شناخت بیشتر پلاسما (2)

سیستم های دارای ساختار منظم انرژی چسبندگی بیشتری نسبت به انرژی حرارتی پیرامونی دارند.اگراین سازه ها در محیطی باحرارت کافی قرارگیرند تجزیه می شوند یعنی کریستال ها ذوب می شوند و نظم مولکولی به هم می ریزد .در دمای نزدیک یا بالاتر از انرژی یونیزاسیون اتمی،اتمها نیز به الکترون های با بارمنفی ویون های با بار مثبت تجزیه می شوند.این ذرات بارداربه هیچ وجه آزاد نبوده ودرحقیقت به شدت تحت تاثیر میادین الکترومغناطیسی یکدیگر قرار می گیرند.با این حال چون بارها دیگر چسبیده نیستند،ترکیب ومونتاژآنها قادر به حرکات مشترک با پیچیدگی و قدرت بالا خواهند بود.چنین ترکیبی پلاسما نامیده می شوند.

البته سیستم های دارای چسبندگی می توانند سازه وساختار با چسبندگی بالا را نشان دهند مانند مولکول پروتئین .پیچیدگی در پلاسما به نوعی متفاوت بوده ومعمولأبه صورت موقتی وفضایی بیان می شوند.پلاسما بیشتردارای ویژگی تحریک تغییرات مختلف وضعیتهای مشترک دینامیکی است.

چون تجزیه حرارت ،قبل ازیونیزه شدن ،چسبندگی واتحاد بین اتمی را می شکند،بیشتر پلاسماهای زمینی با حالت گازشروع می شوند.در حقیقت بعضی مواقع پلاسمابه عنوان گازی تلقی می شود که به اندازه ای یونیزه شده که عملکرد پلاسما مانند از خود بروزدهد. توجه داشته باشید که عملکرد پلاسما مانند پس از بخش نسبتأکمی از گازی که یونیزه شده رخ می دهد. بنابراین گازهایی که تااندازه ای یونیزه شده اند دارای ویژگی شبیه به بیشترنشانه های خارق العاده مخصوص گازهای کاملأ یونیزه شده هستند.

پلاسماهایی که ازیونیزه شدن گازهای خنثی ناشی می شود عمدتأ حاوی تعداد مساوی ناقل های مثبت و منفی هستند. در این حالت مایعات دارای بارمخالف کاملأ به هم چسبیده و درمقیاسهای طول واقعی (ماکروسکوپی) تلاش می کنند همدیگررا خنثی نمایند چنین پلاسماهایی شبه خنثی نامیده می شوند (شبیه به خاطراینکه انحرافات کوچک ازخنثی بودن کامل اثرات مهم دینامیکی برای وضعیتهای پلاسمای خاصی دارد.)پلاسماهای غیر خنثی قوی که ممکن است بارهای فقط از یک نوع را داشته باشند،اصولاًدرآزمایشات لابراتواری رخ داده ،توازن آن ها به وجود میادین مغناطیسی شدید که حول آن مایع باردارمی چرخد بستگی دارد.

بعضی مواقع مشاهده شده که 95% ازطبیعت ازپلاسما تشکیل شده است.این نظریه دارای ویژگی دوجانبه کاملاًجالب فیزیک وتقریباً غیرممکن بودن رد کردن (یاتاییدکردن)آن است.با این حال،لازم است به وجود و عمومیت داشتن محیط پلاسما اشاره شود.در دوران اولیه جهان،همه چیز در حالت پلاسما بوده است.دردوران کنونی،ستارگان،سحابیها وحتی فضای بین ستارگان از پلاسما پرشده اند.درمنظومه شمسی نیز پلاسما به شکل بادهای خورشیدی جریان داشته و زمین نیز کاملاً توسط پلاسمایی که درمیدان مغناطیسی زمین قرارگرفته احاطه شده است.

یافتن پلاسمای زمینی نیزمشکل نیست . چنین حالاتی دررعدوبرق ،لامپهای فلورسنت ،انواع آزمایشات لابراتواری ومجموعه درحال رشد فرایندهای صنعتی رخ می دهند.درحقیقت تخلیه برق (رعد و برق) اخیراً هسته ی اصلی صنعت مونتاژوساخت مدارات ریز (میکرو) را تشکیل می دهد.سیستم های مایع وحتی جامدی که بعضی مواقع می توانند اثرات مشترک الکترومغناطیسی که دارای ویژگی پلاسما را دارند از خود بروزدهند.مثلاًجیوه مایع دارای بسیاری ازوضعیتهای دینامیکی مانند امواج آلفن (ALFVEN) بوده که درپلاسماهای معمولی رخ می دهد.

اسپری پلاسما :

در روش پلاسما اسپری گازتشکیل دهنده پلاسما که درمرحله شروع قوس آرگن یا هلیم است و پس ازبرقراری قوس پایدار به ترکیبی از آرگن یا هلیم با هیدروژن یانیتروژن تبدیل می شود از بین کاتد و آند عبورکرده و بر اثر تخلیه الکتریکی این ناحیه یونیزه می گردد. مقدارانرژی صرف شده برای یونیزه کردن گاز، درناحیه ای درخارج گذرگاه مابین کاتد و آند آزاد شده و به گرما تبدیل می کردد و بدین ترتیب دمایی درحدود 15000 درجه سانتیگراد حاصل خواهد شد و مولکولهای منبسط شده گاز با سرعتی نزدیک به صوت ذرات ماده پوشش بصورت پودر را که ذوب شده اند، به سمت سطح قطعه خواهند راند و بدین ترتیب پوششی متراکم باچسبندگی بالا حاصل خواهد شد.

پوشش های پلاسما اسپری، جهت محافظت سطح قطعات دربرابرعواملی مانند دمای بالا، خوردگی داغ، خوردگی دمای محیط و فرسایش مورد استفاده قرارمی گیرند، این پوشش ها درصنایع مختلف ازجمله صنایع نفت، نساجی، فولاد، نیروگاهی، شیمیایی و … کاربردفراوان دارند.

بعنوان نمونه می توان موارد زیر راذکر کرد:

1. کاربید تنگستن و کاربید کرم : مقاوم دربرابرسایش

2. اکسید آلومینیم : مقاوم دربرابر دمای بالا وسایش

3.اکسید زیرکنیم : پوشش سپر حرارتی

4.آلیاژهای پایه نیکل : مقاوم دربرابر خوردگی

5.اکسیدکرم : مقاوم دربرابر سایش

كاربردهای فیزیك پلاسما

تخلیه های گازی:

قدیمی ترین كار با پلاسما، مربوط به لانگمیر، تانكس و همكاران آنها در سال 1920 میشود. تحقیقات در این مورد، از نیازی سرچشمه میگرفت كه برای توسعه لوله های خلائی كه بتوانند جریانهای قوی را حمل كنند، و در نتیجه میبایست از گازهای یونیزه پر شوند احساس میشد.

همجوشی گرما هستهای كنترل شده:

فیزیك پلاسمای جدید ( از حدود 1952 كه در آن ساختن راكتوری بر اساس كنترل همجوشی بمب هیدروژنی پیشنهاد گردید، آغاز میشود.

فیزیك فضا:

كاربرد مهم دیگر فیزیك پلاسما ، مطالعه فضای اطراف زمین است. جریان پیوستهای از ذرات باردار كه باد خورشیدی خوانده میشود، به مگنتوسفر زمین برخورد میكند. درون و جو ستارگان آن قدر داغ هستند كه میتوانند در حالت پلاسما باشند.

تبدیل انرژی مگنتو هیدرو دینامیك ( MHD ) و پیشرانش یونی:

دو كاربرد عملی فیزیك پلاسما در تبدیل انرژی مگنتو هیدرو دینامیك ، از یك فواره غلیظ پلاسما كه به داخل یك میدان مغناطیسی پیشرانده میشود، میباشد.

پلاسمای حالت جامد :

الكترونهای آزاد و حفرهها در نیمه رساناها ، پلاسمایی را تشكیل میدهند كه همان نوع نوسانات و ناپایداریهای یك پلاسمای گازی را عرضه می دارد.

لیزرهای گازی:

عادیترین پمپاژ ( تلمبه كردن ) یك لیزر گازی ، یعنی وارونه كردن جمعیت حالاتی كه منجر به تقویت نور میشود، استفاده از تخلیه گازی است.

- شایان ذكر است كه كاربردهای دیگری مانند چاقوی پلاسما ، تلویزیون پلاسما ، تفنگ الكترونی ، لامپ پلاسما و غیره نیز وجود دارد كه در اینجا فقط كاربردهای پلاسما در حالت كلی بیان شده است.

پلاسمای سرد باکتری ها را از بین می برد

 محققین در امریکا با استفاده از پلاسمای سرد روش جدیدی برای نابود کردن باکتریها کشف کردند. این روش توسط مونیر لاروس در دانشگاه ویرجینیا و دانشکده های کالیفرنیا در ساندیاگو کشف شد. پلاسما شامل ذرات باردار -الکترونها و یونها- و ذرات بدون بار مانند اتمهای برانگیخته و مولکولها می باشد.

بیشتر پلاسما هها در فشار معمولی داغ هستند - در حدود چندین هزار درجه سانتیگراد- بنابر این کنترل آنها مشکل است.

لاروس و همکارانش با استفاده از مانع مقاوم بدون بار در دما و فشار اتاق پلاسما ی سرد تولید کردند.آنها برای این کار گاز مخلوطی شامل 97% هلیوم و 3% اکسیژن را بین دو الکترود مسطح وارد کردند،سپس ولتاژی در حدود چندکیلوولت با فرکانس 60 هرتز اعمال کردند.

مزیت این روش در توان ورودی کم - بین 50 تا 300 وات - و تولید مقدار زیادی پلاسما می باشد.

 این تیم دو نوع باکتری - با غشای بیرونی و بدون غشای بیرونی- را در معرض پلاسما ی سرد قرار دادند و با میکروسکوب الکترونی تاثیرات پلاسما را روی آنها بررسی کردند.بعد از گذشت ده دقیقه دیدند که هر دو نوع باکتری بوسیله اشعه فرا بنفش و قسمتهای آزاد پلاسما، از بین رفتند.

ذرات باردار در حدود چند میکروثانیه آسیب شدیدی به پوسته سلول باکتری وارد می کنند،زیرا کشش الکتروستاتیکی وارد بر پوسته بیرونی سلول باکتری از نیروی کشش پوسته بیشتر می شود.

 لاروس و همکارانش معتقدند که پلاسمای سرد، باکتریها و ویروسهای مهلک را از بین می برد و برای استریلیزه کردن سریع و مطمئن تجهیزات دارویی می تواند بجای روشهای سمی بکار برود.

 لاروس میگوید:“امیدواریم این روش را بتوانیم برای قسمتهای زیرسلولی نیز بکار ببریم و تاثیرات بیوشیمی آن را نیز بدست آوریم.

فناوری نانو و تلفن همراه

آینده تلفن های همراه به سمت حس کردن چیزهای بیشتر می رود معماری تلفن ها و کامپیوتر شامل چند جزو اصلی است که با یکدیگر در ارتباط هستند براساس تعریفی که برای کاربردهای سیار صورت می  گیرد مفاهیم طراحی در تلفن همراه تغییر خواهند کرد. تمایل به کوچک تر و ظریف تر شدن تلفن های موبایل و هم زمان محکم تر و مطمئن تر شدن در هر صورت ادامه خواهد داشت.فناوری نانومی تواند در ابعاد واندازه های تلفن های همراه،باتری های تلفن های همراه وشارژهای تلفن های همراه تحول ایجاد کند.

