وارد کردن محصولات 45 نانومتری خود به بازار است. تراشه های اینتل ویژگی بهتری را به معرض اجرا می گذارند که نتیجه ی پیشرفت 10 تا 15 درصدی حاصل از استفاده از فناوری نانو است. در این مقیاس از ابعاد نانومتری، تراشه آسیب کمتری را از کمبود انرژی می بیند بنابراین می تواند انرژی کمتری را مصرف نماید و مقدار زیادی انرژی را هم ذخیره کند.

محققان  ترانزیستورهای را طراحی نموده اند که از نانولوله های کربنی استفاده کرده است و این ترانزیستورها پیشرفت های وسیعی را نسبت به ترانزیستورهای مرسوم سیلیکونی نشان می دهند. نانولوله های کربنی در مقیاس آزمایشگاهی دو برابر مقدار جریان الکتریکی را نسبت به بهترین ترانزیستورهایی که در بازار وجود دارد انتقال داده اند.

ترانزیستورهای مولکولی آجربناهای الکترونیک در مقیاس نانومتری خواهند بود. هر یک از مولکول هامی توانند جریان را مانند یک سیم نازک انتقال دهند. این مولکول ها با یک واکنش آکسایش و کاهش تغییر آرایش داده و روشن می شوند. هر اتصال یک پیوند را نشان می دهد. به کمک این سوییچ یک حالت صفر می تواند به یک تبدیل شود. بنابریان انواع مدارهای ترانزیستوری با این ترکیب مولکولی در ابعادی بسیار ریزتر شکل می گیرند.

    ادامه دارد...

معرفی،خواص وکاربردهای دندریمرها(1)

دندریمرها به جای استفاده از واحدهای مونومری AB كه سبب تولید پلیمرهای معمولی می شود که از واحدهای مونومری ABn (2،3=n) ساخته شده اند. به طور معمول دندریمرها توسط فرایندهای تکراری ساخته می شوند،‌كه هر فرایند منجر به ایجاد یك لایه اضافی از شاخه ها موسوم به نام نسل می گردد.

درواقع دندریمرها نانو ساختار هایی هستند كه امروزه در بسیاری از زمینه‌های زیست پزشكی* مورد توجه قرار گرفته‌اند. دندریمرها از یك هسته مركزی تشکیل شده اند که شاخه های زیادی مرحله به مرحله مانند درخت از آن منشعب شده است.هر گروه از این ذرات از نظر اندازه، شكل، طول شاخه‌ها، دانسیتة ذره‌ای و گروههای عاملی سطح ذره و همچنین ساختمان كلی ذره (چه ساختمان داخلی و چه خارجی) بسیار بسیار به هم شبیه هستند. این ذرات این توانایی را دارند كه مولكول‌های مختلف را در بین شاخه‌های خود جای دهند و كاملاً در خود حبس كنند و آنها را در مقابل عوامل خارجی محافظت كنند و یا در محیط مورد نظر به طور كنترل شده رها سازند همچنین با حبس كردن داروها حلالیت این مواد را افزایش می‌دهند. از طرفی به واسطة وجود گروههای عاملی متعدد در سطح، آنها قادرند انواع مولكول‌ها را به سطح خود متصل و حمل كنند، از طرفی می‌توان از همین ویژگی آنها در جهت هدفمندسازی فعال برای یك بافت خاص استفاده كرد.

سنتز دندریمرها

دو استراتژی كلی در سنتز دندریمرها وجود دارد:

متد اول كه توسط Tamalia طراحی شده به این شكل است كه از هسته مركزی شروع به شاخه‌دار كردن می‌كنیم و مرحله به مرحله ادامه می‌دهیم، به مرور جرم مولكولی دندریمر افزایش می‌یابد و یك نانو ذرة شاخه‌دار با گروه‌های عاملی كاملاً‌مشخص بدست می‌آید. این روش به متد(واگرا) Divergent معروف است.(رشد از هسته آغاز می شود و به شكل شعاعی پیش می رود.)

متد دوم كه توسط Hawker, frechet طراحی شده، به روش Convergent(همگرا) موسوم است و به این صورت انجام می‌گیرد كه از سطح ذره و به شكل همگرا شروع به سنتز و اتصال گروه‌های مختلف می‌كنیم و در نهایت هسته مركزی كه تمام شاخه‌ها را به هم متصل می‌كند اضافه می‌كنیم.( فرایند در حاشیه آغاز می شود و به طرف داخل رشد می كند.)

انواع دندریمر ها

تا به امروز دو گروه از خانواده دندریمرها به شكل تجاری قابل دسترس می باشد: دندریمرهای پلی آمیدوآمین (PAMAM) و پلی پروپیلن ایمین ها (PPI).

دندریمرها مولكول‌های بزرگ، هم‌اندازه و هم‌شكل هستند كه دارای معماری سه‌بعدی منظم و به شدت منشعب می‌باشند. آنها از سه بخش اصلی هسته، شاخه‌ها و گروه‌های انتهایی تشكیل شده‌اند. اولین ساختارهای درختسان، دندریمرهای پلی لیزین بود كه توسط رابرت دنك والتر و همكارانش شناخته شد. اما مفهوم درختسان اولین بار توسط تومالیا در دهه 1980 با تولید پلیمر پلی آمیدوآمین استفاده شد. در درختسان‌های آلی ساختار شیمیایی بیرونی و داخلی از نوع تركیبات آلی هستند. در درخت‌سان‌های آلی- معدنی هر یك ازساختارهای بیرونی و داخلی و گروههای انتهایی می‌توانند از نوع تركیبات آلی و یا تركیبات معدنی باشند. ساختارهای درختسان تا 10 نسل هم رسیده اند و وزن مولكولی آنها بیش از 90000 گرم بر مول است.

کاربرد های دندریمر ها

با انتخاب دقیق اجزا سازنده مولکولی دند ریمرها می توان کاربردهای سودمند وسیعی را به این ساختارهای پیچیده بخشید.بسته به اینکه چه بخشی از دند ریمر ها دستکاری شده است به کار گرفتن آن ها می تواند به شکل خارجی یا به شکل پیچیده تر داخلی باشد.مهمترین زمینه کاربرد دند ریمر های PAMAMوPPIدرسازگاری زیستی آن ها می باشد.

خواص دندریمرها

در مقابل پلیمرهای خطی كه اغلب ساختارشان بطور اتفاقی وتصادفی شكل می گیرد،‌ دندریمرها ساختار مشخصی دارند كه شامل یك هسته مركزی با شاخه هایی است كه به شكل شعاعی قرار گرفته اند. ساختار و كاركرد آنها مشابه پروتئین های كروی است. در نسل های بالاتر (بالاتر از 4)، ساختار آنها به صورت سه بعدی و شبه كروی تغییر می یابد.

نیروهای درون مولكولی اصلی در دندریمر، پیوندهای كوالانسی هستند اما انواع دیگری از برهمكنش ها (مثل پیوندهای هیدروژنی) هم شناخته شده اند. در یك تعداد نسل خاص (بالاتر از 4) دندریمرها به شكل كروی تغییر شكل درمی آیند. آنها همچنین به خاطر امکان جابجایی ساختار شاخه هایشان، توانایی محبوس كردن نمونه های مهمان در فضای درون مولكولی را دارند.

هر چند خیلی از نانوساختارهای دیگر مساحت سطح بالا را تامین می کنند و می توانند برای حمل دارو استفاده شوند، اما دندریمرها درجه کنترل و انعطاف بیشتری برای این هدف دارند. این بسته ها برای حمل مواد بسیار مفید هستند و فضاهای خالی آنها باعث افزایش سطح تماس شده و می تواند به ابعاد مختلفی سازمان داده شوند تا كنترل و انعطاف پذیری بیشتری برای كاربردهای مختلف ایجاد نمایند. فضاهای درونی همانند گروههای انتهایی سطحی می توانند به عنوان مراكز اتصال گروههای عاملی شیمیایی مورد استفاده قرار گیرند. این خصلت دندریمرها که می توانند چند نوع پیوند داشته باشند موجب می شود تا این امید باشد که برای كاربردها مختلف (مثل پدیده های جذب و ذخیره انرژی،‌ دارورسانی و انتقال ژن) از آنها استفاده شود.

 علیرغم اینكه مولكول های دندریمر از مولكول های تشكیل دهنده ساختارهای خودسامان یافته بزرگتر هستند ولی می توانند تك لایه های خودسامان یافته و ساختارهای بزرگ مولكولی و کلوخه های مایسلی تشكیل دهند.

 بسته به تعداد نسل ها، دندریمرها محدوده وسیعی از مقیاس ابعادی را كه در بیشتر مواقع نانومتری می ماند پوشش می دهد. در سومین نسل، دندریمرها را می توان با هورمون انسولین مقایسه کرد. در نسل پنج ، دندریمرها ابعاد پروتئین انتقال اكسیژن، هموگلوبین را بدست می آورند. دندریمرها در مقایسه با پروتئین ها، بسیار كوچكتر از سلول ها هستند و ظرفیت کاربردهای متنوع در حوزه زیستی را ایجاد می کنند.

یکی از کارهای جالبی که می توان با دندریمرها انجام داد محبوس كردن فیزیكی مولکولها و اتمها درون دندریمرها است. می توان در فضای بسته درون دندریمر مولكول های مهمان را به طور دائم یا موقت محبوس کرد. آزادسازی انتخابی مولكولهای محصور نیز عملی شده است. این کار با واكنشهای شیمیایی و برداشتن انتخابی لایه های منشعب انجام می شود. اتمهای متنوع زیادی مثل مس، طلا، نقره ، پالادیوم و پلاتین و شماری از ترکیبات غیر آلی مثل سولفید مس، سولفید کادمیوم، سولفید نقره را می توان به بخشهای داخلی درختسان وارد کرد.

 دندریمرها می توانند به عنوان بسته های زیربنایی برای ساخت اشکال فرعی بزرگتر با ساختارهای کنترل شده استفاده شوند. ساختارهای فرامولكولی سه بعدی و دو بعدی براساس پیوند كوالانسی و خودسامانی از طریق پیوندهای هیدروژنی تشكیل می شوند. این فراساختارها که موسوم به مگامر هستند شاید نقش اصلی در آینده درمان را بازی کنند.

 یكی از جالبترین كاربردهای دندریمرها (در فاز تحقیقاتی) ساخت نانوابزارهای زیستی می باشد. دندریمر به عنوان یك عامل درمانی، می تواند در مبارزه با بیماری هایی مانند سرطان كمك شایانی كند. تاكنون محققان دندریمرهای مجزایی را ایجاد كرده اند كه وظایف خاصی مانند دارورسانی و تشخیص را انجام می دهند. گام بعد تجمیع آنها در ساختارهایی به نام تكنودندریمرها است که تمامی این قابلیت ها را با هم دارد.

نقش دندریمرها در دارورسانی

یکی  از ناقل‌های مورد استفاده در دارورسانی درخت‌سان (دندریمر) می‌باشد. همان طور که گفتیم دندریمرها، ماکرومولکول باریک، شاخه شاخه و متقارن هستند که از یک هسته مرکزی، واحدهای منشعب شده به صورت درخت، و تعدادی گروه عاملی تشکیل شده‌اند. هسته مرکزی و واحدهای داخلی آن، محیط داخل حفره برای قرارگیری دارو را به وجود می‌آورند. با اتصال گروه‌های عاملی هدف‌مند به سطح این ماکرومولکول‌ها، می‌توان حلالیت و رفتار شیمیایی آنها را کنترل کرد.

ـ دندریمرها و انتقال دارو از مسیر خوراكی: عوامل زیادی در انتقال نانو ذرات از مسیر گوارشی به گردش خون دخیل‌اند:

I. به طور كلی نانو ذرات حامل دارو در سیستم گوارشی توسط ساختارهائی به نام Peyers patches و سلول‌هائی به نام M-cell از درون روده جمع‌آوری می‌شوند و بعد از انتقال به عروق لنفی وارد جریان خون می‌شوند.

II. فاكتورهائی از قبیل اندازة ذره‌ای، بار سطحی ذره و سایر ویژگی‌های فیزیكی ـ شیمیائی ذرات

III. فعالیت ذاتی ذرات و برهمكنش بین ذرات و سایر مواد در روده

IV. نقش فعال نانو ذرات در فعالیت‌هائی از قبیل:

به دام افتادن (Capture) و اتصال به بافت (adhision) و جذب (uptake) و عبور از لایه‌ی سلولی (Transcytosis) و trans Location و…

V. تأثیر فعال لیگاندهای سطحی كه به Receptor(گیرنده )خودشان متصل می‌شوند.

     ادامه دارد...

صنعت الکترونیک در کنار نانو

فناوری MRAM  

فناوری های روز حافظه(RAM, Flash Memory,…) مشکلات متعددی را برای مصرف کنندگان آنها به وجودآورده است که به عنوان نمونه می توان به سرعت پایین خواندن و نوشتن روی Flash Memories و یا محدودیت اقتصادی افزایش فضای RAM اشاره کرد. مشکل دیگر که با فناوری رایج وجود دارد، این است که به سرعت محدودیت های نظری پشت سر گذاشته می شود. برای مثال فناوری کارت حافظه محدودیت اندازه دارد و بیشتر از میزان مشخصی از اطلاعات را نمی تواند در خود جای دهد. هم چنین در دوباره ریختن اطلاعات یا بازنویسی اطلاعات نیز محدود است. نمی توان بیشتر از 10000 تا 100000 بار اطلاعات را در آن وارد کرد (بعد از این مقدار، داده ها دیگر ذخیره نخواهد شد). هم چنین محدودیت هایی برای حجم ذخیره سازی دیسک های سخت وجود دارد. با توجه به افزایش فعالیت هایی که نیازمند حافظه بیشتر است، باید راه حل هایی برای رفع این محدودیت ها در نظر گرفته شود.

 MRAM یک فن آوری حافظه پایدار است که علاوه بر سرعت بالا می تواندظرفیت حافظه بالایی را نیز فراهم کند وهمچنین یک راه حل مناسب برای ثابت نگه داشتن پیشرفت و ترقی در بازار است. اساس کار MRAM بر پایه تفاوت مقاومت الکتریکی لایه های نازک مواد بر اثر قطبیده شدن ذرات آنها در راستاهای متفاوت می باشد؛ که به مقاومت مغناطیسی موسوم است.چون سلول های حافظه MRAM بر پایه ترانزیستور عمل نمی کنند پس درابعاد کوچک مشکلاتی نظیرتونل زنی رخ نمی دهد.

