تقویم توسعه فناوری نانو

یک نانومتر معادل طول تعدادی از اتم‌ها است که با طول یکسان در یک ردیف و در کنار هم قرار گرفته اند. فناوری نانو، شاخه ای از فناوری است که شامل مشاهده، دستکاری و کنترل ماده در مقیاس نانو است و تا نیمه قرن 21 پیشرفت‌های زیادی در این حوزه انجام گرفته است.

فناوری نانو منجر به پیشرفت‌هایی در زمینه تلفن همراه و دیگر فناوری‌های اطلاعات و فناوری زیستی از قبیل مهندسی ژنتیک مهندسی ژنتیک شده است.کشف‌های علمی که منجر به ظهور این فناوری‌ها شده است، به وسیله‌ی چه کسانی و در چه زمانی انجام شده است؟چه کسی در پیشرفت‌های بعدی حاصل شده در این فناوری‌ها دخیل بوده است و در آینده چه پیشرفت‌هایی حاصل خواهد شد؟

جدول تقویمی حاضر با کمک تعدادی از دانشمندان و کارشناسان فنی، با فرمت یکسان به طوری تهیه شده است که هر خواننده ای می‌تواند تاریخچه فناوری نانو را به سادگی درک نماید.

1910    1911    پدیده ابر رسانایی به وسیله‌ی Onnes کشف شد. برنده ی جایزه نوبل

1920    1925    اساس ترانزیستورهای اثر میدان برای اولین بار پیشنهاد شد.

            1928    اساس میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک برای اولین بار پیشنهاد شد.

1930    1932    میکروسکوپ الکترونی اختراع شد. برنده جایزه نوبل

            1935    فیلم لانگمیر – بلاجت (LB) کشف شد. برنده جایز نوبل

            1936    الکترولومینسانس معدنی کشف شد.

1940    1948    ترانزیستور دو قطبی اختراع شد. برنده جایزه نوبل

            1949    تحقیقاتی بر روی نانو ذرات روی، به وسیله‌ی روش تفرق اشعه کاتدی انجام شد.

1950    1950    نیمه هادی‌های آلی کشف شد.

            1953    ساختار DNA کشف شد. برنده جایزه نوبل

            1954    پدیده پیزو – مقاومت نیمه‌هادی‌ها کشف شد.

            1954    باتری‌های خورشیدی اختراع شد.

            1954    مفهوم میزر (تقویت امواج میکروویو) کشف شد. برنده جایزه نوبل

            1957    تئوری BCS معرفی شد. برنده جایزه نوبل

1959    IC (مدارهای مجتمع) اختراع شد. برنده جایزه نوبل

1959    الیاف کربنی پلی اکریلونیتریل اختراع شد.

1959    سخنرانی فاینمن: فضای بسیاری در آن پایین وجود دارد.

1960 1960       سیستم‌های میکرو الکترومکانیکی (MEMS) در کاربردهای واقعی، مانند سنسورهای فشاری و تشدید کننده‌ها، به کار گرفته شد.

1960    ترانزیستور نیمه‌هادی اکسید فلزی (MOS) ساخته شد.

1960    نوسانات لیزری به طور موفقیت آمیزی به انجام رسید.

1960    غشای استات سلولز نامتقارن برای کاربردهای اسمز معکوس اختراع شد.

1962    مدارهای مجتمع به کار گرفته شده از CdSTFT ساخته شد.

1962    پدیده Kubo پیشنهاد شد.

1962    پروتئین فلئورسانس سبز (GFP) کشف شد. برنده جایزه نوبل

1962    دیود نشر نوری اختراع شد.

1963    نیمه هادی‌های تکمیلی اکسید فلزی اختراع شد.

1963    آستانه پایین لیزر با به کارگیری اتصال ناهمگون نیمه‌هادی پیشنهاد شد. برنده جایزه نوبل

1964    پدیده Kondo پیشنهاد شد.

1965    قانون مور (Moore) معرفی شد.

1967    حافظه دستیابی مستقیم پویا (DRAM) اختراع شد.

1967    اثرهای تاجی شکل اختراع شد. برنده جایزه نوبل

1968    پدیده سوئیچ کالکوژنید الکتریکی و پدیده حافظه کشف شد.

1969    کاتالیزور نوری کشف شد.

1970    1970    مفهوم ابر شبکه‌های نیمه‌هادی پیشنهاد شد.

            1970    تجهیزات با کوپل بار الکتریکی (CCD) اختراع شد.

1970    لیزر نیمه‌هادی پیوسته (CCD) اختراع شد. برنده جایزه نوبل

1970    ساختار مولکول فولرین پیش بینی شد.

1971    حافظه تغییر فاز اختراع شد.

1971    واحد پردازش میکرو (MPU) اختراع شد.

1972    دیود نوری آمورف با ساختار ناهمگون از طریق فرآیند از بالا به پایین ساخته شد.

1972    لیزرهای DFB پیشنهاد شد.

1974    لیزر با مد تثبیت شده توسعه داده شد.

1974    مفهوم فناوری نانو پیشنهاد شد.

1974    حالت‌های کوانتومی گاز الکترونی دو بعدی آنالیز شد.

1974    تئوری مقیاس بندی (اشل) دنارد (Dennard) پیشنهاد شد.

1975    اتصال p-n سیلیکونی آمورف ساخته شد.

1976    تشکیل نانو الیاف کربنی مشاهده شد.

1976    ثبت مغناطیسی عمودی (PMR) پیشنهاد شد.

1976    سلول‌های خورشیدی سیلیکونی آمورف پیشنهاد شد.

1977    لیپیدهای دو لایه مصنوعی ساخته شد.

1977    پلیمرهای رسانای ذاتی کشف شد. برنده جایزه نوبل

1979    ترانزیستورهای لایه نازک سیلیکونی آمورف (TFT) پیشنهاد شد.

1979    ترانزیستورهای لایه نازک پلی سیلیکون دما پایین اختراع شد.

1979    ماشین‌های مولکولی مصنوعی ساخته شد.

1979    لیزر نشر سطحی اختراع شد.

1979    میکرو TAS (µ TAS) اختراع شد.

1980    1980    پروژه باتری‌های خورشیدی فیلم نازک آمورف شروع شد.

1980    فیلم‌های نازک مورد استفاده برای ساخت الکترولومینسانس آلی پیشنهاد شد.

1980    پدیده هال (hall) کوانتومی پیشنهاد شد. برنده جایزه نوبل

            1981    پروژه ذرات بسیار ریز هایاشی (Hayashi) (1986- 1981) شروع شد.

            1981    زیست مولکول منفرد اندازه گیری شد.

            1982    نقاط کوانتومی پیشنهاد شد.

            1982    میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) اختراع شد.

            1982    مغناطیس نئودیمیم (Nd) اختراع شد.

            1983    دندریمر اختراع شد.

            1983    تک لایه‌ای خودمونتاژی تیوآلکان تهیه شدند.

            1983    توالی سنج اتوماتیک DNA پیشنهاد شد.

            1984    میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک با دیافراگم میکروبی در محدوده نور مرئی توسعه داده شد.

            1984    آزمایشات الکترومغناطیسی بر روی کلاسترهای فلزی در باریکه‌ها انجام شد.

            1984    حافظه فلش اختراع شد.

            1984    فوتولومینسانس مرئی کشف شده در سیلیکون متخلخل کشف شد.

            1985    فولرین کشف شد. برنده جایزه نوبل

            1986    پدیده آهارانوف – بوهم (Aharonov –Bohm) اثبات شد.

            1986    میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) اختراع شد.

            1986    ابر رساناهای دما بالا کشف شد. برنده جایزه نوبل

            1986    دستکاری اتم‌ها در فضای سه بعدی نشان داده شد.

            1986    ترانزیستورهای لایه نازک الی پیشنهاد شد.

            1986    پدیده افزایش نفوذپذیری و بازداری کشف شد. برنده جایزه نوبل

            1986    موتور در کسلر (Drexler) معرفی شد.

            1987    عملکرد کاتالیزوری جدید نانوذرات طلا کشف شد.

            1987    سوپررساناهای دما بالای نوع Y کشف شد.

            1987    انتقال ژن‌های حاوی لیپوزوم های کاتیونی گزارش شد.

           1988    ابررساناهای از نوع بیسموت کشف شد.

            1988    پدیده مقاومت مغناطیسی قوی کشف شد. برنده جایزه نوبل

            1989    پروژه Aono Atomcraft شروع شد.

1990    1990    تصحیح انحراف میکروسکوپ الکترونی انجام شد.

            1990    درمان هدف سرطانی با به کارگیری داروهای پلیمری میسلی ضدسرطان توسعه داده شد.

            1990    کنترل اتمی با به کارگیری میکروسکوپ تونلی روبشی انجام شد.

            1990    پنهان کردن لیپوزوم های ایزوله شده انجام شد.

            1991    فیلم‌های چند لایه از طریق فرآیند خودمونتاژی تشکیل شد.

            1991    توالی سنج DNA با سرعت بالا توسعه داده شد.

            1991    سلول‌های خورشیدی حساس شده با رنگ دانه پیشنهاد شد.

            1991    نانو لوله های کربنی کشف شد.

            1992    کلاستر جدید فلز – کربن از نوع Ti8C12 کشف شد.

            1992    تجهیزات نانویی جهت آنالیز DNA توسعه داده شد.

            1992    میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک بدون دیافراگم اختراع شد.

            1994    مقاومت‌های مغناطیسی بسیار بزرگ کشف شد.

            1995    پدیده مقاومت مغناطیسی تونلی معرفی شد.

            1995    نقش پذیری در مقیاس نانو برای اولین بار پیشنهاد شد.

            1996    نانو صفحه سنتز شد.

            1996    توالی سنجی SNA با روش حفره‌های نانویی به انجام رسید.

            2001    ابررساناهای از نوع منیزیم دی بوراید MgB2 کشف شد.

            2001    فناوری تولید پلیمر نانو آلیاژی اختراع شد.

            2004    گرافن به طور موفقیت آمیز، ایزوله شد. برنده جایزه نوبل

            2008    ابررساناهای لایه‌ای بر پایه آهن کشف شد.

فناوری نانو و صنعت آب و فاضلاب(1)

 با وجود پیشرفت‌های شگفت آوری که در زمینه‌های مختلف حیات بشر صورت گرفته است، آب همچنان اهمیت خود را به عنوان منبع اصلی تأمین انرژی و نیز تولید محصولات کشاورزی حفظ کرده است.با توسعه فناوری نانو در صنعت آب و فاضلاب، می‌توان تحولی عظیم در تأمین آب مصرفی و بخش‌های وابسته به آن به وجود آورد. کاربردهای فناوری نانو در تصفیه آب، گندزدایی، استفاده بهینه از آب سفره‌های زیرزمینی و بهبود سازه‌های آبی از جمله ویژگی‌هایی است که صنعت آب و فاضلاب با استفاده از فناوری نانو به دنبال تحقق آن‌ها است.

در مجموع کاربردهای متعددی را می‌توان در زمینه استفاده از فناوری نانو متصور بود که اهم آنها عبارتست از:

استفاده از ذرات نانو ساختار در تصفیه آلاینده ها ،رنگ زدایی از آب آشامیدنی ،نمک زدایی از آب ،نانو پوشش ها ،نانو لوله‌های جاذب گازهای سمی ،نانو پلیمرهای متخلخل ،استفاده از نانو ذرات در تصفیه پسابها ،نانو فیلترها ،حذف آرسنیک موجود در آب با استفاده از فناوری نانو

برخی کاربرد های فناوری نانو در عرصه صنعت آب فناوری نانو با روشهای زیر می‌تواند در تهیه آب تمیز کمک کند :

غشاهای فیلتر اسیون نانو متری به منظور افزایش بازیابی آب ،روشهای سازگار با محیط زیست جهت تصفیه آبهای زیر زمینی به وسیله اجزای معدنی و آلی ،نانو مواد برای بهبود کارایی فرایندهای فتو کاتالیستی و شیمیایی ،نانو حسگرهای زیستی جهت تشخیص سریع آلودگی آب .

نانو فیلتراسیون

یکی از کاربردهای فناوری نانو استفاده از نانوفیلترهاست که گام مؤثری در حفظ محیط زیست و صرفه جویی در انرژی نهاده است. نانوفیلترها براساس منافذشان طبقه بندی شده اند. روش نانوفیلتراسیون طی چند سال گذشته رونق گرفته است. در نانو فیلتراسیون جدا سازی براساس اندازه مولکول صورت می‌گیرد و فرآیندی فشاری است. اساساً این روش جهت حذف اجزای آلی نظیر آلوده کننده‌های میکرونی و یونهای چند ظرفیتی می‌باشد. از دیگر کاربردهای نانو فیلتراسیون می‌توان به حذف مواد شیمیایی که به منظور کشتن موجودات مضر به آب اضافه شده اند، حذف فلزات سنگین، تصفیه آبهای مصرفی، رنگ زدایی و حذف آلوده کننده ها و حذف نیترات ها اشاره کرد.

در واقع با استفاده از نانوفیلتراسیون کلیه ذرات معلق، ویروس ها و باکتری های آب بدون نیاز به هیچ گونه مواد افزودنی از بین خواهد رفت.  دیگر مزایای استفاده از نانوفیلتراسیون در تصفیه آب و پساب عبارتند از: حذف نمکهای چند ظرفیتی (از قبیل آهن، منگنز، اورانیم و برخی آفت کش ها)، امکان تولید میزان آب تصفیه شده در مقیاس وسیع، از بین بردن انواع باکتری، ویروس و میکروارگانیزم ها، حذف آلاینده های آلی، حفظ مواد معدنی مورد نیاز سلامت انسان، از بین بردن اثرات مخرب زیست محیطی، حذف کدورت، سختی و شوری آب، پایین بودن هزینه تصفیه و در مجموع همانگونه که اشاره شد نیاز نداشتن به افزودن مواد شیمیایی زیان آور برای محیط زیست و انسان.

آب نانو فیلتر شده

فناوری‌های جدید، امکان تولید آب نانوفیلتر شده را در مقیاس انبوه فراهم می‌کند. آب تصفیه‌شده به وسیله نانوفیلتراسیون به اندازه آب‌معدنی تصفیه‌شده ارزش دارد. همان طور که گفتیم با استفاده از نانوفیلتر، مواد معدنی لازم برای سلامت انسان در آب باقی مانده و مواد سمی و مضر، از آن حذف می‌شود.

نانوفیلتراسیون یک روش مفید بین روش‌های اسمز معکوس و اولترافیلتراسیون است. اولترافیلتراسیون به دلیل بالاتر بودن مقدار آلاینده‌های معدنی و قلیایی نسبت به حد مجاز و روش اسمز معکوس به دلیل تولید خلوص بیش از حد محصول و بالا بودن قیمت دارای نقایصی هستند.دانشمندان دانشگاه باناراس (Banaras) روش ساده‌ای برای تولید فیلترها با استفاده از نانولوله‌های کربنی توسعه داده‌اند که قادر به حذف مؤثر آلاینده‌های میکرو‌ و نانومقیاس از آب و نیز حذف هیدروکربن‌های سنگین از نفت خام است. استفاده از نانولوله‌های کربنی در ساخت فیلترها سبب سهولت در تمیز کردن، افزایش استحکام، قابلیت استفاده مجدد و مقاومت آنها در برابر گرما می‌شود. این فیلترها دارای دقت بسیار مناسبی در کاربردهای مختلف هستند، به عنوان مثال قادرند پولیوویروس‌هایی با اندازه 25 نانومتر را به خوبی پاتوژن‌های بزرگ‌تری مانندE. Coil و باکتری‌های استافیلوکوک، از آب حذف نمایند. شرکت آرگوناید (argonide) در حال استفاده از نانوفیبرهای اکسید آلومینیوم با اندازه دو نانومتر برای تصفیه آب است. فیلترهایی که از این فیبرها ساخته شده‌اند، می‌توانند ویروس‌ها، باکتری‌ها و کیست‌‌ها را از بین ببرند.

نانو حسگر ها

 اگر چه حسگرهای مختلفی برای آشکار نمودن آلودگی‌ها و مواد آلوده وجود دارند ولی فناوری نانو امکان ایجاد نسل‌های جدیدی از حسگرهای با توانایی بالا را فراهم می‌نماید که مواد آلاینده در مقادیر و غلظت‌های کم را آشکار می‌نمایند.

فناوری نانوو تصفیه آب

در دسترس بودن آب سالم و پاک یکی از مهم‌ترین مسائل پیش روی بشر است و به تدریج که مقدار مصرف آب بیشتر می‌شود مواد آلاینده نیز به طرق مختلف باعث آلوده کردن منابع آبی می‌گردند و این مسأله در آینده بحرانی‌تر خواهد شد. توانایی تصفیه آب، این امکان را فراهم می‌کند تا منابع مناسب‌تری برای مصارف گوناگون به دست آوریم.

بهره گیری از فناوری نانو در فرآیند تصفیه آب، راه حل مناسبی است تا بتوان به سادگی آب آلوده را برای استفاده در کشاورزی و یا حتی برای مصارف خانگی بازیافت نمود. کاربردهای فناوری نانو در تصفیه آب را می‌توان در سه فرآیند زیر خلاصه کرد:

فرآیند غربالی

در فرآیند غربالی، تصفیه آب به وسیله غشاهایی با منافذ در حد نانومتر صورت می‌پذیرد. فناوری تولید نانو غشاء یکی از فناوری‌های پرکاربرد در صنعت امروز است که حوزه کاربرد آن از صنعت آب و فاضلاب تا صنایع غذایی، دارویی و همچنین صنایع نفت، گاز و انرژی گسترده شده است. در این روش، بر حسب اندازه منافذ غشا، ترکیبات آلی و معدنی و یا مواد زیستی، به راحتی از آب جدا شده و در نهایت آبی تصفیه شده خواهیم داشت.