 تلفن های همراه خمیده و منعطف با ساختار کشان، نیاز به تحول در فناوری های طراحی صفحه نمایش ها، صفحه کلیدها، آنتن ها، باتری ها و حفاظ های امواج و قطعات الکترونیکی دارد ،هوشمندی، حس، اطلاع از محتوا و افزایش ورود داده به مقدار حافظه و قدرت محاسباتی بیشتر نیاز دارد. محدودیت ابعاد به مشکلات حرارتی منجر می شود و فناوری های جدید اجازه تلفیق همه این خصوصیات را نمی دهند اما فناوری نانو می تواند راه هایی  برای حس کردن، حرکت رادیو، هوشمندی، کارایی در برق، حافظه، منابع انرژی، ارتباط مشتری و دستگاه، مواد، مکانیک، ساخت و مشکلات محیط زیستی ارائه می دهد.

با فناوری نانو تلفن همراه خود را هر چند ماه یكبار شارژ كنید!

محققان استفاده از نانولوله‌های كربنی موفق به ساخت نوعی باتری تلفن همراه و لپ‌تاپ شده‌اند كه نیاز به شارژ مجدد آنها را تا چند ماه كاهش می‌دهد.این محققان كه سیم‌كشی فلزی باتری‌های دستگاه‌های موبایل را با نانولوله تعویض كرده‌اند بر این باورند كه این تغییر می‌تواند عمر باتری‌ها را تا 100 برابر افزایش دهد.این پژوهش همچنین می‌تواند گامی بزرگ در دستگاه‌های بزرگتر از موبایل یا رایانه‌های قابل انتقال باشد.

این فناوری را می‌توان در تمام دستگاه‌هایی كه با باتری كار می‌كنند مانند ماهواره‌ها، تجهیزات مخابراتی در مناطق دورافتاده یا برنامه‌های كاربردی علمی و نظامی به كار برد.این گروه تحقیقاتی بر این باور است كه پژوهش جدید آنها آغازگر راه توسعه عمر باتری‌ها بوده و امیدوارند كه بتوانند مصرف نیروی دستگاه‌ها را تا 1000 برابر كارآمد كنند.

کاربرد ترکیبات نانو ساختار در تلفن های همراه

علم مواد و فناوری های ساخت مواد الکترونیکی مرکز تحولاتی است که در الکترونیک و تمامی کاربردهایش رخ می دهد. ساخت قطعات پلیمری الکترونیکی منعطف از این موارد به شما می روند. برای بدنه تلفن همراه وزن کم، سختی و انعطاف، سازگاری با محیط، استفاده از کارایی مواد، حساسیت، دفع لکه، چسبندگی و خواص سطحی دیگر مورد توجه است. انتظار می رود که بیشتر این تحولات به کمک مواد پلیمری و آلی و ترکیب های آلی و غیرآلی نانو ساختار رخ دهد. مواد موجود در پهنه جهان، موادی هستند که می توانند سبکی، کارایی و پایداری کافی را برای طراحی مواد جدید داشته باشند.

خواص استحکام، انعطاف، کشسانی، سبکی همه در یک دسته به نام خواص مکانیکی  قرار می گیرند. عمده راه ارتقای خواص مکانیکی در فناوری نانو از طریق نانو کامپوزیت ها است.

 در بخش نانوکامپوزیت ها تنها راه گریز برای خلاقیت توجه به ساختارهای مخلوق خداوند است. مسائل مربوط به مواد در طبیعت کاملاً منظم طراحی شده و میلیون ها نوع ماده در چرخه طبیعت می توان یافت. لذا توجه دانشمندان برای الگوبرداری از خلقت برای دستیابی به خواص مکانیکی مطلوب هنوز ادامه دارد. بعد از آنکه راه حل مشخص شد، مسائل مهم دیگری همچون قیمت، سهولت ساخت. ایمنی، عمر و ظاهر و ثبات در کار مطرح خواهند شد.

 در حال حاضر تلاش دانشمندان افزودن موادی مانند نانولوله ها، نانوالیاف، سیلیکات های مولکولی یا نانوذرات اکسید فلزی یا مواد دیگر برای رسیدن به خواص مورد نظر است.

خواص مطلوبی مانند استحکام، خواص الکتریکی، حرارتی، ضدخش یا نفوذپذیری را تنها با وارد کردن مقدار اندکی افزودنی نانو مواد ایجاد کرده اند. اما برای ایجاد سرعت بیشتر در تلفیق همزمان این ویژگی ها راهی جز بررسی مواد زیستی و زنده نیست. چرا که اساس بیشتر خصوصیات طبیعی در خصوصیات ژن ها و ساختارهای کوچک آن نهفته است. پلیمرهای طبیعی، پروتئین ها و پلی ساکاریدها از این مواد به شمار می روند. تار عنکبوت، صدف و ژن ها به دقت مطالعه و بررسی شده اند.

باتری های تلفن همراه

در تلفن های همراه کمترین انرژی مصرفی در حالت استندبای است. توان مصرفی استندبای 18 تا 20 میلی وات است. وقتی قابلیت های مختلف گوشی مانند دوربین، صفحه نمایشگر و رادیو مورد استفاده قرار گیرد توان مصرفی به 2000 میلی وات افزایش می یابد بیشترین توان مصرفی گوشی مربوط به صفحه نمایش، نیمه رساناها و ارسال امواج رادیویی برای ارتباط است. هر یک از این موارد یک سوم توان را می گیرند (به تفاوت توان و انرژی دقت شود).

تأثیر فناوری نانو در حوزه باتری بسیار گسترده بوده است. شرکت توشیبا نوعی باتری لیتیومی ساخته است که زمان شارژ را فوق العاده کاهش می دهد. این باتری می تواند 80 درصد از ظرفیت انرژی باتری را تنها در عرض یک دقیقه، یعنی تقریباً 60 برابر سریع تر از باتری های لیتیومی که امروزه به طور گسترده ای در بازار استفاده می شوند، شارژ کند و علاوه بر این، دارای چگالی انرژی بالایی بوده و در نتیجه کارایی آن بسیار افزایش یافته است.

گوشی همراه Morph نمونه ای از فناوری نانو تلفن همراه

نوکیا با همكاری دانشگاه کمبریج توانستند فناوری نانو را در ساخت گوشی های همراه ارائه و عملی سازند و نسل جدیدی به جهان هدیه كنند .

گوشی مورف نشان میدهد که چگونه دستگاه های تلفن همراه در آینده می توانند به اندازه کافی كوچك باشند و به اشکال مختلف تغییر كنندودارای مواد انعطاف پذیر ، الکترونیک شفاف باشند و قادر اند خود را تمیز نگاهدارد  که برای فناوری نانوجزء قابلیت های نهایی است.

مورف می تواند راه را برای دستگاه های تلفن همراه که با استفاده از مواد شفاف ، دفع خاک و اثر انگشت استفاده از انرژی خورشیدی برای شارژ و استفاده از سنسورها و دانش بیشتر و متناسب و هماهنگ با  محیط زیست را عرضه دهد.

تلفن های همراهی كه با استفاده از فناوری نانوخود به خود تعمیر می شوند

سقوط تلفن همراه به روی زمین به احتمال زیاد باوارد شدن لطمات جدی به سیستم های الكترونیكی چنین تجهیزاتی مواجه می شود. محققان برای مقابله با چنین حوادث بسیار رایجی دست به كار شده و با استفاده از فناوری نانو امكانی را فراهم كرده اند كه طی آن خاصیت رسانایی و هدایت الكتریكی در چنین سیستم هایی احیا می شود. مبنای اصلی در این فناوری نوین طراحی و ساخت مداراتی است كه قابلیت احیای خودكار را داشته باشند.

در این فناوری نوین از كپسول هایی استفاده می شود كه با نانولوله های هادی پر شده اند. این كپسول ها در صورت قرار داشتن در شرایط استرس زای مكانیكی باز شده و محتویات آن روی مداراتی ریخته می شود كه دچار آسیب دیدگی های جدی شده اند. زمانی كه استرس مكانیكی موجب پیدایش ریزشكافی در ساختار مدار می شود، برخی از كپسول های یاد شده بسرعت از یكدیگر گسیخته و با ریخته شدن نانولوله های موجود در آنها روی مدار، شكاف به وجود آمده ترمیم می شود.

فناوری نانو و صنایع دریایی(1)

صنایع دریایی شامل حوزه وسیعی از صنایع می‌شود که هر کدام می‌توانند پشتوانه و مهد توسعه علم و فناوری باشند. سه دسته‌بندی کلی صنا‌یع دریایی عبارتند از:

صنایع کشتی‌سازی  : ساخت انواع کشتی‌ها از قبیل کشتی‌های کانتینربر، نفتکش‌های غول پیکر، ناوچه‌ها و زیردریایی‌.

صنایع فرا ساحل : شامل ساخت سکوهای ثابت و متحرک دریایی و لوله‌گذاری در دریا می‌شود که در پروژه‌های عظیم نفت و گاز کاربرد دارند..

صنایع ساحلی و بندری : شامل ساخت اسکله، موج‌شکن و سازه‌های نزدیک ساحل (پایانه‌های نفتی) می باشد.

فناوری‌نانو در زمینه صنایع دریایی، به خصوص ساخت شناورها از اهمیت خاصی برخوردار است و کاربردهای آن را می‌توان به‌طور کلی شامل موارد زیر دانست:

** ایجاد پوشش‌های مناسب در برابر اثرات محیط دریا

** تولید مواد جدید برای ساخت بدنه و اجزای آن به‌منظور افزایش استحکام

** تولید مواد جدید برای افزایش قابلیت عملکرد شناور مانند سوخت‌های جدید، باتری‌های با ذخیره انرژی بسیار بالا و پیل‌های سوختی.

ساخت بلندگوی زیردریایی با استفاده از فناوری نانو

به عنوان نمونه به یکی ازیافته های محققان در ساخت بلندگوی زیردریایی با استفاده از فناوری نانو اشاره می کنیم .این محققان با استفاده از فناوری نانو موفق به ساخت بلندگوهای زیر‌دریایی سبکی شده‌اند که از قابلیت آب‌گریزی نانولوله‌های کربنی در کنار انبساط و انقباض هوای اطراف آنها برای ارسال امواج صوتی بهره می‌برند.این بلندگوهای زیردریایی برای شناخت بهتر اسرار اعماق دریاها و اقیانوس‌ها به کار گرفته خواهند شد.برای ساخت این بلندگوها از صفحات نازک تشکیل شده از نانولوله‌های کربنی استفاده شده است.

این بلندگوها به شکل حیرت‌آوری در زیرآب خوب عمل می‌کنند. با اینکه ظرفیت گرمایی بالای آب در کنار انبساط حرارتی پایین این مایع باعث می‌شود تمامی نوسانات حرارتی اطراف جذب شوند اما خواص آبگریز این نانولوله‌ها به ایجاد یک لایه هوا در اطراف آنها منجر خواهد شد که با افزایش و کاهش دما، به سرعت منبسط و منقبض می‌شود و مانند پیستونی این انقباض و انبساط را به آب اطراف صفحات انتقال خواهد داد.

همان طور که می دانیم صنایع دریایی گستره وسیعی از صنایع مانند شناورهای سطحی (کشتی‌ شناور بزرگی است که برای حمل مسافر و بار بر روی آبهای آزاد یا رودخانه و دریاچه های پهناور استفاده می‌شود.)، زیرسطحی (زیردریایی‌ که یک وسیلهء نقیله شناور است که می تواند در زیر سطح آب حرکت کند. در واقع شناوری است که همانگونه که از نامش پیداست توانایی شنا در زیر آبها را دارد) ، سکوهای دریایی و کلیه صنایع مرتبط با دریا را در برمی‌گیرد.

برخی از  کاربردفناوری‌نانو در این صنایع عبارتنند از:

** کلیه تحولاتی که در فناوری کامپیوتر، الکترونیک و مخابرات براساس فناوری‌نانو ایجاد می‌گردد: قطعاً بر صنایع دریایی تأثیر‌ می‌گذارد؛ زیرا این صنایع مانند سایر صنایع، وابستگی بسیاری به این فناوری‌ها دارند.چرا که امروزه استفاده از وسایل الکترونیکی و کامپیوتری از اجزای لاینفک شناورهای دریایی و درکل تجهیزات دریایی شده است.