حافظه RAM معمول می توان خیلی سریع بخواند، بنویسد و دسترسی پیدا کند و به همین دلیل از آن برای کار با داده های موقت کامپیوتر سود می برند. به هر حال مشکل آن این است که به برق دائم نیاز دارد و گرنه همه اطلاعات را از دست می دهد مگر آنکه روی نوع دیگری از ابزار ذخیره سازی مثل دیسک های سخت ذخیره شود. MRAMسرعت دستیابی RAM را دارند، اما فراریت داده ها را از بین می برند و نیازی به برق برای کار ندارد. هم چنین آن ها مشکل محدویت خواندن و بازنویسی کارت حافظه را ندارند. MRAMجام مقدس حافظه نام گرفته است زیرا قبلاً این ویژگی ها بر روی یک تراشه منفرد هرگز وجود نداسته است.

استفاده از نانولوله های کربنی در صنعت الکترونیک

رشد سریع فناوری ساخت مدارهای الکترونیکی و ورود به مرز فناوری نانو (ابعاد زیر 100 نانو متر)، همراه با مزایا و شگفتی‌های دور از انتظاری که برای این فناوری به دنبال داشته، چالش‌ها و پرسش‌های فراوانی را نیز فرا روی متخصصین الکترونیک و پژوهشگران فناوری نانو قرار داد. برخی از این چالش‌ها مربوط به فرآیند و فناوری ساخت مدارهای الکترونیکی است و بخشی نیز مربوط به کوچک شدن ابعاد ترانزیستورها است که پایه و اساس مدارهای الکترونیکی می‌باشد. محدودیت‌های فناوری و چالش‌های کوانتومی مهم‌ترین چالش‌های نانو الکترونیک است.

افزایش این مسائل پژوهشگران را به فکر جایگزینی مواد جدیدی به منظور استفاده در مدارهای الکترونیکی انداخت. در واقع آنان به این موضوع می‌اندیشیدند که آیا به جای استفاده از ترانزیستورها و ابزارهای سیلیکونی (یعنی از جنس سیلیسیوم) که با چنین محدودیت‌هایی روبرو است، می‌توان از مواد دیگری استفاده کرد. کشف نانو لوله‌های کربنی (Carbon Nano Tube یا CNT) در سال 1991 توسط ایجمیا رۆیای آنان را به واقعیت نزدیک کرد. نانو لوله‌های کربنی با خواص خاص و چشم‌گیر الکترونیکی، مکانیکی، نوری و شیمیایی که دارد، هم از دیدگاه بنیادی و هم از دیدگاه کاربردی به سرعت کانون توجه پژوهشگران حوزه‌های گوناگون دانش قرار گرفت.

درواقع در هنگام ابداع ترانزیستورهای سیلیکونی، پژوهشگران از این که برای استفاده در مدارات الکترونیکی جایگزین مناسبی برای لامپ‌های خلاء یافته‌اند، بسیار هیجان‌زده بودند. آن‌ها اکنون به جای استفاده از لامپ‌های خلاء می‌توانستند از ترانزیستورهایی استفاده کنند که هم ارزان‌تر و کوچک‌تر بودند و هم ساخت آن‌ها در مقیاس وسیع بسیار ساده‌تر بود. بدین ترتیب بود که صنعت الکترونیک با یک جهش عظیم روبرو شد. به تدریج دانشمندان به منظور افزایش سرعت مدارهای الکترونیکی، شروع به کوچک کردن ابعاد ترانزیستورها کردند. این ماجرا آن قدر با جدیت پیش می‌رفت که گوردون مور بر اساس آن، یک قانون تجربی را بیان کرد؛ نصف شدن ابعاد ترانزیستورها در هر 18 ماه. اما این کوچک شدن تا جایی پیش رفت که محدودیت‌های فناوری و چالش‌های کوانتومی، مسائل اساسی و چالش‌های جدی‌ای را پیش روی پژوهشگران قرار داد. در این میان ایده‌ی جدیدی به تدریج شکل گرفت و آن جایگزینی نانولوله‌های کربنی به جای ترانزیستورهای سیلیکونی بود

پژوهشگران نانو الکترونیک نیز از این کشف جدید غافل نشدند و به بررسی خواص الکترونیکی نانو لوله‌های کربنی پرداختند

پژوهشگران به دنبال یافتن جایگزینی برای ابزارها و ترانزیستورهای سیلیکونی با ابعاد کوچک‌تر هستند. یک گام اساسی در انجام کوچک سازی مدارهای الکترونیکی، استفاده از مولکول‌های منفرد در ابزارهای الکترونیکی است. بدین منظور بررسی خواص الکترونیکی نانو لوله‌های کربنی، نتایج امیدوار کننده‌ای را به دنبال داشته است.

نانولوله های کربنی دارای فرم لوله ای با ساختار شش ضلعی هستند. نانو لوله ها را می توان صفحات گرافیتی فرض کرد که لوله شده اند. بر اساس محور چرخش صفحات نانو لوله ها می توانند رسانا یا نیمه رسانا باشند.

به علت اینکه کربن با سه پیوند همچنان دارای یک اوربیتال خالی p می باشد، حرکت موجی الکترون ها به راحتی در سطح بیرونی این لوله ها صورت می گیرد. این ساختار کربنی علاوه بر رسانایی بالا دارای استحکام مکانیکی بسیار خوبی نیز است.

برای ساخت نانو لوله‌های کربنی نیازی به فرآیند لیتوگرافی نوری نیست. بنابراین مشکلات و مسائل لیتوگرافی نوری در این جا وجود نخواهد داشت. هم‌چنین نانو لوله‌های کربنی می‌توانند چگالی جریان بسیار بالایی را تحمل کنند و عبور دهند بدون آن که دمای آن‌ها به صورت غیر عادی بالا رود. علت این مسئله ساختار مولکولی خاص نانو لوله‌های کربنی است.

از نانولوله های کربنی به دلیل رسانایی بالا و مقاومت کم در دمای محیط در ساخت کانال هدایت ترانزیستورها، نوک میکروسکوپ های عکسبرداری در ابعاد نانو استفاده می شود.

انتقال سریع ترداده ها

انتقال سریع تر داده ها در داخل و بین دستگاه ها می تواند به واسطه فناوری نانو فراهم شود. یک محدودیت بزرگ در سرعت انتقال، استفاده از اتصالات و سیم کشی های الکتریکی است، الیاف نوری با افزایش سرعت انتقال داده ها در بین ارتباطات تلفنی انقلابی را در صنعت مخابرات به وجود آورده است. این مسئله بدین معنی است که خدمات جدیدتری می تواند انجام شود مثل اینترنت با پهنای باند بالا بطور مشابه، این عقیده وجود دارد که با استفاده از الکترونیک نوری به جای سیم های مسی می توان سرعت انتقال داده هها را بین دستگاه هایی همانند کامپیوتر به طو چشم گیری افزایش داد مثلا استفاده از نقاط کوانتومی بر پایه لیزر در آینده امکان پذیر خواهد بود. که اطلاعات را بین اجزاء دستگاه ها با سرعت نور انتقال می دهد که هر قسمت از اطلاعات کد شده توسط یک طول موج یگانه نور منتقل می شود. با افزایش تعداد گره ها در شبکه های اطلاعاتی می توان داده ها را با سرعت بیشتری بین دو نقطه منتقل کرد. سرعت ارتباطات با افزایش سرعت انتقال داده ها، قدرت بیشتر پرداشگرهای سیار و ذخیره سازی بیشتر داده ها بر پایه فناوری نانو امکان پذیر است.

   ادامه دارد...

 منسوجات نانویی در صنعت خودرو

فناوری نانو و صنعت خودرو (4)

یکی از اصلی‌ترین موضوعات فناوری‌نانو، ساخت مواد با خواص جدید است. این مواد‌ ارزش افزوده ‌‌بسیار بالا‌ و کارایی‌ بالاتری در تمام صنایع‌ خواهند داشت‌ که ‌صنعت‌ خودرو‌ نیز از آن مستثنی نمی‌باشد.

‌ ساخت بدنه‌های‌ سبکتر‌ و مقاومتر‌ برای خودرو، ساخت‌ لاستیک‌هایی با مقاومت‌‌‌ سایشی‌‌ بهتر، ساخت‌ ‌قطعات موتور با عمر چند برابر، ‌کاهش مصرف‌ سوخت خودرو، ساخت باتر‌ی‌هایی با انرژی‌‌ ‌بالا‌ ‌و دوام بیشتر، نانوساختارهایی مبتنی بر کربن به عنوان سوپر اسفنج هیدروژنی در خودروهای پیل‌سوختی، ساخت‌ حسگر‌ها‌ی چند منظوره برای کنترل ‌فرایند‌های‌ مختلف‌‌ در خودرو‌‌، ساخت‌ کاتالیز‌ور‌های‌ ‌‌اگزوز ‌‌خودرو جهت‌ کاهش آلودگی ‌‌هوا، ساخت لایه‌های خیلی‌‌ محکم ‌‌با خصوصیات‌ ‌ویژه‌ای مثل ‌الکتروکرومیک‌ (رنگ‌پذیری‌ الکتریکی) یا خود‌پاک‌کنندگی‌‌‌ برای استفاده‌ در شیشه‌ها و آینه‌های خودرو و سازگار‌ کردن‌‌ خودرو با محیط‌‌‌زیست‌ و بسیاری‌ موارد دیگر‌ از جمله کاربرد‌هایی هستند‌ که فناوری‌نانو ‌‌در صنعت‌ ‌خودرو خواهد داشت. همچنین جایگزینی‌‌ کربن سیاه (Carbon Black) تایر‌ها با ذرات‌‌رس و پلیمر‌های‌ نانومتری، فناوری‌‌‌ جدید‌ی است‌ که تایر‌های سازگار‌‌ با محیط زیست‌‌ ‌و مقاوم‌ در برابر ساییدگی را به ارمغان می‌آورد.

یکی از اثرات مثبت فناوری‌نانو، بالا بردن راندمان موتورهای احتراق داخلی فعلی است. این موتورها حدود پانزده‌ درصد انرژی ذخیره شده در بنزین را به نیروی محرکه تبدیل می‌كنند، از طرف دیگر وزن متوسط ماشینهای امروزی حدود هزارو پانصد کیلوگرم می‌باشد ولی با استفاده از فناوری‌نانو، پیش‌‌بینی می‌شود که بتوان بازده را تا پنج برابر افزایش داد و نیز وزن وسایل نقلیه را به میزان 10 برابر کاهش داد؛ پس می‌توان امید‌وار بود که وسایل نقلیه با استفاده از این فناوری تا %50 بهبود کارایی داشته باشند.

استفاده از نانو ذرات طلا در مبدلهای کا تا لیزوری خودرو

مبدلهای کاتالیستی خودرو فیلتر آلودگی در لوله اگزوز است. این مبدلها از یک سرامیک کندویی مانند خانه های کندویی شکل که با فلزی مثل پلاتینیوم که بسیار گران قیمت است، پوشش داده می شود. هر کیلوگرم پلاتینیوم 50000 دلار است. گرم به گرم پلاتینیوم در مبدل گران ترین بخش ماشین را به خود اختصاص داده است. پلاتینیوم یک کاتالیزور خوب است. برای انجام بسیاری از واكنش ها در شرایط عادی با سرعتی قابل قبول نیاز به استفاده از كاتالیزور می باشد. امروزه از كاتالیزور در آزمایشگاه های شیمی و صنایع شیمیایی به طور وسیعی استفاده می شود. كاتالیزور ماده ای است كه موجب افزایش سرعت واكنش شده و با اینكه در واكنش دخالت می كند ولی بعدا بازیابی می گردد و مقدار آن تغییر نمی-نماید.

با توجه به اثراتی كه یك كاتالیزور بر روی واكنش شیمیایی و كنترل محصول در جهت تولید مطلوب دارد، می توان گفت كه كاتالیزور در جهت ایجاد فضای سالم و زندگی راحت نقش مهمی ایفا می کند. یكی از این اثرات در جهت ایجاد فضای سالم تر و بدون آلودگی و جلوگیری از انتشار گازهای سمی در محیط است كه توسط كاتالیزورهایی كه در مبدل اتومبیل ها به كار می رود، انجام می پذیرد. در نانوذرات طلا كه روی دی اكسید تیتانیوم پوشش داده شده اند سیستم كاتالیزوری ده بار موثرتر از كاتالیزورهای معمول برای شکستن اكسیدهای سولفور حاصل از اگزوز خودروها است.

مورد جالب توجه دیگر این است كه اغلب كاتالیزورها به شرایط دمایی و فشار بالا نیاز دارند و نانومواد تحمل چنین شرایط حادی را دارند. همچنین كاتالیزور ها باید به شكل پایداری روی پایه های جامد قرار گیرند. پایه یا نگه دارنده كاتالیست ذره جامدی است كه تخلخل بالایی داشته و سطح مخصوص زیادی در واحد حجم دارد. ذرات كاتالیزور روی کاتالیست قرار گرفته و پیوند بین سطح مشترك آنها اتفاق می افتد و به همین دلیل سطح كاتالیستی زیادی فراهم می نماید. در فناوری نانو، نانوكاتالیزورها روی سطح مواد متخلخلی با حفره های نانومتری قرار گرفته و در سطح بیشتری با واکنش ها ارتباط دارند.

به کار گیری منسوجات نانویی در صنعت خودرو

منسوجات نانویی در کاهش وزن،جذب سروصدا وعایق کردن بسیار موثر خواهد بود. همان طور که می دانیم  ویژگیهای اصلی مورد نیاز برای افزایش ایمنی زیبایی و راحتی داخل خودرو عبارتند از:

مدیریت خوب انتقال گرما و بخار آب، ضدلک بودن و قابلیت تمیزکردن ساده،ضدحساسیت پیرایش، مقاومت در برابر اشتعال،خواص ضدمیکروبی وبهبود کارایی صوتی.

در ذیل تعدادی از ویژگی های منسوجات نانویی را برای بر طرف کردن نیازهای صنعت خودرومطرح می کنیم.