فرآیند جذبی

از جاذب‌ها می‌توان به عنوان جداسازی محیطی، در تصفیه آب و حذف آلاینده‌های آلی بهره برد . از جمله نانو جاذب های پرکاربرد در تصفیه آب می‌توان به مزوپورهای نانو حفره ای اشاره کرد. مزپورها مواد متخلخلی‌اند که در ابعاد میکرون بوده و تنها حفرات تشکیل دهنده آن‌ها در اندازه‌های نانومتری است. پوشش دادن این حفرات با نانوذراتی که قدرت پیوند با مواد آلاینده را دارند باعث بهبود عملکرد نانو جاذب‌ها خواهد شد.

فرآیند تجزیه

استفاده از صفحات لایه نشانی شده با دی اکسید تیتانیوم در فرآیند تصفیه آب، این امکان را فراهم می‌کند تا با تابش اشعه UV، مواد آلاینده موجود در آب، به ترکیباتی غیرمضر تجزیه شوند. در این روش، دی اکسید تیتانیوم به عنوان یک فتوکاتالیست عمل کرده و شرایط مورد نیاز برای انجام واکنش تجزیه را فراهم خواهد کرد.

از جمله آلاینده‌های موجود در آب‌های صنعتی که دی اکسید تیتانیوم آن‌ها را به آب و دی اکسید کربن تبدیل می‌کند عبارتند از: آلکان ها، و آلکن ها، آلکین ها، اترها، آلدئیدها، الکل ‌ها، ترکیباتی آمینی، ترکیبات سیانیدی، استرها و ترکیبات آمیدی.

ادامه دارد...

تولید سوخت پاک برای خودروبه کمک فناوری نانو

فناوری نانو و صنعت خودرو (3)

تولید سوخت پاک برای خودروبه کمک فناوری نانو

آلودگی محیط زیست، خصوصاً آلودگی هوا یکی از بزرگ ترین مشکلات پیش روی بشر در آینده خواهد بود. زندگی شهرنشینی و در کنار آن لزوم به کارگیری ابزارهای جدید و فناوری های ایجاد شده توسط انسان، خصوصاً استفاده روزافزون از وسایل نقلیه در بخش حمل و نقل، عامل اساسی در آلودگی هوا بوده است. امروزه میلیون ها نفر به خودروها به عنوان اولین ابزار در دسترس برای حمل و نقل وابسته هستند. متاسفانه، اکثر این خودروها از سوخت های فسیلی استفاده می کنند. با مصرف بنزین در موتورهای احتراق داخلی، مونواکسید کربن، اکسیدهای نیتروژن، هیدروکربن ها و دی اکسیدکربن تولید می شود. این مواد شیمیایی موجب آلودگی هوا، باران اسیدی و تجمع گازهای گلخانه ای در اتمسفر و همچنین موجب تخریب لایه ازن می گردند. در سال های گذشته، فعالیت های بسیار وسیعی در سطح بین المللی به عمل آمده است تا ضمن دستیابی به فناوری های جدید در بخش حمل و نقل، نیروی محرکه خودروها نیز به حداقل آلایندگی محیط زیستی برسند. در مورد خودروهای متداول فعلی، می توان به اصلاح ساختار موتورهای احتراق داخلی، کاهش مصرف سوخت، افزایش بازده، تنوع سوخت های مصرفی در جهت استفاده از سوخت هایی با آلایندگی کمتر اشاره کرد.

آن چنان که پیش می رود پیل های سوختی آینده محرک های خودرو را شکل می دهند. این مولدها بازدهی بالایی دارند و از هیدروژن مایع که پر انرژی ترین سوخت به ازای هر کیلوگرم است، استفاده می کند. پیل های سوختی، باتری ها و سلول های خورشیدی مولدهای برق بدون آلایندگی هستند. در این مولدهای برق به جای دود از اگزوز خودرو آب گرم بیرون می آید. مهم ترین مسئله در انتخاب پیل های سوختی ظرفیت تولید انرژی بیشتر، ایمنی و سلامت بیشتر، سوخت های متنوع و خط مشی موفق تر در جهت از بین بردن گازهای گلخانه ای می باشند. هیدروژن به عنوان سوخت سالم یکی از منابع انرژی با بازدهی عالی و مقرون به صرفه می باشد. ابزاری مناسب و ایمن جهت ذخیره هیدروژن می تواند کاربرد این سوخت تمیز و پاک را افزایش دهد.درواقع ارزش سوختی بالا وفقدان آلاینده های زیست محیطی ،هیدروژن را به سوختی جذاب تبدیل کرده است.  لذا روش های جدیدتولید هیدروژن پاک درحال گسترش هستند.نانو کاتالیست ها در انواع فرایندهای تولید هیدروژن یک عنصرکلیدی می باشند.با کمک ویژگی های نانومتری کاتالیست ها ،می توان میزان فعالیت ،قابلیت انتخاب وعمرکاتالیست ها را کنترل کرد.استفاده از نانو کاتالیست ها پتانسیل خوبی برای کاهش هزینه ها در بر دارد.همچنین نانوذرات ،سایت های کاتالیستی درسیستم ذخیره سازی هیدریدراافزایش می دهدوسرعت جذب ودفع ودما وفشار ذخیره سازی هیدروژن را بهبود می بخشد.

استفاده از نانوذرات در لاستیک ها

چنانچه بخواهیم لاستیک ها را مورد مطالعه قرار دهیم خواهیم دید که انواع و اقسام لاستیک ها در کاربردهای مختلف استفاده می شود و هر کدام خصوصیات مربوط به خود را دارد. لاستیک دوچرخه، تراکتور، کامیون، خودروهای سواری، موتورها و... همه در خصوصیات با هم متفاوتند. اما در یک بررسی کلی می توان اجزای لاستیک را مورد بررسی قرار داد. لاستیک از آج، شیارها، برجستگی های میانی، شیارهای مقابل هم و سوراخ های کوچک و همچنین نگه دارنده داخلی تشکیل شده است.

حضور نانوذرات باعث افزایش مقاومت سایشی، افزایش استحکام (بهبود خاصیت مکانیکی)، افزایش حد پارگی و حد شکستگی و زیبایی ظاهری لاستیک می شوند. همچنین همواری، صافی و ظرافت شکل ظاهری تایر را سبب می شوند. همه این عوامل موجب ایجاد محصولی مرغوب، با کیفیت عالی، زیبا و بازارپسند که توانایی رقابت در بازارهای جهانی را داشته باشد، می شود. صنعت لاستیك‌سازی با تأثیرپذیری از فناوری نانو، بازدهی و كیفیت فراوانی خواهد داشت. براساس تحقیقات به عمل آمده چندین ماده نانومتری در صنایع لاستیک سازی کاربرد فراوانی یافته اند که از این جمله می توان به نانوذرات اکسید روی، نانوذرات کربنات کلسیم، نانوذرات الماس ، نانورس و فولرین ها اشاره نمود.

 با افزودن این مواد به تركیبات لاستیك، به دلیل پیوندهایی كه در مقیاس اتمی بین آنها و تركیبات لاستیك انجام می‌شود، خواص فیزیكی آنها بهبود می‌یابد. همچنین، می‌توان به افزایش مقاومت سایشی، افزایش استحكام، بهبود خاصیت مكانیكی، افزایش حد پارگی و افزایش حد شكستگی اشاره كرد. زیبایی ظاهری لاستیك نیز از این پدیده تاثیر می‌پذیرد و باعث لطافت، همواری، صافی و ظرافت شكل ظاهری لاستیك می‌شود.

کاربرد نانوذرات اکسید روی

نانوذرات اکسید روی ذراتی غیرآلی و فعال هستند. کوچکی کریستال ها و خاصیت غیرچسبندگی آن ها باعث شده که نانوذرات اکسیدروی به صورت پودر زردرنگ کروی و متخلخل باشند. استفاده از این نانوذرات در لاستیک باعث زیبایی و ظرفیت‌بخشی، صافی و همواری شكل ظاهری ، افزایش استحكام مكانیكی لاستیک، افزایش مقاومت سایشی (خاصیت ضداصطكاك و سایش)،پایداری دمایی بالا ، طول عمر زیاد ، افزایش حد پارگی تركیبات لاستیك ،كاهش هزینه‌هاو بازدهی بالا می شود. تمامی این موارد به صورت تجربی ثابت شده‌اند. بهبود خواص فیزیکی لاستیک در اثر اضافه شدن نانوذرات اکسیدروی، ناشی از پیوند ساختار نانوذرات اکسیدروی با مولکول لاستیک است که در مقیاس اتمی صورت می گیرد.اثرات سطحی و فعالیت‌ بالای نانوذرات اکسید روی ناشی از اندازه بسیار كوچك، سطح موثر بسیار زیاد و كشندگی خوب آن است.

کاربرد نانو الماس

نانوالماس نیز در کامپوزیت ها، لاستیک ها، مواد ضد اصطلاک و روان کننده ها به کار می رود. نانو الماس دارای خواص برجسته ای است که ساختار کریستالی(بلوری)، شکل کاملا کروی، سطح شیمیایی كاملاً ناپایدار ، ساختمان شیمیایی بسیار محكمو فعالیت جذب سطحی بسیار بالا از جمله این خواص هستند. نانوالماس با درصدهای ترکیب مختلف به انواع لاستیک ها اضافه می شود. از این لاستیک در صنعت خودرو و لوله های انتقال آب نیزاستفاده می گردد. با اضافه کردن ساختارهای نانوالماس به لاستیک ها خواص آنها به شكلی قابل توجه بهبود می‌یابد.

موارد ذیل نمونه‌ای از این بهبودها هستند:

*خاصیت انعطاف پذیری لاستیک 4 الی 5 برابر می شود

* استحکام 2 الی 5/2 برابر افزایش می یابد.

* افزایش حد شكستگی تا حدود 620 تا 700 كیلوگرم بر سانتی‌متر مربع

*3 برابر شدن قدرت بریده شدن لاستیك

*افزایش خاصیت ضد پارگی لاستیك در دمای بالا و پایین

کاربردنانورس

نانورس نیز کاربردهای تجاری نیز کاربردهای تجاری گسترده ای در صنعت لاستیک پیدا کرده است و اکنون شرکت های بزرگ لاستیک سازی به طور گسترده ای از آن در محصولات خود استفاده می کنند. با افزودن این ذرات به لاستیك، خواص آن به طور قابل ملاحظه‌ای بهبود می‌یابد كه به عنوان نمونه می‌توان به موارد زیر اشاره كرد:

- افزایش مقاومت لاستیك در برابر سایش

- افزایش استحكام مكانیكی

- افزایش مقاومت گرمایی

- كاهش قابلیت اشتعال

-  پایداری ابعادی در برابر گرما

با اضافه كردن این مواد به تركیبات لاستیك، به دلیل پیوندهایی كه در مقیاس اتمی بین این مواد و تركیبات لاستیك صورت می‌ گیرد، علاوه بر بهبود خواص فیزیكی آنها، می‌توان به افزایش مقاومت سایش، افزایش استحكام، بهبود خاصیت مكانیكی، افزایش حد پارگی و حد شكستگی اشاره كرد. این مواد بر زیبایی ظاهری لاستیك نیز تاثیر گذاشته و باعث لطافت، همواری، صافی و ظرافت شكل ظاهری لاستیك می‌شوند.

كاربرد نانوذرات کربنات کلسیم

استفاده از نانوذرات كربنات كلسیم در صنایع لاستیك باعث بهبود كیفیت و خواص تركیبات لاستیك می‌شود. از جمله مزایای استفاده از نانوذرات كربنات كلسیم می‌توان به توانایی تولید در مقیاس زیاد، افزایش استحكام لاستیك، بهبود بخشیدن خواص مكانیكی (افزایش استحكام مكانیكی) و انعطاف‌پذیر شدن تركیبات لاستیك اشاره كرد. نانودرات كربنات كلسیم علاوه بر بهبود خواص فیزیكی تركیبات لاستیك، در شكل ظاهری آن نیز تاثیر می‌گذارد و به آن زیبایی و ظرافت می‌بخشد. این امر در مرغوبیت كالا و بازار پسند بودن آن تاثیری بسزا دارد.

نانوذرات كربنات كلسیم برای كسب مزایای ذكر شده به لاستیك‌های طبیعی و مصنوعی نظیر: NR، SBR، BR، EPDM SBS اضافه می‌شود. نتایج نشان می‌دهند كه استحكام لاستیك، افزایش می‌یابد. استحكام بخشی نانوذرات كربنات كلسیم، بر اثر پیچیدگی فیزیكی ناشسی از پیوستگی در پلیمرهای آن و واكنش‌های شیمیایی ناشی از سطح تعمیم یافته آن است.

کاربرد دوده

دوده نیز یکی از مهم ترین پرکننده ها در لاستیک سازی محسوب می شود. این ماده به عنوان یک تقویت کننده به لاستیک ها اضافه می شود. اندازه این ذرات در مقاومت در برابر سایش و خوردگی موثر است. افزودن نانوذرات کربنی به لاستیک به علت افزایش انرژی کشتی سطحی بالای نانوذرات، باعث چسبیدن ذرات به هم می شود که نتیجه آن افزایش مقاومت سایشی و طول عمر بیشتر لاستیک است.

 ادامه دارد...

راه طولانی نانولوله‌های کربنی برای تحول جهان

اینکه چه زمانی قرار است این رشته های سبک، قدرتمند و میکروسکوپی جهان را تغییر دهند نامشخص است اما در ادامه چند شیوه جدید که محققان از این نانو لوله ها استفاده می کنند تا جهان را به مکانی شگفت انگیزتر تبدیل کنند، معرفی می شوند:

کارایی حقیقی نانولوله های کربنی

اگر در یک سیستم رایانه ای یک کابل مسی نتواند الکترونها را انتقال دهد کل سیستم از کار خواهد افتاد. در حالی که بیشتر مطالعات بر روی تولید نانولوله های کربنی متمرکز شده که کم هزینه و کارآمد هستند، محققان در موسسه ملی استاندارد و تکنولوژی یا NIST در حال اکتشاف بر روی کاربردهای واقعی نانولوله های کربنی هستند.

با کوچکتر شدن روز به روز الکترونیکها، تولید کنندگان در جستجوی شیوه هایی برای بهبود گنجایش آنها برای گنجاندن تجهیزات مورد نیاز هستند و به نظر می آید نانولوله ها بهترین راهکار برای مینیاتوری کردن اتصالات میان رایانه ها باشند. علاوه بر ابعاد کوچک این نانولوله ها، از کارایی بسیار زیادی برخوردارند و به صورت نظری می توانند هزار برابر رساناهای رایج فلزی جریان الکتریکی را انتقال دهند.

تصور نانو لوله های کربنی در حالی که در آینده ای نه چندان دور درون الکترونیکهای مصرفی جایگزین کابلهای مسی شده اند کار چندان دشواری نیست. با این همه توماس ادیسون نیز در زمان خود و در حالی که بر روی ساخت لامپ کار می کرد از رشته های کربنی استفاده کرد، رشته هایی که ابعاد نانویی نداشتند و به سرعت در آزمایشها سوخته می شدند، مشکلی که دانشمندان امروزی نیز باید برای برطرف کردن آن راهکاری بیاندیشند.

محققان بر این باورند که باید سطح مشترک نانولوله ها با دیگر فلزات به دقت مورد بررسی قرار گیرد. اکتشافات جدید در این زمینه می تواند منجر به مقرون به صرفه شدن و امکان پذیرشدن تولید انبوه نانولوله ها شده و سرعت جایگزینی آنها را درون الکترونیکهای مصرفی بالا ببرد.

متاسفانه جایگزینی کابلهای مسی توسط این نانولوله های کربنی در یک تراشه امیدوار کننده نبود زیرا الکترودهای فلزی تراشه زمانی که جریان از سطحی بالاتر رفت، مختل شدند و مدار طی 40 ساعت از کار افتاد. به گفته محققان NIST شاید این نانو رشته ها برای جایگزینی سیمهای مسی در ابزارهای مختلف کارامد نباشند، اما به طور حتم در ساخت ابزارها و نمایشگرهای قابل انعطاف کاربردی خواهند بود.

ترانزیستورها

نانولوله‌ها در آستانه كاربرد در ترانزیستورهای سریع هستند، اما آن ها هنوز هم در اتصالات داخلی استفاده می‌شوند. بسیاری از طراحان دستگاه‌ها تمایل دارند به پیشرفت‌هایی دست یابند كه آن ها را به افزایش تعداد اتصالات داخلی دستگاه‌ها در فضای كوچك تر، قادر نماید. ترانزیستورهای ساخته شده از نانولوله‌ها دارای آستانه می‌باشند (یعنی سیگنال باید از یك حداقل توان برخوردار باشد تا ترانزیستور بتواند آن را آشكار كند) كه می‌توانند سیگنال‌های الكتریكی زیر آستانه را در شرایط اختلال الكتریكی یا نویزآشكار و ردیابی نمایند. همچنین از آنجایی كه ضریب تحرك، شاخص حساسیت یك ترانزیستور برای كشف بار یا شناسایی مولكول مجاور می‌باشد، لذا ضریب تحرك مشخص می‌كند كه قطعه تا چه حد می‌تواند خوب كار كند. ضریب تحرك تعیین می‌كند كه بارها در یك قطعه چقدر سریع حركت می‌كنند و این نیز سرعت‌ نهایی یك ترانزیستور را تعیین می‌نماید.

لذا اهمیت استفاده از نانولوله‌ها و تولید ترانزیستورهای نانولوله‌ای با داشتن ضریب تحرك برابر با 100 هزار سانتیمتر مربع بر ولت ثانیه در مقابل سیلیكون با ضریب تحرك 1500 سانتیمتر مربع بر ولت ثانیه و ایندیم آنتیمونید (بالاترین ركورد بدست آمده تا به امروز) با ضریب تحرك 77 هزار سانتیمتر مربع بر ولت ثانیه بیش از پیش مشخص می‌شود.