** الکترودهای جوشکاری دما پایین : این الکترودها با استفاده از فناوری‌نانو، دارای دمای کاری بسیار پایینی نسبت به الکترودهای جوشکاری موجود هستند. مواد این الکترودها به‌گونه‌ای است که در ازای حرارت اندک، اتحاد مولکولی مستحکمی را بین مولکول‌های دو قطعه فلز ایجاد می‌کنند و عملکردی شبیه چسب‌های حرارتی معمولی خواهند داشت. این الکترودها تأثیر شگرفی بر فناوری جوشکاری، به خصوص جوشکاری آلومینیوم خواهند داشت. کاربرد و حجم زیاد جوشکاری در صنایع دریایی می‌تواند عاملی برای تأثیر فوق‌العاده فناوری‌نانو در این زمینه باشد.

** سوخت : کشتی و کلیه شناورها برای تأمین قدرت حرکت در دریا، معمولاً چندین تن سوخت حمل می‌کنند و کشتی‌های اقیانوس‌پیما نیز در طول مسیر دریانوردی مجبور هستند، چندین بار برای سوخت‌گیری توقف کنند. فناوری‌نانو با ارائه سوخت‌های پرانرژی، کشتی‌ها را از توقف‌های متعدد در دریا و حمل چندین تن سوخت بی‌نیاز خواهد کرد. این سوخت‌ها به‌صورت بسته‌های پرانرژی مولکولی است که از اثرات مولکول‌ها بریکدیگر، انرژی زیادی آزاد می‌کنند، به صورتی که یک لیتر از این سوخت‌ها، معادل ده‌ها لیتر سوخت معمولی انرژی آزاد می‌کند. از آنجا که ذرات نانومتری موجب افزایش سرعت سوخت و یکنواختی آن می‌گردد، در سوخت‌های جدید می‌توان جهت افزایش قدرت سوخت از آنها استفاده کرد.

** نانو فایبرگلاس و نانوکامپوزیت‌ها : ماده فایبرگلاس با آرایش تار و پودی (ماتریسی) ، استحکام زیادی دارد. در این مواد، الیاف شیشه به صورت تارهای نازک و تحت شرایط خاصی تولید شده و به صورت متفاوتی به هم بافته می‌شوند؛ رایج‌ترین نوع آنها الیاف بافته شده به‌صورت حصیری و الیاف سوزنی است. فناوری‌نانو با اعمال آرایش تار و پودی بین مولکول‌ها، نانو فایبرگلاس‌های بسیار محکم و سبکی ایجاد می‌کند که نسبت به فایبرگلاس‌های امروزی برتری بسیاری دارند. نانوکامپوزیت‌ها دسته جدیدی از مواد مورد مطالعه جهانی است که شامل پلیمرهای قدیمی تقویت شده با ذرات نانومتری می‌شود. کامپوزیت‌ها با داشتن آرایش‌های مولکولی متفاوت، کاربردهای وسیع‌تر و جدیدتری را تجربه خواهند کرد. از جمله خواص مهم کامپوزیت‌ها، استحکام زیاد در عین وزن کم، مقاومت بالا در برابر خوردگی و خاصیت جذب امواج راداری است. این خاصیت به منظور ساخت هواپیماها و زیردریایی‌هایی که به وسیله رادار قابل شناسایی نیستند، مورد استفاده قرار می‌گیرد .

** جاذب‌های ارتعاشی : جاذب‌های ارتعاشی امروزی، موادی حجیم و سنگین هستند. فناوری‌نانو با ارائه جاذب‌های ارتعاشی جدید، تحول عمیقی را در این زمینه ایجاد خواهد کرد. این نانومواد، انرژی ارتعاشی را به مقدار بسیار بالایی در بین شبکه مولکولی خود ذخیره می‌کنند و ساختارهای مولکولی ویژه آنها، تا حد زیادی از انتقال انرژی ارتعاشی به مولکول‌های جانبی جلوگیری می‌کند؛ بدین ترتیب ارتعاش به خوبی مهار می‌شود. این مواد در کشتی‌های مسافربری، شناورهای نظامی و زیردریایی‌ها کاربردهای بسیاری دارند و اغلب در زیر موتورها و اجزای دوار شناورها نصب می‌گردند.

** جاذب‌های صوتی : این جاذب‌ها نیز مانند جاذب‌های ارتعاشی، علی‌رغم سبک و نازک بودن، انرژی صوت را به‌طور کامل میرا می‌کنند. جاذب‌های صوتی امروزی با وجود سنگین و حجیم بودن، نسبت به فرکانس و جهت صوت برخوردی، بازدهی متفاوتی دارند. فناوری‌نانو انواعی از جاذب‌های صوتی را ارائه می‌کند که ساختار مولکولی آنها با جهت برخورد صوت

و فرکانس صوت قابل تطابق باشد؛ به گونه‌ای که بتوانند بیشترین مقدار انرژی صوت را جذب کنند. این مواد در کشتی‌های مسافربری، شناورهای نظامی و زیردریایی‌ها کاربردهای بسیاری دارند و قسمت داخلی یا خارجی بدنه از این مواد پوشیده می‌شود.

** رنگ‌های دریایی : خوردگی بسیار زیاد محیط دریا به خصوص دریاهای آب شور مانند خلیج فارس، از معضلات اساسی نگهداری سکوهای دریایی و کشتی‌هاست. شرایط خاص محیط دریا ایجاب می‌کند که به‌طور متوسط، هر سه سال یک‌بار بدنه سکوها و کشتی‌ها رنگ‌آمیزی شود. فناوری‌نانو رنگ‌های جدید بسیار مقاوم در برابر خوردگی و اثرات محیط ارائه می‌نماید که با توجه به طول عمر شناورها و دوام بیش از 20 سال این رنگ‌ها بر بدنه شناورها، می‌توان این امر را به معنای مادام‌العمر بودن این رنگ‌ها دانست.

      ادامه دارد...

فناوری نانو و صنایع دریایی(2)

جاذب‌های انرژی موج دریا و نور آفتاب : فناوری ‌نانو نسل جدیدی از مواد را ارائه می‌کند که همانند سلول‌های فتوالکتریک انرژی موج دریا و نور آفتاب را جذب می‌کنند و به مثابه منبع تأمین انرژی خواهند بود. ویژگی منحصر به فرد این مواد این است که همانند پوشش‌های معمولی دریایی قابل اتصال به بدنه شناور هستند که می‌تواند مدت دوام شناور در دریا را چندین برابر نماید و از انرژی‌های محیط استفاده کند. استفاده از این منابع انرژی مزیت‌های زیست‌محیطی نیز دارد.

نانوفیلتراسیون : از جمله ویژگی‌های این فناوری می‌توان به جذب ذرات بسیار ریز محیط اشاره کرد که در جذب مونوکسید و دی‌اکسید کربن کاربرد دارند. پوشش داخلی زیردریایی‌ها در زیر آب محیطی بسته و مناسب با بکارگیری این فناوری است. مطابق این فناوری، بلورهای اکسید تیتانیوم نیمه‌رسانا که اندازه‌ شان فقط 40 نانومتر است به‌وسیله نور ماوراء بنفش شارژ شده، برای حذف آلودگی‌های آلی استفاده می شوند.

نانومورفولوژی : با استفاده از فناوری‌نانو می‌توان مواد بسیار مقاوم در برابر آتش ساخت که در اشتعال ناپذیری به خاک تشبیه می‌شوند. استفاده از این مواد در شناورها به منظور ایمنی در برابر آتش‌سوزی بسیار حائز اهمیت است. در شناورهای نظامی خطر آتش سوزی بسیار زیاد است؛ لذا استفاده از این فناوری بسیار حیاتی است.

تحول در فناوری پیل سوختی : پیل سوختی در شناورها به خصوص شناورهای زیرسطحی و زیردریایی‌ها، کاربردهای وسیعی دارد. امروزه روش‌های مختلفی برای ذخیره‌سازی هیدروژن مورد نیاز در پیل سوختی استفاده می‌شود ؛ (از جمله به صورت مایع که دمای بسیار پایین یا فشار بسیار بالایی نیاز دارد) ، هیدرات فلزی (که وزن بسیار زیادی را به شناور تحمیل می‌کند) و کربن فعال (که استفاده از آن معضل زیاد و بازده کمی دارد) . اکنون می توان از نانولوله‌های کربنی برای ذخیره هیدروژن استفاده کرد ؛ زیرا دیگر نیازی به دمای پایین، فشار بسیار بالا و تحمل وزن سنگین نخواهد داشت ؛‌ این کار تحول عظیمی را در فناوری پیل سوختی ایجاد خواهد کرد.

باتری‌های با ذخیره انرژی بسیار بالا : امروزه انواع مختلفی از باتری‌های قابل شارژ وجود دارند که دارای وزن زیاد و ذخیره انرژی اندکی هستند . این باتری‌ها در شناورها به خصوص در قایق‌های تفریحی، زیردریایی‌ها و کشتی‌ها (به عنوان منبع برق اضطراری) کاربردهای حیاتی و مهمی دارند، امّا انرژی اندکی که ذخیره می‌کنند زمان ماندن زیردریایی‌های دیزل الکتریک در زیر آب را محدود می‌کنند. در موقع حرکت سطحی که دیزل قادر به فعالیت است، انرژی الکتریکی تولید شده دیزل در باتری‌ها ذخیره می‌شود و در موقع حرکت در زیر سطح آب که به علت دسترسی نداشتن به هوا امکان کار برای دیزل وجود ندارد، از این انرژی الکتریکی استفاده می‌شود. فناوری‌نانو با ارائه باتری‌های با ذخیره انرژی بسیار بالا، زیردریایی‌های دیزل الکتریک را قادر می‌کند تا ده‌ها برابرِ زمان فعلی خود در زیر آب بمانند. علاوه بر آن فناوری‌نانو با کاهش وزن بسته‌های باطری، کاربردهای ارزنده‌ای در فناوری هوافضا، هواپیماهای بدون سرنشین، اتومبیل و شناورهای تفریحی کوچک پدید می‌آورد.

گرافیت و سرامیک : فناوری‌نانو با ارائه مواد بسیار مستحکم که ده‌ها برابر مقاوم‌تر از فولاد هستند، تأثیر چشمگیری در ساخت سازه‌های دریایی و صنایع دریایی خواهد داشت. سرامیک‌ها از جمله این موادند که در بدنه شناورهای زیر دریایی آب عمیق (حدود 11 هزار متر) به‌کار خواهند رفت. این مواد با داشتن استحکام فوق‌العاده، وزن سبک، مقاومت بسیار زیاد در برابر خوردگی و دوام در شرایط دمایی بسیار متغیر، گزینه بسیار مناسبی برای سازه‌های عظیم دریایی به خصوص غوطه‌ور شونده‌ها و زیردریایی‌ها هستند.

جایگاه صنایع دریایی و فناوری‌نانو در ایران

در ایران صنایع دریایی به معنای واقعی خود؛ یعنی ساخت سکوهای ثابت و متحرک دریایی، کشتی‌های اقیانوس پیما، غوطه‌ور شونده‌ها، زیردریایی‌ها و ...صنعتی نوپا محسوب می‌گردند. همان طور که می دانیم فناوری‌نانو با توجه به تأثیرات شگرفی که در همه صنایع دارد، مورد توجه قرار گرفته است. صنایع دریایی در حال رسیدن به دوران تکامل خود در کشور است و فناوری‌نانو هم می‌تواند به تکامل هدفمند و روزافزون آن کمک کند. کاربردهایی از فناوری‌نانو که بیان شد، تنها گوشه‌ای از کاربردهای گسترده آن در صنایع دریایی است و آینده، این کاربردها را قطعی‌تر و مشخص‌تر خواهد کرد؛ لذا مدیران کلیه بخش‌های صنعتی کشور از جمله صنایع دریایی نباید خود را نسبت به فناوری‌نانو بیگانه بدانند، بلکه همواره باید پیشرفت‌های این شاخه از دانش و فناوری مولکولی را در دنیا زیر نظر داشته، از پیشرفت این فناوری جدید در کشور، حمایت‌های مادی و معنوی لازم را به عمل آورند. چه بسا که ورود فناوری‌نانو به هر صنعتی، تحولات شگرفی را باعث شود و غافلگیری و ورشکستگی رقبا را به دنبال داشته باشد.