*جذب رطوبت

*خودتمیزکردن،دافع ذرات خاک

*تصفیه وفیلتراسیون هوا

*خواص ضد میکروبی وضد باکتری

*خواص آنتی استاتیک

*مقاومت در برابرشعله

*کاهش نویز

*مقاومت در برابر پارگی وسایش

*مقاومت دربرابر UV

به کار گیری نانوافزودنی های سریا (اكسید سریم)

این نانو افزودنی ها در دربرطرف مشكلات حاصل از انتشار گازهای خروجی از اگزوزنقش مهمی ایفا می کنند.همان طور که می دانیم سوخت گاز طبیعی به میزان بالایی اكسیدهای نیتروژن(NOx) را به محیط منتشر می کند. در مورد سایر آلاینده ها از جمله ذرات ریز جامد یا معلق میزان آلودگی كم می باشد. در موتورهای دیزلی بدون فیلتر، میزان ذرات جامد NOx و ذرات معلق خیلی بالا است. حال اگر در همان موتور دیزلی از فیلتر همراه با پوشش ذرات پلاتینیوم برای حذف ذرات جامد استفاده شود، انتشار این ذرات كاهش یافته ولی با این حال خروج NO2 به عنوان یکی از اکسیدهای نیتروژنی به شدت افزایش می یابد. این امر دلیل آن شد که در موتورهای دیزلی استفاده از چنین فیلترهایی ممنوع اعلام شود. در سالهای اخیر بیشتر تلاش ها برای كاهش آلودگی موتورهای دیزلی متمركز شده‌‌اند. این موتورها برای موتورهای تا 5000 اسب بخار مثل اتوبوس های شهری استفاده می شوند. البته افزودنی هایی نانومتری وجود دارد كه باعث افزایش كیفیت سوخت می گردد. افزودنی‌های سوخت، موادی هستند كه به سوخت اضافه می شوند تا انتشار آلاینده خروجی از اگزوز را كاهش دهند و تغییراتی در تولید CO،NOx و HC ایجاد می كنند. ضمنا مواد افزودنی كاهش قابل ملاحظه‌ای در دمای احتراق دود نیز ایجاد می‌كنند. به واسطه حضور افزودنی‌‌های سوخت، مصرف سوخت 5 تا 7 درصد کاهش می‌یابد.

این نانوافزودنی‌ها به همراه فیلترهای مناسب اگزوز استفاده می‌شوند. غلظت این نانوافزودنی ها می‌تواند بین20 تاppm 100 باشد. غلظت‌‌های بالای این مواد مشكلاتی همچون افزایش فشار برگشتی را ایجاد كرده است. با توجه به توسعه نانوپودرها، نانوافزودنی های اكسید سریم به صورت پودر تولید شده است. این امر باعث افزایش كارایی پودر اكسید سریم گردیده است، طوری كه ذرات معلق آلاینده در آن 70 تا 98 درصد كاهش یافته اند. نانوذرات سریم می توانند در تمیز كاری گازهای سوختی خارج شده از اگزوز و تولید مناسب گاز هیدروژن به عنوان یك منبع سوخت پاك بدون ایجاد گازهای سمی عمل نمایند.

معرفی،خواص وکاربردهای زئولیت ها(3)

کاربرد زئولیتها دركشاورزی

خصوصیات فیزیکی و شیمیای منحصر به فرد زئولیت‌های طبیعی آن‌ها را در بسیاری از کاربرد‌های کشاورزی و باغبانی سودمند نموده است. تکنولوژی‌های وابسته به زئولیت در کشاورزی و باغبانی شامل آزاد سازی تدریجی کودها، زئوپونیک و اصلاح و بهبود خاک است. این کاربرد‌ها میزان تقاضای زئولیت را در طیف تکنولوژیکی (از کاربرد آن‌ها در کشورهای در حال توسعه گرفته تا کاربرد آن‌ها در سیارات دیگر) افزایش می‌دهد.

بطور كلی سه عامل ساختمان شیمیایی، فراوانی و قابلیت دسترسی و نیز ارزش اقتصادی، زمینه های كاربردی فراوانی را برای زئولیتها فراهم آورده است. با وجود فراوانی و وفور زئولیت طبیعی، در بسیاری از موارد نمی توان با زئولیتهای مصنوعی رقابت نماید و هنور بازار عمده مصرف در انحصار زئولیتهای مصنوعی است.

کاربردهای زئولیت ها در کشاورزی رامی توان به طور کلی به این صورت بیان کرد:

**به عنوان ماده جاذب رطوبت در زراعت

**افزایش دهنده تبادلات کاتیونی و حاصلخیزی

**کنترل بو

**مواد افزودنی خوراک دام

**گلخانه، گلخانه

** پرورش گل

** سبزیجات

**درخت و درختچه Transplanting

**اصلاح خاک چمن

** محوطه سازی

**احداث جنگل (سازمان جنگلها، مزارع درخت)

**کاربرد در سیستم های آبکشت

**تصفیه آمونیاک استخر ماهی و آبزیان

برخی از زئولیتها پس از انجام تبادل یونی با كاتیونهای مغذی و اساسی مورد نیاز گیاهان مانند پتاسیم و آمونیم میتوانند به عنوان حاصلخیز كننده های یونی به خاك افزوده شوند. یونهای مغذی موجود به تدریج از درون فاز زئولیت رها می شوند و در دسترس گیاهان قرار میگیرند. افزون بر یونهای مغذی اصلی از این راه میتوان یونهای مورد نیاز گیاهان نظیر آهن، مس، منگنز و روی را نیز در دسترس گیاهان گذاشت.

بكارگیری زئولیتهای ناخالص به جهت كاهش هزینه و قیمت امكان پذیر است. زئولیتها همچنین می توانند به عنوان رقیق كننده به كودهااضافه شده و در بهبود شرایط فیزیكی و نگهداری رطوبت خاك مؤثر واقع شوند.

زئولیتها از راه واكنشهای تبادل یونی ویا از شیوه های تركیبی واكنشهای تبادل یونی و واكنشهای انحلال كانیها، مواد حاصلخیز كننده را به كندی و به تدریج دردسترس گیاهان می گذارند. زئولیتی مانند كلینوپتیلولیت می تواند به عنوان ماده ای برای رها سازی آهسته مواد عمل كند تا میزان عرضه در كودهای پرفشار آمونیكی را كاهش دهد، چرا كه عرضه زیاد این كودها می تواند برای محصولات كشاورزی سمی بوده و ریشه آنها را بسوزاند. از طرف دیگر هدر رفتن آن را در اثر زهكشی آب باران كم می كند از راه تبادل كلینوپتیلولیت اشباع ازپتاسیم، می توان پتاسیم و به كمك كلینوپتیلولیت اشباع ازNH4 ،نیتروژن را در دسترس گیاهان گذاشت.

 به تازگی، مشخص شده است كه مخلوط كلینوپتیلولیت اشباع ازNH4 ؛ با سنگ فسفاته( آپاتیت) به طور همزمان و به صورت تدریجی  Nو   Pراآزاد می سازد و به خاك اضافه می كند. توانایی جذب آب توسط زئولیت جالب و مهیج است.زئولیتها تا 70 درصد وزنی خودشان آب جذب می كنند و بدون اینكه وضعیت خاك بهم بخورد یا غرقات شود، رطوبت خاك را حفظ می كنند.

 برای كشت و پرورش گیاهان 25% زئولیت به خاك كشاورزی اضافه می شود. بدین منظورتقریباً 5/1سانتیمتر زئولیت بر روی خاك پاشیده میشود و با شنكش یا كج بیل و یا هر وسیله دیگری آن را با خاك مخلوط می كنند.

در تجاربی دیگر مشخص شده است كه افزودن 10درصد زئولیت به خاك كشاورزی، به حاصلخیزی خاك، تهویه و جذب آب در خاك منجر می شود. این امر سبزی پایدار، سلامتی و استحكام گیاهان را به دنبال خواهد داشت. هزینهای كه برای اضافه كردن زئولیت به خاك صرف می شود با افزایش محصول گیاهان جبران خواهد شد.

چنانچه كودهای شیمیایی یا مواد حاصلخیز كننده به نسبت 50 با زئولیت مخلوط شده و به وسیله كودپاش در زمینهای كشاورزی پراكنده شوند، به بهبود تهویه هوای خاك و حاصلخیزی خاك كمكی شایان توجه می شود زیرا زئولیتها مواد حاصلخیزكننده حل شده در آب را در ساختار غربالی خود جای می دهند و از بیرون رفتن آن از خاك جلوگیری میكنند ومجدداً به تدریج در دسترس خاك می گذارند.

 زئوپونیك به تازگی به عنوان فرآیندی مهم در علم تولید غلات، مدیریت خاك و پرورش گلها مورد توجه قرار گرفته است. این اصطلاح برای توصیف كشت گیاهان در خاك مصنوعی دربردارنده زئولیت، ورمیكولیت و تورب( زغال سنگ نارس) استفاده می شود.

مطلوب‌ترین سیستم‌های زئوپونیک، آن‌هایی هستند که خصوصیات جالب توجه زئولیتی (شامل ساختمان سخت و متخلخل، چگالی حجم متوسط، زهکشی خوب، قابلیت تبادل کاتیونی بالا و ثبات شیمیایی در برابر تغییرات pH) را دارا باشند و تغذیه متعادل گیاه را برای چرخه‌های تولید بدون اضافه نمودن کود‌ها تامین نمایند. سیستم‌های زئوپونیکی با دارا بودن این خصوصیات می‌توانند در بخش‌های عظیم تجاری و فروشگاه‌های مصرف کننده، به عنوان واسطه‌های رشد گیاه مورد توجه قرار بگیرند. زئولیت‌ها می‌توانند ظرفیت تبادل کاتیونی (CEC) خاک و رطوبت را افزایش دهند و هدایت آب را توسعه بخشند. همچنین میزان محصولات را در زمین‌های اسیدی افزایش داده و میزان جذب عناصر سنگین و مضر مانند مس، کادمیوم، سرب و روی توسط گیاه، در خاک‌های آلوده را کاهش دهند. وسعت تاثیر این خصوصیات بستگی به مقدار زئولیت اضافه شده دارد. اگر قرار باشد زئولیت‌های تجاری برای مصارف کشاورزی و باغبانی توسعه یابند، بهتر است در تکنولوژی استفاده از آن‌ها در رابطه با هر محصول گیاهی به خصوص تجدید نظر به عمل آید تا بتوانند نیاز‌های ویژه محصولات را تامین نمایند.

كاربرد زئولیتها در تصفیه آب

یكی دیگر از مصارف زئولیتها، كاهش سختی آبهای آشامیدنی و صنعتی است. مقدار آبی که زئولیت‌ها می‌توانند تصفیه کنند، وابسته به منبع زئولیت و ابزاری است که آنها استفاده می‌کنند. در مورد زئولیت‌های زغال‌سنگ، محتوای کربن این ماده به طور قابل توجهی سطح مخصوص و در نتیجه ظرفیت جذب زئولیت را تحت تأثیر قرار می‌دهند.یكی از روشهای كاستن درجه سختی آب،عوض كردن یونها و متداولترین آن روش پرموتیت است كه در آن آب سخت را از صافیهای سربسته تحت فشار می گذرانند. در این صافیها، ذرات رزین از سیلیكات آلومینیم آبدار یعنی زئولیت بصورت طبیعی خود و یا به صورت مصنوعی(پرموتیت) تشكیل می شوند.

بسته به درجه سختی آبی كه تصفیه می شود، زئولیتها پس از مدتی خاصیت خود را از دست می دهند. در این صورت بایستی برای ادامه كار مطابق روابط زیر:

                                                             Na2(Zeolite) + CaCl2 = Ca(Zeolite) + 2Nacl

                                                          Mg (Zeolite) + 2 NaCl = Na2 (Zeolite) + MgCl2

با جریان آب نمك غلیظ سیلیكات كلسیم و منیزیم بدست آمده در صافی را دوباره به زئولیت كارآمد و احیاء شده تبدیل كرد. از این گونه صافیها اكنون در تصفیه خانه آب آشامیدنی شهر كرمان استفاده می شود. به جای پرموتیت می توان از تركیبات دیگر نظیر وفاتیت (Wofatite) و لواتیت (Lewatite) ا ستفاده كرد.

زئولیت‌های طبیعی در مکزیک و مجارستان، آرسنیک را از منابع آب آشامیدنی تا حد مورد پذیرش سازمان بهداشت جهانی کاهش می‌دهند. زئولیت‌های ساخته شده از زغال‌سنگ می‌توانند گستره‌ای از فلزات سنگین شامل سرب، مس، روی، کادمیم، نیکل و نقره را از آب آلوده جذب کنند. همچنین می‌توانند تحت شرایط خاصی کروم، آرسنیک و جیوه را جذب کنند. ظرفیت جذب زئولیت‌ها متأثیر از چند عامل؛ ترکیبشان، PH آب و غلظت انواع آلودگی‌هاست. به عنوان مثال تأثیرات PH آب بر روی سطح باردار شده منفی و یا مثبت زئولیت قابل ذکر است. همچنین با توجه جذب آسان سرب و مس در زغال‌سنگ، غلظت بالای این مواد، مقدار کادمیم و نیکل حذف شده را کاهش می‌دهد. ترکیبات زئولیت- نقره AgIoN، بازدهی را در مقابل میکروارگانیسم‌ها که شامل باکتری‌ها و کپک‌هاست، ارتقا می‌دهند.

وقتی باطری ها هم متحول می شوند

تحول باتری ها وفناوری نانو(2)

قسمت اول

شاید مساله مهمی که پس از تولید انرژی مطرح می شود، ذخیره و انباشت حجم زیادی انرژی در فضایی کوچک است. با توجه به اینکه امروزه لوازم سیار و استفاده از آنها گسترش بسیار یافته است. در تمام کاربردها، ایمنی، افزایش انرژی، اندازه كوچكتر و طول عمر طولانی‌تر مطلوب است. توسعه ابرخازن ها و باتری ها به کمک فناوری نانو به این امر کمک کرده است.

تاریخچه ی باتری ها

 باتری ها تاریخچه ای 2000 ساله دارند، اولین باتری ها مربوط به پارت ها بوده و در منطقه بغداد یافت شده است. از عمر باتری های جدید فقط 200 سال می گذرد. در سال 1789 میلادی، الکساندر ولتا یک میله مسی و یک میله از جنس روی را در داخل ظرف حاوی اسید کلریدریک نمود، او مشاهده کرد که میله روی به تدریج در داخل محلول اسیدی حل می شود و همزمان پتانسیل الکتریکی مشخصی بین تیغه ها به وجود می آید، به طوری که تیغه مس مثبت و تیغه روی منفی می شود.

 این اولین آزمایشی بود که منجر به کشف باتری ها گردید. به همین دلیل نام ولتا را روی نیروی محرکه تولید شده گذاشتند و از آن به بعد واحد اختلاف پتانسیل الکتریکی ولت نامیده شد. اولین نمونه باتری در سال 1868 میلادی ساخته شد. در این باتری از فلز روی به عنوان قطب منفی و یک میله متشکل از پودر فشرده دی اکسید منگنز به عنوان قطب مثبت استفاده شد. محلول کلرید آمونیوم در یک ظرف شیشه ای الکترولیت این باتری بود. این باتری مشکلات زیادی داشت. ظرف شیشه ای و الکترودهای این باتری شکننده بودند و نمک آمونیاک نیز به عنوان اسیدی خطرناک شناخته می شود. این باتری عمر چندانی هم نداشت. در سال 1888 میلادی اولین نمونه باتری خشک ساخته شد. در این باتری یک ظرف از جنس روی به عنوان قطب منفی و یک تیغه ذغالی به عنوان قطب مثبت و مخلوط خمیری شکل از کلرید روی و کلرید آمونیوم به عنوان الکترولیت استفاده نمود. در سال1890 باتریهای خشک به تولید انبوه رسید و تا به حال تغییری نکرده است. اما نیازهای روز افزون به برق سیار توسعه هر چه بیشتر باتری ها را منجر شده است. در باتری های امروزی مواد گوناگون از قبیل روی و کربن تا جیوه، لیتیوم، نقره و کادمیوم مورد استفاده قرار می گیرند.