حسگرها

حسگرها ابزارهایی هستند كه تحت شرایط خاص، از خود واكنش‌های پیش‌بینی شده و مورد انتظار نشان می‌دهند. شاید دماسنج را بتوان جزء اولین حسگرهای كه بشر ساخت به حساب آورد. با توجه به وجود آمدن وسایل الكترونیكی و تحولات عظیمی كه در چند دهه اخیر و در خلال قرن بیستم به وقوع پیوسته است، امروزه نیاز به ساخت حسگرهای دقیق‌تر، كوچك تر و با قابلیت‌های بیشتر احساس می‌شود.

حسگرهایی كه امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرند،‌ دارای حساسیت بالایی هستند به طوری كه به مقادیر ناچیزی از هر گاز، گرما یا تشعشع حساسند. بالا بردن درجه حساسیت،‌ بهره و دقت این حسگرها نیاز به كشف مواد و ابزارهای جدید دارد. با آغاز عصر فناوری نانو، حسگرها نیز تغییرات شگرفی خواهند داشت. یكی از نامزدهای ساخت حسگرها، نانولوله‌ها خواهند بود. با نانولوله‌ها می‌توان،‌ هم حسگر شیمیایی و هم حسگر مكانیكی ساخت. به خاطر كوچك و نانومتر بودن ابعاد این حسگرها، دقت و واكنش آن ها بسیار زیاد خواهد بود، به گونه‌ای كه حتی به چند اتم از یك گاز نیز واكنش نشان خواهند داد.

تحقیقات نشان می‌دهد كه نانولوله‌ها به نوع گازی كه جذب آن ها می‌شود حساس می باشند؛ همچنین میدان الكتریكی خارجی،‌ قدرت تغییر دادن ساختارهای گروهی از نانولوله‌ها را دارد؛ و نیزمعلوم شده است كه نانولوله‌های كربنی به تغییر شكل مكانیكی از قبیل كشش حساس هستند. گاف انرژی نانولوله‌های كربنی به طور چشمگیری در پاسخ به این تغییر شكل‌ها می‌تواند تغییر كند. همچنین می‌توان با استفاده از مواد واسط، مانند پلیمرها، در فاصله میان نانولوله‌های كربنی و سیستم، نانولوله‌های كربنی را برای ساخت زیست حسگرها نیز توسعه داد. تحقیق در زمینه كاربرد نانولوله‌ها در حسگرها در حال توسعه و پیشرفت است و مطمئناً در آینده‌ای نه چندان دور شاهد بكارگیری آن ها در انواع مختلف حسگرها (مكانیكی، شیمیایی، تشعشی، حرارتی و ..) خواهیم بود.

نانولوله های کربنی جایگزین حسگرهای زیستی

حسگرهای زیستی از الکترودهای پوشیده شده از آنزیمهایی خاص، برای احساس ترکیباتی ویژه استفاده می کند. زمانی که ترکیبات واکنش آنزیم را دریافت می کنند سیگنالهای قابل محاسبه الکتریکی از خود ایجاد می کنند. نانولوله ها می توانند این میدان مطالعاتی را متحول کنند همانطور که دانشمندان در دانشگاه پوردو در حال مطالعه بر روی کاربرد نانولوله ها به عنوان حسگرهای زیستی هستند.

محققان برای اینکار باید ابتدا نانولوله ها را با آب سازگار سازند و از این رو محققان DNA ترکیبی را ایجاد کرده اند که درون مایع به نانولوله ها متصل می شود. به گفته دانشمندان دانشگاه پوردو در آینده می توان توالی از DNA را به وجود آورد که مکمل نانولوله ها بوده و می تواند جایگزین آنزیمها در حسگرهای زیستی شوند.

نمایشگرهای گسیل میدانی

بسیاری از متخصصان بر این باورند كه فناوری نمایشگرهای با صفحه  تخت امروزی از نظر هزینه، كیفیت و اندازه صفحه نمایش، برای مصارف خانگی مناسب نیستند. آن ها معتقدند كه با استفاده از نمایشگرهایی كه از نانولوله‌های كربنی به عنوان منبع انتشار استفاده می‌كنند، می توانند این مشكلات را بر طرف ‌كنند .

نانولوله‌های كربنی می‌توانند عنوان بهترین گسیل كننده میدانی را به خود اختصاص داده و ابزارهای الكترونی با راندمان وكارایی بالاتری تولید كنند. خصوصیات منحصر به فرد این نانولوله‌ها، تولیدكنندگان را قادر به تولید نوعی جدید از صفحه نمایش‌های تخت خواهد ساخت كه ضخامت آن ها به اندازه چند اینچ بوده و نسبت به فناوری‌های فعلی از قیمت مناسب‌تری برخوردار باشد. به علاوه كیفیت تصویر آن ها هم به مراتب بهتر خواهد بود.

در پدیده گسیل میدانی، الكترونها با استفاده از ولتاژ اندك از فیلم‌های ضخیم دارای نانولوله به سمت صفحه نمایش پرتاب شده و باعث روشن شدن آن می‌شوند. هر نقطه از این فیلم، یك پرتاب كننده الكترون (تفنگ الكترونی) كوچك است كه تصویر را روی صفحه نمایش ایجاد می‌كند. ولتاژ لازم برای نمایشگر گسیل میدانی از طریق صفحه نمایش صاف متكی بر نانولوله‌ نسبت به آنچه به صورت سنتی در روش اشعه كاتدی استفاده می‌شد، كمتر می‌باشد و این نانولوله‌ها با ولتاژ كمتر، نور بیشتری تولید می‌كنند.

حافظه‌های نانولوله‌ای

به دلیل كوچكی بسیار زیاد نانولوله‌های كربنی ‌(كه در حد مولكولی است)، اگر هر نانولوله‌ بتواند تنها یك بیت اطلاعات در خود جای دهد، حافظه‌هایی كه از این نانولوله‌ها ساخته می‌شوند می‌توانند مقادیر بسیار زیادی اطلاعات را در خود ذخیره نمایند. با در نظر داشتن این مطلب، بسیاری از محققان در حال كار بر روی ساخت حافظه‌های نانولوله‌ای می‌باشند؛ بنابراین رؤیای ساخت رایانه‌های با سرعت بالا عملی خواهد شد.

از كاربردهای دیگر نانو لوله ها می توان به امكان ذخیره هیدروژن در پیل‌های سوختی، افزایش ظرفیت باتری‌ها و پیل‌های سوختی، افزایش راندمان پیل‌های خورشیدی، جلیقه‌های ضدگلوله سبك و مستحكم، كابل‌های ابررسانا یا رسانای سبك، رنگ‌های رسانا،‌ روكش‌‌های كامپوزیتی ضد رادار، حصار حفاظتی الكترومغناطیسی در تجهیزات الكترونیكی، پلیمرهای رسانا، فیبرهای بسیار مقاوم، پارچه های با قابلیت ذخیره انرژی الكتریكی جهت راه اندازی ادوات الكتریكی، ماهیچه‌های مصنوعی با قدرت تولید نیروی 100 مرتبه بیشتر از ماهیچه‌های طبیعی، صنایع نساجی، افزایش كارایی سرامیك‌ها، مواد پلاستیكی مستحكم، تشخیص گلوكز، محلولی برای اتصال درونی تراشه‌های بسیار سریع، مدارهای منطقی و پردازنده‌های فوق سریع، كمك به درمان آسیب‌دیدگی مغز، دارورسانی به سلول‌های آسیب دیده، از بین بردن تومورهای سرطانی، تجزیه هیدروژن، ژن‌درمانی، تصویربرداری، SPM، FEM، محافظ EMT، حسگرهای شیمیایی ، SET و LED، پیل‌های خورشیدی و نهایتاً LSI اشاره كرد. البته در چند مورد اخیر بیشتر از نوع تك جداره آن استفاده می‌شود.

نانولوله های کربنی با این گستره كاربردها می‌تواند در آینده‌ای نه چندان دور بازار بزرگی را به خود اختصاص داده و زندگی بشر را تحت تأثیر خود قرار دهد.

فناوری نانو وبخش کشاورزی (2)

کاربرد فناوری نانو در کشاورزی دقیق

کشاورزی دقیق که همواره آرزویی دیرینه بوده است، کمک می‌کند که بتوان با کم‌ترین ورودی (کودها، آفت کش‌ها، علف کش‌ها و...) بیشترین خروجی (عملکرد محصولات) را به دست آورد؛ این هدف با بررسی متغیرهای محیطی و عملکردهای هدفمند قابل دستیابی است. در کشاورزی دقیق با استفاده از رایانه‌ها، سیستم‌های ماهواره‌ای مکان یاب جهانی (GPS) و دستگاه‌های حسگر کنترل از راه دور، می‌توان در مورد کیفیت رشد محصولات کشاورزی، تشخیص دقیق طبیعت منطقه و مشکلات آن، تصمیم صحیح گرفت. حسگرهای کوچک و سیستم‌های کنترل و پایش که با کمک فناوری نانو ساخته شده‌اند، می‌توانند تأثیر مهمی بر این شیوه جدید کشاورزی داشته باشند.

یکی از نقش‌های اصلی ابزارهای مبتنی بر فناوری نانو، افزایش استفاده از حسگرهای خودکاری است که برای کنترل بلادرنگ به دستگاه‌های GPS متصل می‌شوند. این نانو حسگرها می‌توانند در سراسر کشتزار بخش شده و شرایط خاک و رویش محصول را کنترل و تنظیم کنند. بطور كلی كشاورزی‌ دقیق را می توان یك نوع نگرش جدید در مدیریت مزرعه دانست. امروزه با استفاده از نانو حسگرها مشخص می شود كه هر قسمت كوچك از مزرعه به چه میزان عناصر غذائی و سم نیاز دارد و بدین وسیله از آلودگی‌ محیط زیست جلوگیری‌کرده ، سلامت محصولات و افزایش بازده اقتصادی‌ راممكن می سازد. نانو حسگرها می توانند با کنترل دقیق و گزارش دهی به موقع نیاز های گیاهان به مرکز پردازش اطلاعات سیستم را در نگهداری محصولات یاری نماید.

ساختارهای نانویی همچنین می توانند گلخانه هایی در حجم كم اما انبوه پدید آورند كه تقریباً با اندازه ای برابر 10 درصد كل مزارع زیر كشت در حال حاضر ، می توانند جمعیت كنونی جهان را تغذیه نمایند. در این صورت میلیونها هكتار از زمین های كشاورزی به محیط های طبیعی برای سكونت حیوانات در سراسر جهان باز گردانده می شوند .با استفاده از این ساختارها می توانیم گلخانه‌های كم‌هزینه‌تر با هدف صرفه‌جویی در مصرف انرژی و دوام بیشتر در برابر رطوبت داشته باشیم.

کاربردهای فناوری نانو در گیاه پزشکی

همه ما میدانیم که پیشگیری بر درمان مقدم است. بیماری های گیاهی نیز از روی علائمی مانند تغییر رنگ یا تغییر شکل اندام ها شناسایی می شوند ولی مسئله اینجاست که این علائم مدتها پس از ورود عامل بیماری به بافت گیاه بروز پیدا می کنند به همین خاطر با سریعترین اقدام ها برای جلوگیری از شیوع بیماری باز هم مقداری از محصول از بین می رود. در نتیجه نیاز به ابزاری که به کمک آن بتوان در همان مراحل ابتدایی ورود عامل بیماری، آن را کنترل و مهار کرد بسیار ضروری به نظر میرسد. نانو حسگرهای زیستی ابزارهایی هستند که از تلفیق ابزارهای شیمیایی، فیزیکی و زیستی بدست آمده اند. این نانوحسگرها شامل ترکیبات زیستی مانند یک سلول، آنزیم و یا آنتی بادی متصل به یک مبدل انرژی هستند و قادرند که تغییرات ایجاد شده در مولکول های اطراف خود را گزارش دهند. این گزارش ها توسط سیگنالهایی که مبدل انرژی به تناسب با مقدار آلودگی تولید میکند دریافت می شوند. بنابراین اگر تجمع زیادی از عامل بیماری در اطراف این حسگرها وجود داشته باشد سیگنال های قوی فرستاده می شوند. ارزیابی حضور آلاینده ها در محیط توسط حسگرها در چند دقیقه میسر است اما با استفاده از روش های رایج حداقل 48 ساعت زمان برای تشخیص نیاز است.

شیوه های کنونی برای بررسی سلول ها بسیار ابتدایی است و دانشمندان برای شناخت آنچه که در سلول اتفاق می افتد ناگریزند سلول ها را از هم بشکافند و در این حال بسیاری از اطلاعات مهم مربوط به سیالهای درون سلول یا ارگانهای موجود در آن از بین می رود. پیشرفت های فناوری نانوبطور خاص مطالعات بنیادی زیست شناسی را تقویت خواهد کرد.محققان امیدوارند در آینده ای نه چندان دور با استفاده از نانوفناوری موفق شوند فعالیت اجزای هر سلول را تحت کنترل خود در آورند.هم اکنون گام های بلندی در این زمینه برداشته شده ، به عنوان نمونه دانشمندان میتوانند فعالیت پروتئین ها و مولکول D.N.A را در درون سلول کنترل کنند.به کمک فناوری نانوروش جدیدی برای بررسی بیان ژن و آنالیز mR.N.A سلولهای زنده بدون مرگ یا تخریب آنها با استفاده از میکروسکوب نیروی اتمی AFM ارائه شده است.

حسگرهای هوشمند و سیستم‌های حمل هوشمند

به منظور ردیابی و مبارزه ی سریع و مفید با ویروس‌ها و سایر عوامل بیماریزا گیاهی به کار می روند.

تیمار مولكولی بیماریها، ردیابی سریع بیماریها، افزایش توانمندی گیاهان برای جذب مواد مورد نیاز

 سموم هوشمند در ابعاد نانو

 از بین تدابیر موجود در مدیریت آفات کشاورزی استفاده از آفت کش ها و سموم سریعترین و ارزان ترین روش برای واکنش به یک وضعیت اضطراری است.

روش های کنترل زیستی در حال حاضر بسیار هزینه بر هستند. در این روش ها کنترل آفت از طریق یکی از دشمنان طبیعی آن آفت صورت می گیرد. امروزه مصرف بی رویه آفت کش ها مشکلات زیادی را ایجاد کرده اند این مشکلات شامل اثرات سوء بر سلامت انسان (ایجاد مسمومیت های حاد یا بیماری های مزمن)، تاثیر این مواد بر حشرات گرده افشان و حیوانات اهلی مزارع و همچنین ورود این مواد به آب و خاک و تاثیر مستقیم و غیر مستقیم آن در این نظام های زیستی می باشد. مصرف بی رویه آفت کش ها محصولات کشاورزی را نیز به منبع ذخیره سم تبدیل می کند مهمترین سوال در زمینه استفاده از آفت کش ها این است که: چقدر از این سموم استفاده کنیم؟ استفاده از سموم هوشمند در ابعاد نانو می تواند راه حل مناسبی باشد. این سموم که قابلیت حرکت در گیاه را دارند در بسته هایی که حاوی نشانی خاصی هستند قرار می گیرند. برچسب نشانی یک کد مولکولی است که بر روی بسته نصب شده و به بسته اجازه میدهد که به بخشی از گیاه که مورد حمله عامل بیماری یا آفت قرار گرفته تحویل داده شود. این ناقلین در ابعاد نانو همچنین دارای خود تنظیمی نیز می باشند به این معنی که سموم فقط به میزان لازم به بافت گیاهی تحویل داده می شود. دقت در ردیابی بافت هدف و میزان اندک اما موثراین سموم باعث می شود استفاده از سموم در کشاورزی به حداقل برسد.

      ادامه دارد...

فناوری نانو وصنعت نفت وگاز (2)

قسمت اول

صنعت نفت و گاز در ایران قدمت زیادی دارد و با بهره مندى از این منابع عظیم توانسته است، جایگاه ویژه اى  را براى کشور به وجود آورد. تلاش براى  دستیابى به فناوری و بهبود وضعیت موجود در این صنایع امرى است که بایدبه آن توجهى ویژه کرد. به همین دلیل، صنایع نفت، گاز و پتروشیمى نیز کمابیش از دایره نفوذ فناوری نانو دور نمانده و فناوری نانو در این محدوده نیز وارد شده است.

کاربرد فناوری نانو در بهره برداری از چاه ها

عملیات بهره برداری از چاه ها، شامل کلیه فعالیتهایى است که منجر به تولید، حفظ و افزایش آن می شود. در این مورد می توان به انجام آزمایشهای مورد نیاز چاه ها و عملیات بهبود چا ه هامانند )اسیدکاری، مشبک کاری، مسدودسازی، مانیتور نمودن وضعیت فشار و دبی) اشاره کرد. فناور ی نانو می تواند نقش بسیار حیاتی را در هر کدام از این بخشها ایفا کند. عمده این نقش، تغییر در ساختار ابزار و مواد مورد استفاده در این عملیات است . به طور یقین، استفاده از فنآوری نانو می تواند موجب تسهیل و تسریع عملیات و در نهایت منجر به افزایش تولید از چاه ها شود.

از کاربردهای فناور ی نانو در بهره برداری از چاه ها می توان به موارد ذیر اشاره کرد.

کاربرد درپایش وضعیت چاهها

یکی از عملیات مهم در بهر ه برداری از چا ه ها ثبت اطلاعات دقیق از وضعیت چا ه ها از قبیل فشار، دما و دبی در سرچاه و یا در ته چاه است. اطمینان از صحت عملکرد  وسایل انداز ه گیری اهمیت ویژ های دارد.