از طرف دیگر، نهادهای مرتبط باید پیشرفت‌های روز دنیا در زمینه فناوری‌نانو را به صنایع مربوطه معرفی کنند که این امر مستلزم شناخت نیازهای هر بخش از صنعت در زمینه فناوری‌نانو است. لازم است، متولیان فناوری‌نانو بایک تقسیم‌بندی منطقی در صنایع موجود در کشور، نیازهای هریک را به تفکیک بررسی کنند و با شناسایی نیازهای بازار، توسعه فناوری‌نانو را در کشور جهت‌دهی نمایند. به علاوه، پشتوانه مالی مناسبی نیز برای توسعه فناوری‌نانو فراهم نمایند، زیرا نشناختن نیازها به معنای بیراهه رفتن فناوری‌نانو در کشور است.

توپ سیاه نانومتری

تاریخچه ی باکی بال ها

در سال 1985 روبرت کورل، هارولد کروتو و ریچارد اسمالی فولرین های باک مینیستر را که باکی بال هم نامیده می شدند، کشف کردند که حدوداً یک نانومتری قطر داشت. آنها در طی یک بررسی در مورد طیف های جذبی ساطع از ستارگان به وجود نوعی ازکربن که به شکل C60بودپی بردند.

تعداد زیادی ساختار شبیه به آن یافت شده اند. بحث های زیادی درمورد اسم پیشنهادیC از زمان کشف 60 برای این ماده بود. از آنجا که این اسم از سیستم نامگذاری دیگر مواد و ترکیبات شیمیایی تبعیت نمی کرد.

بالاخره با دفاعیات بسیار کروتو، باك مینستر فولرن به عنوان اسم اصلی و استاندارد این مولکول پذیرفته شد.(باک مینیسترفولرن معماری آمریکایی بود که گنبد هایی را به شکل توپ طراحی می کرد وعلت نامگذاری مولکول توپی شکل نیز به این نام همین است)اما از آنجا که به کار بردن این اسم با کمی دشواری همراه بود از اسم باکی بال استفاده شد. ساختار باکی بال تمام کربنی است. کربن چهارمین عنصر فراوان در جهان است و در بین تمامی عناصر، نقش بسیار مهمی در تحقیقات فناوری نانو و کاربردهای متصور برای آن داشته است.

تعاریف مقدماتی از عنصر کربن ،کاربردها وخواص آن

در ابتدا بهتر است مقدمه ای راجب به عنصر کربن ذکر کنیم.عنصر کربن در بسیاری از ترکیبات مختلف وجود دارد. در غذا، مداد، خودکار یا کاغذی که می نویسیم و حتی در سوخت و لباس همه ما کربن وجود دارد. کربن نقش مهمی در شیمی حیات دارد؛ نافلزی است که به طور طبیعی در تمامی سلول های جانداران وجود دارد. عدد اتمی6 و جرم اتمی12 دارد. 19درصد وزن بدن انسان را تشکیل داده و بخش مهمی از پروتئین ها، کربوهیدرات ها، چربی ها و اسیدهای نوکلئیک می باشد. کربن به همراه اتم هیدروژن عنصر اصلی تمام سوخت های فسیلی، زغال، نفت و گاز طبیعی است. کربن در مواد مصنوعی مانند کامپوزیت ها به صورت الیاف کربن، یا الیاف شیشه، به عنوان تقویت کننده استفاده می شود. مواد مرکب کربن سبک و مستحکم اند و کاربردهای وسیعی در زمینه هوافضا و خودروسازی دارند. از الیاف کربن در قایق های بادبانی و دوچرخه های پیشرفته استفاده می شود. کربن در کالاهای مصرفی مانند کامپیوترهای لپ تاپ، چوب های ماهی گیری و راکت های تنیس نیز استفاده می شود.

آلوتروپ های کربن

آلوتروپ های (اشکال) متنوعی از کربن وجود دارد که در خواص، نانوساختار (ساختار مولکولی) و کاربردها، تفاوت بسیار زیادی با هم دارند. این اشکال شامل حالت های شکل(آمورف)، گرافیت، الماس و فولرین هستند. به ساختار غیرمنظم یا غیرکریستالی ساختار آمورف اطلاق می شود. مثلاً دوده، کربن آمورفی به شکل یک پودر سیاه رنگ است که از سوخت ناقص حاصل می گردد. شیشه، زمرد، واکس، لاستیک و پلاستیک ها نمونه های دیگری از مواد بی شکل هستند. کربن آمورف در شهاب ها نیز مشاهده شده است. سایر ساختارهای کربن اشکال کریستالی و خواص مشخصی دارند. گرافیت با رس ترکیب می شود و به عنوان مغزی در مداد استفاده می شود.

الماس برای مصارف زینتی و یا در نوک مته ها به کار می رود. الماس سخت ترین کانی جهان است الماس به این سبب سخت ومحکم است که اتم های کربنی که آن را تشکیل می دهند بسیار تنگا تنگ یکدیگر قرار گرفته اند.درصد کمی کربن، آهن را به فولاد تبدیل می‌کند. کربن گرافیتی در یک حالت ترد به صورت زغال برای پختن غذا، گریم و ... استفاده می شود. کربن بخشی از ترکیب باروت نیز است. همچنین قرص های زغال در پزشکی برای جذب سموم و زهر از سیستم گوارشی استفاده می شوند.

گرافیت

در گرافیت شش ضلعی های ِ منتظم کربنی لایه هایی را ایجاد کرده اند که بر روی یکدیگر انباشته شده و هر لایه از طریق پیوندهای ضعیف وان در والس به لایه زیرین متصل است. هنگامی که لایه های گرافیتی در هم پیچیده شوند، نانولوله های کربنی را تشکیل می دهند. در واقع نانولوله، گرافیتیست که به شکل لوله در آمده باشد.در واقع گرافیت یک کانی بسیار نرم شامل پیوندهای ضعیف اتمهای کربن در دو بعد و درست شبیه به یک صفحه صاف است. ساختار تخت و صفحه ای گرافیت آن را به یک روان کننده طبیعی عالی تبدیل کرده است، چون به ورق های نانومتری اجازه می دهد که به راحتی روی هم بلغزند. اگر چه گرافیت نرم است، اما استحکام گرافیت و قابلیت آن در انتقال الکتریسیته این ماده را در فناوری نانو برجسته کرده است. گرافیت از لایه هایی از اتمهای کربن که به صورت شش ضلعی قرار گرفته اند تشکیل شده است. کربن به حالت گرافیت ارزان و بسیار مقاوم است. اگر صفحات گرافیت از هم جدا شوند، به هر یک از این صفحات گرافن گفته می شود.

دو دسته از گرافیت های طبیعی و مصنوعی وجود دارند. کانی های طبیعی گرافیت در پوسته زمین یافت می شوند و گرافیت مصنوعی از کُک نفت تولید می شود. گرافیت در کنار مدادسازی، برای ساخت بوته(ظرف مخصوص ذوب فلز) و قالب ها و ملاقه های حمل مواد مذاب استفاده می شود. مصرف عمده گرافیت به عنوان ماده الکتریکی در ساخت قطعات کربنی در موتورهای الکتریکی است. گرافیت بسیار خالص به مقدار زیاد در تولید میله های هدایت گر در راکتور هسته ای استفاده می شود.

از گرافیت در کاربردهای فضایی، باتری ها، قطعات کربنی و الکترودهای گرافیتی در کوره های قوس الکتریکی فرایندهای فولادسازی نیز استفاده می گردد. اولین بار چوپانان انگلیسی بودند که سنگ های سیاهی را در کنار ریشه های کنده یک درخت پیدا کردند. ابتدا همه فکر کردند ذغال است اما دیدند نمی سوزد. بعدها متوجه شدند که این جسم وسیله خوبی برای علامت گذاری روی گوسفندان است. خیلی زود مداد از آن ساخته شد. مداد ترکیبی از رس و گرافیت است. بسته به میزان ساخت مداد نشان می دهد که می توان با ترکیب عناصر با هم موادی با خصوصیات جدید ساخت. نانوموادی مانند نانولوله ها و انواع نانوذرات و ذرات نانومتری رس می توانند با نسبت های مختلف با مواد دیگر ترکیب شده و خواصی نو ایجاد کنند.

الماس

ساختار دیگر کربن یعنی الماس از سخت ترین مواد طبیعی شناخته شده است. الماس اتم های کربنی دارد که به شکل سه بعدی آرایش یافته اند. این ساختار الماس را به ماده بسیار سخت و مناسب برای فرآیندهای برش و سنگ زنی فلزات و سایر مواد تبدیل کرده است. ساختار بینهایت محکم و مقاوم الماس می تواند بر روی سخت ترین سنگها نیز خط بیندازد. برخلاف گرافیت، الماس رسانای خوبی برای الکتریسیته نیست، اما رسانای خوب حرارت است.

 کاربرد الماس در محصولات مختلفی شامل دیودهای لیزری و ابزارهای مایکروویو کوچک، پایه مدارهای مجتمع و صفحات مدار است. الماس در حال حاضر به عنوان بخشی از پوشش محافظ در محیط کاری خطرناک استفاده می شود. الماس خصوصیات مکانیکی، شیمیایی و فیزیکی قابل توجهی دارد. ضریب اصطکاک کم، رسانایی حرارتی بالا، مقاومت الکتریکی بالا، ضریب انبساط حرارتی کم برخی از این خصوصیات به شمار می روند.

فولرین

فولرین شکل آلوتروپی سوم مواد کربنی بعد از گرافیت و الماس است. یک نام عمومی برای یك دسته ای از مولكول‌ها است كه بـر پایـه‌ كربن خالص شکل گرفته اند و نخستین بار از طریق طیف سنجی شناخته شدند. شکل آنها ممکن است کروی، بیضوی یا استوانه باشد و از مولکول آب بزرگ تر هستند. یك فولرین باکی بال ،مولكولی است كه با استقرار 12پنج ضلعی و 20 شش ضلعی از اتم های کربن کنار هم، مجموعاً از 60 اتم كربن درست شده است. درواقع به صورت 6 ضلعی و 5 ضلعی درکنار هم چیده شده اند و ساختاری را که شبیه به یک توپ فوتبال است بوجود آورده اند.

 فولرین، خواص منحصر به فردی دارد. استحکام کششی یک نانولوله فولرین 20 برابر فولاد پر استحکام و چگالی آن نصف آلومینیوم است. بنابراین از فولاد محکم تر و از آلومینیوم سبک تر است. از زمان کشف فولرین ها دانشمندان کاربردهایی را برای این مولکول ها در نظر گرفته اند که می توان استفاده از فولرین در کامپیوتر و حسگرها و استفاده از فضای خالی داخل فولرین برای قرار گرفتن ذره دیگر را نام برد.  بیشتر داروسازان به دنبال استفاده از فولرین در دارو برای کنترل آسیب های عصبی بیماری آلزایمر هستند. همچنین استفاده از فولرین در داروها برای تصلب شرایین و استفاده از آن جهت درمان بیماری های رگ بررسی شده است.

   ادامه دارد...

تحول باتری ها وفناوری نانو(1)

 همان طور که می دانیم فناوری نانو دربسیاری از زمینه ها به طور گسترده وارد شده است. این بار می خواهیم در زمینه ی باتری ها ورود این فناوری رابررسی کنیم.