انواع باتری ها

باتری ها مولدهای شیمیایی هستند که فعل و انفعال شیمیایی داخل آنها باعث ایجاد جریان الکتریکی می شود و معمولاً یک الکترولیت (محیط انتقال یونها) و دو تیغه غیر هم جنس تشکیل شده است. باتری ها به دو دسته باتری های اولیه و باتری های ثانویه تقسیم می شوند. نوع اولیه به باتری های های غیر قابل شارژ و نوع ثانویه به باتری های قابل شارژ معروفند. در باتری های اولیه که به باتری های یک طرفه نیز معروف هستند، فعل و انفعال شیمیایی تنها یک طرفه انجام می پذیرد. این باتری ها پس از مدتی کار ضعیف شده و از بین می روند. در باتریهای ثانویه یا دو طرفه، فعل و انفعال شیمیایی دو طرفه بوده و در صورت ضعیف شدن باتری می توان آنها را مجدداً شارژ و قابل استفاده نمود.

واکنش شیمیایی است که برق باتری ها را ایجاد می کند. لیتیومی که در قطب منفی(آند) قرار گرفته است، به صورت یون درآمده و یک نمک لیتیومی ایجاد می کند و از طریق یک پلیمر متخلخل به سمت قطب مثبت(کاتد) می رود. واکنش الکترون آزاد می کند و یک جریان در مدار خارجی ایجاد می کند. با اعمال ولتاژ خارجی به کاتد واکنش در جهت عکس انجام می شود و یون ها را به آند باز می گرداند و باتری مجدداً شارژ می شود.

در باتری های کوچک ساعت یونهای لیتیوم از جدا کننده عبور کرده و جریان ایجاد می کنند. این انتقال معکوس پذیر نیست، بنابراین این باتری ها قابل شارژ نیستند.

باتری های لیتیوم یونی انرژی زیادی را در ورقه های ساندویچ شده فشرده که با یک جدا کننده از هم تفکیک شده اند و همگی در یک الکترولیت شناور هستند ذخیره می کند. برای جلوگیری از داغ کردن باتری یک خروجی به گاز حاصل از واکنشها اجازه خروج می دهد. اگر گاز با سرعت ایجاد شود، زوار باتری می ترکد و باتری از کار می افتد. وقتی از بیرون اتصالی شود، قطعه قطع جریان کشیده شده و جریان باتری را قطع می کند. باتری لپ تاپ از مجموعه ای از باتری های لیتیوم یونی تشکیل شده است که یک گرماسنج داغ شدن آن را گزارش می کند.

تحول باتری لیتیومی

افزایش نیاز به انرژی سیار با تراکم بالا با توجه به رشد ابزارهای مینیاتوری نازک، نیاز به توسعه باتری ها و منابع انرژی را دو چندان می کند. مصرف برق نهایی زمانی اهمیت بیشتری پیدا می کند که رفته رفته ابزارهای الکترونیکی بیشتری در وسایل به کار برده می شود..

در بین انواع منابع ذخیره انرژی شامل خازن های قدیمی، ابرخازن ها، باتری های جدید، باتری های قدیمی و پیل های سوختی بهترین این منابع باتری ها هستند، باتری ها به سمت کوچک تر و سبک شدن می روند و روز به روز کارآیی و ثبات آن ها بیشتر می شود. تراکم بالاتر برای ذخیره انرژی در بسته های کوچک تر برای حصول قابلیت های جدید مانند ابزارها و تلفن های نازک لازم است. افزون بر این مشتری به هزینه پایین رغبت بیشتری دارد و این در بازارهای وسیع حساسیت بیشتری دارد.

زمان شارژ امروزه یک فاکتور مهم و اندک بودن آن، گاه ضروری است. شیوه ذخیره برق در خازن ها بهتر از باتری هاست. با لحاظ سرعت ابرخازن ها برای ذخیره انرژی بسیار مناسب اند ولی چگالی انرژی آن ها  نسبت به باتری ها و پیل سوختی کم است؛ لذا برای مشکل انرژی مورد استقبال قرار نمی گیرند. باتری های لیتیوم یونی سبک هستند و چگالی انرژی و چگالی توان بسیار بالاتری نسبت به انواع قدیمی تر باتری ها مانند باتری های نیکل کادمیوم دارند.

تأثیر فناوری نانو در حوزه باتری بسیار گسترده بوده است. شرکت توشیبا نوعی باتری لیتیومی ساخته است که زمان شارژ را فوق العاده کاهش می دهد. این باتری می تواند 80 درصد از ظرفیت انرژی باتری را تنها در عرض یک دقیقه، یعنی تقریباً 60 برابر سریع تر از باتری های لیتیومی که امروزه به طور گسترده ای در بازار استفاده می شوند، شارژ کند و علاوه بر این، دارای چگالی انرژی بالایی بوده و در نتیجه کارایی آن بسیار افزایش یافته است. در بسیاری از سامانه های نیازمند به باتری مساله جذب انرژی از منابع محیطی مانند نور خورشید و امواج رادیویی نیز مطرح است. فناوری های فعلی می توانند از امواج رادیویی 10 تا 30 میلی وات استخراج کند.

باتری کاغذی با کمک فناوری نانو

باتری ای که شبیه یک تکه کاغذ است می تواند نسل جدیدی از باتری های قابل ارتجاع ،ارزان و دوستدار محیط زیست ایجاد کند.

دانشمندان موفق شدند کاغذ پوشیده شده از جوهر ساخته شده از نانو مواد نقره و کربن را به یک "باتری کاغذی" تبدیل کنند.

این فناوری راه را برای ساخت انواع جدید وسایل سبک ذخیره انرژی که کارایی بالا دارند، هموار می سازد.

مطالعه ای که پیش از این انجام شده بود، نشان داد می توان از نانو سیم های سیلیکونی برای ساخت باتری هایی 10 برابر قوی تر از باتری های یون - لیتیوم استفاده کرد.

این باتری ها برای بکار انداختن دستگاه هایی مانند لپ تاپ ها استفاده می شود.دانشمندان در تحقیقی که در "گزارش آکادمی ملی علوم" منتشر شد، نوشتند: با استفاده از کاغذ رسانا به عنوان الکترود و جمع کننده های جریان، ساخت ابزارهای ذخیره انرژی ارزان قیمت، سبک و با کارایی بالا محقق می شود.

دانشمندان گفتند: این نوع باتری می تواند در بکار انداختن خودروهای الکتریکی یا دوگانه سوز نیز مفید باشد. این باتری باعث می شود که وسایل الکترونیکی سبک تر و بادوام تر شوند و ممکن است روزی به ساخت وسایل الکترونیکی کاغذی بینجامد..

عمر و وزن باتری مانعی بر سر راه تجاری سازی خودروها و کامیون هایی بوده است که با انرژی برق کار می کنند.

ابرخازن های کاغذی ما علاوه بر اینکه برای استفاده در وسایل الکترونیکی قابل حمل مناسب است، می تواند برای تمام انواع کاربردهایی که به انرژی بالایی نیاز دارد، مورد استفاده قرار گیرد.

از آنجا که باتری ها و ابرخازن های کاغذی ما می توانند بسیار ارزان قیمت باشند، برای ذخیره انرژی متصل به شبکه برق نیز خوب هستند.

    ادامه دارد...

فناوری نانو و مكانیك كوانتومی(1)

مكانیك كوانتومی چیست؟

پایان قرن نوزدهم و آغاز قرن بیستم مصادف با بحران در فیزیك شد. فیزیكدانان تا پایان قرن نوزدهم توانسته بودند برای بسیاری از پدیده ها ی طبیعی توجیه های قانع كننده ای ارائه كنند و فیزیك كلاسیك می توانست با مجموعه ای از قوانین و نظریه ها بسیاری از مسائل فیزیك و پدیده هایی كه انسان در زندگی روزمره با ان سروكار دارد پیش بینی كند. در سالهای پایانی قرن نوزدهم نتایج تعدادی از آزمایشها مفاهیمی را می طلبید كه با فیزیك كلاسیك هیچ گونه سازگاری نداشتند. این مفاهیم براثر هماهنگی چند فرضیه بنیادی و آزمایش های پیچیده تكامل یافت، بالاخره به نظریه ی كوانتومی انجامید.

نظریه ی كوانتومی به مطالعه ی رفتار ماده و انرژی در مقیاس های بسیار كوچك مانند مولكول ها ، اتم ها و ذره های زیر اتمی می پردازد، همچنین كمیت های كوانتومی مقدارهای گسسته ( كوانتیده ) را اختیار می كند. در واقع مكانیك كوانتومی بنیادی تر از مكانیك كلاسیك است. زیرا در مقیاس های اتمی و زیر اتمی نظریه های مكانیك كلاسیك با شكست مواجه می شوند در حالی كه مكانیك كوانتومی با دقت زیادی بسیاری از پدیده ها را توصیف می كند.

 در ادامه باید گفت هر چند مكانیك كوانتومی در مقادیر بسیار كم ماده یا در انرژی های بسیار پایین اثرهایی را پیش بینی می كند كه فیزیك كلاسیك از پیش بینی آن ناتوان است ولی اگر مقدار ماده یا سطح اترژی را افزایش دهیم ، به حدی می رسیم كه می توانیم قوانین فیزیك كلاسیك را بدون اینكه خطای قابل ملاحظه ای مرتكب شده باشیم ،برای توصیف پدیده ها به كار ببریم . به طور كلی مكانیك كوانتومی ، برای یك مشاهده، نتیجه های یگانه و معین پیش بینی نمی كند ، بلكه چند پیامد مختلف احتمالی را مطرح می سازد و در جه ی احتمال هر یك را مشخص می كند . (نتایج حاصل از هر اندازه گیری نمی تواند قطعی باشد  بلكه به صورت یك تابع  توزیع احتمال بیان می شود. ) دانشمندانی كه بیشترین سهم  را در پایه گذاری مكانیك كوانتومی داشتند « ورنرهایزنبرگ » ( 1901 – 1976 )، « اروین شرودینگر » ( 1887 – 1961 )و « پل دیراك » ( 1902 – 1989 ) می باشند .

ایده های اصلی نظریه كوانتومی:

**مقدار انرژی كه جسم به صورت موج های الكترومغناطیسی گسیل می كند همواره مضرب درستی از یك مقدار پایه است و این مقدار پایه به بسامد موج الكترو مغناطیس بستگی دارد.    در واقع  انرژی تابشی برخاسته از اجسام به صورت پیوسته نیست، بلكه در بسته های کوچک مجزا به نام كوانتا جذب یا گسیل می گردد.

**ذرات بنیادی دو رفتار ذره ای و موجی دارند . در واقع تمایزی بین امواج و ذرات وجود ندارد ، ذرات گاه همچون موج رفتار می كنند  و امواج گاه نظیر ذرات،به این صورت كه معادلاتی كه مشخصه های ذره ای امواج الكترومغناطیس را به دست می دهند ، باید مشخصه های موجی ذرات مادی را نیزبه دست آورند.

**حركت این ذرات ذاتا تصادفی است در واقع نمی توانیم به صورت قطعی بیان كنیم ذره در كدام نقطه است ، بلكه باید احتمال حضور آن را مطرح كنیم .

**دانستن موقعیت و سرعت ذرات به صورت همزمان غیر ممكن است . هر مقدار اندازه گیری یكی دقیق باشد اندازه گیری دیگری از دقت كمتری  برخوردار خواهد بود ، برطبق اصل عدم قطعیت هایزنبرگ،عدم قطعیت در تعیین وضعیت ذره ضربدر عدم قطعیت در سرعت آن ضربدر جرم هرگز نمی تواند از كمیت معینی به نام ثابت پلانک h كمتر شود.

**مبنای اصلی محاسبات  در مكانیك كوانتومی معادله ی موجی شرودینگر است كه بیان می كند در یك لحظه خاص T، ذره ی ما در چه مكانی X است با توجه به اینكه انرژی پتانسیلی موجود در حال تغییر است ، حل این معادله را در شرایط مختلف انجام 

می دهیم.    با حل این معادله می  توانیم معادله مكان ذره را برحسب زمان آن داشته  باشیم.

لزوم بکارگیری قوانین مکانیک کوانتومی

 پیش‌تر گفته شد که فیزیک کلاسیک تنها قادر به توجیه پدیده‌ها در مقیاس بزرگ است و در نهایت تنها ابعاد ماکروسکوپی را پوشش خواهد داد. اما نکته‌ی مهم، عدم تبعیت پدیده‌ها در ابعاد حدود چند نانومتر و کمتر از قوانین مکانیک کلاسیک می‌باشد که در زیر چند مثال در این مورد آورده شده است.

تابش جسم سیاه:

 نخستین نشانه نارسایی الکترومغناطیس کلاسیک ناشی از شکست این نظریه در توضیح طیف مشاهده شده‌ی تابش گرمایی بود. تابش گرمایی نوعی از تابش الکترومغناطیسی است که همه‌ی اشیاء صرفا به علت دمایشان گسیل می‌کنند.

 جسم سیاه، جسمی است که همه طول موج‌های تابش الکترومغناطیسی را که به آن می‌تابد جذب می‌کند و هنگامی که گرم می‌شود، تمامی طول موج‌ها را گسیل می‌کند. به همین دلیل، این جسم وقتی که سرد است سیاه دیده می‌شود (طول موج در ادامه‌ی مقاله توضیح داده شده است).

 اگر جسم سیاه داغ شود، از خود موج الکترومغناطیسی می‌تاباند. طیف این تابش (یعنی شدت نسبی طول موج های گوناگون در این تابش) مستقل از جسم سیاه است و فقط به دمای آن بستگی دارد. هرچه دما افزایش یابد شدت تابش طول موج‌های كوتاه‌تر بیشتر می‌شود و در صورتی كه دما كاهش یابد از شدت تابش این طول موج كاسته و طول موج‌های بلندتر كه در حیطه امواج فروسرخ هستند از جسم گسیل می‌یابد. بررسی دقیق طیف جسم سیاه در آغاز سده بیستم میلادی از سوی پلانک یکی از نخستین انگیزه‌های ساختن نظریه مکانیک کوانتومی بود.

طبق نظریه کلاسیک (قانون ریلی-جینز) در فرکانس‌های کوچک، شدت تابش گسیلی از جسم سیاه به سمت صفر میل پیدا می‌کند که با واقعیت انطباق دارد، ولی در فرکانس‌های بالا، نظریه کلاسیک به طور اسفباری ناموفق است، زیرا نظریه‌ی کلاسیک پیش‌بینی می‌کند که با افزایش فرکانس شدت تابش به سمت بی‌نهایت میل می‌کند (فاجعه فرابنفش) که آزمایشات چنین چیزی را نشان نمی‌دهد.