محققان در آزمایشگاه فوتونیک دانشگاه  ویرجینیا، در حال توسعه ى انواع خاصی از حسگرهای قابل اعتماد و ارزان، از فیبرهای نوری براى اندازه گیری فشار، دما، جریان نفت و امواج آکوستیک در چا ه ها هستند. این حسگرها به علت مزایایی نظیر انداز ه ى کوچک، ایمنی در قبال تداخل الکترومغناطیسی، قابلیت کارآیی در فشار و دمای بالا و محیط های دشوار، بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. از همه مهمتر این که، امکان جایگزینی و تعویض این حسگرها بدون دخالت در فرآیند تولید نفت و با هزینه ى مناسب فراهم میشود. در حال حاضر عمل جایگزینی و تعویض حسگرهای قدیمی در چا ههای نفت هزینه هاى هنگفتى در پی دارد. حسگرهای جدید از نظر تولید، بسیار مقرون به صرفه بوده و انداز ه گیر یهای دقیق تری را انجام می دهند. انتظار می رود که فناوری این حسگرها تولید نفت را با ارایه انداز ه گیری های دقیق و قابل اعتماد و کاهش ریسکهای همراه با اکتشاف و حفاری نفت بهبود بخشد.

هم چنین حسگرهای مذکور به علت توانایى کاربرد در موارد ویژه نظیر استخراج دریایی و افقی نفت جایی که به کاربستن حسگرهای قدیمی در چنین شرایطی بسیار مشکل می باشد از توجه خاصی برخوردارند.

کاربرد در عملیات مشبک کاری

قسمت عمده تکمیل یک چاه، مشبک کردن لایه تولیدی آن در صورت نیاز  است. این عمل، یعنی برقرار کردن ارتباط بین لایه تولیدی و داخل چاه، با سوراخ کردن جداره پوششی  چا ه صورت می پذیرد. امروزه به دو صورت جداره پوششی را مشبک میکنند: یکی توسط گلوله های خاصى که با یک روش مشخص از داخل چاه به سمت دیواره فلزی آن(در عمق مورد نظر( پرتاب می شود و دیگری به وسیله ى شهاب فلزی که با استفاده از باروت به وجود می آید. طرز عمل هر دو تقریباً مشابه است و فقط نوع گلوله ها متفاوت است. امروزه عملیات شهاب فلزی معمول است که در آن از دو فلز با جنس های متفاوت و مواد منفجره)برای تولید نیروی کافی(بهره گرفته مى شود.

انجام عملیات مشبک کاری به نوع مواد منفجره، جنس گلوله، نوع سنگ و ... بستگی دارد. با مشبک کاری، لوله ى جداری یا آستری و سیمان پشت آن و نیز بخشی از لایه ى مربوط به آن سوراخ می شوند. سپس نفت یا گاز از طریق سورا خهای ایجاد  شده به درون چاه راه پیدا می کند.

پیشرفتهای اخیر در زمینه مهندسی سطح با استفاده از پوشش های هوشمند و فناور یهای پوشش دهی، اصطکاک و سایش را در تما س های سطحی، بهتر کنترل مى کند. پوششهاب به علت جذب سولفورها و فسفرها ویسکوزیته را کاهش داده و خاصیت روانروی را در سیال تقویت مى کنند.

در سا لهای اخیر گونه ای از پوشش های نانو ساختار تولید شده که از فازهای فلزی  و سرامیکی تشکیل شده اند. پوششهاى مذکور به علت دارا بودن ساختار نانو و یکنواختى یکسان آنها در طول پوشش، داراى قابلیت چندکارگى نیز هستند.  این پوششها علاوه بر سختی بالا، ضریب اصطکاک پایین، خواص هدایت الکتریکی یا حرارتی زیادی دارند.

کاربرد در عملیات سیما ن کاری

سیما ن کاری دقیق لوله های جداری در عملیات حفاری از اهمیت ویژ ه ای برخوردار است، به طور یکه اگر کیفیت سیما ن بندی پایین باشد، مشکلات عدید ه ای در زمان تولید از چاه به وجود خواهد آمد. لوله‌های جداری توسط سیمان به جداره چاه می‌چسبند و محکم می‌شوند. در این فرآیند ابتدا لوله‌های جداری به یکدیگر وصل می‌شوند و تا انتهای چاه رانده می‌شود. سپس سیمان از ته چاه به پشت لوله‌های جداری (فضای بین لوله‌های جداری و دهانه چاه) پمپ می‌شود و تا سطح زمین بالای می آید.نوع سیما نهای مورد استفاده  عملیات سیما نکاری به نوع عملیات و وضعیت چاه و لایه ها بستگی دارد. سیمان باید خواصی مانندگیرش، پمپ شوندگی، ویسکوزیته مناسب و سختی نهایی قابل کنترلی را داشته باشد. خصوصیات مذکور را مى توان با استفاده از نانوافزودنیها تأمین کرد.   نانوذرات با اضافه شدن به سیمان به خاطر خواص میا ن کوانتومی و توده مواد، باعث به وجود آمدن کیفیت مناسب آن می شوند. یکی از خصوصیات بارز این ذرات آن است که پس از اضافه شدن، تمام مخلوط یکسان شده و به تبع آن باعث یکنواختى خواص سیمان می شود.

ازدیاد برداشت نفت با استفاده از فناوری نانو

روند اکتشاف حوزه‌های نفتی در حال کاهش است و بسیاری از مخازن نفتی نیز در انتهای بازه تولید خود قرار دارند. اهمیت اصلاح و بهبود روش‌های ازدیاد برداشت از این روست که در بسیاری از مخازن نفتی دنیا حدود دو سوم از نفت مخزن درون آن و بدون استفاده باقی می‌ماند و به کمک روش‌های مرسوم نمی‌توان آن را برداشت کرد حضور فناوری نانو در این بخش می‌تواند به افزایش بازدهی مخازن انرژی کمک شایانی نماید.

پوشش‌های مایع نانوساختار به عنوان عایق حرارت و ضدخوردگی

خصوصیت ویژه این محصول، مایع بودن آن است که امکان استفاده از آن را بر روی سطوح فلزی و غیر فلزی توسط پیستوله، برس و رول‌های نقاشی فراهم می‌کند. همچنین در اندازه نانو بودن ذرات این پوشش‌ها باعث می‌شود که بیشترین نفوذ در حفره‌های سطحی، که عملیات پوشش دهی بر روی آن انجام می‌شوند، را ایجاد کنند و چون ابعاد ذرات این پوشش‌ها در حد میلی میکرون است، هم از فضا و هم از مواد به میزان صحیحی استفاده می‌شد. علاوه بر این، تراکم این لایه‌های نازک به حدی است که میزان تخلخل در آن بسیار کم بوده و عواملی که سبب خوردگی می‌شوند، نیز نمی‌توانند در این لایه‌ها نفوذ کنند. ضمناً چسبندگی این نوع پوشش به ماده هدف بسیار مناسب بوده و استحکام پوشش بسیار بالا است و همچنین به دلیل توزیع یکنواخت پوشش، پراکنش لایه نازک اختلاف پتانسیل را از بین برده و نیروی محرکه برای شروع خوردگی را از بین می‌برد.

  ادامه دارد...

حیات مجدد دندان‌های پوسیده با فناوری نانو

فناوری نانو و دندانپزشکی (2)

قسمت اول

فناورى نانو می تواندساخت و تولید موادى در مقیا سهاى كوچك (درحد نانو) را به عهده گیرد كه در علم دندان پزشكی مورد استفاده  قرار گرفته و به پایدارى و استحكام دندا نها كمك نمایند. با توجه به امكان دستكارىدر عمده خواص مواد به كمك فناورى نانو،می توان به ساخت محصولات باكیفیت تر و بهره ورى بیشترامیدوار بود. این یك ایده نوین در جهت پیشرفت علم دندان پزشكى و فناورى نانو در كنار یكدیگراست.

استفاده از نانو ذرات در ترمیم دندان

زیبایی امروزه در دندانپزشكی ترمیمی جایگاه ویژه‌ای دارد و استفاده از نانوذرات در این راه ایده‌آل به نظر می‌رسد. زیبایی زیاد به خصوص كه دارای كاربردی راحت و سریع نیز است، مهمترین ویژگی‌ آن‌ها محسوب می‌شود.

از جمله مزایای استفاده از نانوذرات در ترمیم دندان‌ها می‌توان تولید پركننده‌ها با جلای بالا، حداقل زمان جلا دادن، پایداری و مقاومت مواد نسبت به ضربات مكانیكی، كمترین چسبندگی به ابزارها و امكان دقیق تطابق رنگ را نام برد.در ادامه به عنوان نمونه کاربرد نانو ذرات رادر محصولات تعدادی از شر کت ها بیان می کنیم.

شركت 3M نانو كامپوزیتی به نام Filtek Supreme تولید می‌كند كه در ترمیم دندان‌ها كاربرد دارد. این كامپوزیت‌ دارای 3 ویژگی برجسته است كه مورد توجه دندانپزشكان و مریض‌ها قرار گرفته كه استفاده راحت، زیبایی منحصر به فرد، كیفیت بالا از مزایای آن است. این محصول به 3 شكل كیت مقدماتی (افراد تازه‌كار)، كیت افراد حرفه‌ای و كیت كامل محصولات عرضه می‌شود.

شركت Altair‌دارای فناوری منحصر به فردی در تولید مواد نانوكریستالی در سطح وسیع با كیفیت بالا و قیمت مناسب است. این شركت موفق به تولید نانوذرات اكسید زیركونیوم شده كه از جهت كاربرد در دندانپزشكی این ذرات دارای استحكام بالا و شفافیت نسبت به نور بوده ولی مانع از عبور اشعه ایكس می‌شود و لذا در مواردی كه دندان‌های پر شده با اشعه UV معالجه می‌شوند، بسیار مناسب است.

نانوذراتی كه در شركت كره‌ای Sukgyung تولید می‌شوند دارای كاربردهای وسیع و كارایی بالا هستند. DM یك سیلیكاژل بسیار خالص است كه به روس سل-ژل در این شركت تولید می‌شود كه ذرات آن به هم نمی‌چسبند و بدون تخلخل و دارای وزن حجمی بالا هستند.DM برای مصارف انسانی بی‌ضرر بوده و آمیزش پذیری بالایی با رزین‌های با كارایی بالا دارد. با توجه به این ویژگی‌ها، امكان استفاده از این مواد در دندانپزشكی به عنوان پركننده فراهم شده است.

گروه Nanoproducts محصولی با نام تجاری PurNano از نانوذرات سیلیكونی تولید كرده است كه در صورت استفاده در نانو كامپوزیت‌های دندانپزشكی، باعث سختی بیشتر، قدرت خمش افزایش یافته، شفافیت و ایجاد ظاهری جذاب‌تر می‌شوند. به علاوه استفاده از این نانوذرات میزان شكنندگی مواد پركننده را به اندازه 50 درصد كاهش می‌دهد.

Amazon نام كامپوزیت سرامیكی است كه محصول شركت آمریكایی Medidenta است. این كامپوزیت سرامیكی حاوی نانو و میكروذرات هیبریدی سرامیك است. ادعا شده است این كامپوزیت‌ توانسته است كه زیبایی، دوام و خواص فیزیكی مواد هیبریدی را با خاصیت جلاپذیری میكروفیل‌ها همراه سازد. درجات متغیر كدورت این فرآورده امكان ایجاد رنگ مشابه دندان طبیعی را فراهم می‌سازد.

شركت Pentron تولیدكننده یك نانوكامپوزیت‌ به نام Sculpture است. از این نانوكامپوزیت می‌توان در انوع ترمیم‌های دندانپزشكی بدون استفاده از آلیاژهای فلزی استفاده كرد. این كامپوزیت‌ نانوهیبریدی باعث جلاپذیری و زیبا شدن كامپوزیت‌های میكروفیل شده و باعث تقویت، استحكم، كاهش سایش و افزایش مقاومت در برابر زنگ‌زدگی كامپوزیت‌ هیبریدی می‌گردد. POSS نام ماده‌ای سیلیكونی دیگر است كه بر اساس نانوتكنولوژی در این شركت ساخته شده است و باعث بهبود خواص گرمایی و مكانیكی پلیمرهای رایج می‌شود و لذا از آن به راحتی در طی فرآیند تولید پلیمرها به صورت مستقیم می‌توان استفاده كرد. از این ماده می‌توان به عنوان جایگزین مواد با پایه هیدروكربنی یا مواد افزودنی با وزن حجمی كم در پلاستیك‌های رایج استفاده كرد.

این مواد دارای سازگاری زیستی، قابلیت بازیافت، عدم احتراق و قیمت مناسب هستند. Simile نام محصول دیگر این شركت است. این نانوكامپوزیت نیز دارای مزایای متعددی است. به دلیل داشتن نانوفیلرها در اثر استفاده از این كامپوزیت‌ سطوح صافتری ایجاد می‌شود كه امكان جلاپذیری آنها بیشتر است.از طرفی به دلیل داشتن نانوفیلرها جلای بیشتری با مصرف آن ایجاد می‌شود. خواص فیزیكی مناسب جهت كاربرد در قسمت های خلفی ،فرسایش كمتر جهت انجام ترمیم های درازمدت ،سائیدگی كمتر ،عدم چسبیدن به وسایل جهت راحتی كار ،عدم سفت شدن در صورتی كه كنار گذاشته شود ،زیبایی فوق العاده و طبیعی از دیگر مزایای این محصول است.

تجدید حیات دندان‌های پوسیده با فناوری نانو

محققان به وسیله فناوری نانو این امید را ایجاد کرده اند که می توان به دندان مشکل دار و مرده حیاتی دوباره بخشید. گروهی از محققین با ساخت ماده ای نرم ومشابه پالپ از جنس نانو مدعی شده اند به جای استفاده از روش های مرسوم می توان با پر کردن دندان با پالپ جدید دندان را ترمیم نمود.

محققین در Regenerative endodontics همچنین با نوعی جدید از دنتال فیلم در ابعاد نانو می گویند می توان در فرایند کانال تراپی به نتایج فوق العاده ای دست یافت و دندان را به زندگی مجدد برگرداند. به گفته نادیا جسیل از محققان این پروژه با این روش از تخریب دندان میلیون ها نفر در دنیا می توان جلوگیری نمود. در طول معالجه دندان، پزشک پالپ معیوب را بر می دارد اما اگر بتوان به جای برداشتن پالپ آنرا با پالپ نانویی عوض کرد، آنوقت انقلابی بزرگ در دندان پزشکی بوجود می آید.

دانشمندان از ترکیب ماده ای بنام آلفا ملانوسیت Alpha-MSH یا هورمون محرک با نوعی پلیمر که خاصیت جنگندگی با باکتری را داراست به ماده جدید دست یافته اند.این ماده جدید نوعی پالپ مصنوعی با همان ویژگی طبیعی است. نانو فیلم حاصل از این فناوری نیز که دارای آلفا ملانوسیت است، می تواند در تجدید حیات دندان آسیب دیده کمک فراوانی نماید و حتی روش کانال تراپی و فرایند آنرا کاملا تغییر دهد. در واقع دورن پالپ فیبروبلاست است که میکروبی شده و باعث تخریب در دندان می شود. ماده ساخته شده نیز به ترمیم و محافظت دائمی از پالپ بر می خیزد.

کانال ریشه فضایی درون دندان است که به قسمت نرم آن پالپ می گویند.پالپ در واقع سیستم عصبی و رگهای خونی را شامل می شود که هرنوع آسیبی (مانند شکستن دندان و ...)که بدان برسد باکتری می تواند دورن آن رشد و نمو کرده و میکروب خود را در آن توسعه دهد. باکتری منجر به عفونت شده و اگر درمان نشود کل دندان را مورد تهدید قرار می دهد. به طور معمول کانال تراپی ریشه خالی کردن درون دندان از میکروب و باکتری ها و محتویات آسیب رسان ومهر و موم کردن آن با ماده ای سخت است تا از نفوذ میکروب در آینده جلوگیری شود. در طول سالیان گذشته هر نوع دندانی که از قسمت پالپ خراب شده و یا آسیب می دیده پالپ آن کشیده می شده و مابقی دندان سر جای خود باقی می مانده است.

کانال ریشه چیست؟ "کانال ریشه" فضایی درون ریشه دندان است که درون آن پالپ وجود دارد. محتویات کانال ریشه و تاج دندان را پالپ می گویند. پالپ دندان محتویات درون دندان را می سازد.البته این قسمت پالپ روزگاری در دوران جنینی یا ابتدای زندگی تمام قسمتهای دندان شانل مینا و عاج را ساخته است و خود اکنون درون عاج محصور شده  است. محتویات پالپ دندان عبارتند از: رگهای خونی ,لنف و اعصاب مختلف, مایع میان بافتی. عصب دندان تنها یکی از اجزای پالپ می باشد ولی ظاهرا برای بیماران تمام محتویات کانال می باشد.پالپ دندان به دو قسمت تاجی و ریشه ای تقسیم می شود. وظایف پالپ عبارت است از :تغذیه دندان, انتقال حس دندان و مهمتر از همه ساخت و رسوب دادن نسوج دندانی که البته این آخری تا آخر عمر ادامه دارد.دقیقا به همین دلیل است که پالپ سن جوانی بسیار وسیع تر از پالپ در سنین بالا است که این نیز به دلیل رسوب پشت سر  هم عاج در طول پالپ می باشد که رفته رفته حفره پالپ را کوچکتر می کند. اصولا هر فرایندی که باعث از بین رفتن و به اصطلاح درگیر شدن پالپ در فرایند نکروز می شود نیاز به روت کانال تراپی را نیز به دنبال خواهد داشت.حال این علت می تواند پوسیدگی باشد و یا حتی دندانهایی وجود دارند که دچار پوسیدگی نیستند ولی به دلیل تروما و یا علل نامعلوم پالپ دندان فرایند انهدام را طی می کند و این نیز محیط میکروبها را مهیا نموده و عفونت دندانی آغاز می شود در این شرایط است که باید محتویات کانال خالی شده و طوری مهر و موم شود که میکروبها نتوانند به آن محیط نفوذ کنند.