تأثیر كوتاه مدت عمده فناوری نانو بر فناوری باتری، از به كارگیری نانوذرات حاصل خواهد شد. آنها بدون تأثیرگذاری فوق العاده بر ظرفیت كل، سرعت شارژ و تخلیه را بهبود می بخشند، نكته ای كه در هنگام مقایسه آنها با پیل های سوختی باید به خاطر داشت! با این حال تحقیقات انجام شده روی استفاده از نانولوله ها به جای گرافیت در الكترودها بیانگر توانایی آنها دردو برابر كردن ظرفیت باتری (و حتی بیشتر) است.

بطور كلی دو نوع باتری قابل شارژ كه از فناوری نانو در ساختار آن استفاده شده است وبیشتر تحقیقات نیز بر روی این دو گروه است اول باتری های بر پایه لیتیم است برای مثال باتری های یون -لیتیم، دوم باتری های بر پایه هیدریدهای فلزی است . محققان ثابت كرده اند كه استفاده از مواد نا نوبلوری و نانولوله ها در این دو نوع باتری باعث افزایش چشمگیری در طول عمر،دانسته جریان و سرعت شارژ شدن آنها شده است . نانولوله ها به عنوان جایگزینی مناسب برای گرافیت معمولی در ساختار الكترود گرافیت -لیتیم در نظر گرفته شده اند . به دلیل كوچك بودن ساختار نانولوله سطح مفید تماس آنها با لیتیم بیشتر از گرانیت معمولی است به طوری كه ظرفیت یك لایه نانولوله د ر آزمایشگاه به 640 آمپرساعت به كیلوگرم رسیده است . با استفاده از فناوری نانودر ساخت باتری ها در ابتدا میزان شارژ مجدد آنها 10 برابر شد كه اكنون با توسعه این فناوری باتری های كنو نی تا 100 برابر باتری های قبلی (بدون استفاده از فناوری نانو ) قابلیت شارژ مجدد ر ادارند.

البته باتریهای قابل شارژ بازاری پابرجا دارد- مثل بازار رو به رشد تأمین انرژی وسایل الكترونیكی قابل حمل. سالهاست كه عد های منتظر رخنه آنها به بازار خودروسازی اند، اما پیشرفت های اندكی كه در این زمینه رخ داده است. پیشرفت در مسایل حاشیه ای ممكن است این مسأله را تغییر دهد. با این حال، از آنجایی كه پیل سوختی- به دلایلی از جمله دانسیته انرژی بالاتر- مشتری های باتری ها در بخش وسایل الكترونیكی قابل حمل را به خود جلب كرده است، این امكان وجود دارد كه آنها این كار را در بازارهای دیگر نیز انجام دهند.

استفاده از نانو مواد در باتری های لیتیومی

مواد نانوساختار به دلیل سطح تماس زیاد، تخلخل و. . . بسیار مورد توجه صنعت باتری‌های لیتیومی قرار گرفته‌اند. این مشخصات امکان انجام واکنش‌های فعال جدید، کاهش مسیر انتقال یون‌های لیتیوم، کاهش سرعت جریان سطح ویژه و بهبود پایداری و ظرفیت ویژه باتری‌های جدید را فراهم کرده است. علاوه بر این، مواد نانوکامپوزیتی که برای مسیرهای هادی الکترونی طراحی می‌شوند، می‌توانند مقاومت داخلی باتری‌های لیتیومی را کاهش داده، سبب افزایش ظرفیت ویژه، حتی در سرعت جریان‌های شارژ/ تخلیه بالا شوند.

نانومواد به طور گسترده در علوم زیستی، فناوری اطلاعات، محیط زیست و دیگر زمینه‌های مرتبط استفاده گسترده‌ای دارند. درواقع نانو مواد در باطری های لیتیومی به واسطه الکترودها از توانایی بهبود یافتن تراکم انرژی و قدرت برخوردارند. اخیراً مواد نانوساختار توجه پژوهشگران برای کاربرد در تجهیزات ذخیره انرژی به خصوص در انواعی که سرعت جریان شارژ و تخلیه بالایی دارند، مثل باتری‌های لیتیومی، جلب کرده‌اند. توسعه تجهیزات ذخیره انرژی با توان و دانستیه انرژی بالاتر، کلید موفقیت وسایل نقلیه الکتریکی و الکتریکی هیبریدی (EV وHEV) است و انتظار می‌رود جایگزین حداقل بخشی از وسایل نقلیه امروزی شده، مشکلات آلودگی هوا و تغییرات اقلیمی را رفع کند. این فناوری‌های ذخیره انرژی متکی به علوم مواد جدید هستند که به عنوان نمونه می‌توان از توسعه الکترودهایی نام برد که قابلیت شارژ و تخلیه در سرعت جریان بالا را دارند.

باتری‌های لیتیومی قابل شارژ شامل یک الکترود مثبت (کاتد)، الکترولیت حاوی یون‌های لیتیوم و یک الکترود منفی (آند) هستند  . جنس الکترودهای مثبت و منفی اغلب باتری‌های تجاری لیتیومی به‌ترتیب از LiCoO2 و گرافیت است که هر دو به عنوان جایگاه‌های تبادل یون‌های لیتیوم عمل می‌کنند. در حین فرایند شارژ کردن باتری، یون‌های لیتیوم از الکترود LiCoO2 جدا، همزمان به وسیله الکترودگرافیت جذب شده و با گرفتن الکترون‌ بار کلی را خنثی نگه می‌دارند. در حین فرایند تخلیه باتری، یون‌های لیتیوم از الکترود منفی خارج و در همان زمان بر روی الکترد مثبت جای می‌گیرند.

این فرایند الکتروشیمیایی، یک واکنش اکسید- احیای حالت جامد است که طی آن، انتقال الکتروشیمیایی بار بین یون‌های متحرک و ساختار یک جامد هادی یون و الکترون‌ صورت می‌گیرد. معمولاً حالت مطلوب آن است که مقدار انرژی ذخیره شده در واحد جرم یا حجم باتری تا حد ممکن بالا باشد. برای مقایسه محتوای انرژی باتری‌های لیتیومی، از پارامتر دانستیه ویژه انرژی ( Wh/Kg) و دانستیه انرژی (Wh/l ) استفاده می‌شود؛ در حالی که قابلیت سرعت، برحسب دانستیه ویژه توان ( Wh/Kg) و دانستیه توان (Wh/Kg ) بیان می‌شود. به طور کلی مزایای بالقوه الکترودهای نانوساختار را می‌توان به شرح زیر خلاصه کرد:

1. واکنش‌های جدید که امکان انجام آنها با مواد توده‌ای وجود ندارد؛

2. سطح تماس زیاد الکترود- الکترولیت که منجر به سرعت بیشتر شارژ و تخلیه می‌شود؛

3. مسیر انتقال کوتاه‌تر الکترون‌ها و یون‌های لیتیوم (که امکان عمل در هدایت پایین یون‌های لیتیوم و الکترون‌ها یا در توان‌های بالاتر را فراهم می‌کند) .

به طور کلی فرایند شارژ- تخلیه شامل یک واکنش اکسید- احیاست که در آن انتقال یون‌های لیتیوم و الکترون‌ها مخصوصاً در شارژ یا تخلیه‌های سریع نقش مهمی دارند. مواد نانوساختار می‌توانند مسیر انتقال یون‌ها و الکترون‌ها را کوتاه کنند. در مقابل، الکترودهای باتری‌های تجاری اغلب از مواد میکرونی مثلاً پودرهای حاوی ذرات میکرونی با سطح ویژه کم  تشکیل شده‌اند. از لحاظ نفوذ، این مواد میکرونی به‌دلیل طولانی بودن مسیر انتقال یون‌های لیتیوم و کم بودن سطح تماس بین الکترود و الکترولیت برای فرایندهای شارژ – تخلیه سریع مناسب نیستند.

نفوذ یون‌های لیتیوم به دلیل ماهیت فاز الکترولیت، سطح مشترک مایع- جامد، و پیچ و خم مسیر نفوذ یک پدیده پیچیده است و لازم است که اندازه ذرات مورد توجه قرار گیرد. اگر فقط به کل فرایند توجه کنیم و فرض کنیم که ضریب نفوذ تنها به این عوامل وابسته است، می‌توان طول نفوذ را با استفاده از رابطه تعیین کرد که D و T به ترتیب ضریب نفوذ و زمان هستند. ظرفیت ویژه باتری (Q) به وسیله رابطه Q=IT به دست می‌آید که I دانسیته جریان ویژه شارژ- تخلیه در واحدA/Kg یاMa/g است. در ظرفیت ثابت، افزایش I منجر به کاهش سریع (T) می‌شود. بنابراین، ظرفیت ویژه مؤثر به نسبت حجم

 (r3- (r-L) 3) /r3 بستگی دارد که r شعاع ذرات فعال است. برای رسیدن به حداکثر ظرفیت ویژه، طول نفوذ مورد نیاز (L) باید از (r) بزرگ‌تر باشد. ذراتی با اندازه r2 باید حدود دو نانومتر باشند. این موضوع نشان می‌دهد که مواد الکترودی نانوساختار برای تبدیل و ذخیره دانستیه انرژی و توان بالا ضروری‌اند.

برای اصلاح عملکرد شارژ- تخلیه با سرعت جریان بالا، مسیر انتقال الکترون نیز باید تا حد ممکن کوتاه باشد. از معمولاً کربن دوده به عنوان یک ماده هادی کمکی در باتری‌های لیتیومی استفاده می‌شد. ولی مشکلاتی نظیر سطح تماس، آلودگی سطح و. . . در فرآیند اختلاط مکانیکی مواد هادی کمکی و مواد فعال الکترود وجود داشت؛ بنابراین کاهش مقاومت از طریق کوتاه کردن مسیر انتقال الکترون در فرایند شارژ- تخلیه هنوز مطرح است.

مواد فعال نانوبلوری سنتز شده بر روی نانولوله‌های کربنی نیز برای باتری‌های لیتیومی پرسرعت مورد بررسی قرار گرفته‌اند و رفتار شارژ- تخلیه اصلاح شده‌ای را در دانسیته جریان بالا نشان داده‌اند.

با وجود این، سنتز مواد فعال نانوساختار بر روی نانولوله‌ها و نانوسیم‌های هادی هنوز یکی از امیدبخش‌ترین زمینه‌های تحقیقاتی است.

  ادامه دارد...

روش درمان فوتودینامیک (PDT)، روشی نو برای نابودی سلولهای سرطانی  

تقریباً همه کودکان یک بار چراغ قوه ای را روشن کرده و دست خود را روی نور آن قرار داده اند و نور قرمزی را که لای انگشتشان می گذرد، دیده اند. این رنگ قرمز تنها به خاطر قرمزی خون نیست. بلکه مانند رنگ آبی آسمان، این رنگ قرمز ناشی از مقدار نوری است که به وسیله یک شیء بسته به طول موج نور پراکنده می شود. نور با طول موج های بلند عملاً می تواند از بافت زنده عبور کند بدون آنکه پراکندگی اضافی اتفاق افتد بنابراین، می توان از آن برای تأثیرگذاری بر فرآیندهای داخل بدن سود جست.

در درمان فوتودینامیکی، یک ذره درون بدن قرار داده می شود و از خارج بر آن نور می تابانند. این نور می تواند ناشی از لیزر و یا لامپ باشد. ذره این نور را جذب می کند و بعد از آن ممکن است چند اتفاق بیفتد. اگر ذره صرفاً یک نانو نقطه فلزی باشد، انرژی نور این نقطه را گرم می کند بنابراین هر بافتی را در مجاورت آن گرم می کند. این نانو نقطه فلزی را می توان با نقطه های ملکولی خاصی نیز به کار گرفت و ملکول های اکسیژن پرانرژی تولید کرد. این ملکول های اکسیژن، بسیار واکنش پذیرند و با اکثر ملکول های آلی مجاورشان، از جمله تومورهای بدخیم واکنش شیمیایی صورت می دهند، بنابراین آن ها را تخریب کنند.