پلانک برای استدلال این پدیده پیشنهاد کرد که یک اتم نوسان کننده فقط می‌تواند انرژی را در بسته‌های گسسته‌ای به نام کوانتوم جذب و گسیل کند، در نظریه پلانک هر کوانتوم انرژی را به صورت مضرب‌های صحیح یک کمیت بنیادی خµ گسیل یا جذب می‌کند:

که n تعداد کوانتوم‌هاست. به علاوه، انرژی هر کوانتوم به کمک بسامد تعیین می‌شود:

در این فرمول h ثابت پلانک می‌باشد. با این فرض کوانتومی پلانک توانست فاجعه‌ی فرابنفش را حل کند.

2) اثر فوتوالکتریک

 وقتی نور بر سطح یک فلز بتابد، ممکن است الکترون‌هایی از سطح آن گسیل شوند (فوتوالکترون)، این پدیده را که به اثر فوتوالکتریک1 معروف است، هاینریش هرتز در سال 1887 در جریان آزمایشاتش در زمینه تابش الکترومغناطیسی کشف کرد. یک ترتیب انجام آزمایش در شکل زیر آورده شده است:

اگر بین دو صفحه فلزی در خلأ که به مداری هم‌چون مدار شکل بالا متصل هستند، اختلاف پتانسیل اعمال کنیم، هر قدر هم که این این اختلاف پتانسیل زیاد باشد، هیچ‌گونه جریان الکتریکی در مدار به وجود نمی‌آید. اما اگر به صفحه مثبت (آند) نور مریی تابانده شود، در مدار جریان الکتریکی مشاهده می‌شود.

نور فرودی بر سطح فلز می‌تواند الکترون‌ها را آزاد کند که به جمع‌کننده می‌روند، این آزمایش را باید در یک لامپ خلأ انجام داد به طوری‌که الکترون‌ها در برخورد با ملکول‌های هوا انرژی از دست ندهند.

نظریه‌ی موج کلاسیک درباره‌ی فوتوالکترون‌ها پیش‌بینی می‌کند که:

 1) بیشینه‌ی انرژی جنبشی باید با شدت تابش متناسب باشد.

 2) اثر فوتوالکتریک باید در همه‌ی بسامدها یا طول موج‌ها به وقوع بپیوندد.

 3) نخستین الکترون‌ها باید پس از برخورد اولیه‌ی تابش به سطح در بازه‌ی زمانی در حدود ثانیه گسیل شوند (فرض کلاسیک این بود که با گذشت زمان الکترون‌ها در اثر جذب تابش، انرژی کسب می‌کنند و می‌توانند از سطح فلز جدا شوند)

 اما مشاهدات تجربی خلاف این فرض‌ها را نشان داد:

 1) بیشینه‌ی انرژی جنبشی به طور کلی مستقل از چشمه نور است.

 2) اگر بسامد چشمه‌ی نور پایین‌تر از مقدار معینی باشد، اثر فوتوالکتریک رخ نخواهد داد.

 3) نخستین فوتوالکترون‌ها عملا بلافاصله بعد از روشن شدن چشمه نور گسیل می‌شوند.

 انیشتین بر پایه‌ی ایده‌های پلانک پیشنهاد کرد که انرژی موج در بسته‌هایی که بعدا آنها را فوتون نامید قرار دارد، او همچنین عنوان کرد که انرژی هر فوتون نور در برخورد با الکترون‌های فلز، ابتدا صرف کندن الکترون (تابع کار فلز= مقدار انرژی‌ای که لازم است که به الکترون بدهیم تا سطح فلز را ترک کند) شده و مابقی آن صرف انرژی جنبشی الکترون می‌شود، یعنی اگر انرژی فوتون کمتر از تابع کار فلز باشد، الکترونی از سطح فلز جدا نمی‌شود.

 دو مورد ذکر شده در بالا، و بسیاری از پدیده‌های دیگر که فیزیک کلاسیک قادر به توجیه آنها نبود فیزیک‌دانان را برآن داشت که به ایجاد دانش جدیدی به نام مکانیک کوانتومی همت گمارند.

  ادامه دارد...

فناوری نانو ومکانیک کوانتومی (2)

ماهیت كوانتومی دنیای نانو

علوم و فناوری نانو به دلیل اندازه و مقیاسی كه در آن معتبرند می توانند با بسیاری از خواص مكانیك كوانتومی در تعامل باشند. فهم بسیاری از فرآیندها در این مجموعه بدون داشتن این دانش غیر ممكن می باشد. فناوری نانو را می توان نگرش عمیق در پژوهش و تحولاتی دانست كه هدف آن كنترل رفتار و ساختار بنیادی مواد در حد اتم ها و مولكول ها می باشد. همچنین بهره برداری از خواص نوظهور این گونه ساختارها ونحوه ی ساخت واستفاده از آن ها از اهداف اصلی این فناوری می باشد.

لذا می بایست برای پیشبرد بیشتر اهداف فناوری نانو از دانش مکانیک كوانتومی بهره گرفت. در ادامه به معرفی چند نمونه از کاربردهای مکانیک کوانتومی در حوزه فناوری نانو می پردازیم.

كامپیوترهای كوانتومی

كامپیوتر كوانتومی دستگاهی است كه یك پدیده ی فیزیكی را بر اساس مكانیكك كوانتومی به صورت منحصر به فردی در می آورد تا به صورت اساسی یك حالت جدید از پردازش اطلاعات را تشخیص دهد. در واقع روش بهتر و قدرتمندتر برای پردازش اطلاعات پیش رویمان، براساس مكانیك كوانتومی می باشد. درقسمت هایی جداگانه به بررسی جامع کامپیوترهای کوانتومی پرداختیم.

بین كامپیوترهای كوانتومی و كامپیوترهای كلاسیك تفاوت اساسی وجود دارد. در رایانه های كوانتومی به جای استفاده از ترانزیستورها و مدارهای رایانه ای معمولی از اتم ها و سایر ذرات ریز مانند نانو ذرات نیمه رسانا نقاط کوانتومی(Quantum Dots) برای پردازش اطلاعات استفاده می كنند.

یك اتم می تواند به عنوان یك بیت حافظه در رایانه عمل كند و جا به جایی اطلاعات از یك محل به محل دیگر نیز توسط نور امكان می پذیرد. ذخیره اطلاعات در رایانه ها به صورت سری هایی از بیت های با حالت های روشن و خاموش صورت می گیرد.

محاسبات كوانتومی

برای نخستین بار «ریچارد فایمن » معلم بزرگ فیزیك و برنده جایزه نوبل، پیشنهاد كرد كه باید محاسبات را از دنیای دیجیتال وارد دنیای جدیدی به نام كوانتوم كرد كه مشكلات گذشته را برطرف می سازد و افق جدیدی را به این مجموعه می افزاید.

این پیشنهاد تا اوایل دهه 90 میلادی مورد توجه جدی قرار نگرفت تا بالاخره در 1994 « پیتر شور» در آمریكا نخستین گام را برای محقق كردن این آرزو برداشت.

به این ترتیب ارتباط نوینی بین نظریه ی اطلاعات و مكانیك كوانتومی شروع به شکل گیری کرد که امروزه آن را محاسبات کوانتومی یا محاسبات نانو متری NANO-COMPUTING می نامیم.

در واقع هدف محاسبات كوانتومی یافتن روش هایی برای طراحی مجدد ادوات شناخته شده ی محاسبات (مانند گیت ها و ترانزیستورها) به گونه ای است كه بتوانند تحت اثرات كوانتومی، كه در محدوده ی ابعاد نانومتری و كوچكتر بروز می كنند كار كنند.

ورود به دنیای محاسبات كوانتومی نیازمند دو پیش زمینه مهم است:

نخست باید اصول اساسی و برخی تعابیر مهم مكانیك كوانتومی را به طور دقیق بررسی كرد، سپس مفهوم اطلاعات در فیزیك نیز، چه به صورت كلاسیك و چه در معنای جدید كوانتومی آن باید درك شود .

بنابراین محاسبات كوانتومی را به عنوان یك زمینه و روش جدید و بسیار كارآمد مطرح می كنند. هر سیستم محاسباتی  دارای یك پایه اطلاعاتی است كه نماینده ی كوچكترین میزان اطلاعات  قابل نمایش، چه پردازش شده و چه خام است.

در محاسبات كلاسیك، این واحد ساختاری را بیت می نامیم كه گزیده واژه «عدد دو دویی» است زیرا می تواند تنها یكی از دو رقم مجاز صفر و یك را در خود نگه دارد.

در محاسبات كوانتومی هم چنین پایه ای معرفی می شود كه آن را (QUBIT) یا بیت كوانتومی می نامیم.

هر بیت كوانتومی یا كیوبیت عبارتست از یك سیستم دو دویی كه می تواند دو حالت مجزا داشته باشد. به عبارت فنی تر، كیوبیت یك سیستم دو بعدی كوانتومی با دو پایه به شكل < 0| و <1| است. البته نمایش پایه ها یكتا نیست، به این دلیل كه بر خلاف محاسبات كلاسیك در محاسبات كوانتومی از چند سیستم كوانتومی به جای یك سیستم ارجح استفاده می كنیم.

البته اندازه گیری یك كیوبیت حتما یكی از دو نتیجه ممكن را بدست می دهد. از سوی دیگر اندازه گیری روی سیستم های كوانتومی حالت اصلی آنها را تغییر می دهد. كیوبیت در حالت كلی در یك حالت برهم نهاده از دو پایه ممكن قرار دارد.

اما در اثر اندازه گیری حتما به یكی از پایه ها برگشت می كند. به این ترتیب هر كیوبیت، بیش از اندازه گیری شدن می تواند اطلاعات زیادی را در خود داشته باشد.

نقاط كوانتومی

نانو ذرات نیمه رسانا با خصوصیات نوری منحصر به فرد هستند، در واقع نقطه كوانتومی یك نقطه از بلور نیمه رسانا است كه الكترون ها و حفره ها یا هر دوی آن ها را در سه بعد در بر می گیرند. در نقاط كوانتومی الكترون ها درست مثل وضعیت یك اتم موقعیت های گسسته ای از انرژی را اشغال می كند؛ به همین علت در مكانیك كوانتومی به آن لفظ «اتم های مصنوعی» نیز اطلاق می شود. در نانو تكنولوژی به آن ها بیت های كوانتومی یا كیوبیت گفته می شود.

اندازه آن ها در حد چند نانومتر است. نقاط كوانتومی عموما نیمه هادی از جنس  cdse(سلنید كادمیوم) هستند كه به وسیله ی یك پوسته نیمه هادی دیگر از جنس  zns(سولفید روی) پوشیده شده اند و توانایی نشر نور به رنگهای مختلف را دارند. در مقایسه با سیم كوانتومی که در دو بعد ولایه های کوانتومی که در یک بعد هستند، نقاط کوانتومی نانو ساختارهایی سه بعدی هستند. همچنین این تركیبات به دلیل بازده كوانتومی بالا در مصارف اپتیكی والکتریکی كاربرد زیادی دارند.

نقاط كوانتومی از دیگر مواد فلورسنت انعطاف بیشتری دارند؛ لذا از آن ها در ساخت كامپیوترهای نانو مقیاس بهره گیرنده از نور برای پردازش اطلاعات استفاده می کنند. طی مطالبی جداگانه به بررسی نقاط کوانتومی نیز پرداختیم.

نتایج

در این مطلب در ابتدا به معرفی مكانیك كوانتومی پرداختیم و به طور اجمالی ایده های مرتبط با آن را بیان نمودیم. سپس به رابطه بین مكانیك كوانتومی و فناوری نانو پرداختیم و دلایل استفاده ی فناوری نانو را از قوانین مكانیك كوانتومی بیان كردیم؛ در آخر هم نمونه هایی را كه در آن ها از قوانین مكانیك کوانتومی استفاده شده بود وبا فناوری نانو مرتبط می شد را مطرح كردیم .در نتیجه اگر بخواهیم ابزارهای پیشرفت را در علوم نانو مقیاس كسب كنیم باید به فراگیری دانش مكانیك كوانتومی بپردازیم.

شناخت بیشترمواد هوشمند(1)

فرض کنید فرآیندهای فرسایش را بتوان عملاً متوقف کرد به طوری که بشود عمل تعمیر و رنگهداری پل ها و راه های آهن را با کسری از هزینه های فعلی انجام داد. فرض کنید رنگ های محافظ بتوانند چنان با پارچه لباس در آمیزند که در اثر ریختن مثلاً سوپ روی آن ها مجبور به بردن آن ها به خشک شویی نباشیم. فرض کنید شیشه های اتومبیل بتوانند به طور خودکار بازتاب های شان را چنان تنظیم کنند که در دمای بسیار بالای بعد از ظهر داغ تابستان، در حالی که اتومبیل زیر آفتاب متوقف است، دمایش پایین بماند، فرض کنید جرخوردگی در یک پارچه یا پنچری چرخ، خودش به طور خودکار بتواند ترمیم شود. و تصور کنید که شیشه های جلوی اتومبیل مرطوب نمی شدند به طوری که هرگز روی آن ها یخ تشکیل نشود و باران نتواند مانع دید شود. فرض کنید کاشی های حمام و ملافه های بیمارستانی تولید شوند که خود به خود تمیز شوند و هر گونه باکتری یا ویروس روی آن ها از بین بروند. همه اینها به یاری کاربرد مواد هوشمند امکان پذیرند و اکنون برخی از آن ها هم به تحقق پیوسته اند.

آنچه ماده ای را «هوشمند» می کند آن است که در طراحی اش توانایی چند کار خاص در نظر گرفته می شود. در فناوری نانو این طراحی در سطح ملکولی انجام می شود. عملکرد مواد هوشمند می تواند استانیکی یا دینامیکی باشد، یعنی پاره ای از آن ها همواره به یک سان رفتار می کنند و پاره ای دیگر با محرک های بیرونی واکنش می دهند و خواص خود را به طور فعالی تغییر می دهند. مثلاً تفلون یک ماده هوشمند است زیرا کار مهندسی روی آن انجام می شود که هیچ گونه چسبندگی نداشته باشد و یک ماده هوشمند استانیکی است زیرا چنان طراحی نشده اند که با نیروهای خارجی واکنش دهد. امّا جنگنده های ضد رادار را با ماده بسیار هوشمند دینامیکی می پوشانند که رنگش را تغییر می دهد و برنامه الکترومغناطیسی در پاسخ به شرایط خارجی و دستورالعمل های راهنما، حدّ نهایت استتار را فراهم می آورد. طراحی مواد هوشمند چالش تکنیکی عمده و فرصت اقتصادی در خور توجهی برای فناوری نانو به شمار می آید.