      ادامه دارد...

فناوری نانو وصنعت نفت وگاز (1)

از آنجایی که قدرت و پایداری مواد در صنایع نفت و گاز از اهمیت فراوانی برخوردار است، ساخت مواد در مقیاس نانو با دقت بسیار زیاد نه تنها زمین شناسان و مهندسان را قادر می‌سازد ابزارهایی که از آن‌ها استفاده می‌شود را کوچک‌تر سازند بلکه در تولید و ساخت مواد با کیفیت آن‌ها را یاری می‌کند.

کاربردهای فناوری نانودر کشف کاهش آلودگی

آلودگی توسط مواد شیمیایی و یا گازهای آلاینده یك مبحث بسیار دشوار در تولید نفت و گاز می‌باشد. نتایج بدست‌آمده از تحقیقات دانشمندان حاكی از آن است كه فناوری نانو می‌تواند تا حد مطلوبی به كاهش آلودگی كمك كند. در حال حاضر فیلترها و ذراتی با ساختار نانو در حال توسعه می‌باشند كه می‌توانند تركیبات آلی را از بخار نفت جدا سازند. این نمونه‌ها علیرغم اینكه اندازه‌ای در حدود چند نانومتر دارند، دارای سطح بیرونی وسیعی بوده و قادر به كنترل نوع سیال گذرنده از خود می‌باشند. همچنین كاتالیست‌هایی با ساختار نانو جهت تسهیل در جداسازی سولفید هیدروژن، آب، مونوكسیدكربن، و دی‌اكسید كربن از گاز‌طبیعی در صنعت نفت بكار گرفته می‌شوند. در حال حاضر مطالعاتی بر روی نمونه‌هایی از خاك رس در ابعاد نانو و جهت تركیب با پلیمرهایی صورت می‌پذیرد كه بتوانند هیدروكربن‌ها را جذب نمایند. بنابراین می‌توان باقیمانده‌های نفت را از گل حفاری جدا نمود.

نانوسنسورها در خدمت بهبود استخراج نفت

با توجه به دما و فشار زیاد در محیط‌های سخت زیرزمینی، سنسورهای قدیمی الكتریكی و الكترونیكی و سایر لوازم اندازه‌گیری قابل اعتماد نمی‌باشند و در نتیجه شركت‌های استخراج‌ كنندة‌ نفت در تهیة ‌اطلاعات لازم و حساس جهت استخراج كامل و مؤثر نفت از مخازن از نانو سنسورها استفاده کنند.

در حال حاضر محققان در حال توسعة یك‌سری نانوسنسورهای قابل اعتماد و ارزان از فیبرهای نوری جهت اندازه‌گیری فشار، دما، جریان نفت و امواج آكوستیك در چاه‌های نفت می‌باشند. این نانو سنسورها به‌علت مزایایی نظیر اندازه كوچك ،‌ایمنی در قبال تداخل الكترومغناطیسی ، قابلیت كارآیی در فشار و دمای بالا و همچنین محیط‌های دشوار، مورد توجه بسیار قرار گرفته‌اند. از همه مهم‌تر اینكه امكان جایگزینی و تعویض این نانوسنسورها بدون دخالت در فرآیند تولید نفت و باهزینه‌ مناسب فراهم می‌باشددرحالی که عمل جایگزینی و تعویض سنسورهای قدیمی در چاه‌های نفت میلیون‌ها دلار هزینه در پی دارد. نانوسنسورها از نظر تولید بسیار مقرون ‌به صرفه بوده و اندازه‌ گیری‌های دقیق‌تری ارائه می‌دهند.

انتظار می‌رود كه تكنولوژی این نانوسنسورها تولید نفت را با ارائه اندازه‌گیری‌های دقیق و قابل اعتماد و كاهش ریسك‌های همراه با اكتشاف و حفاری نفت بهبود بخشد. همچنین این نانوسنسورها به‌علت برخی كاربردهای ویژه نظیر استخراج دریایی و افقی نفت، جایی كه بكاربستن سنسورهای قدیمی در چنین شرایطی بسیار مشكل می‌باشد، از توجه ویژه‌ای برخوردارند.

نانوسنسورها در لرزه نگاری بهتر

یکی از کاربردهای فناوری نانو در صنایع  نفت و گاز، استفاده از آن در لرز ه نگاری است. عملیات لرز ه نگاری با ایجاد انفجار در نقاط مختلف روی زمین و سپس ثبت شدت و دامنه لرز ه های ایجاد شده، توسط دستگا ه هایی خاص انجام میشود. از اطلاعات لرز ه نگاری می توان؛ ساختار کلی لایه های زمین، محدوده مخزن، نوع سیال(اعم از گاز، آب یا نفت و ...) را به دست آورد. دریافت اطلاعات در عملیات لرزه نگاری توسط سنسورهای خاصی صورت می گیرد.  به نظر میرسد با ساخت نانوسنسورها میتوان ثبت لرز ه ها را به صورت دقیقتر انجام داد؛ زیرا امکان وارد کردن این سنسورها  در لایه های مختلف زمین و ثبت لرز ه ها در موقعیتهای گوناگون وجود دارد. فناوری نانو می‌تواند علاوه بر پیشرفت فوق با نانوساختار کردن ژئوفون ها (لرزه نگارهای کوچک )به عملکرد سریع و ثبت اطلاعات صوتی دقیق‌تر در روی سطح زمین منجر گردد.

کاربرد فناوری نانو در ابزار مربوط به عملیات اکتشاف نفت و گاز می تواند به دریافت اطلاعات دقیقتر و به خصوص اخذ اطلاعات از اعماق بسیار زیاد و به تبع آن شناخت جامعتر مخازن کمک کند.

نانوسنسورها برای نمودار گیری دقیق‌تر از چاه

از نانوسنسورها برای تحلیل پرتوها به صورت دقیق، به خاطر سطح ویژه بالای آن‌ها، استفاده می‌شود. این نانوسنسورها علاوه بر این کارکرد، وظیفه تعیین جنس لایه‌ها و تضمین خواص سیال را نیز خواهند داشت. این سنسورها به علت مزایایی نظیر اندازه کوچک، ایمنی در قبال تداخل الکترومغناطیسی، قابلیت کارایی در فشار و دمای بالا و محیط‌های دشوار، در صنعت نفت مورد توجه بسیار قرار گرفته‌اند. همان طور که گفتیم نانوسنسورهای  از نظر تولید بسیار مقرون به صرفه خواهند بود.

کاربرد فناوری نانو در حفاری و تولید

با کاهش منابع در دسترس صنعت اکتشاف و تولید نفت و گاز به دلیل افزایش عمق عملیاتی، خطرات و مشکلات مربوط به زمین شناسی زیر سطحی با افزایش عمق، حرکت افقی برای رسیدن به حداکثر تولید، پیچیدگی عملیات حفاری و شکل پروفایل دهانه چاه یا تعداد شعبه‌های خروجی از دهان اصلی برای رسیدن به حداکثر تماس با مخزن، با چالش‌هایی روبرو شده است. در تمامى فرآیندهاى حفاری چا ههای نفت و گاز، به موادی مستحکم و مطمئن احتیاج است.  با ساخت مواد در مقیاس نانو میتوان تجهیزاتی سبکتر، مقاو م تر و محکمتر از محصولات فعلى را تولید کرد.   دو کاربرد عمده فناوری نانو در عملیات حفاری؛ ساخت سیالات و ابزار حفاری است که در ادامه به آنها اشاره خواهد شد.

ابزارهای حفاری بسیار مقاوم

بیشترین تنش طی عملیات حفاری، به مته‌های حفاری وارد می‌شود. مته‌های حفاری، جزء قسمت‌های از رشته حفاری هستند که مرتباً در حال فرسایش می‌باشند و پس از حفر یک متراژ مشخص، کارایی خود را از دست می‌دهند و بایستی جایگزین شوند. مواد جدیدی که مته‌ها را در برابر خوردگی و فرسایش مقاوم‌تر نمایند در این بخش بسیار مفید هستند. لذا در این بخش می‌توان با استفاده از نانوکامپوزیت ها، نانوساختارها و نانولوله های کربنی، مته‌های حفاری بادوام و مستحکم‌تری را تولید کرد. همچنین با استفاده از نانوالماس ها که به صورت مصنوعی ساخته می‌شود می‌توان بازده حفاری را به میزان زیادی افزایش داد.

گل‌های حفاری با کارایی بیشتر

گل حفاری نقش بسیار عمد ه ای در تسریع یا تأخیر انجام عملیات حفاری دارد. گل حفاری، سیالی است که از درون لوله‌های رشته حفاری به سمت پایین پمپ می‌شود، از سوراخ‌های مته بیرون می‌آید و سپس از فضای حلقوی بین دیواره چاه و لوله‌های حفاری، کنده‌های حاصل از حفاری را به سطح حمل می‌کند. این سیال وظایف بسیاری در عملیات حفاری دارد؛ مانند انتقال خرد ه های حفاری به سطح، خنک نگه داشتن مته حفاری، جلوگیری از ریزش دیواره چاه، کنترل فشار دیوار ه ها و انتقال توان هیدرولیکی پمپ به مته حفاری که بدون آن، عملیات حفاری امکا ن پذیر نیست.

گل حفاری باید خواصی همچون چگالی ویسکوزیته مناسب جهت حمل کنده‌های حفاری به بالا و همچنین قابلیت انتقال توان هیدرولیکی پمپ‌ها را نیز داشته باشد. حصول به خواص مورد نیاز در گل حفاری با افزودن مواد شیمیایی خاص؛ مانند پلیمرها، وزن دهند هها و... امکا ن پذیر است. برای حصول خواصی همچون چگالی مناسب با استفاده از نانوافزودنی ها قابل حصول است. ویسکوزیته مناسب نیز با اضافه کردن نانوافزودنیهایی که خاصیت روغنکاری دارندبه دست می آید. خواصی مانند قابلیت انتقال توان هیدرولیکی و تراکم پذیری از مهم ترین عواملی هستند که به نظر می رسد با استفاده از نانوکامپوزیتها, نانولوله های کربنی و برخی از  نانوپودرهای سرامیکی سخت با وزن مخصوص مناسب(نظیر نانوپودرهای کاربید سلیسیم) قابل دستیابی است.

خواص تیکسوتروپیک گل حفاری نیز می تواند با نانو افزودنیها محقق شود. اگر احیاناً عملیات حفاری قطع شد، گل می بایست به حالت ژلاتینی د ر آمده و مانع از ته نشین شدن کنده های حفاری شود و از گیر کردن ابزار حفاری در درون چاه جلوگیری کند. همچنین گل ژلاتینی باید به گونه ای باشد که با کمترین تنش از حالت ژلاتینی به حالت روان درآید و مجدداً خاصیت تیکسوتروپیک گل را برگشت دهد.در این بخش نیز استفاده از نانومواد تأثیرات به سزایی روی بهبود این خواص دارد.

بناهای محکم و ایمن با فناوری نانو

فناوری نانو و صنعت ساختمان (3)

قسمت اول ، قسمت دوم

هدف نهایی از بررسی مواد در مقیاس نانو ، یافتن طبقه جدیدی از مصالح ساختمانی با عملكرد بالا می باشد، كه آنها را می توان به عنوان مصالحی با عملكرد بالا و چند منظوره اطلاق نمود . منظور از عملكرد چند منظوره ، ظهور خواصی جدید و متفاوت نسبت به خواص مواد معمولی می‌باشد به گونه ای كه مصالح بتوانند كاربردهای گوناگونی را ارائه كنند. با توجه به نوظهور بودن مواد نانو ساختار، چنین موادی می‌توانند تحولی شگرف در صنعت ساختمان سازی و صنایع وابسته به آن ایجاد كنند. در این قسمت در ادامه قسمت(1)و(2) به بررسی واستفاده از نانو ذرات درساختمان ها می پردازیم.

استفاده از قدرت واکنش کاتالیست ها در ساختمان ها

بسیاری از فرآیندهای صنعتی می توانند تحت تأثیر فناوری نانو قرار بگیرند. همان طور که می دانیم یکی از بزرگ ترین اهرم های فناوری نانو، نانوذرات هستند. به طور کلی نانوذرات کاتالیست های مناسب تر و با کارآیی بهتری ایجاد می کنند. یک کانالیست (زمینه ای که باعث تسریع انجام یک واکنش می شود، بدون آنکه خود در واکنش شرکت کند) هنگامی می تواند وظیفه خود را انجام دهد که سطح آن در تماس با ماده واکنش گر قرار گیرد. از طرف دیگر، در یک جرم ثابت از کاتالیست، اگر اندازه ذرات کوچک تر شود. مساحت سطح بیشتری در اختیار گذاشته خواهد شد و کاتالیست، به فضای کمتری نیاز دارد. به دلیل همین اثر اهمیت فناوری نانو در ساخت کاتالیست ها بسیار زیاد است.

کاتالیست ها، از جهت تمیز کردن محیط زیست هم بسیار اهمیت دارند. این کاتالیست ها با شکستن عوامل مضر و خطرناک برای محیط زیست و تبدیل آن ها به عواملی کم خطرتر این مسئولیت مهم را انجام می دهند. بدون شك ساختمان‌ها یكی از حوزه‌های اصلی تماس انسانها با نانوذرات از طریق تنفس یا جذب از طریق پوست می‌باشد. هم‌اكنون در سیستم‌های تصفیه هوای ساختمان ازنانو كاتالیست‌های فلزی  برای از بین بردن آلوده‌كننده‌های هوا، استفاده می‌شود. نانوکاتالیست ها می توانند کارایی فرآیند ها را بیشتر و آنها را اقتصادی تر کنند. بیشترین کاربرد این نانوذرات در مصارف بهداشتی بوده است. ساختمان ها نیز می توانند برای تمیز و پاک بودن دائمی از قابلیت های فوق بهره بگیرند.

نانوفوتوکاتالیست‌ها می‌توانند بر روی سطح دیوارها، سطح لامپ‌های روشنایی و همچنین فیلتر دستگاه‌های تهویه مطبوع به عنوان بستر قرار بگیرند و با فعالیت کاتالیستی خود، بو و آلودگی‌های محیطی را تجزیه کرده و ضمن تصفیه هوا، سطح بهداشت محیط را بالا ببرند.

نانوذرات دی اکسید تیتانیوم (-Tio2تیتانیا)

نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم هم برای بهبود ویژگی های بتن در نمای ساختمان ها به عنوان پوشش بازتاب کننده مورد استفاده قرار می گیرد. بتن حاویTiO2 دارای رنگ سفید و درخشندگی خاصی است و این درخشندگی رابطور موثری حفظ می نماید. درحالی که ساختمان های ساخته شده بابتن معمولی فاقد چنین ویژگی هستند.

این نانو ذرات ازطریق واکنشهای فوتوکاتالیستی قوی قادر به شکستن وتجزیه آلاینده های آلی،ترکیبات آلی فرار(VOC) وغشای باکتریایی هستند، به همین جهت برای ایجاد خاصیت ضد عفونی کنندگی به رنگ ها، سیمان ها وشیشه ها در ساختمان اضافه می شوند. وجود دی اکسید تیتانیوم در مواد و دیواره ها باعث تخریب آلودگی های هوا شده و به تمیز ماندن سطح کمک می کند. نتیجه این امر، ساختمان های سفید و بدون لک و شیشه های تمیز است وجود دی اکسید تیتانیم در مصالح روکار ساختمان نیزباعث تجزیه ی آلودگی های هوا شده و به  تمیز ماندن سطح کمک می کند.پیش بینی می شود که تیتانیای غنی شده به دلیل داشتن خصوصیات ضد میکروبی و گندزدایی، به شکل وسیعی در آشپزخانه ها و سرویس های بهداشتی مورد استفاده قرار گیرد.

نانوسیلیس ها(SiO2)

با استفاده از نانوذرات سیلیس می توان میزان تراکم ذرات را در بتن افزایش داده که این به افزایش چگالی میکرو ونانوساختارهای تشکیل دهنده بتن ودر نتیجه ویژگی های مکانیکی می انجامد. افزودن نانوذرات سیلیس به مواد بر مبنای سیمان هم موجب کنترل تجزیه شیمیایی ناشی ازH-C-S(کلسیم- سیلیکات - هیدرات)، که در اثر نشست کلسیم در آب رخ می دهد، ونیز جلوگیری از نفوذ آب به داخل بتن می شود که هردوی این موارد دوام بتن را افزایش می دهند.

 نانولوله های کربنی

نانولوله‌ها ی کربنی دارای مقاومت كششی بیش از هر نوع الیاف بتنی شناخته شده می باشند و خواص ویژه قابل ملاحظه حرارتی و الكتریكی از خود نشان می دهند ، به طوریكه هادی بودن حرارت آنها بیش از دو برابر الماس و هادی بودن الكتریكی آنها در در حدود 1000 برابر فلز مس می‌باشد .نانولوله‌ها طبقه جدیدی از محصولات می‌باشند كه انقلابی جدید در زمینه مصالح و مواد پیشرفته را بوجود آورده‌اند . یك نسل جدید از نانو كامپوزیت‌های چند منظوره می‌توانند به عنوان نانو لوله‌های كربنی در نقش الیاف مسلح‌كننده مناسب آن مواد مورد استفاده قرار گیرند . بنابراین نانولوله‌های كربنی از اجزای كلیدی به دست آوردن هدف اصلی ذكر شده و به عنوان مصالح ساختمانی با عملكرد بالای چند منظوره، مورد استفاده قرار گیرند.