این ایده های درمانی را درمان فوتودینامیکی می گویند زیرا نه تنها به وسیله نور (فوتون) صورت می گیرند بلکه به دینامیک حالت برانگیخته ملکول ها یا نقطه های درگیر هم وابسته اند. درمان فوتودینامیکی به چند دلیل جالب است که یکی از آن ها از این قرار است که برخلاف شیمی درمانی متداول، این یکی مستقیم است. اکسیژن برانگیخته از لحاظ شیمیایی واکنش پذیر یا حتی گرمای ناشی از نقاط کوانتومی برانگیخته، فقط جایی رها می شود که ذرات وجود دارند و در جایی که نور می تابد. یعنی برخلاف شیمی درمانی متداول، درمان فوتودینامیک «اثر سمّی» از ملکول های شدیداً مهاجم و واکنش پذیر در سرتاسر بدن بر جای نمی گذارد.

ذراتی که در درمان فوتودینامیکی به کار گرفته می شوند می توانند به سادگی ملکول های با اندازه متوسطی باشند که وقتی نور به آن ها بتابد اکسیژن را تحریک کنند. این ذرات می توانند به پیچیدگی ساختار کوانتومی چند مولفه ای هم باشند که پاره ای از آن ها یک گونه هدف مانند تومور را «شناسایی» می کند (یا به آن متصل می شود) در حالی که مابقی آن ساختار تابش را جذب می کند و یا گرم می شود و یا اکسیژن های برانگیخته فراهم می آورد. سایر مولفه هایی هم می توانند برای تأمین دسترسی زیستی، وجود داشته باشند.

درمان فوتودینامیکی بر شالوده ساختارهای نانویی استوارند که از ملکول های ساده تا ملکول های نانویی، ذرات نانویی، و ساختارهای مرکب دارای شناسایی بیولوژیکی را در برمی گیرند. بدیهی است طراحی و بهینه سازی چنین ساختارهایی موضوع فناوری نانو در پزشکی است و نویددهنده نوعی روش غیرتهاجمی برای درمان بسیاری از غده ها، تومورها و بیماری هاست.

در این روش از داروهای حساس به نور Photo Sensitising agent or photo sensitizer استفاده می شود.این داروها  در اثر برخورد نور به آن واکنش نشان داد و سلول را به نور حساس می کند.

دارو یکبار جذب بدن می شود این دارو اثری ندارد تا اینکه در معرض یک نوع نور ویژه قرار گیرد وقتی که نور بر روی ناحیه ی سرطانی تابانده می شود دارو فعال می شود و سلولهای سرطانی تخریب می شوند همچنین ممکن است بعضی از سلولهای نرمال بدن نیز تحت تأثیر PDT قرار گیرند با این وجود این سلولها بعد از درمان خوب می شوند.

ازاین روش ممکن است برای سرطانهای پوست ،سرطان های اندامهای درونی مانند معده، مثانه، زبان، ریه و مجاری صفراوی و سرطان سر و گردن استفاده شود. در سرطانهایی که در یکی از مراحل اولیه هستند PDT می تواند سرطان را درمان کند اما در سرطانهای پیشرفته هدف PDT کاهش نشانه ها و چروک کردن تومور است در این حالت PDT نمی تواند سرطان را درمان کند. PDTبرای بیماری که در درمانهای دیگر سرطان از قبیل جراحی و رادیوتراپی را انجام داده است بدون خطر می باشد.

درمان PDT چگونه انجام می شود؟

 درمان در دو مرحله صورت می گیرد:

1- داروی حساس به نور به بیمار داده می شود برای سرطان پوست دارو معمولاً مانند کرم به پوست مالیده می شود اما برای سرطانهای داخلی ( سرطان در هرارگان داخلی) دارو به صورت تزریق داخل وریدی (IV) به بیمار داده می شود یک فاصله ی زمانی پس از دادن دارو تا مرحله ی بعدی وجود دارد که این فاصله به دارو اجازه می دهد که در سلولهای سرطانی متمرکز شود.

2- مرحله ی دوم درمان شامل بازتاباندن مستقیم نور بر روی تومور است یک لیزر انرژی را به صورت نور در یک مسیر مستقیم و دقیق آزاد می کند. لامپهای غیر لیزری ویژه نیز ممکن است در بعضی شرایط استفاده شوند در سرطانهای پوست نور مستقیماً برروی پوست تابانده می شود اما در سرطانهای داخلی ممکن است لازم باشد که یک آندوسکوپ به داخل بدن بیمار فرستاده شود تا نور را به تومور بتاباند.

با وجود تمام راههای درمان آزمایش PDT از شخصی به شخص دیگر متفاوت است عواملی که سبب ایجاد تفاوت می شوند: شیوه ی دادن درمان، ناحیه ای از بدن که سرطانی شده است، نوع داروی حساس به نور، زمان بین مصرف دارو و تاباندن نور به تومور و اثرات جانبی است.

شگفتی نانولوله های کربنی (3)

درواقع نانولوله های کربنی استوانه هایی یکپارچه (بدون درز)شبیه به یک ورقه گرافیتی لوله شده که دوانتهای آن توسط نیمه از مولکول C60 مسدود شده است.با وجود اینکه قطراین نانولوله ها درحد نانومتر می باشد ولی طول آن ها می تواند به چندین میکرومتر برسد.

نانولوله دو برابر الماس که بهترین هادی های گرمایی است، حرارت را انتقال می دهد. بنابراین نانولوله ها با بازدهی بالا قادر خواهند بود دسته های فشرده ای از ابزارها را خنک کنند. به خاطر آنکه پیوندهای بین اتم های کربنی بسیار محکم تر از پیوندهای همه فلزات است، نانولوله ها قادرند بدون پذیرش هیچ آسیبی حجم بسیار زیاد الکترون ها را از خود عبور دهند. دسته ای از نانولوله های کربنی در یک سانتی متر مربع می توانند حدود یک میلیارد آمپر را عبور دهند. چنین جریانی به راحتی می تواند طلا و مس را به بخار تبدیل کند. شایان ذکر است که نانولوله ها در خلا تا 2800 درجه سانتی گراد پایدار هستند.

نانولوله های کربنی رفتار الکترونیکی جالب دیگری نیز دارند که هم اکنون محققان از آن استفاده می کنند. در سال 1995 نشان داده شد که وقتی نانولوله های کربنی عمود بر یک سطح ایستاده باشند و تحت میدان الکتریکی قرار گیرند، با تمرکز میدان الکتریکی در انتهایشان می توانند درست مثل میله های نورافشان عمل کنند. الکترون ها می توانند مثل آب پرفشاری که از شیلنگ خارج می شود، از انتهای نانولوله گسیل شود. چون نانولوله ها بسیار تیز هستند الکترون ها را با ولتاژ کمتری نسبت به الکترودهای ساخته شده از سایر مواد انتقال می دهند و پیوندهای محکم کربنی آن ها به نانولوله اجازه می دهد که مدت بیشتری بدون خرابی کار کنند. این رفتار تشعشع میدانی نامیده می شود. اگر الکترون های خروجی از نانولوله یک صفحه فسفری را بمباران کنند، تصویر ایجاد می شود. این قابلیت نانولوله می تواند جای تلویزیون های بزرگ و نمایش گرهای حجیم کامپیوتر را با نمایشگرهای هم تراز اما نازک، کم مصرف و مسطح عوض کند. به همین دلیل ظرفیت تبدیل به یک فناوری چند تریلیارد ریالی را دارد. ساخت تشعشع دهنده های میدانی با جریان بالا از نانولوله ها بسیار آسان است. تنها باید آن ها را درون یک تکه پلاستیکی قرار داد و آن ها را در یک الکترود پخش و ولتاژ اعمال کرد. نانولوله ها به سمت الکترود مخالف متمایل شده و الکترون تابش خواهند داد. لامپ های خلاء آزمایشی که در شش رنگ از نانولوله ها ساخته شده است دو برابر لامپ های معمول روشنایی دارد. عمر آن بیشتر است و حداقل ده برابر کم مصرف تر است. نمونه اول برای 10000 ساعت به خوبی کار کرده و بعد از کار افتاده است.

نانولوله های کربنی رفتارالاستیکی قابل توجهی راازخودنشان می دهند به طوریکه می توانند بیش از پنج برابر طول اولیه شان کشیده شوند.همچنین آن ها بالاترین استحکام کششی را که تا به حال اندازه گیری شده را دارند.

وقتی نانو لوله های کربنی شروع به تابش می کنند پدیده ی فلورسانس رخ می دهد.طیف های نوری نانولوله های کربنی نیمه هادی شکاف نوارهای غیر مجازراازطریق فلورسانس درطیف IRنزدیک نشان می دهد.درواقع به خاطر طبیعت تک بعدی بودن نانو لوله های کربنی،اثرات کوانتیده ای که موسوم به گسستگی های وان هوف می باشد ظاهر می گردد.

تولید نانولوله های کربنی

هر چند ممکن است سومیو ایجیما اولین کسی باشد که یک نانولوله را مشاهده کرده است، اما بدون شک او اولین کسی نبوده که آن ها را تولید کرده است. شاید غارنشینان نیز ناخواسته در آتشی که در غارهایشان روشن می کردند مقادیر اندکی نانولوله تولید کرده باشند. در اثر شکستن پیوندها با حرارت، اتم های کربن حتی در یک ذغال قادر به ترکیب شدن هستند. برخی از آن ها توده های بی شکلی ایجاد می کنند، اما برخی می توانند شکل یک توپ فوتبال یا کپسول های بلند استوانه ای که به ترتیب باکی بال و نانولوله نامیده می شوند را ایجاد کنند. دانشمندان در اولین روش های تولید نانولوله، ذغالی تهیه می کردند که نانولوله های زیادی از آن گرفته می شد. این روش ها محدودیت های زیادی داشتند که در سال های اخیر بسیاری از آن ها بهبود یافته است. تولید نانولوله ها با طول های بسیار متفاوت عیوب فراوان در نانولوله و تاب بیش از حد در آن ها از این مشکلات بود.

روش قوس الکتریکی : جرقه بزرگ

در سال 1992 اولین روش برای ساخت مقادیر میکروسکوپی نانولوله ها منتشر شد. دو میله گرافیتی را با سیم به برق متصل کنید، در فاصله چند میلی متری از هم قرار دهید و کلید را بزنید. در اثر 100 آمپر جرقه بین دو میله کربن به یک بخار داغ تبدیل می شود قسمتی از آن به شکل نانولوله رسوب می کند.

میزان استخراج: تا 30 درصد وزنی ذغال بر جای مانده

مزایا: دمای بالا و کانالیست های فلزی که به میله های گرافیتی اضافه شده است می توانند نانولوله های تک دیواره و چند دیواره را با عیوب کم یا بدون عیب تولید کند.

محدودیت ها: نانولوله ها با طول کمی (50 میکرون یا کمتر) تولید شده و در اندازه و جهات تصادفی شکل می گیرند.

روش نشست بخارشیمیایی :گاز داغ

ژاپنی ها اولین کسانی بودند که از این روش برای تولید نانولوله های، کربنی استفاده کردند. این روش رسوب شیمیایی بخار نام گرفته است. در این روش یک بستر مناسب برای رشد را در یک دستگاه گرما دهنده قرار دهید، آن را تا 600 درجه سانتی گراد گرم کنید و کم کم یک گاز حاوی کربن مثل متان به آن اضافه کنید. وقتی گاز تجزیه می شود، اتم های کربن آزاد می شوند و می توانند به شکل نانولوله های کربنی باز آرایی شوند. اخیراً یک کاتالیست متخلخل ساخته شد که باعث می شود تمام کربن موجود در گاز ورودی به نانولوله تبدیل شود. با الگوی چاپ شده کاتالیست ها روی سطح بستر می توان نانولوله ها را در موقعیت و طرح مناسب آرایش داد.