تقریباً همه ساختارهای بیولوژیکی (زیستی) مواد هوشمندند. یک نمونه چشم گیر در این مورد پوست آدمی است. پوست نسبت به مواد خاصّی مثل آب و یون های محلول تراواست. پوست نسبت به گرما، تماس، و صوت به مثابه حسگر عمل می کند. پوست خود ترمیم است و پوست به عنوان سدّ و مانعی در برابر هوای خارجی و سیّالات بیولوژیکی داخل نیز عمل می کند. پوست یک ماده هوشمند دینامیکی چند مولفه ای است که پاره ای از جنبه هایی را بروز می دهد که فناوری نانو تلاش می کند آن را در چارچوب ساختارهای ترکیبی طراحی کند.

تاریخچه مواد هوشمند

سابقه تاریخی مواد هوشمند به 300 سال قبل از میلاد و دوران کیمیاگری بازمی گردد. اگرچه در آن زمان توانایی تولید طلا وجود نداشت، اما فعالیت هایی برای تغییر رنگ و خصوصیات فلزهای مختلف انجام می شد که می توان بعضی از مواد مورد استفاده آنها برای ایجاد چنین تغییراتی را از مواد هوشمند به شمار آورد. عبارت مواد هوشمند اکثر اوقات بدون تعریف دقیقی از آنچه مورد نظر محققان است و همچنین بدون در نظر گرفتن کاربرد این مواد به کار گرفته می شود از سوی دیگر ارائه تعریف دقیق از آنچه به عنوان مواد هوشمند معرفی می شود، اغلب با مشکلات بسیار زیادی همراه خواهد بود. اگر چه از این عبارت به صورت گسترده درخصوص بسیاری از مواد که از ویژگی های متفاوتی در مقایسه با نسل گذشته مواد برخوردار هستند، استفاده می شود اما موافقت کلی در ارائه تعریف دقیقی از این واژه وجود ندارد. مواد هوشمند موادی هستند که موقعیت ها را به خاطر می سپارند و با محرک های مشخص می توانند به آن موقعیت بازگردند. به عبارت دیگر می توان گفت مواد و سازه های هوشمند، اشیایی هستند که شرایط محیطی را حس می کنند و با پردازش اطلاعات به دست آمده نسبت به محیط واکنش نشان می دهند. در تعریف اول وقتی از مواد صحبت می کنیم مجموعه ای از عناصر، آلیاژ ها و ترکیب ها در ذهن تداعی می شود که توسط ساختار مولکولی منحصر به فرد خود قابل شناسایی و اندازه گیری هستند. اما در تعریف دوم مواد به صورت مجموعه ای از فعالیت ها در نظر گرفته می شوند، یعنی با مجموعه ای از مواد و سیستم های مرتبط با آنها مواجه هستیم که قابلیت شناسایی و اندازه گیری در آنها کمتر خود را نشان می دهد.در مواد هوشمند این مواد، همزمان با تاثیر محرک بیرونی شاهد پاسخ دهی به آن هستیم. در اکثر موارد این مواد از توانایی پاسخ به بیش از یک شرایط محیطی برخوردار هستند و پاسخ آنها قابل پیش بینی است.

مواد هوشمند وفناوری نانو

اگر بتوان آرایش اتمی مواد آلی و معدنی را در حد نانومتر به طور دقیق تعریف نمود، در آن صورت ساخت مواد هوشمند که می تواند بسیاری از فناوری ها از جمله ارتباطات بین سیستمی را متحول نماید، امکان پذیر می شود. کنترل ابعاد مواد در حد نانومتر، پردازش اطلاعات و انتقال انرژی در ابعاد نانو را امکان پذیر می سازد.

قابلیت طراحی در مقیاس نانو برای مواد خیلی غنی تر و هوشمندتراست از ترکیبات بزرگ مقیاس می باشد. قابلیت کار در مقیاس نانویی، یعنی «سطح نهایی ظرافت» ما را به ایجاد موادی هوشمند با خواص بهتر وکارایی بیشتر از خواص مواد بزرگ مقیاس توانا می کند، حتی فرایندهای زیستی در ساختن مواد هوشمند را فراهم می آورد. واضح است که مواد هوشمند از طیف بسیار گسترده ساختارها و فعالیت ها تشکیل می شوند و بسیاری از آن ها در کانون توجه اساسی قرار دارند. به برخی از آن ها نگاهی می اندازیم.

اکنون شیمیدان ها در تلاش برای ایجاد ساختارهای بزرگ از زیرساختارهای کوچک تر هستند و دیگر متخصصان نیز تهیه و ساخت نیمی رساناها در مقیاس نانو را مورد بررسی و مطالعه قرار داده اند. پیشرفت های اولیه در برقراری ارتباطات به میزان دسترسی به مواد وابسته بوده است. به همین دلیل پیش از این در سیستم های تلگرافی مواد ساده ای مانند آهن برای تولید میدان مغناطیسی، مس برای هدایت الکتریکی و شیشه یا فیبرهای طبیعی برای عایق بندی مورد استفاده قرار می گرفت. اما تهیه مواد الکترونیکی مانند ژرمانیوم و سیلیسیم ارتباطات را متحول ساخت. به طوری که اکنون می توانیم با افرادی که در نقاط مختلف کره زمین زندگی می کنند به آسانی صحبت کنیم و یا اتفاقات به وجود آمده در آن نقاط را به صورت همزمان مشاهده کنیم و یا حتی اسناد و مدارک بسیاری را در مدت زمانی کوتاه به تمام نقاط دنیا انتقال دهیم. این مواد توانایی ما را در دریافت، پردازش، ذخیره و انتقال اطلاعات توسعه داده اند و هر روز بر میزان تحقیقات در این زمینه افزوده می شود.

در طول 50 سال گذشته گستره ای از مواد که نسبت به محرک های فیزیکی و شیمیایی عکس العمل نشان می دهند ساخته شده اند که توانایی ما را در درک و بررسی شرایط محیطی افزایش داده اند و با استفاده از این اطلاعات کمی و کیفی می توانیم درجه حرارت، رطوبت، ترکیبات شیمیای هوایی که تنفس می کنیم و یا آبی که می نوشیم را مورد بررسی و ارزیابی قرار دهیم.

     ادامه دارد...

آشنایی با انواع حسگرها(2)

ویژگی های مهم نانو حسگرها انتخاب گری بالاتر،حساسیت زیادتر،ابعاد کوچکتر وارزان تر هستند. نانوحسگرها به طور ذاتی کوچک‌تر و حساس‌تر از سایر حسگرها می‌باشند. وهمان طور که گفتیم این ظرفیت را دارند که قیمت تمام شده آنها کمتر از قیمت تمام‌شده حسگرهای موجود در بازار باشد.

در بخش نظامی و امنیت ملی احتیاج به حسگرهای بسیار حساسی است که بتوانند به صورت گسترده توزیع شوند تا به کمک آنها بتوان تشعشعات و بیوسم‌های زیستی را مورد بررسی قرار داد. در زمینه پزشکی نیاز به حسگرهای بسیار حساسی به صورت آزمایشگاه‌هایی بر روی تراشه است كه بتوانند کوچک‌ترین علائم نشان‌دهنده سرطان را شناسایی کنند. در صنایع هوافضا احتیاج به نانوحسگرهایی است که در بدنه هواپیماها به عنوان سیستم هشداردهنده ثابت قرار بگیرند و مشخص کنند که چه زمانی هواپیما احتیاج به تعمیرات دارد.

در صنایع اتومبیل می‌توان از نانوحسگرها برای مصرف بهینه سوخت استفاده کرد. همچنین در اتومبیل‌های گران‌قیمت می‌توان برای بهبود وضعیت صندلی و وضعیت کنترل‌های موجود به تناسب حالت‌های مختلف بدن، این نانوحسگرها را مورد استفاده قرار داد. در مرحله بعدی می‌توان از آن در فناوری اطلاعات به منظور ترغیب در فراگیرشدن  سیستم‌های محاسبه‌گر رایانه‌های همراه همیشه روشن استفاده کرد. همچنین می‌توان آنرا به شکل توده حسگرها در تلفن‌های هوشمندی که برای ارتباطات ثابت بین سایر تلفن‌های هوشمند و رایانه‌های همراه از آنها استفاده می‌شود، به کار برد!

حسگر های زیستی

حسگر زیستی یا بیوسنسور نامِ گروهی از حسگرها است. این حسگرها به گونه‌ای طراحی می‌شوند تا تنها با یک ماده‌ی خاص واکنش نشان دهند. نتیجه‌ی این واکنش به صورتِ پیام‌هایی در می‌آید که یک ریزپردازنده، می‌تواند آن‌ها را تحلیل کند. این حسگرها از سه بخش تشکیل شده‌اند.

پذیرنده‌ی زیستی یا بیورسپتور: یک عنصر زیستی (پادتنها، اسید نوکلئیکها، آنزیم‌ها، سلول‌ها و دیگر ماده‌هایِ زیستی) که می‌تواند به صورتِ انتخابی تنها با ماده‌ی خاصی واکنش نشان دهد.

بیورسپتور هایی که در حسگرهای زیستی مورد استفاده قرار می گیرند به شرح ذیل می باشند:

1. آنزیم

2. آنتی بادی

3. گیرنده های سلولی

4. اسیدهای نوکلئیک DNA یا RNA

5. میکرو ارگانیسم یا سلول کامل

6. بافت

7. گیرنده های سنتتیک

آشکارساز و مبدل: که پس از واکنشِ ماده‌ای خاص با پذیرنده‌هایِ زیستی، وارد عمل می‌شوند و می‌توانند نوع و مقدارِ واکنش را با روش‌هایِ مختلفِ فیزیکی-شیمایی کرده (مثلاً با بررسیِ تغییرهایِ الکتروشیمیایی، نوری، جرمی یا حرارتیِ قبل و بعد از واکنش) و به وسیله‌ی سیگنال‌هایِ مناسب به پردازنده ارسال کنند.

انواع متداول مبدل های مورد استفاده در بیوسنسورها شامل:

** الکتروشیمیایی

مبدل های الکتروشیمیایی به سه دسته پتانسیومتری تقسیم می شوند (این روش مبتنی بر اندازه گیری پتانسیل یک پیل در جریان صفر است). این پتانسیل با لگاریتم غلظت ماده مورد سنجش متناسب است، (ولتامتری) یک پتانسیل به پیل اعمال می شود تا اکسایش (یا کاهش) ماده مورد سنجش اتفاق افتد و یک افزایش یا کاهش در جریان پیل ایجاد شود. این روش به آمپرمتری معروف است و رسانایی سنجی محلول های حاوی یون هادی الکترون هستند. بزرگی این رسانایی در اثر واکنش شیمیایی تغییر می یابد.رابطه بین رسانایی و غلظت به طبیعت واکنش وابسته است.

** نوری( لومینسانس، جذب و تشدید پلاسمون سطح )

روش های مورد استفاده در بیوسنسورهای نوری شامل طیف سنجی جذب، طیف سنجی فلورسانس، طیف سنجی انعکاس داخلی،  پراش نور است.

** حساس به تغییر جرم و

** حرارتی می باشند.

تمام فرایندهای شیمیایی با تولید یا جذب انرژی همراه هستند. این حرارت را می توان با یک ترمیستور حساس اندازه گیری کرد و آن را به میزان واکنش نسبت داد.

پردازنده های سیگنال که عمدتا مسئول برای نمایش نتایج و انجام محاسبات حسگر هستند.

حسگرهای زیستی طی سالهای اخیر مورد توجه بسیاری از مراکز تحقیقاتی قرار گرفته است. حسگرهای زیستی یا سنسورهای بر پایه مواد بیولوژیکی اکنون گستره ی وسیعی از کاربردها نظیر صنایع دارویی، صنایع خوراکی، علوم محیطی، صنایع نظامی بخصوص شاخه Biowar و ... را شامل می شود.

از آنجا که حسگر های زیستی  ابزاری توانمند جهت شناسایی مولکول های زیستی می باشند، امروزه از آنها در علوم مختلف پزشکی، صنایع شیمیایی، صنایع غذایی، مانیتورینگ محیط زیست، تولید محصولات دارویی، بهداشتی و غیره بهره می گیرند.در واقع این حسگرها ابزاری توانمند جهت شناسایی مولکولهای زیستی می باشند. حواس بویایی و چشایی انسان که به شناسایی بوها و طعمهای مختلف می پردازد و یا سیستم ایمنی بدن که میلیونها نوع مولکول مختلف را شناسایی می کند، نمونه هایی از حسگرهای زیستی  طبیعی می باشند. بیشترین کاربرد حسگرهای زیستی در تشخیص های پزشکی و علوم آزمایشگاهی است، در حال حاضر بیوسنسور های گلوکز از موفق ترین بیوسنسور های موجود در بازار بوده که برای اندازه گیری غلظت گلوکز خون بیماران دیابتی استفاده می شود.

در پانکراس بیماران دیابتی به میزان کافی انسولین تولید نمی‌شود. در این گونه موارد برای تنظیم مصرف انسولین، سنجش مداوم میزان گلوکز خون ضروری است. این ابزار به بیماران مبتلا به دیابت کمک می کند تا در طول روز به سنجش سطح گلوکز خون خود پرداخته و در زمان های مورد نیاز انسولین تزریق کنند.

کاربردهای مختلفی برای حسگرهای زیستی در پزشکی و بالین متصور است که در ذیل اشاره می شود:

**تشخیص ودرمان بیماریها ( سرطان، دیابت و ......)

** تشخیص بیماریها در سطح ژن( سرطان، دیابت و ......)

**تشخیص عوامل بیماریزا

**اندازه گیری داروها و متابولیتهای آنها، کشف داروهای جدید و ارزیابی فعالیت آنها

** ارزیابی و اندازه گیری آنالیتها ی موجود در نمونه بیولوژیک

** تشخیص سریع بیماریها با استفاده از تستهای سریع یا Point-of- care ، ویژگی این تستها سرعت و ارزان بودن روش آزمایش است.

نانوحسگرهای زیستی

با ورود علوم و فناوری نانو و فراهم شدن امكان ساخت الكترودهایی در مقیاس بسیار كوچك، ساخت حسگرهای نانومتری نیز میسر شد. این حسگرها به لحاظ دارا بودن سایز نانومتری و كاربردشان در محیط های زیستی، نانوبیوسنسور (نانوحسگر زیستی) نامگذاری شدند. نانوحسگرهای زیستی الكترودهای بسیار كوچكی در اندازهء نانومتری و ابعاد سلولی هستند كه از طریق تثبیت آنزیم های خاصی روی سطح آنها، نسبت به تشخیص گونه های شیمیایی یا بیولوژیك مورد نظر در سلول ها حساس شده اند. از این حسگرها برای آشكارسازی و تعیین مقدار گونه ها در سیستم های بیولوژیك استفاده می شود. این تكنیك، روش بسیار مفیدی در تشخیص عبور بعضی ملكول ها از دیواره یا غشای سلولی است.