همان طور که می دانیم تحقیقات گسترده ای درخصوص کاربردهای نانولوله های کربنی در حال انجام است وتاکنون خواص قابل ملاحظه ای از آن ها کشف شده است؛ برای مثال باوجود اینکه چگالی آن ها یک ششم چگالی فولاد است، مدول یانگ آنهاپنج برابر واستحکام آنها هشت برابر فولاد است. درصورت افزودن نیم الی یک درصد وزنی از این نانولوله ها به ماتریس بتن خواص نمونه ها به طور قابل توجهی بهبود می یابد. (نانولوله ها ی کربنی به صورت های تک جداره ویاچند جداره مورد استفاده قرار می گیرند.)

فولاد مقاوم با نانو ذرات

افزایش استحکام، ضد اثر انگشت و ضد رنگ بودن از جمله ویژگی‌هایی است که فولاد مبتنی بر فناوری نانو داراست .درواقع فولاد نیز مانند بتن و آسفالت ماده‌ای با ساختار نانویی است. در فولاد نانو ذرات مس به عنوان ساختار پایه‌ای، مرزهای دانه‌های فولاد را شکل می‌دهند که تغییر در این نانو ساختارها، منجر به تولید فولادی مقاوم‌تر، جوش‌پذیر‌تر و پایدارتر در برابر خوردگی می‌گردد. این فولاد بیشتر جهت استفاده در پل‌ها و سازه ساختمان‌ها مورد استفاده قرار خواهند گرفت .

مسأله خوردگی یکی دیگر از معضلات اصلی در رابطه با فولاد است. این مقوله به خصوص در محیط‌های ساحلی و رطوبت خیز، اغلب باعث ایجاد تغییر رنگ قطعه به قهوه‌ای یا جلبکی می‌شود؛ چرا که در شرایط مرطوب و ساحلی، آلودگی نمک در ساحل باعث خوردگی لایه آخر فولاد شده و لایه‌های بعدی به رشد لکه‌های جلبکی کمک می‌کنند. البته ممکن است که این زنگ‌زدگی ساحلی، در کوتاه مدت روی ساختار یا طول عمر این مواد تأثیرگذار نباشد، اما حداقل روی زیبایی بصری طراحی سازه‌های ساحلی مؤثر است. با پوشش‌های مبتنی بر فناوری نانو به راحتی می‌توان این مشکل را برطرف کرد.

شرکت‌های سوئدی Sandvik materials technology به تولید فولادهای با مقاومت بسیار بالا و ضد زنگ با استفاده از فناوری نانو پرداخته‌اند. محصول جدید این شرکت به nanoflex موسوم است، که چند خصوصیت جالب از جمله مقاومت فوق بالا، شکل‌پذیری مناسب و مقاومت در برابر خوردگی بالا را در کنار هم دارد.

        ادامه دارد...

معجزه مقیاس نانومتر در بناها

فناوری نانو و صنعت ساختمان (2)

قسمت اول

 یک ساختمان بزرگ به استحکام، امنیت و تامین انرژی نیاز دارد که هر یک از این مولفه ها با صنعتی مجزا مرتبط است. به دلایل متعدد ساختمان سازی یکی از اقتصادی ترین فعالیت ها در دنیای امروز است و به بسیاری از فناوری ها ارتباط دارد.

یک ساختمان معمولاً باید 50 تا 100 سال عمر کند و می توان آخرین تحولات در فناوری را در آن اعمال کرد بدون آنکه نیاز به بیرون رفتن ساکنانش باشد. بخش زیادی از فعالیت های جدید فناوری نانو مربوط به ساختمان در حیطه کاهش اتلاف انرژی است، چرا که میزان زیادی از انرژی مصرفی خانه ها صرف گرمایش و سرمایش و استفاده از وسایل برقی می شود، بنابراین به این بخش توجه ویژه ای صورت گرفته است. ساختمان های جدید خروجی دی اکسید کربن و انرژی مصرفی کمتر دارند.

در بسیاری از ساختمان های امروزی مقادیر اتلاف انرژی به حداقل رسیده است .متوسط مصرف ساختمان های کم انرژی امروزی 85 کیلو وات ساختمان به ازای هر متر مربع است. این مقدار برای ساختمان های متداول 220 کیلو وات ساعت به ازای هر متر مربع است.

در ساختمان سازی امروزی کلیه مراحل عمر یک ساختمان از مصالح اولیه و ساخت تا تخریب ساختمان ها، مورد دقت قرار می گیرد. سرفصل های ساختمان سازی در دنیای امروز شامل کاهش مصرف منابع، استفاده از مواد و اجزای قابل بازیافت ساختمانی، جلوگیری از هزینه های حمل و نقل، بازگشت ایمن مواد ساختمانی به چرخه مواد طبیعی، جلوگیری از آسیب به طبیعت و ساختمان هایی است که در آن ها فضا تلف نشود.

هنر فناوری نانو آن است که بتواند هزینه های مربوط به مسکن را کاهش دهد و به خانه دار شدن همه نیز کمک کند.

ساخت بناهای قرص و مطمئن با استفاده از نانو مواد

در نگاه اول به یک بنا اول از خود می پرسیم این بنا چقدر محکم است. مصالح نیز ترکیبی از مواد استحکام دهنده و نگهدارنده هستند. استحکام دهی به یک بنا به طور معمول به مصرف مصالح خیلی زیادی نیاز دارد، مثلاً باید تیرآهن و میلگرد زیادی برای پی ریزی ساختمان استفاده شود. میزان زیاد مصرف ماده و انرژی حین ساخت و سکونت مساله بسیار مهمی است. فناوری نانو راه هایی برای افزایش استحکام با مصرف مصالح کمتر اما محکم تر و کاهش مصرف انرژی ارائه می دهد، یکی از راه ها استفاده از قدرت نانومواد است. نانومواد عمدتاً فعال تر و قوی تر از مواد حجیم هستند و توانایی آن ها به طور چشم گیری افزایش یافته است. لذا حجم کمتری از آنها مورد نیاز است. حضور نانولوله های کربنی و نانوذرات سرامیکی در مصالح می تواند تحمل بار در آنها را افزایش دهد.

بتن مسلح به فولاد محکم در برابر فشارهای خم کننده تحمل بالایی دارد اما تکرار سرما و گرما و چرخه های رطوبت و خشکی سرانجام باعث خرد شدن بتن و بی حفاظ ماندن فولاد می شود که بعدها به زنگ زدن آن منجر خواهد شد. مواد کامپوزیت جدید (نانوکامپوزیت ها)بر اساس پیشرفت های فناوری نانو می توانند این مشکلات را حل کنند.

 اضافه کردن نانولوله ها ی کربنی (نانولوله ها ی کربنی به صورت های تک جداره ویاچند جداره مورد استفاده قرار می گیرند.) و نانوذرات سرامیکی به موادی مانند بتن ها و پلیمرها می تواند قابلیت تحمل بار آنها را افزایش دهد و مقاومت آن ها را نسبت به شرایط محیطی مثل سرما و گرمای خیلی زیاد با شرایط خوردگی نمک یا برخورد با آب، افزایش دهد و توانایی آن ها را برای رو به رو شدن با تنش های دیگر مثل بر خورد با حرکت در زمین لرزه ها، بدون اینکه شکاف بر دارند یا شکسته شوند، زیاد کند،وکارایی وخواص بتن را به طور قابل ملاحظه ای افزایش دهد، استفاده از مصالح جدید نیاز به استفاده از مواد تقویت کننده سنگین مانند فولاد را تغییر داده و امکان ضعیف شدن سازه بر اثر خوردگی را رفع می کند.

جلوگیری از اتلاف انرژی درساختمان

کاری که یک پارچه از عهده آن بر می آید کنترل دما در مجاورت بدن است. پارچه با ذخیره مقادیر اندکی هوا به عنوان بهترین عایق جلوی اتلاف حرارت و گرما را بگیرد. این مثال در مقیاسی بزرگ تر برای یک خانه نیز ممکن است. بشر در طول تاریخ بیشتر از مواد طبیعی برای عایق بندی استفاده کرده است. اگر چه مواد قدیمی در هر موقعیتی که کاربرد انبوه آن ها امکان پذیر بود مانند فضاهای خالی دیوار خوب عمل می کردند، اما برای کاربردهایی مثل شیشه کاری که مقادیر قابل توجه ای گرما می تواند جذب یا دفع شود، مناسب نیستند. مبنای مواد عایق بر دارا بودن تعداد زیادی از حفرات است که تا حد امکان بتوانند هوا را در میان خود نگه دارند. مواد عایق از خاصیت رسانش پایین هوا استفاده کرده و جلوی جریان آزاد هوا را می‌گیرند.

 فناوری نانو خصوصیات عایق بندی بالایی را ممکن می سازد که به پوشش ها یا لفاف های نازک تر امکان می دهد تا از اتلاف یا جذب حرارت بالا جلوگیری کند. کاری که با مواد معمول امکان پذیر نیست. در این عرصه، مواد نانو حفره‌ای ویژگی‌های بسیار جالبی ارائه می‌دهند. از سویی می‌توان به عایق حرارتی در مقابل هر سه نوع انتقال گرا شامل تشعشع، جابجایی و همرفتی اشاره کرد. خصوصیت ویژه این محصول، مایع بودن آن است که امکان استفاده از آن را بر روی سطوح فلزی و غیر فلزی فراهم می‌کند و با صرف هزینه نسبتاً کمی، می‌توان حتی از آن در ساختمان‌های در دست بهره برداری نیز استفاده نمود و هیچ گونه تغییر ظاهری نیز در ترکیب ساختمان ایجاد نمی‌کند.حاصل این کار جلوگیری از اتلاف انرژی از ساختمان است.

فوم های نانوساختار هم با به حداکثر رساندن هوای به دام افتاده مربوط به توده جامد مثل لباس عمل می کنند. این فوم ها از ترکیب پلیمرها و مواد نانوساختار مثل نانوذرات سرامیکی و نانولوله های کربنی ساخته شده اند.

برای آنکه هوا بتواند گرما را انتقال دهد، باید مولکول ها با یکدیگر ارتباط داشته باشند. در فوم های میکرومتری تراکمی حدود 10 سلول در هر میلیمتر وجود دارد. نانوفوم ها حفره های بسیار ریزتری دارند که اندازه آنها کمتر از نیم میکرومتر است. بنابراین باید 2000 سلول در هر میلی متر از این سلول ها وجود داشته باشد. در نانوفوم ها، تعداد مولکول های محبوس در هر سلول آنقدر کم است که مولکول ها حتی اجازه رویت مولکول های جانبی را پیدا نمی کنند و نمی توانند انرژی را دست به دست انتقال دهند، در نتیجه خصوصیت بازدهی در سد کردن گرما بسیار زیاد می شود.

ادامه دارد...

فناوری نانو و محیط زیست(1)

گازهای سمی با توسعه پیل های سوختی حذف می شوند و انرژی های تجدید پذیر جای انرژی های فسیلی را خواهند گرفت. چنانچه مراقبت ها از محیط با دقت انجام شود، قبل از وقوع یک خطر بزرگ اقدامات سنجیده برای مقابله با آن صورت می گیرد و در نهایت اگر خطر از حد معمول گذشت می توان از راه کارهای فناوری نانو استفاده کرد و آسیب های محیطی را کاهش داد.

در آینده انرژی های جدیدی به کمک فناوری نانو موثر تر خواهند بود. برای مثال، سلول های خورشیدی، باد، موج دریا و انرژی زمین گرمایی ممکن است با استفاده از مواد پیشرفته با بازده بیشتر انرژی تولید کنند. با پیشرفت در باتری ها و پیل های سوختی هیدروژنی انرژی با  بازده بیشتری هم مصرف می شود. نانوحسگرها اجازه خواهند داد تا اثر فعالیت های بشر بر محیط زیست خیلی سریع قابل شناسایی و پیگرد باشد و به جای آن که وقت را تلف کنیم، فوراً اقدامات لازم را صورت دهیم. فناوری نانو همچنین در پالایش آلودگی های موجود و استفاده صحیح از منابعی که در اختیار ماست به ما کمک می کند.

کاربرد نانوحسگرها در محیط زیست

نانوحسگر وسیله ای است بسیار ریز که قادر به شناسایی و ارائه پاسخ به محرک های فیزیکی در مقیاس یک نانومتر است. نانوحسگرها کاربردهای متعددی در علوم مختلف ازجمله محیط زیست یافته اند که در ادامه به چند مورد اشاره خواهد شد.

انواع نانوحسگرها

نانوحسگرها دو دسته‌اند:

موادّ نانوساختاری: مانند سیلیكونِ متخلخل، نانوحسگرهای ساخته‌شده از این مواد به منظور شناساییِ واكنش‌های شیمیایی و زیستی به كار گرفته می‌شوند.

نانوذرات: مانند موادّ كرویِ نانومقیاس كه به عنوان گیرنده‌های نوری ـ زیستی،‌ نوری ـ شیمیایی و حسگرهای تصویریِ فضایی كاربرد دارند.ذرات نانوسیلیکون که به  عنوان حسگرهای زیستی استفاده می شوند.

آلودگی هوا

 یکی از نیازهای مهم و اساسی در ارتباط با کنترل آلودگی محیط زیست، پایش مستمر آلودگی هواست. با استفاده از نانوحسگرها پیشرفت موثری در زمینه کنترل آلودگی هوا صورت گرفت. با اختراع اولین نمونه های غبار هوشمند، تولید اینگونه حسگرها به مرحله کاربرد علمی نزدیک شد. هدف اصلی از ساخت غبارهای هوشمند، تولید مجموعه ای از حسگرهای پیشرفته به صورت نانو رایانه های بسیار سبک است. این نانوحسگرها به راحتی ساعت ها در هوا معلق باقی می مانند. این ذرات بسیار ریز از سیلیکون ساخته می شوند و می توانند از طریق بی سیم موجود در خود، اطلاعات جمع آوری شده را به یک پایگاه مرکزی ارسال کنند. سرعت انتقال اطلاعات در نمونه های اولیه حدود یک کیلوبایت در ثانیه است.

نانو حسگر گازی

 نشت گازهای مهلک یکی از خطرات روزمره زندگی صنعتی است. متاسفانه هشداردهنده های موجود در صنعت اغلب بسیار دیر موفق به شناسایی اینگونه گازهای نشتی می شوند. این نوع حسگرها از نانوتیوب های تک لایه به ضخامت حدود یک نانومتر ساخته شده اند و می توانند مولکول های گازهای سمی را جذب کنند. آنها همچنین قادر به شناسایی تعداد معدودی از مولکول های گازهای مهلک در محیط هستند. محققان مدعی اند که این حسگرها برای شناسایی گازهای بیوشیمیایی جنگی، آلاینده های هوا و حتی مولکول های آلی موجود در فضا کاربرد خواهند داشت.

کنترل آلاینده های زیست محیطی

براساس نظر همگان روشن شده است که مردم، تأثیر بسزایی برای محیط زیست دارند. برای کنترل این اثر، نیاز است آثار فعالیت انسانی بر محیط و چگونگی تغییر آن بر حسب زمان بررسی شود تا موثرترین تصمیمات اتخاذ گردد. در حال حاضر سیستم هایی برای نمایش آلودگی وجود دارد، اما این سیستم ها معمولا اطلاعات کلی می دهند و چیز زیادی در مورد تحولات جدید و حجم آلودگی در زمان تغییر آن به دست نمی آید. برای کنترل دقیق آلاینده ها ابتدا باید به سراغ منابع آنها برویم، لذا شناسایی منشاء آلودگی بسیار مهم است.

 به کمک فناوری نانو تغییرات آلودگی به صورت موضعی قابل بررسی خواهد بود. معمولا وقتی متوجه می شویم چه ضرری به محیط زده ایم که خیلی دیر شده است. فناوری نانو بر اساس تحلیل نقطه ای و حسگرهای پیشرفته ابزاری برای دستیابی به داده های سریعتر فراهم می کند.

گزارش سریع از وضعیت آلاینده ها

فناوری موجود از ایستگاه های بازرسی بزرگ و ثابت استفاده می کند. حتی در مناطق بسیار آلوده مثل شهرها، این ایستگاه ها معمولاً بیش از یک کیلومتر از هم فاصله دارند. این در حالی است که آلودگی می تواند به شدت در یک نقطه مثل محل ترافیک و کارخانجات صنعتی متمرکز شود. بنابر این تعیین موضع آن اهمیت دارد.

 لایه های نازک از مواد نیمه رسانای نانو ساختار مثل اکسید قلع در حسگرهای کوچکی به اندازه یک سکه  قرار داده شده اند. این حسگرها در سطوح بالاتر از مقدار استاندارد آلاینده های هوا مثل مونواکسیدکربن و اکسیدهای نیتروژنی آنها را می گیرند و وقتی سطح آلودگی کاهش پیدا کرد، مجدداً آنها را رها می سازند و این کار بارها قابل تکرار است. این اتصال به موقع به صورت الکتریکی تشخیص داده می شود و این اطلاعات می توانند مستقیماً به کامپیوتر مرکزی برای تحلیل فرستاده شود. ممکن است در آینده امکان نصب این نوع حسگرها به دستگاه های سیار مثل موبایل و ماشین برای فراهم کردن جزییات بیشتر ایجاد شود.

به دام انداختن آلاینده ها

زندگی انسان مولد آلودگی می تواند ناشی از سوختن در موتور خودروها، کارخانجات شیمیایی، کودهای شیمیایی خاک یا هر عامل بشری دیگری باشد، با این حال آلاینده های طبیعی زیادی نیز مثل میکروب ها وجود دارند. بسیاری از فناوری های موجود نتوانسته اند خود را با این مساله وفق دهند. با این وجود نانومواد جدیدی ساخته شده است که مثل آهنربا، می تواند آلاینده ها را به دام انداخته و از محیط تخلیه کند. کار این نانوذرات مثل این است که برای جذب آب از یک اسفنج استفاده کنید.