میزان استخراج: 20 تا نزدیک 100 درصد وزنی.

مزایا: روش رسوب شیمیایی بخار ساده ترین راه در بین روش های دیگر برای تولید نانولوله در مقیاس صنعتی است. این روش می تواند نانولوله های بلندی تولید کند که می توانند به عنوان الیاف در کامپوزیت ها استفاده شوند.

محدودیت ها: نانولوله های تولید شده عموماً چند دیواره اند و معمولاً با عیب همراه هستند، در نتیجه تنها یک دهم نانولوله های تولید شده به روش قوس الکتریکی استحکام دارند.

سایش لیزری: توفانی از اتمها

وقتی که خبر ساخت نانولوله منتشر شد، ریچارد اسمالی و همکارانش با پالس های قوی لیزری در حال سایش یک فلز بودند تا مولکول های فلزی زینتی را ایجاد کنند. آن ها میله های گرافیتی را جایگزین فلز کردند و خیلی زود نانولوله های کربنی با استفاده از پالس های لیزر به جای برق برای تولید گاز داغ کربن تولید شدند. این گروه با سنجش کاتالیست های مختلف به شرایطی رسید که نانولوله های کربنی تک دیواره به شکل غیر منتظره ای تولید شد.

میزان استخراج: تا 70 درصد وزنی

مزایا: تولید نانولوله های تک دیواره در محدوده ای از قطر که با تغییر دمای واکنش قابل کنترل بود.

محدودیت ها: این روش بسیار پر هزینه بود چون به لیزرهای بسیار گران قیمت نیاز داشت.

روش های کنونی تولید نانو لوله های کربنی

در حال حاضر روش های تولید نانولوله ها توسعه پیدا کرده است. سرعت فرآیند تولید نانولوله های کربنی در حال حاضر بسیار زیاد است. در حال حاضر روش رشد فوق سریع برای تولید نانولوله های تک دیواره توسط ایجیما و همکارانش ابداع شده است. روش های قبلی از یک بستر گران قیمت سیلیکونی برای تولید استفاده می کنند. رشد فوق سریع از آلیاژ ارزان قیمت نیکل برای تولید نانولوله استفاده می کند. در حال حاضر می توان با این روش تنها در عرض 10 دقیقه در پهنایی به اندازه یک برگه امتحانی نانولوله های کربنی را یک میلی متر رشد داد. اولویت بعدی در تحقیقات نانولوله های کربنی کاهش قیمت تولید آن به 200 تا 500 دلار به ازای هر کیلوگرم است. قیمت فعلی نانولوله 100 تا 500 دلار است منتها به ازای هر گرم. یعنی هزینه تولید نانولوله ها باید هزار بار کمتر شود.

ادامه دارد...

مصاحبه با مخترع دستگاه PHCVD

این دستگاه (PHCVD) یا رسوب نشانی شیمیایی از بخار به كمك پلاسما ، برای لایه نشانی نانو لوله های کربنی وهیدروژن دهی پلاسمایی مورد استفاده قرار می گیرد.

(از نانولوله های کربنی در تولید لامپ های کم مصرف، ذخیره کننده در پیل سوختی و همچنین در ساخت نانوماشین ها استفاده می شود.)

ناحیه گرمایی داخل محفظه به سه رآکتور تقسیم می گردد و اپراتور قادر است با برنامه ریزی دما، فشار ودر صورت نیاز قدرت پلاسما، لایه نشانی و ورود گازها به سیستم را برنامه ریزی کند. برای این دستگاه دو کنترل کننده گاز برای استیلین وهیدروژن در نظر گرفته شده است؛ اما این تعداد می تواند به چهار الی پنج گاز شامل گازهای آمونیاک، اکسیژن و آرگون  به مجموعه اضافه گردند. درضمن سیستم مجهز به یک لوله رآکتور می باشد؛ اما در صورت درخواست مشتری امکان اضافه کردن دو لوله دیگر بصورت موازی با تیوب اولیه نیز در نظرگرفته شده است که به افزایش قابلیتهای دستگاه منجر خواهد شد.

تبیان: لطفا خودتان را معرفی كنید؟چگونه با زمینه پلاسما آشنا شدید؟

**من سفی الله اكبری افلاكی هستم، فارغ التحصیل متالوژی دانشگاه صنعتی امیر كبیر. بعد از تمام شدن تحصیلات با توجه به پروژه ای كه داشتیم و مربوط به پوشش دهی و مهندسی سطح بود با مقوله پلاسما آشنا شدیم و كارمان را با روش های محیط پلاسما شروع كردیم. با همكاری دكتر مرغوبی بحث و تحقیق در مورد صنعتی كردن نیتروژن دهی پلاسمایی آغاز كردیم. صنعتی شدن پلاسما می تواند بسیاری از مشكلات صنعتی را حل كند.

روش كار به این صورت است كه در یك محیط خلاء قطعات فولاد را قرار می دهیم و وقتی محیط خلاء می شود به وسیله اختلاف پتانسیلی كه اعمال می شود روی صفحات بمباران یونی انجام می شود و سطح قطعات سخت كار می شود كه در صنعت بسیار مهم است. كار تكمیل سطح، پوشش دهی است كه با استفاده از پلاسما انجام می شود و به سمت صنعتی كردن این كار در حال حركت هستیم.

تبیان: آیا تجارب دیگری نیز دارید؟

**بله، عملیات مهندسی سطح گسترده است و پلاسما بخش كوچكی از آن است. در زمینه سخت كاری سطحی قطعات فولادی و  بهینه سازی سطح كه اكثر قطعات آن فولاد است در بحث نیتروژن دهی و محیط پلاسما بیشتر ریز شدیم و كارهای بسیاری انجام دادیم.

تبیان:كارایی دستگاه را شرح دهید.

**توضیح را با یك مثال شروع می كنم. چرخ دنده اگر كاملا سخت باشد مثل شیشه ترد است؛ یعنی اولین فشاری كه روی آن بیاید خرد می شود و اگر هم نرم باشد باعث سائیدگی می شود و عمر آن بسیار كم است. به همین خاطر پروسه های مختلفی را انجام می دهند كه مغز قطعه نرو باشد و بتواند بار را تحمل كند و سطح آن سخت باشد.

دو روش وجود دارد كه یكی از آن ها نیتروژن دهی و دیگری پوشش دهی است.با نفوذ نیتروژن به سطح قطعه و یا همچنین ایجاد یك پوشش سخت در سطح قطعه باعث می شوند كه سطح دچار سائیدگی و خوردگی نشود و مغز هم نرمی لازم را رای تحمل بار داشته باشد.

نیتروژن دهی در محیط پلاسما جدیدترین روش است كه گاز نیتروژن را یونیزه كرده و به صورت اتم درآورده و به سطح قطعه نفوذ می دهند.

در بحث پوشش دهی در بخش PHCVD، پلاسما به عنوان یك كاتالیزگر عمل كرده و دما را به زیر 500 درجه می برد كه در حالت CVD دما بالای 800 درجه است و این دما ممكن است برای بعضی از فولادها قابل تحمل نباشد. به راحتی می توان قطعات را در این دستگاه قرار داد و سطح آن را پوشش دهی كرد.

از ویژگی های بارز این پوشش دهی می توان به سختی بالا كه در صنعت به آن سختی الماسه می گویند اشاره كرد.(بسیاری از مته ها، پانچ های برش كه ورق می برند لازم است كه لبه های آن ها فوق العاده تیز باشند به همین خاطر از این پوشش ها بر روی سطح آن ها استفاده می كنند.)

این پوشش ها مانند نیترید تیتانیوم و... كه تركیبات مختلفی هستند دارای سختی و چسبندگی بالایی هستند و می توانند 10 تا 15 برابر كارایی قطعه را بیشتر كنند.

تبیان: این دستگاه در كجا به ثبت رسیده و از سمت چه مراكزی درخواست شده است؟

**این طرح در اداره  ثبت اختراع ثبت شده، همچنین در سازمان پژوهش های علمی- فنی و بنیاد ملی نخبگان نیز تایید شده است.

این دستگاه از سمت پژوهشكده مهام، دانشگاه پیام مدرس، دانشگاه مالك اشتر اصفهان، دانشگاه تبریز، دانشگاه صنعتی اصفهان درخواست شده كه یا آن را خریده اند و یا در حال مذاكره هستند.همچنین می توانم به شركت الماسه ساز(در جهت ایجاد برش كاری، مته های حفاری و ...) نیز اشاره كنم.شركت نیرو محركه، سازمان انرژی اتمی نیز از جمله موارد دیگر هستند.این دستگاه در صنایع نظامی و یا در صنعت آلومینیوم نیز به كار می رود.

تبیان: ایده طرح از خود شماست؟

**ایده طرح از من نیست میتوانم بگویم كه ایده ی طرح وارداتی است.

تبیان:مشابه این دستگاه در خارج نیز وجود دارد؟

**بله،2 شركت آمریكایی و ژاپنی عینا همین دستگاه را در اختیار دارند.

اما در ایران مشابهی ندارد.

تبیان: مدت زمان كار بر روی طرح و مقدار هزینه صرف شده چقدر بوده است؟

**این دستگاه در واقع تز دكترای دكتر مرغوبی در استرالیا بود كه پس از ساخته شدن این دستگاه به ایران آمد و ما مشابه این دستگاه را تولید كردیم. این كار از سال 75 آغاز شد و میتوانم بگویم كه پیشینه 15 ساله دارد.

البته بیشترین زمان این طرح بر روی ایجاد یك محیط پلاسما صرف شده است. البته باید بگم كه اگر ما یك محیط خلاء داشته باشیم و دو الكترود درون آن قرار دهیم و اختلاف پتانسیل را اعمال كنیم، پلاسما ایجاد می شود ولی اینكه بدانیم از این پلاسما چگونه استفاده كنیم، مهم است.

هزینه ی بالایی برای این طرح صرف كردیم اما بزرگترین مشكل ما نبودن مشاوره بود و می بایست آزمون و خطاهای بسیاری داشته باشیم.

تبیان: آیا این محصول به سفارش فرد یا شركت خاصی بوده است؟

**ما اولین بار این دستگاه را به سفارش پژوهشكده مهام تولید كردیم.

تبیان: چقدر در این زمینه از شما حمایت شد؟

**درابتدا پژوهشكده مهام با خرید این دستگاه از ما و متقبل شدن تمام هزینه های آن ما را حمایت كردند.

تبیان: آیا ایده و طرح های دیگری نیز دارید؟

**سیستم محیط پلاسما در بحث پوشش دهی به قدری گسترده است كه می توان با كم و زیاد كردن یكسری از تجهیزات كارهای بسیاری را انجام داد. به اضافه اینكه در بحث CVD هم جای كار زیادی دارد كه از شیشه و پلیمر تا سطح های سخت تا را می توان به روش CVD پوشش دهی كرد. اما محصول دیگری در این زمینه تولید نكرده ایم.

تبیان:محصول شما در مقابل بقیه طرح ها چه مزایای دارد؟

** PACVD  دمای پایین تری دارد،

* انرژی كمتری مصرف كرده

 *گستره كاری آن زیادتر است (نسبت به CVD) PVD، خلاء خیلی بالایی می خواهد و كار كردن با آن كمی مشكل است چون فقط از یك زاویه تابش می كند قطعه باید بچرخد و مسئله چرخاندن قطعه و اینكه پوشش یكنواخت انجام شود كار مشكلی است اگر شكل قفس پیچیده باشد پوشش دهی خوب انجام نمیشود.

* قابل كنترل است و می توان به آن برنامه داد.

* كیفیت سطح بسیار مناسب است.