در طی دههء گذشته، با پیشرفت فناوری ساخت فیبر نوری و ساخت نانوفیبرها، در پژوهش های پزشكی و بیولوژیك نیز تحول عظیمی صورت گرفته و فناوری ساخت حسگرهای زیستی و دانش تولید نانومتریِ این ابزارها روزبه روز گسترش یافته است. این حسگرها به لحاظ استفاده از فیبر نوری در ساختارشان «حسگرهای نوری» نامیده شده اند و به دو دستهء شیمیایی و بیولوژیكی تقسیم می شوند. بسته به اینكه بخواهیم این حسگر را برای تجزیهء گونهء داخل سلول، مایع بیولوژیك بین سلولی یا داخل خون به كار ببریم، ابعاد نوك حسگر، زاویهء مخروطی شدن نوك آن و میزان نرمی پوشش روی فیبر متفاوت خواهد بود.

تولید نانوحسگرهای زیستی نوری

برای تهیهء این فیبر به عنوان نوك حسگر، می توانیم از دستگاه های مورد استفاده برای كشش فیبرهای نوری استفاده نماییم.

در این دستگاه از لیزر دی اكسید كربن برای گرم كردن فیبر و از وسیله ای برای كشش فیبر در جهت محور اصلی آن استفاده می شود. محققان موفق شده اند با تغییر دما و میزان نیروی كششیِ اعمال شده به فیبر، نوك هایی برای حسگرهای زیستی بسازند كه قطرشان بین 20 تا 500 نانومتر است. این تكنیك سرعت بالا (حدود 3 ثانیه) و روند تولید نسبتاً ساده ای دارد.

  ادامه دارد....

فناوری نانو و مبحث انرژی (2)

سلول های خورشیدی ارزان‌تر

همان طور که می دانیم هر سلول خورشیدی حداقل یک اتصال N-P نیاز دارد تا بتواند یک میدان الکتریکی ایجاد کند، در یک سلول خورشیدی با فقط یک اتصال N-P تنها فوتونهایی (بسته های انرژی نور) که انرژی مساوی یا بیشتری از فاصله انرژی بین لایه والانس و لایه رسانایی (گاف ممنوعه) دارند قادر به رها کردن یک الکترون آزاد برای جریان در مدار هستند. به عبارت دیگر سلول یک اتصالی تنها از آن بخش از نور خورشید الکتریسیته می سازد که انرژی بیشتری از گاف ممنوعه ماده نیمه رسانا دارد. بنابر این فوتون های کم انرژی مورد استفاده قرار نمی گیرد.

سلول های خورشیدی سیلیكونی ساخته شده براساس فناوری های رایج،حداکثر در حدود 25 درصد در مقیاس آزمایشگاهی (بدون ملاحظه هزینه) و در نوع تجاری (با در نظر گرفتن مسائل اقتصادی) حدود 14 درصد بازدهی دارند.

این كارایی بسیار پایین به دو عامل بستگی دارد: عامل اول این است که سیلیكون محدوده بسیار کوچکی از طیف نور را جهت تبدیل به جریان الكتریسیته، جذب می‌كند (این محدوده به گاف ممنوعه سیلیکون ارتباط دارد)، بقیه‌ نور هم یا جذب نمی شود، یا به صورت گرما تلف می شود. عامل دوم این است که بخشی از انرژی جذب شده به علت رسانایی ضعیف و وجود مقاومت در داخل سلول خورشیدی از دست می‌رود.

نانو مواد جدید و ساختارهای خورشیدی در مقیاس نانو می‌توانند در غلبه بر هر دو مانع به ما كمك كنند. غیر از سیلیکون نیمه‌رساناهای دیگر وجود دارند که می توانند در سلول های خورشیدی استفاده شوند. گالیم، ایندیوم و ژرمانیوم از نیمه رساناها هستند. هر نیمه رسانا یا ترکیب نیمه رساناها، هرنیمه رسانا یا ترکیب نیمه رساناها، گاف ممنوعه متفاوتی دارد. اگر ترکیبی از این نیمه رساناها یک به یک روی هم به صورت فیلم های نازک استفاده شود (در ضخامتی در حد چند ده نانومتر)، هر لایه می تواند طول موج های مختلفی از طیف نور را جذب کند، بنابراین مجموع انرژی دریافت شده، افزایش می یابد. به این سلول های خورشیدی  سلول های چند اتصالی گفته می شود. در این سلول ها به جای یک اتصال N-P، چند اتصال N-P دارند. نام جدید این سلول ها، سلول های خورشیدی رنگین کمانی است چنین سلول هایی تا 35 درصد بازدهی به دست آورده‌اند. یکی از فرصت های فناوری نانو برای سلول های خورشیدی نقاط کوانتومی هستند. پیش بینی می شود که در آینده نقاط کوانتومی پربازده ترین سلول های خورشیدی را با حدود 85 درصد کارایی ایجاد کنند. نقاط کوانتومی می توانند در اندازه ها و ترکیبات شیمیایی مختلف تولید شوند تا تمام طول موج های نوری را جذب کنند. نقاط کوانتومی نانوذارتی نیمه رسانا هستند که یکی از خصوصیات آن ها داشتن فاصله انرژی (گاف ممنوعه) متناسب با اندازه است.

برای مشکل دوم که اتلاف انرژی در انتقال جریان در مدارهای سلول های خورشیدی است، ساختمان کریستالی نیمه رساناها باید برای انتقال جریان الکتریسیته مناسب باشد. نانولوله های ابررسانا در این زمینه کارایی خواهند داشت. نانولوله ها می توانند براساس خصوصیت تشعشع میدانی در سامانه ای که کارش برعکس سلول های خورشیدی است (تبدیل برق به نور) هم عمل کنند و برای تولید طول موج های نوری و رنگ های مختلف از نور در دیودهای نوری استفاده شوند.

لازم به ذکر است که سلول های خورشیدی رایج، سیلیكونی مشابه تراشه‌های كامپیوتری را مصرف می‌كنند. این امر هزینه های آن ها را گران می کند. سلول های خورشیدی همچنان پرهزینه هستند، اما فناوری نانو امکان کاهش هزینه های آن ها را خواهد داد. یکی از فناوری های جدید تولید سلول های خورشیدی ساخت لایه های بسیار نازک است. این سلول های خورشیدی هر چند کم بازده هستند اما با نصب صفحات متشکل از این سلول های منعطف در بخش فوقانی ساختمان ها یا دیوارها، به طور موثری از فضای ساختمان استفاده می شود.

سلول های خورشیدی فیلم های نازک سلول های خورشیدی جدید با اصولی مشابه فتوسنتز در گیاهان کار می کند. این نوع سلول شامل یک رنگ آلی است که به دی اکسید تیتانیوم متصل می شود. رنگ محدوده طول موج مشخصی از نور را جذب می کند و نانوذرات دی اکسید تیتانیوم الکترون ها را انتقال می دهند. این سلول ها با بازدهی کم ده درصد، به خوبی سلول های خورشیدی سیلیکونی کار نمی کند. با این حال ارزان تر هستند و می تواند روی سطحی انعطاف پذیر استفاده شوند.

انرژی باد، زیست توده و زمین گرمایی

برای منابع انرژی جایگزین متعدد دیگری نیز وجود دارد كه به کمک فناوری نانو استفاده از آنها بسیار عملی تر و معقول‌تر خواهد بود كه از آن جمله می‌توان انرژی باد زیست توده (biomass) و زمین گرمایی (geothermal) اشاره كرد.

گرچه استفاده از انرژی باد یكی از قدیمی‌ترین راه‌های تولید انرژی است اما اخیراً استفاده از دستگاه‌های بادی مولد برق در بسیاری از كشورها و با بهبود وضعیت اقتصادی آنها رشد قابل ملاحظه‌ای داشته است . در عین حال مقدار انرژی كه یك كشور به آن نیاز دارد و می‌تواند آن را تولید كند محدود است كه این امر به ویژه برای كشورهای فاقد سواحل آبی گسترده به منظور ایجاد نیروگاه‌های برق آبی حائز اهمیت بوده و می‌توانند مقدار زیادی از زمین‌های دور از ساحل را به این كار اختصاص دهند.

ممكن است به نظر عجیب برسد كه چگونه فناوری نانو كه فناوری مدرن و جدیدی است می‌تواند چیزی به قدمت نیروگاه‌های بادی را تحت تأثیر قرار دهد؟ پاسخ این سۆال در مواد مورد استفاده نهفته است. همان طور كه می‌دانیم توان یك توربین بادی متناسب با مربع طول تیغه آن افزایش می‌یابد. در حال حاضر از پیشرفته‌ترین كامپوزیت‌های فیبركربنی در این تیغه ها استفاده می‌شود اما در صورت استفاده از كامپوزیت هایی از نوع نانولوله‌های كربنی در آنها، نسبت توان به وزن آنها تا چند برابر افزایش می‌یابد.

از دیگر انرژی‌های جایگزین، زیست توده است كه توجه فزاینده‌ای را به خود جلب كرده است و فناوری‌نانو بر آن تأثیری همانند تأثیری است كه بر سوخت‌های فسیلی داشته است، می‌گذارد؛ یعنی كاتالیزورهای بهبود یافته و جدا سازی گاز.

در این بین، انرژی زمین گرمایی توجه كمتری را به خود جلب كرده است و بسیاری آن را تنها به بخش‌های معینی از دنیا چون جزایر یخی محدود می‌دانند. اما در واقع باید گفت این انرژی تقریباً یكی از ذخایر نامحدود انرژی به شمار می‌آید كه هر كجا باشید زیر پایتان قرار دارد.البته تعریفی این گونه از این انرژی را در حال حاضر می‌تواند در كتاب‌های زمین شناسی یافت . زیرا برای رسیدن به عمق مناسب و لازم جهت استفاده از گرمای درونی زمین، فناوری حفاری موجود باید بهبود یافته و یا اینكه ما به توان لازم جهت استفاده از گرمای زمین در سطوح بالاتر زمین دست یابیم. (به انرژی حرارتی که از داخل زمین به نزدیکی سطح زمین راه می یابد زمین گرمایی گفته می شود.)

از سرامیك‌ها و نانوبلورهای فلزی، مواد جدیدی در دست تهیه است كه می‌توان از آنها در فناوری حفاری استفاده نمود. اما جالب ترین پیشرفتی كه در این زمینه رخ داده استفاده از روش تونل زنی ترموالكتریكی برای تولید الكتریسیته از گرمای سطوح بالایی زمین است. هم اكنون چندین شركت برای بهره‌وری از این فناوری ایجاد شده كه اساس آنها بر استفاده از نانولایه‌های عایق الكتریسیته با ابعاد بسیار دقیق و كنترل شده می‌باشد.

ادامه دارد...

شناخت بیشتر پلاسما (1)

می دانیم كه برای ماده سه حالت جامد ، مایع و گاز در نظر گرفته می‌شود. اما در مباحث علمی معمولا یك حالت چهارم نیز برای ماده فرض می‌شود. حدوث طبیعی پلاسما در دماهای بالا ، سبب تخصیص عنوان چهارمین حالت ماده به آن شده است. یك نمونه بسیار طبیعی از پلاسما آتش است بنابراین خورشید نمونهای از پلاسمای داغ بزرگ است.

درواقع واژه پلاسما به گاز یونیزه شده ای اطلاق میشود كه همه یا بخش قابل توجهی از اتم‌های آن یك یا چند الكترون از دست داده و به یون‌های مثبت تبدیل شده باشند.

پلاسما در فیزیک، یک محیط رسانای الکتریکی است که تعداد ذرات باردار مثبت و منفی آن تقریبا با هم برابرند و زمانی ایجاد می شود که اتم ها در گاز یونیزه شوند. هر الکترون دارای یک واحد بار منفی است. بار مثبت توسط اتم‌ها یا مولکول‌هایی که این الکترونها را از دست داده اند حمل می‌شود. در موارد نادر اما جالب، الکترون‌هایی که از یک نوع اتم یا مولکول جدا شده اند به ترکیب دیگری متصل می‌شوند و منجر به تولید پلاسما می‌شوند که هر دو یون مثبت و منفی را دارا است.

تاریخچه  پلاسما

گازهایی که تا حد زیادی یونیده هستند رساناهای خوبی برای الکتریسیته هستند. علاوه بر آن حرکت ذرات باردار گازها هم می تواند میدان الکترومغناطیسی تولید کند. (تابش موج). وقتی گاز یونیده تحت تأثیر یک میدان الکتریکی ساکن قرار بگیرد حامل‌های بار در این گاز به سرعت طوری مجددا توزیع می شوند که قسمت اعظم گاز در مقابل میدان محافظت می شود. لانگ مویر ( Langmuir )  در سال 1929 در مجله ی فیزیکال ریویو لترز Physical Review letters شماره ی 33 صفحه ی 954 ناحیه ای از گازها را که نسبتا خالی از میدان است و محافظت شده است و در آن بارهای مثبت و منفی در توازن اند پلاسما نامید و نواحی محافظ روی مرز پلاسما را پوشینه نامید. از مهم‌ترین خواص پلاسما این است که می کوشد از لحاظ الکتریکی خنثی بماند.

در ابتدا پلاسما در ارتباط با تخلیه ی الکتریکی در گازها و قوسهای الکتریکی و شعله ها مورد نظر بود اما اینک در اخترفیزیک نظری، مسأله ی گداخت و راکتورهای هسته ای گرمایی و مهار یونها هم مورد اهمیت است. برای تشکیل پلاسما نیازمند دمای بالایی هستیم تا توانایی تفکیک الکترون‌ها را از یون‌های مثبت در گازها داشته باشیم. جایی که الکترونش یک طرف و یونهای مثبتش یک طرف دیگر باشد را پلاسما می گویند. برای ایجاد پلاسما از راکتور گرمایی استفاده می شد اما جدیدا از لیزر و مواد جامد هم استفاده می شود.

حدود پلاسما

اغلب گفته می‌شود كه 99% ماده موجود در طبیعت در حالت پلاسماست، یعنی به شكل گاز الكتریسته داری كه اتم‌هایش به یون‌های مثبت و الكترون منفی تجزیه شده باشد. این تخمین هر چند ممكن است خیلی دقیق نباشد ولی تخمین معقولی است از این واقعیت كه درون ستارگان و جو آنها، ابرهای گازی و اغلب هیدروژن فضای بین ستارگان بصورت پلاسماست. در نزدیكی خود ما ، وقتی‌كه جو زمین را ترك می‌كنیم بلافاصله با پلاسمایی مواجه می شویم كه شامل كمربندهای تشعشعی وان آلن و بادهای خورشیدی است.