آرسنیک در آب های زیرزمینی در بسیاری از کشورها از جمله بنگلادش به سطحی بالاتر از حدود تعیین  شده توسط سازمان بهداشت جهانی رسیده است.

هیچ روشی وجود ندارد که بتواند سطح آلودگی را تا زیر مرز استاندارد کاهش دهد. اخیراً سیستم پیشرفته ای طراحی شده که در آن با استفاده از نانوذرات مغناطیسی اکسید آهن، آرسنیک موجود در آب را تا 99% به دام انداخته و سپس آن ها را با اعمال میدان مغناطیسی از آب خارج می کنند.

فناوری نانو و محیط زیست (2)

فناوری نانو، مانند هر فناوری نوین دیگری، می تواند تغییرات شگرفی در زندگی بشر به وجود آورد؛ از جمله‌ در محیط زیست او.

قسمت اول

همان طورکه می دانیم برای کنترل دقیق آلاینده ها ابتدا باید به سراغ منابع آنها برویم، لذا شناسایی منشاء آلودگی بسیار مهم است. به کمک فناوری نانو تغییرات آلودگی به صورت موضعی قابل بررسی خواهد بود. معمولا وقتی متوجه می شویم چه ضرری به محیط زده ایم که خیلی دیر شده است. فناوری نانو بر اساس تحلیل نقطه ای و حسگرهای پیشرفته ابزاری برای دستیابی به داده های سریعتر فراهم می کند.

 فناوری نانو این امکان را ایجاد کرده است که مواد طوری مصرف شوند که به طور موثری ورود آلاینده های ناشی از فعالیت های انسانی به محیط زیست را کم کنند. حرکت با برنامه به سمت برخی صنایع منجر به کاهش آسیب به طبیعت خواهد شد. این کار به کمک فناوری نانو امکان پذیر است.

نانوذرات 

ذرات نانو در همه سوی ما در طبیعت وجود دارند: از نانو ذرات معدنی در آب گرفته تا نانو ذرات معلق در هوا که از طریق آتش و احتراق به دست می آیند. با این همه منشاء خیلی از آن ها بشری است.

حدود 60% از ذرات نانو در محیط به علت حمل و نقل جاده ای است و 27% دیگر ناشی از سایر فرآینده های احتراقی (مثل فعالیت نیروگاه ها) می باشد. ذرات نانویی معلق در هوا بیشترین تأثیر را روی سلامت انسان دارند. مشخص شده است که افزایش میزان ذرات بسیار ریز در هوا که قطر کمتر از 10 میکرومتر دارند (یادآور می شویم که هر میکرومتر معادل 1000 نانومتر است)، می تواند به افزایش بیماری های قلبی و تنفس نسبت داده شود و شواهد روبه رشد حاکی از آن است که نانو ذرات در این محدوده می توانند به شش ها نفوذ کنند و التهاب ایجاد کنند و می توانند در سایر اندام های بدن بخش شوند.

برای کنترل نانوذرات به دو چیز احتیاج داریم: کاهش یا جلوگیری از آزاد شدن نانو ذرات حاصل از احتراق و شناسایی دقیق آلاینده های محیط زیست کاهش نانوذرات می تواند با بهره گیری از فیلترهایی با منافذ نانومتری برای فرآیندهای احتراق دست یافتنی باشد. برای مثال ذرات نانومتری اکسید سریوم راندمان موتورهای دیزلی را افزایش و مقدار آلودگی ها را کاهش می دهند. شناسایی آلاینده ها نیز با شماری از روش های تحلیلی که قبلاً وجود داشته و هنوز هم به کار می روند و دانشمندان نانو در حال توسعه بیشتر آنها هستند، قابل حصول است. این روش های اندازه ذرات، شکل و واکنش پذیری شیمیایی آن ها(تمام جنبه هایی که فعالیت نانوذرات را نشان می دهد) را می سنجند.

نانوفیلترها

آب محور اصلی زندگی تمام موجودات است. اما در اثر دخالت انسان در محیط زیست، آلودگی های بشری وارد آب های آزاد شده و بشر مجبور است جهت استفاده از این منابع از خلوص آن ها مطمئن گردد. افزایش بازدهی سیسستم های تصفیه آب به کارگیری ابزاری که به سرعت آب یا هوای آلوده را به آب خالص تبدیل کند، مهم ترین موضوعات روز فناوری نانو هستند. می توان گفت یکی از کاربردهای مهم فناوری نانو در محیط زیست، استفاده از نانوفیلترها در تصفیه آب و پساب است. غشای مورد استفاده در فرایند نانوفیلتراسیون معمولا مولکول های بزرگ را دفع می کند و در مقایسه با روش های دیگر قادرند با صرف انرژی کمتر آب چاه ها یا آب های سطحی را نیز به خوبی تصفیه کنند. این فرایند قادر است انواع باکتری ها، ویروس ها، آفت کش ها، آلاینده هایی با منشا آلی و املاح کلسیم و منیزیم را از آب جدا کند. نظر به این که در فرایند نانوفیلتراسیون از هیچ ماده شیمیایی برای سختی گیری آب استفاده نمی شود، بنابراین اثرات منفی زیست محیطی آن به مراتب کمتر از روش های شیمیایی معمول است.

نانوفیلترهایی که جهت تصفیه آب یا هوا استفاده می شوند، می توانند علاوه بر جدا سازی مواد باکتریایی و ویروسی، آنها را در پشت دیواره فیلتری کاملاً نابود کنند. از چنین قابلیتی درنانو فیلترهای هوا نیز استفاده شده است که دقیقاً همین کار را انجام می دهند. این فیلترها از انرژی سطحی بالای نانوذراتی مانند روی و نقره که روی فیلتر پوشش داده شده اند، استفاده کرده و با برخورد هر ساختار زنده آن را از بین می برند. یکی از مهم ترین ابزار پیشگیری از بیماری ها، غیر از فراهم کردن سطوح ضدعفونی شده دوری از قرار گرفتن در معرض میکروب های بیماری زا است. این امر می تواند به صورت تصفیه هوا با مایعاتی باشد که بیمار در طول دوره درمان در معرض آن ها قرار می گیرد. خیلی از ویروس ها به خاطر این  که کوچک تر از منافذ فیلترها هستند، می توانند از فیلترها عبور کنند. در نتیجه این فیلترها بدون استفاده خواهند ماند. نانوفیلترها که منافذی با ابعاد نانویی دارند ، کوچک ترین ویروس ها را هم از خود عبور نمی دهد. به کار بردن مواد فعالی مثل نانوذرات نقره یا دی اکسید تیتانیوم و منابع نور ماوراء بنفش می تواند این اثر را با از بین بردن ویروس ها، باکترهای ها و قارچ های به دام افتاده افزایش دهد. این قبیل سیستم ها قبلاً در مبارزه علیه سارس، جهت جلوگیری از انتشار ویروس از بیماران مبتلا به پرسنل پزشکی به کار گرفته شده اند. هر چه ابعاد حفرات فیلتر کوچک تر و تخلخل آن بیشتر باشد فیلتر توانایی بیشتری در جداسازی ذرات خواهد داشت. 

برخی از كاربردهای فرآیند نانوفیلتراسیون در به‌سازی محیط زیست می‌توان اشاره کرد:

* تصفیه‌ی پساب‌ رختشوی‌خانه‌ها

* تصفیه‌ی پساب‌های اسیدی واحدهای صنعتی

* رنگ‌زدایی از آب آشامیدنی

* تصفیه‌ی پساب‌ واحد تولید روغن زیتون

* تصفیه‌ی آب پنیر

* جداسازی روغن از آب

* خالص‌سازی الكل‌های سبك

* رنگ‌زدایی از آب آشامیدنی

رنگ‌زدایی از آب آشامیدنی

انسان‌ها برای سلامتی خود احتیاج به آشامیدن آب سالم دارند. آب سالم آبی است که نه بو داشته باشد و نه مزه و باید زلال هم باشد.رنگ موجود در آب آشامیدنی نه‌تنها به خاطر ظاهر آن باید از آب زدوده شود، بلكه چون این رنگ‌ها می‌توانند منشأ تولید تری ‌هالو متان ( مانند CHCl3) نیز باشند، خطرناك محسوب می‌شوند. این ماده هنگام تركیب با كلر موجب تشكیل كلروفرم و دیگر تركیبات هالوژنة مضر و سرطان‌زا می‌شود. رنگ موجود در آب طبیعی معمولاً ناشی از وجود اسیدهای معدنی است. اسیدهای مذكور در اثر تجزیة مواد آلیِ موجود در آب حاصل می‌شوند. اغلب روش‌های متداول برای تصفیة آب قادر به جداسازی مواد فوق نیستند، لیكن با استفاده از غشاهای نانو می‌توان تا 99 درصد این‌گونه مواد را به‌سهولت از آب جدا كرد‌.

الكل‌‌هایی مانند اتانول و متانول به عنوان حلال یا مادة پاك‌كننده به‌وفور در صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرند. این مواد در حین مصرف مقادیر زیادی از ناخالصی‌های مختلف را به خود جذب می‌کنند. با توجه به اینكه دور ریختن آنها پس از مصرف، اثرات زیان‌باری بر محیط زیست دارد، باید برای استفادة مجدد تصفیه شوند. روش‌های متداول از قبیل تقطیر، ضمن آلوده کردن محیط زیست، انرژی زیادی را تلف می‌کنند. استفاده از نانوفیلترها گام مؤثری در حفاظت از محیط زیست و صرفه‌جویی در مصرف انرژی است.

    ادامه دارد...

هوای پاک با فناوری نانو

فناوری نانو و محیط زیست(3)

قسمت (1) و (2)

گازهای سمی با توسعه پیل های سوختی حذف می شوند و انرژی های تجدید پذیر جای انرژی های فسیلی را خواهند گرفت. چنانچه مراقبت ها از محیط با دقت انجام شود، قبل از وقوع یک خطر بزرگ اقدامات سنجیده برای مقابله با آن صورت می گیرد و در نهایت اگر خطر از حد معمول گذشت می توان از راه کارهای فناوری نانو استفاده کرد و آسیب های محیطی را کاهش داد.

در آینده انرژی های جدید به کمک فناوری نانو موثرترخواهند بود. برای مثال، سلول های خورشیدی، باد، موج دریا و انرژی زمین گرمایی ممکن است با استفاده از مواد پیشرفته با بازده بیشتر انرژی تولید کنند. با پیشرفت در باتری ها و پیل های سوختی هیدروژنی انرژی با  بازده بیشتری هم مصرف می شود. نانوحسگرها اجازه خواهند داد تا اثر فعالیت های بشر بر محیط زیست خیلی سریع قابل شناسایی و پیگرد باشد و به جای آن که وقت را تلف کنیم، فوراً اقدامات لازم را صورت دهیم. فناوری نانو همچنین در پالایش آلودگی های موجود و استفاده صحیح از منابعی که در اختیار ماست به ما کمک می کند.

هوای پاک با فناوری نانو

افزایش مشكل دی اكسید كربن در هوا یكی از مشكلات اساسی در سطح جهان است. امید می رود كه با استفاده از كشف منابع جدید روزی برسد كه از مصرف سوخت های فسیلی بی نیاز شویم و در هوایی عاری از دی اكسید كربن و انواع آلودگی ها تنفس كنیم. فناوری نانو از جمله فناوریهایی است كه به كمك حل این مسئله آمده است و این امكان را به وجود آورده است تا به سوی ساخت انرژیی ارزان تر و پاكیزه تر از سوخت های فسیلی نزدیك شویم.

محققان در دانشگاه ملی اوك ریج موفق به ساخت نانوكریستالی شده اند كه ما را در داشتن هوایی پاك تر كمك می كنند. نانوكریستال درست مانند یك كاتالیزور عمل می كند، هنگامی كه دی اكسید كربن هوا بر روی این نانوكریستال كه دارای كادمیوم، سیلینیوم و ایدیوم است می نشیند، یك الكترون به دی اكسید كربن می دهد تا در مجاورت سایر اجزای دود واكنش نشان دهد و بی ضرر شود. اگر فیلترهای متشكل از این نانوكریستال ها را بتوان با قیمت مناسب تری ساخت و آنها را در دودكش ها نصب كرد می توان تا حد زیادی از انتشار و خروج دی اكسید كربن در هوا جلوگیری كرد .ذره معلق مضر دیگری كه دانشمندان امیدوارند تا با استفاده از نانوكریستال بتوانند آنرا خنثی و یا از بین ببرند، بخار جیوه است.

تجهیزاتی كه با زغال سنگ كار می كنند از مهمترین عوامل تولید بخار جیوه و انتشار آن در هوا هستند. یك روش جلوگیری از انتشار جیوه، استفاده از نانوكریستال های اكسید تیتانیوم است كه بخار جیوه را می توانند به اكسید جیوه جامد تبدیل نمایند. اگر تاكنون در ترافیك در مجاورت اگزوز و یا دود اتوبوس و یا یك كامیون قرار گرفته باشید حتما اكسید نیتروژن را استشمام كرده اید. موتورهای دیزلی( گازوئیل سوز) از جمله مهمترین منابع آلوده كننده هوا با اكسیدهای نیتروژن می باشند .

شرکت (بیوفرندلی) با كمك آژانس حفاظت محیط زیست موفق به ساخت نانوكریستالی شده است كه با افزودن آن به گازوئیل می تواند از تولید اكسید نیتروژن جلوگیری كند و سبب شود تا سوخت كامل بسوزد. تصور نكنید كه صنایع تولید تمیز مانند صنایع تولید تراشه های كامپیوتری به عنوان آلوده كننده های محیط زیست به شمار نمی آیند بلكه برعكس این صنایع به علت استفاده از مواد شیمیایی آلی در فرایندهای تولید منشا تولید بخارات آلی هستند كه خود مضرر می باشند . محققان آزمایشگاه ملی شمال غربی اقیانوس آرام در حال بررسی نانوموادی هستند كه با استفاده از آن در فیلترها می توانند از انتشار بخارات آلی این دسته از كارخانجات جلوگیری كنند.

شاید در آینده نه چندان دور دیگر چیزی در خصوص میزان آلودگی های هوا در اخبار روزانه نشنویم تا با خیالی آسوده بتوانیم در هوایی پاك تنفس كنیم.

كاربردهای مواد نانوساختار در حفظ محیط زیست

از نانوساختارهایی مثل پلیمرهای زیستی می توان برای تولید تراشه‌های الكترونیكی استفاده كرد.

طبق اطلاعات موجود، برای تولید هر گرم ریزتراشة 32 مگابایتی، به مصرف 850 گرم سوخت فسیلی و مواد شیمیایی و 16 كیلوگرم آب نیاز است. با استفاده از فرآیندهای نانو می‌توان شیوة مرسوم در تولید تراشه‌های نیمه‌هادی را تا حد بسیار زیادی بهبود بخشید.

علاوه بر این، استفاده از فناوری  نانو منجر به تولید مواد بی‌خطر به جای مواد سمی موجود می‌شود.

برای مثال، مانیتورهای ساخته‌‌شده از مواد نانوساختار بسیار كم‌خطرتر از انواع مشابه ساخته‌شده از لوله‌های اشعة كاتدی (كه حاوی مواد سمی‌اند) است و راندمان بالاتری هم دارد. نمایشگرهای ساخته‌شده از بلور مایع ضمن كوچك ‌بودن، حاوی سرب نیستند و مصرف انرژی آنها بسیار كمتر از انواع مشابه كاتدی است.‌ علاوه بر این، استفاده از نانولوله‌های كربنی در نمایشگرهای كامپیوتری به كاهش مصرف فلزات سنگین در آنها كمك می‌كند و از این طریق از آسیب به محیط زیست می‌كاهد.

گزارش‌های زیادی دربارة استفاده از نانوذرات برای تصفیة آلاینده‌های زیست‌محیطی ارائه شده است. در صورت استفاده از روش‌های متداول برای تصفیة حلال‌های آلی حاوی تركیبات كلردارمانند تری كلرو اتیلن، همواره مقداری دی كلرو اتیلن و وینیل كلراید در اثر واكنش‌های جانبی ایجاد می‌شوند كه بسیار مضرند. با استفاده از ذرات دوفلزی نانوساختار (دوفلز با ابعاد نانو) تولید این‌گونه محصولات جانبی نامطلوب عملاً به صفر می‌رسد.

علاوه بر موارد فوق، نانوذراتی مانند دی‌اكسید تیتانیوم و اكسید روی كه به وسیلة نور فعال می‌شوند، استفاده‌های گوناگونی در حذف آلودگی‌های آلی از محیط‌های مختلف یافته‌اند. این‌گونه مواد بسیار فراوان و ارزانند و سمّیت آنها ناچیز است.

بسیاری از محققان علاقه‌مندند تا با دستكاری سطوح ذرات نانوساختار بتوانند آنها را نسبت به نور مرئی حساس کنند. در حال حاضر این ذرات تنها با کمک اشعة ماوراء بنفش (تنها 5% از نور خورشید را نور ماوراء بنفش تشكیل می دهد) حساسیت نشان می‌دهند. این امر باعث افزایش حساسیت فتوكاتالیست‌ها و در نتیجه بهبود حذف آلاینده ها و خواص پاک کنندگی سطح می‌شود. علاوه بر این، ذرات نانوساختار انعطاف‌پذیری زیادی در تصفیة آلاینده‌ها دارند. به عنوان مثال، از ذرات نانوساختار برای تصفیة فوری خاك، رسوبات، ضایعات جامد، تصفیة آب و پسماندهای مایع استفاده می‌شود. تحقیقات نشان می‌دهند كه ذرات دوفلزی نانوساختار مانند آهن ـ پالادیم،‌ آهن ـ نقره و روی ـ پالادیم كاربردهای زیادی در تصفیه و پالایش آلوده‌كننده‌های محیط زیست، مانند‌ آفت‌كش های كلرینه با منشأ آلی و حلال‌های آلی هالوژنه، یافته‌اند.