در زندگی روزمره نیز با چند نمونه محدود از پلاسما مواجه می‌شویم. جرقه رعد و برق، تابش ملایم شفق قطبی، گازهای داخل یك لامپ فلورسان یا لامپ نئون و یونیزاسیون. مختصری كه در گازهای خروجی یك موشك دیده می‌شود. بنابراین می توان گفت كه ما در یك درصدی از عالم زندگی می‌كنیم كه در آن پلاسما بطور طبیعی یافت نمی‌شود.

PDP اختصار یافته عبارت Plasma Display Panel یا صفحه نمایش پلاسما است. دوصفحه شیشه ای که در برابر هوا نفوذ ناپذیر هستند، و فاصله بین آنها توسط لایه هایی از هم مجزا شده است و بین آنها گازهایی مانند هلیوم، نئون و گزنون تزریق شده است. با اعمال ولتاژ به قطب های هر سلول، گاز دشارژ شده و تولید نور UV یا همان ماوراء بنفش نموده و با برخورد نور UV به مواد فلوئورسان موجود در سلول (سبز ، آبی ، قرمز) یا همان RGB نور مرئی و قابل روئیت از سلول خارج می گردد.

رسانایی پلاسما

 پلاسما رسانای بسیار خوبی برای برق است و در مواردی حتی بهتر از بهترین رساناهای فلزی عمل می کند. اگر مقداری گاز معمولی را یونیزه کنیم، یعنی درون آن تخلیه الکتریکی انجام دهیم، گاز به پلاسما تبدیل می شود زیرا تخلیه الکتریکی سبب می شود ذرات گاز باردار شوند. هر اتم معمولی از یک هسته با بار مثبت و ابری از الکترون ها با بار منفی در اطراف آن تشکیل شده است. بار الکتریکی اتم در حالت عادی صفر است.

اگر میدان الکتریکی نیرومندی بر گازی معمولی اعمال کنیم ممکن است تعدادی از الکترون ها اتم های خود را بدرود گویند.

هر اتم که به این ترتیب تحت تاثیر قرار بگیرد به طور مثبت باردار می شود و در این حالت می گوییم اتم به یون تبدیل شده است.

 الکترون های جدا شده که بار منفی دارند آزادانه در دستگاه حرکت می کنند. این الکترون های آزاد از میدان الکتریکی انرژی می گیرند و سرعتشان زیاد و زیادتر می شود و در این روند به اتم‌های دیگر برخورد می کنند و سبب آزاد شدن الکترون های بیشتر می شوند.

 این کار به طور پی در پی صورت می گیرد و تعداد الکترون های آزاد شده رفته رفته زیادتر می شوند. این فرآیند به فرآیند آبشاری معروف است. در این میان تخلیه الکتریکی گسترش می یابد و جریان الکتریکی برقرار می شود. گاز قبل از تخلیه الکتریکی در آن نارسانا بود در مواقعی که تخلیه الکتریکی بسیار قدرتمندی انجام می گیرد، ممکن است تمام اتم های گاز به سبب فرآیند آبشاری یونیزه شوند و گاز به پلاسما تبدیل شود.

انواع پلاسما

پلاسمای جو: نزدیکترین پلاسما به ما (کره زمین)، یونوسفر (Ionosphere) می‌باشد که از صد و پنجاه کیلومتری سطح زمین شروع و به طرف بالا ادامه می‌یابد. لایه‌های بالاتر یونسفر ، فیزیک سیستمها به فرم پلاسما می‌باشند که توسط تابش موج کوتاه در حوزه وسیعی، از طیف اشعه فرابنفش گرفته تا پرتوهای ایکس و همچنین بوسیله پرتوهای کیهانی و الکترونهایی که به گلنونسفر اصابت می‌کنند یونیزه می‌شوند.

شفق قطبی: پدیده شفق نیز نوعی پلاسما است که تحت اثر یونیزاسیون ایجاد می‌شود. یونسفر پلاسمایی با جذب پرتوهای ایکس، فرابنفش، تابش خورشیدی، انعکاس امواج کوتاه و رادیویی اهمیت اساسی در ارتباط رادیویی در سرتاسر جهان دارد. با همه این احوال نه تنها زمین بلکه زهره و مریخ نیز فضایی یونسفری دارند.

ملاحظات نظری نشان می‌دهد که در سایر سیاره‌های منظومه شمسی نظیر مشتری، زحل، سیاره اورانوس، نپتون نیز باید یونسفرهای قابل مشاهده وجود داشته باشد. فضای بین سیاره‌ای نیز از پلاسمای بین سیاره‌ای در حال انبساط پر شده که محتوای یک میدان مغناطیسی ضعیف (حدود -510 تسلا) است.

هسته‌های ستارگان دنباله دار نیز به فضای بین پلاسمایی پرتاب می‌کند. از طرف دیگر، خورشید منظومه شمسی مانند یک کره پلاسمایی است. درخشندگی شدید خورشید، معمولا عین یک درخشندگی پلاسمایی می‌باشد. خورشید به سه قشر گازی فتوسفر ـ کروموسفر و کورونا (که کرونای آن بیش از یک میلیون درجه ، حرارت دارد) احاطه شده است و انتظار می‌رود که هزاران سال به درخشندگی خود ادامه بدهد.

    ادامه دارد...

کاربرد نانو  در زلزله

فناوری نانو در دو راستای مختلف می‌تواند از مخاطرات زمین‌لرزه بكاهد. كنترل سازه‌ها،جلوگیری از حركت گسلها.

کاربرد فناوری نانو در کنترل زلزله

همان طور که می دانیم حركات ناگهانی گسلهاست، كه باعث وقوع زمین‌لرزه‌های هولناك می‌شود و حركات آهسته و مداوم تنها باعث حركات جزئی شده و زلزله ای ایجاد نمی‌كند.تحقیقات نشان داده که نانوذرات قابلیت از بین بردن یا کم‌کردن اثر گسل‌های فعال زمین لرزه‌ای را دارند. تحقیقاتی که در برخی از کشورهای دنیا آغاز شده نشان می‌دهد ذراتی که درحالت پودرهای نانویی در زمان سایش دو گسل پراکنده می‌شوند، می‌توانند به‌عنوان روغن بین دو گسل عمل کنند. زمانی که دو گسل در کنار هم حرکت می‌کنند پودرهایی در مقیاس نانو از آنها ساطع می‌شود که به اعتقاد دانشمندان و محققان علوم زمین می‌تواند گسل‌ها را صیقل‌کاری کند و از اصطکاک آنها بکاهد؛ این فرضیه‌ای است که بین محققان مطرح شده و درحال بررسی است. محققان معتقدند که اگر این پودرهای نانویی را به گسل‌های زلزله‌خیز و فعال تزریق کنیم می‌توان تا حد زیادی فعالیت گسل‌های فعال را کاهش داد.

 فناوری نانو وامکان پیش بینی زلزله

استفاده از نانو حسگرها و تاکید بر ساخت اینگونه ابزار باید مورد توجه زلزله شناسان  قرار گیرد بسیاری از اطلاعاتی كه از زلزله‌های بسیار كوچك ثبت می‌ شوند ، مورد توجه قرار نمی گیرند و هنگام ثبت زمین لرزه‌ ها عمدتا به رخدادهایی كه از اندازه‌ ای مشخص بزرگتر باشند، توجه می ‌شود.اساس این طرح با طراحی حسگر های ویژه‌ ای ارتعاشات زمین در مقیاس‌ های بسیار كوچك اندازه گیری شده و از این اطلاعات برای طراحی مدل ‌هایی برای بررسی رفتار زمین و پیش‌ بینی زمین‌ لرزه‌ های بزرگتر احتمالی استفاده می ‌شود. ایده این طرح این است كه اطلاعات زلزله‌ های بسیار كوچك مورد توجه قرار بگیرد كه شرط آن نیز در دسترس بودن نانو حسگرها است كه بتوانند این زمین لرزه‌ های خفیف را ثبت كنند. اگر اطلاعات این زلزله‌ها را به طور مستمر و پیوسته ثبت و بررسی كنیم می ‌توانیم تغییرات رفتار زمین را با توجه به داده ‌های اطلاعات این نانو زمین ‌لرزه‌ ها قبل از رخداد زلزله‌های كوچك شناسایی كرده و با الگوبرداری از آن به مدلی برای پیش‌ یابی زلزله دست یابیم.این روش مستلزم استفاده از نانو حسگرهای فوق‌العاده دقیقی است كه بتوانند لرزش‌های خفیف زمین لرزه‌ ها ی کوچک را ثبت كنند.

کاربرد نانو در مقاوم‌سازی و كاهش خسارات زلزله

علیرغم بروز حوادث و فجایع  زلزله كه مساله زلزله را در جهان به یكی از چالش‌های اصلی تبدیل كرده است‏، مقابله با این پدیده تنها با به كارگیری یك روش یا تكنولوژی خاص نمی‌تواند كارساز واقع شود.

كاربردهایی كه در زیر مطرح می‌شوند مواردی هستند كه می‌توانند در مقاوم‌سازی و كاهش خسارات زلزله موثر باشند. ضوابط لرزه ای آئین نامه ها آنقدر سریع در حال تكامل است كه بسیاری از ساختمان ها كه تنها چند سال قبل بر اساس ضوابط لرزه ای آئین نامه ای طراحی گردیده اند، اكنون به لحاظ رفتار لرزه ای، می توانند خطرناك تلقی گردند كه این امر اهمیت بحث مقاوم سازی را آشكار می سازد.

بهبود مقاومت بتن با كاربرد نانوذرات در آن

با بكارگیری از نوع مصالحی که به عنوان مثال نانوذراتی مانند نانوذرات سیلیكا و نانوذرات آهن در مصالح ساختمان‌ها می‌توان بر یكپارچگی و مقاومت آنها در مقابل زلزله افزود.

استفاده از نانوذرات در ساختن بتن بهترین گزینه می‌باشد. زیراكه این نانو ذرات با پر كردن میكرو و نانو حفره‌های داخل بتن و محكم كردن مصالح،‌ مانع از خراب شدن آنها هنگام وارد آمدن نیروی‌های شدید می‌شود. این نانو ذرات علاوه بر محكم كردن بتن‌ها، باعث انعطاف‌پذیری آنها شده و درنتیجه هنگام حركات شدید،‌ سازه‌ها تنها مقداری كمی حركت می‌كنند و با اینكار از نیروی وارد شده به سازه تا حدود زیادی تعدیل می‌شود.

یکی از چالش هایی که در رشته مصالح ساختمانی به وجود آمده است بتن با عملکرد بالا (HPC) می باشد مثلاً بتن مقاوم و با دوام یک مصالح کامپوزیت و چند فازی مرکب و پیچیده می باشد.

خواص ، رفتار و عملکرد بتن بستگی به نانو ذره ی زمینه ای بتن و سیمانی داردکه چسبندگی، پیوستگی و یکپارچگی را بوجود می آورد. بنابراین مطالعات ساختار بتن و خمیر سیمان در مقیاس نانو برای توسعه مصالح ساختمانی جدید و کاربرد آنها بسیار حائز اهمیت می باشد.

به هر حال روش معمولی برای توسعه بتن با عملکرد بالا اغلب شامل پارامتر های مختلفی از جمله طرح اختلاط بتن معمولی و بتن مسلح با انواع مختلف الیاف می باشد. تا اندازه بسیار زیادی، این روش کار اغلب توسط روابط داخلی صنعت ساختمان می باشد که دلیل کندی پیشرفت در صنعت ساختمان عدم درک عمیق از مفهوم مصالح ساختمانی می باشد. در گسترده جدید علم و فناوری  نانو دیگر این قبیل فعالیت ها بی معنی بوده و نیاز به شناخت و مطالعه دقیق از مصالح ساختمانی دارد و این فعالیت باید به روش علمی جهت یافتن مصالح نسل جدید و با عملکرد بالا ونیز اقتصادی کردن آنها دنبال گردد. در مثال های عملی و به طور مشخص در بتن ، این تحقیقات تنها زمانی می تواند به جامعه عمل بپیوندد که درک مناسب از مفهوم ریز ساختار سیمان در مقیاس نانو و دیگر ساختار ها وجود داشته باشد .

هدف اصلی و نهایی ، یافتن طبقه جدیدی از مصالح ساختمانی با عملکرد بالا می باشد که آنرا می توان به مصالح با عملکرد بالای چند منظوره اطلاق نمود. منظور از عملکرد چند منظوره، ظهور خواصی جدید و متفاوت نسبت به خواص مواد معمولی می باشد به گونه ای که مصالح بتوانند کاربرد های گوناگونی را ارائه نمایند.

ساختمان‌های سبك و مقاوم در مقابل كشش با كاربرد نانولوله‌های کربنی

كربن 60 و نانو لوله‌های نوین دارای ساختاری هستند كه آنها را از فولاد قوی تر و بسیار سبك می‌كند بطوریكه می‌توانند خمیدگی و كشش را بدون شكستن تحمل نمایند و در آینده جایگزین الیاف كربن خواهند شد كه در كامپوزیت‌ها به كار برده میشوند.

نانو لوله‌های كربنی از مقاوم‌ترین مواد شناخته شده در دنیا به حساب می‌آیند .نانولوله‌های كربنی دارای دانسیته بسیار كم نسبت به فولاد و آلومینیوم می‌باشد.

مقاومت كششی و فشاری نانولوله‌های كربنی نیز نسبت به سایر مواد ساختمانی بسیار بالا می‌باشد. همان گونه كه در قسمت‌ قبل مطرح شد معمولاً الیاف برای مسلح كردن و اصلاح عملكرد مكانیكی بتن بكار برده می‌شوند . امروزه از الیاف فلزی ، شیشه ای ، پلی  پروپلین ، كربن و  غیره در بتن برای مسلح كردن استفاده می‌شود و لیكن تحقیقات روی بتن مسلح شده توسط نانو لوله كربنی (Carbon Nano tubes) انتشار نیافته است تا بتوان از نتایج آن برای مسلح كردن بوسیله نانو لوله‌ها استفاده كرد.

سازه‌های خودتعمیر با به‌كارگیری پلیمرهای نانوساختاری

تحقیقات در زمینه پلیمرهای ساختاری از ساخت گاردریل‌هایی خبر می‌دهد كه خود قادر به تعمیر قسمت‌های آسیب‌دیده خود هستند. نتایج این تحقیقات حاكی از آن است كه حتی آسفالت‌ها و سازه‌های بتنی كه در آزمایشگاه ساخته می‌شوند دارای چنین خاصیتی هستند و می‌توانند خرابی‌های خود را تعمیر كنند. این مورد در موقع وقوع زلزله نیز می‌تواند مورد توجه قرار گیرد چرا كه در صورت علمی شدن استفاده از این‌گونه مصالح ساختمانی سازه‌ها قادر خواهند بود صدمات وارده به خود به‌خصوص در موارد خسارت‌هایی جزیی را بهبود بخشند.