تجربه نشان داده است كه استفاده از ذرات نانوساختارِ دوفلزی موجب می‌شود تا كلیه هیدروكربن‌های حاوی تركیبات كلردار كه بسیار سمی‌اند، به هیدروكربن‌های بی‌خطر برای محیط زیست تبدیل شوند. به‌علاوه، شواهد بسیاری مبین این واقعیت است كه ذرات نانوساختار با پایه آهنی، قادر به تجزیه آلودگی‌های بسیار پایدار همچون تركیبات پركلرات‌ها، نیترات‌ها، فلزات سنگین (نیكل و جیوه) و مواد رادیواكتیو مانند دی‌اكسید اورانیوم‌ هستند.

    ادامه دارد...

استفاده از فناوری نانو در سبک سازی خودرو

فناوری نانو و صنعت خودرو (2)

قسمت اول

از آنجا که صنعت حمل و نقل یکی از مهم ترین مصرف کنندگان سوخت های فسیلی به حساب می آید یکی از مهم ترین دغدغه های بخش انرژی، کاهش مصرف سوخت در خودروها و وسایل نقلیه است. با توجه به خواص بی نظیری که از نانو مواد در تهیه فرآورده های نفتی حاصل می شود، تحقیقات گسترده ای در زمینه صنعتی کردن نانومواد در صنعت اتومبیل سازی صورت گرفته است.

استفاده از فناوری نانو در سبک سازی خودرو

کاهش وزن خودرو از جمله کارهای مهم جهت کاهش مصرف انرژی می باشد. به کارگیری مواد مستحکم و سبک کلید اساسی این مشکل محسوب می شوند. همان طور که می دانیم وزن خودرو و قرص و محکم بودن آن در برابر تصادفات دو مولفه مهم اند که سال ها در تضاد با هم بودند.  چنانچه از محکم ترین عناصر در خودرو استفاده می شد، وزن آن بالا می رفت و اگر خودرو از یک عنصر سبک ساخته می شد، استحکام حداقلی در آن وجود نداشت امروزه نانوکامپوزیت ها به خوبی چنین تضادی را حل کرده اند.نانو کامپوزیت ها می توانند یک ماده مقاوم با استحکام بالا را طوری با ماده دیگر همراه کنند که سبکی و استحکام را با هم ایجاد کند. هر چه خودرو سنگین تر باشد قدرت مانور و سرعت حرکت آن کمتر و در عین حال مصرف سوخت آن بیشتر است.در این راستا تحقیقاتی در زمینه استفاده از فلزات و آلیاژهای سبک و استفاده از مواد تقویت شده با نانوساختارها صورت گرفته است.

هم اکنون به منظور سبک سازی خودرو از آلیاژهای آلومینیوم، منیزیم، تیتانیوم و پلاستیک ها در بدنه خودرو و اجزای موتور استفاده می شود.

استفاده از آلیاژهای آلومینیوم در ساخت قطعات موتور باعث کاهش 30درصدی وزن می گردد. همچنین استفاده ازنانو کامپوزیت های در گلگیر جلو و عقب خودرو باعث کاهش 25 درصدی وزن شده است.

منیزیم به خاطر دارا بودن ویژگی های خاص فیزیکی و مکانیکی (به لحاظ استحکام و ایمنی و وزن) مورد توجه سازندگان خودرو قرار گرفته است. به عنوان مثال حضور منیزیم در اتومبیل و استفاده از روکش نانو کامپوزیتی باعث کاهش وزن در قسمت بدنه خودرو به میزان 40 درصد و برای درها حدود 25- 30% می باشد. بر اساس محاسبات انجام شده به ازای هر 100 کیلوگرم کاهش وزن در اتومبیل 5/0 لیتر در مصرف سوخت در هر 100 کیلومتر صرفه جویی می شود و در حقیقت با به کارگیری منیزیم قدمی بزرگ در ایجاد محیطی سالم برداشته شده است.هدف فناوری نانو در این قسمت ساخت بدنه های سبکتر و مقاومتر برای خودرومی باشد.

شیشه و آینه ضد مه و ضد بخاربااستفاده از فناوری نانو

یکی از تحولات فناوری نانو استفاده از پوشش های ضدمه و ضدغبار در آینه و شیشه های خودرو است. آینه ها و شیشه های فعالی که همواره تمیزند و به کمک نانو موادی که از نور خورشید برای تسریع فعالیت شان استفاده می کنند، عمل می کنند. قطرات بخار آب هرگز روی سطح آینه ها به صورت قطره جمع نمی شود بلکه به واسطه خصوصیت فوق آبدوستی سطح سریعاً روی سطح پخش شده و یک لایه سنگین آب روی سطح ایجاد می کند. این لایه به واسطه افزایش تدریجی وزن تمایل به سقوط دارد.

در این کاربرد خاصیت آبدوستی شیشه توسط دو لایه Tio2 وSio2 ایجاد می شود. ترکیب sio2 در لایه خارجی قرار دارد و کشش سطحی بین آب و شیشه را کم می کند.Tio2 در لایه داخلی قرار دارد و نور خورشید را جذب نموده و مواد آلی را متلاشی می کند. با توجه به ساز و کار ذکر شده این لایه از خود خاصیت خودتمیز شوندگی نشان می دهد. با به کارگیری این نانوذرات در شیشه و آینه خودرو سطح این دو مه آلود نمی شود و دید به جلو و عقب خودرو کامل است. پوشش های ابرآب دوست چند لایه ای ضد مه و ضد بازتابش در شکل نشان داده شده است. لایه های متناوب پلیمر و نانوذرات سیلیس (که گروه های هیدروکسیل به سطح آنها متصل شده اند) پوشش فوق آبدوستی را ایجاد می کنند که قابل استفاده بر روی شیشه و دیگر مواد است. این پوشش در مقیاس نانو ناهموار است؛ اما هیدروکسیل شدیداً آبدوستی بوده، به حفرات نانویی موجود در لایه های چند گانه کمک می کند تا همانند یک اسفنج، آب را جذب و در همان لحظه دفع کنند.

پوشش های تیتانیومی در آینه ها با خاصیت ضد انعکاسی حدود 60 درصد از نور آبی را منعکس می نمایند و از انعکاس شدید نور خورشید در طول روز جلوگیری می کنند. این پوشش های فوتوکاتالیستی در برابر اسیدها و بازها و حلال های آلی مقاوم بوده و پایداری زیادی در برابر پرتو ماوراء بنفش و حرارت های بالا از خود نشان می دهند. همان طور که اشاره شد این پوشش ها ضد مه بوده و یخ روی این آینه ها نسبت به حالت معمول زودتر ذوب می گردد.

سیستم های میکرو نانوالکترومکانیکی در تامین ایمنی خودرو

سیستم های میکرو و نانوالکترومکانیکی با قیمتی کم و سرعت بالا، چرخش، سرعت، فشار، دما و... را حس کرده و پس از تصمیم گیری، موارد کنترلی لازم را اعمال کرده یا مخابره می کنند. از مهم ترین خصیصه های این نوع سیستم ها، کوچکی آن است که باعث می شود در همه جا به راحتی استفاده شوند، یا اینکه به راحتی تعمیر و جایگزین شوند، انرژی فوق العاده کمی را مصرف می کنند و برای محیط زیست آسیبی نداشته باشند. از دیگر حسگرهای جدید مورد استفاده می توان به حسگرهای کنترل فشار باد و دمای تایر اشاره نمود که از میکروسیستم های سیلیکونی به عنوان عنصری کلیدی استفاده می شود.

   ادامه دارد...

فناوری نانو و صنعت خودرو (1)

یكی از اصلی ترین موضوعات فناوری نانو، ساخت مواد با خواص جدید است. این مواد ارزش افزوده بسیار بالا و كارایی بالاتری در تمام صنایع خواهند داشت كه صنعت خودرو نیز از آن مستثنی نمی باشد.اکنون، توجه بخش عمده صنعت خودرو به کاربردهای هوشمند فناوری نانو معطوف شده است. در ادامه به معرفی برخی ازکاربردهای فناوری نانو در بخش خودرو خواهیم پرداخت.

پوشش دهنده‌های بدنه خودرو

ساخت پوشش‌های ضد خراش و ضد لک برای خودروها از جمله زمینه‌هایی است که افزایش قابل توجه بازارپسندی محصولات را به دنبال خواهد داشت. در همین زمینه تلاش‌های مستمری محصولات را به دنبال خواهد داشت. در همین زمینه تلاش‌های مستمری به منظور شناخت راه‌های جلوگیری از صدمات ناشی از عوامل طبیعی نظیر برف و باران، رسوبات اسیدی و نمکی، تابش ماوراء بنفش خورشید، رطوبت و همچنین لب پریدگی، رنگ رفتگی و خراش درصنعت خودرو صورت می گیرد.

رنگ خودرو

استفاده از رنگهای مقاوم در برابر نور خورشید و مقاوم در برابر ساییدگی در ماشین آلات ضروری می باشد. نانو فناوری به دو صورت به این بخش كمك می كند، یكی در انتخاب مواد مناسب در رنگ و دیگری در روشهای بهینه رنگ كردن. كارایی رنگ الكترواستاتیكی چهار برابر بیشتر از رنگ به روش اسپری می باشد. به این معنی كه 80 درصد از رنگ در روش الكترواستاتیكی روی قسمت مورد نظر می نشیند در صورتیكه این مقدار در روشهای معمول 20 درصد می باشد.

پوشش های نانو ذرات سرامیكی موجب پایداری حرارتی و مقاومت به فرسایش در قطعات موتور می شود. پوشش های مبتنی برنانو ذرات از خود پتانسیلی هم به عنوان مواد پاك كننده نشان داده اند.

ساخت نانوکامپوزیت ها

مواد کامپوزیتی مواد مهندسی ای هستند که از دو یا چند جزء تشکیل شده اند به گونه ای که این مواد مجزا و در مقیاس ماکروسکوپی قابل تشخیص هستند. کامپوزیت از دو قسمت اصلی ماتریکس(زمینه) و تقویت کننده(پرکننده) تشکیل شده است. ماتریکس با احاطه کردن تقویت کننده آن را در محل نسبی خودش نگه می دارد و تقویت کننده موجب بهبود خواص مکانیکی ساختار می گردد.

یکی از گسترده ترین کاربردهای فناوری نانو در صنعت خودرو تا کنون ساخت نانو کامپوزیت ها بوده است. از آنجا که در نانوکامپوزیت ها، استفاده ازنانوذرات، استحکام و دوام رزین را بسیار بالا می برند، جایگزین مواد مرسوم مانند میکا و تالک شده اند. اما علاوه بر ویژگی های فیزیکی بهتر، این کامپوزیت ها دارای دو برتری دیگر نیز می باشند:

نخست اینکه نانوذرات با ایجاد ماتریکس (زمینه) یکنواخت و هموار به طور قابل توجهی زیبایی بیشتر را فراهم می کنند و بنابراین نانو کامپوزیت ها سطح زیبا تر و رنگ های شفاف تری دارند.همچنین نانوکامپوزیت ها به دلیل نیاز به مواد تقویت کننده ی کمتر، تا حدود بیست درصد نسبت به کامپوزیت های رایج سبک ترند. پوشش های نانوکامپوزیتی درخودرو دارای اصطحکاک پایین، مقاومت به سایش و مقاوم در برابر حرارت هستند.

به طور کلی ویژگی های نانو كامپوزیت ها عبارت است از:

1 - استحكام و سختی زیاد تا اندازه ای كه با فلزات برابری می كنند اما با وزن كمتر

 2- قابلیت جلوگیری از نشت گازها و مایعات، 3- درجه اعوجاج گرمایی بالا 4- رسانایی الكتریکی

 5- خاصیت ضداحتراقی (آتشگیر بودن پلاستیك ها یكی از مشكلات استفاده از آنهاست)

 6- پایداری ابعادی، 7- قابلیت بازیافت، 8- مقاومت بالا در برابر مواد شیمیایی و حرارت

9- نانو كامپوزیتها همچنین مانع از انتشار بنزین، متانول و سایر حلالهای ارگانیكی می شوند.

به عنوان مثال ازنانوكامپوزیت های سیلیكاتی در ادوات كشاورزی استفاده می شود. فایده آنها علاوه بر زیبایی ظاهری، افزایش استحكام وتا حدودی كاهش وزن است. افزایش ایمنی به جهت استفاده از مواد مستحكم تر و افزایش طول عمر قطعات ودر نتیجه صرفه اقتصادی بیشتر در موتورهای احتراق داخلی بنزینی و دیزلی امكانات زیادی برای استفاده از نانو ساختارها به وجود آورده است ودرنتیجه باعث افزایش استحكام، سبكی و تحمل دمای بالاتر و كاهش وزن می شود. انتظار می رود با گسترش نانو كامپوزیتها ورود مواد قوی تر،سبك تر و مقاوم به خوردگی در صنعت خودرو توسعه یابد. نانوكامپوزیت های سیلیكاتی موجب 10 تا 15 % كاهش وزن می شوند.

روکش‌های ضدخش

مزیت ویژه نانوروکش های ضدخش و ضدخوردگی این است که امکان تنظیم مستقل سختی و ویژگی‌های سایش روکش را با ترکیب کردن عناصر و ساخت لایه‌های نانومتری فراهم می‌آورد، اصلاح رنگ‌ها به وسیله‌ی نانومتری کردن ساختار آن‌ها منجر به بهبود خواص فیزیکی و شیمیایی آن‌ها شده، مقاومت شیمیایی و مقاومت در برابر ضربه و خراش را در آن‌ها بالا می‌برد.

روکش‌های ضد لک و خودتمیز شونده

در این شیوه از لایه نانو کامپوزیتی نازکی برای حفظ جلوه ظاهری فلز استفاده می‌شود. به این ترتیب با عامل دار کردن هوشمند سطح فلز، تمیز کردن آن هم به مراتب آسان‌تر خواهد بود. این نوع روکش برای پوشاندن سطح فولاد زنگ نزن، مس، برنج و سایر قطعات فلزی خودرو مناسب است ولی برای سطوح شیشه‌ای مناسب نیست. از طرفی آن را با روش‌های ساده‌ای مانند اسپری کردن یا غوطه‌ور ساختن به کار می‌گیرند که علاوه بر حفظ شفافیت یا مات بودن، در برابر اسیدها و بازها مقاومت شیمایی بالایی دارد و در نتیجه خواص آنتی باکتریال یا محافظت در برابر خط کشیده شدن را نیز خواهد داشت. بنابراین با این فناوری، اثر انگشت به جای مانده روی فلز به سختی با چشم قابل تشخیص خواهد بود و هیچ ردی هم از اکسید شدن روی فلز مشاهده نخواهد شد و در نتیجه تمیز کردن فلز آسان‌تر و سریع‌تر انجام می‌شود و اثر انگشت‌ها را به راحتی و حتی با یک دستمال یا حوله خشک می‌توان پاک کرد، به طوری که هیچ اثری از آن باقی نماند.

شیشه‌ها و آینه‌های بهینه شده برای خودرو

بروز تصادفات به علت عدم دید مناسب و کافی، به خصوص در شرایط جوی نامساعد مانند باران و گرد و غبار، نیاز به بهینه سازی و افزایش کارایی شیشه‌ها و آینه‌ها خودرو را به وضوح نمایان می‌سازد. با ظهور فناوری نانو، بسیاری از خودروهای جدید به شیشه‌ها و آینه‌های بهینه شده مجهز شده‌اند. علاوه بر این روکش‌ها و اسپری‌های تولید شده یا این فناوری می‌تواند برخی از قابلیت‌های این شیشه‌های پیشرفته را به شیشه‌های خودروهای موجود نیز ببخشند.

 با اضافه کردن پوشش نانویی به سطح شیشه خودرو (برای مثال به روش اسپری کردن)،فرورفتگی های بسیار ریز سطح شیشه را پر کرده و سطح صاف و بدون پستی و بلندی ایجاد می کند و در نتیجه قطرات ریز آب و گرد و غبار روی شیشه باقی نمی ماند و بنابراین موجب افزایش دید راننده، استهلاک کمتر برف پاکن ها و نیاز کمتر به شستشوی شیشه و همچنین بهبود دید در شب در نتیجه کاهش انعکاس مضر نور می شود.

پوشش‌های ضد لک شیشه

استفاده از این نوع پوشش روی شیشه خودرو موجب دفع آب و ذرات گردوغبار شده و به راحتی می‌توان سطح شیشه را تمیز کرد. این پوشش همچنین ضد سایش بوده و علاوه بر مقام بودن در برابر پرتوهای فرابنفش، از دوام طولانی‌تری برخوردار است. عمر این محصول روی شیشه جلوی خودرو تا پنجاه هزار کیلومتر و روی شیشه پنجره‌هایی که در جهت حرکت ماشین قرار ندارند تا پنج سال می‌رسد.

پوشش‌های فوتوکرومیک

عدم دید کافی راننده به هنگام حرکت در خلاف جهت تابش آفتاب از جمله دلایل بروز حوادث جاده‌ای است. فناوری نانو توانسته است به رفع این مشکل کمک کند. استفاده از روش‌های کلوئیدی برای تهیه نانو ذرات حساس به نور به همراه روش‌های سل – ژل، توانایی بالقوه زیادی برای طراحی و تهیه مواد فوتوکرومیک دارد به طوری که با این روش ایجاد هر شکلی از این مواد، از جمله فیلم‌های نازک برای به کاری گیری روی شیشه خودروها امکان پذیر است.

ادامه دارد...