*می توان ابتدا قطعه را تولید كرد و بعد توسط پلاسما آن را سخت كرد كه باعث كم شدن هزینه ماشین كاری می شود.

*پلاسما در محیط خلاء انجام میشود، دارای بمباران یونی است كه CVD این ویژگی را ندارد. بازهم با مثالی بیان میكنم؛ شما یك شیشه روی ابر را در نظر بگیرید، اگر به شیشه فشار وارد شود از آنجایی كه سطح زیرین آن نرم است شیشه میشكند.

ما به روش پلاسما CVD می توانیم نیتروژن دهی كنیم و زیرلایه را تا حدی سخت كنیم و بعد یك پوشش سخت بر روی آن اعمال كنیم به همین خاطر شیب سختی كمتر می شود.

تبیان: جایگاه ایران و شركت خود را در زمینه پلاسما چگونه ارزیابی میكنید؟

**ایران بین 10 كشور برتر در زمینه پلاسما است ولی از انجایی كه محصول ما در ایران مشابهی ندارد نمیتوانم بگویم كه شركت در چه رتبه ای است.

تبیان: اشتغال در این زمینه چگونه است؟

**پلاسما یك زمینه جدیدی است اما به تدریج روبه رشد است، می توانم بگویم بعد از چند سال در حال حاضر فقط10 الی15 سفارش خرید به ما داده اند.

آیا مركزی را می شناسید كه از افرادی كه تحصیلات اكادمیك ندارند اما دارای ایده های خوبی هستند حمایت كند؟

تا آنجایی كه من اطلاع دارم پارك های علم و فناوری و مراكز رشد از ایده های افراد پشتیبانی میكنند.

تبیان: معایب این فناوری چیست؟

**هزینه ی اولیه بالایی دارد (مثلا ایجاد یك حمام نمك و یا یك كوره چیزی در حدود 100میلیون هزینه دارد) و اینكه به افراد متخصص نیاز است و افراد ساده نمی توانند این كارها را انجام دهند. پلاسما یك هاله یا اشعه است كه خیره شدن به آن در درازمدت مضر است.

تبیان: ارتباط فناوری  نانو با پلاسما در چیست؟

**درفناوری نانو ابعاد 10 به توان 9-است و اما ارتباط كار ما با فناوری نانو این است كه پوشش هایی كه بر روی سطح ایجاد می كنیم یك زیرساختاری دارند،هرچقدر زیرساختارها ریزتر شوند كیفیت بهتر می شود و چسبندگی و استحكام نیز بیشتر می شود. در روش پلاسما CVD ساختار درشت تر و زبرتر است و چسبندگی كم می شود. در روش CVD همه چیز قابل كنترل است و مقیاس در حد میكرون است و با استفاده از مقیاس نانو در هنگام ریخته گری و یا پوشش دهی سطحی چسبندگی بیشتر می شود.

سخن پایانی...

متشكر از زحمات شما.

مصاحبه بادکتر فریدی مخترع دستگاه الكتروریس نانو فیبر

دردستگاه الکتروریس نانو فیبر، کاغذ فیلتر معمولی رابا یک لایه از نانوالیاف پوشش داده و طی پروسه ای کارایی و طول عمر آن افزایش می یابد. این دستگاه همچنین جهت امکان پوشش سوبستریت‌های مختلف (از قبیل فیلتر، پارچه،کاغذ و...) تعبیه شده است.

در این دستگاه یک درام در داخل حمام محلول پلیمری غوطه‌ ور شده و با اعمال ولتاژ بالا به محلول، صدها جت پلیمری از سطح درام به سمت جمع کننده‌ای که در بالای آن قرار دارد و دارای ولتاژ بالای مخالف است شتاب می‌گیرد و در نهایت لایه‌ای از نانو الیاف روی سطح جمع کننده (کالکتور) تشکیل می‌شود.

این دستگاه با هر بار اجرای دستور الکتروریسی، امکان بررسی تأثیر تغییرات یک یا چند پارامتر در تولید نانوفیبرها را فراهم می‌کند و زمان مورد نیاز جهت بررسی پارامترهای موثر الکتروریسی را به مقدار زیادی کاهش می‌دهد.

با استفاده از این دستگاه می‌توان اثراتی مانند اثر تغییرات سرعت تزریق محلول پلیمر، سرعت حرکت نازل، فاصله الکتروریسندگی و سرعت چرخش درام را در خواص نهایی نانوفیبرهای پلیمری بررسی نموده و شرایط بهینه را در حداقل زمان ممکن به ‌دست آورداین دستگاه دارای پتنت بوده و در سطح بین المللی به ثبت رسیده است.

تبیان: خودتان را معرفی كنید و در مورد تحصیلات و سوابق خود و همچنین  نحوه آشنایی با فناوری نانو صحبت كنید؟

**رضا فریدی مجیدی هستم، دانش‌آموخته رشته شیمی دانشگاه تهران. عمده زمینه تخصصی‌ام مباحث پلیمری است که فارغ‌التحصیل شده‌ام.بنده از زمان شروع دوره دکتری در زمینه فناوری نانو فعالیت داشته‌ام و تمرکز اصلی تحقیقاتم نیز بر روی فناوری نانو بوده است.در دوره دکتری بر دو موضوع تحقیق نموده‌ام که عبارتند از "بررسی پلیمریزاسیون مینی امولسیون بدون سورفکتانت استایرن و کپسوله کردن نانوذرات دی اکسید تیتانیم و مغناطیسی مگنتیت به این روش" و " تهیه نانوفیبرهای هیبریدی پلیمر-معدنی به روش الکتروریسندگی".

تبیان : نام محصول چیست و نحوه ی كار بادستگاه چگونه است؟

**نام این دستگاه الكتروریس نانو فیبر است. كار این دستگاه تولید نانو فایبر است در واقع كار آن تولید فایبر یا لیفت است. در سال های اخیر كه تكنولوژی نانو شناخته شده دقت دستگاه را توانسته ایم به حدی برسانیم كه نانو فایبر نیز تولید كند. اصول اولیه هر دستگاه الكتروریس وجود یك منبع ولتاژ، یك پمپ سرنگی و یك كالكتر است كه نانو فایبر تولید شده را جمع می كند.

های ولتاژ  (high voltage) با ایجاد اختلاف پتانسیل، یك قطب مثبت و منفی بین سرنگ كه به پمپ وصل است و محلول داخل آن و كالكتر.كالكتر در بالای دستگاه قرار دارد كه های ولتاژ توسط یك سیم به پمپ وصل شده و این باعث می شود كه جریان ایجاد شود، این جریان باعث تبدیل شدن محلول به اسپری بر روی كالكتر می شود و منجر به تولید نانو فایبر می گردد. بر روی این دستگاه پنلی تعبیه شده كه با دادن برنامه به آن خود دستگاه شروع به كار می كند و محلول را به نانو فیبر تبدیل می كند.هدف نهایی ما کاربردی کردن نانوفیبر‌ها از طریق تولید محصولاتی مانند فیلتر و ماسک است.

تبیان: ایده طرح دستگاه از كیست؟ و چگونه به فكر ساخت این دستگاه رسیدید؟

**ایده طرح دستگاه از خود بنده  است كه به دلیل مواجه شدن با مشكلات عمده از جمله تحریم های موجود و همچنین تهیه تجهیزات (مانند های ولتاژ) كه وارد كردن آنها از دیگر كشورها كار مشكلی است به فكر ساخت این قطعه و در نهایت ساخت دستگاه خودكار و هوشمند الكتروریس نانو فیبر افتادیم. به نظر من این محصول بسیاری از نیازهای كشور را حل می كند.

**تبیان:تحصیلات و تجارب شما تا چه حد در ساخت این محصول موثر واقع شده است؟

از آنجایی كه مسئله الكتروریس مربوط به پایان نامه خود بنده است و  بر روی محلول ها و نانو فیبرهای مختلف كار كرده ام توانستیم این دستگاه را اختراع كنیم.

تبیان:برای ساخت این محصول از چه منابعی استفاده كرده اید؟

**با استفاده از كتاب هایی كه اصول اولیه را بیان كرده و همچنین مقالات روز دنیا، اما آموزش خاصی در این زمینه ندیده ام.

تبیان:از نانو فایبر در چه مواردی استفاده می شود؟

**در صنایع فیلترسازی، صنایع تجهیزات پزشكی، ماسك های پزشكی، باندهای استریل، صنایع نساجی، صنایع دفاعی (در بحث لباس های ضدحریق، لباس های ضدگلوله)

تبیان:چه مقدار زمان و هزینه بر روی این طرح صرف شده است؟

**طرح این دستگاه از سال 80 بیان شده اما از سال 87 كار جدی شروع شد، به طوری كه به مرحله فروش رسیده است.

اما مقدار هزینه مشخصی را نمی توانم بیان کنم.و در مورد مجوز نیز باید بگویم كه نیاز به مجوز خاصی نداشتیم.

تبیان: آیا محصولات دیگری نیز تولید كرده اید؟ و یا طرحی برای اجرا در دست دارید؟

**دستگاه های دیگری نیز در شرکت ما تولید شده است که از جمله میتوانم به موارد زیر اشاره کنم:

الكتروریس نازل دار آزمایشگاهی و الكتروریس بدون نازل آزمایشگاهی: تفاوت این دو در كم و زیاد بودن حجم نانو فیبر تولیدی است كه حجم آن در الكتروریس بدون نازل بیشتر است.

الكتروریس صنعتی: دارای تكنولوژی پیچیده ای است كه از آن در تولید انبوه نانو فایبر استفاده می شود. ولتاژی كه در دستگاه اعمال می شود بسیار بالاست.

دستگاه الكتروریس موئینه: نمونه اولیه آن تولید شده و به مرحله انبوه سازی رسیده است، دارای قیمت بالایی هستند. كاربرد آن در بخش شناسایی DNA و در بحث نانو ذرات است.

الكتروریس مذاب كه در دست طراحی است. هنگامی كه در محلول ما حلال هایی به كار رفته باشد كه توسط دستگاه نانو فایبر قابلیت تبدیل شدن به نانو فیبر را نداشته باشد از این دستگاه استفاده می كنند. اما اصول آن مانند الكتروریس نانو فیبر است.

تبیان: آیا مشابه این محصول در كشورهای دیگر وجود دارد؟

**طرح اولیه دستگاه در دیگر كشورها وجود دارد اما هوشمند و خودكار نیستند.در بحث الكتروریس صنعتی مشابه دستگاه در 1 یا 2 كشور وجود دارد ولی در بحث آزمایشگاهی 10 كشور این دستگاه را دارند.

تبیان: آیا در ایران نیز مشابه این دستگاه وجود دارد؟

**در بحث صنعتی خیر اما در بخش آزمایشگاهی تعدادی از شركت ها فعالیت دارند.

از نظر من ایران در زمینه نانو بسیار پیشرفت كرده است.

همچنین می توانم بگویم شركت نانو مقیاس فناوران جز 10 شركت مطرح شده در زمینه نانو است.

شركت در جشنواره خوارزمی، علم تا عمل و برترین های نانو دارای رتبه است و اینکه به نظر من بحث شناساندن و تبلیغ مسئله مهمی در بازاریابی است.

تبیان: مزایای این محصول در مقاسه با بقیه طرح ها چیست؟

**دستگاه از نظر قیمت و همچنین از نظر گارانتی نظیر نصب و راه اندازی، خدمات پس از فروش، تعمیر، پای بندی به تعهدها و... نسبت به محصولات دیگر دارای برتری است. از آنجا كه قطعات بومی هستند و حتی توسط خود شركت تولید می شوند، دستگاه دارای كارایی بالایی است. اما گفته های من نظراتی است که از سوی مصرف كنندگان دستگاه بیان شده است.

تبیان: كدام سازمان ها و مراكز خواستار این دستگاه بوده اند؟

**دانشگاه های تهران، فناوری های نوین، امیركبیر، اصفهان، سازمان انرژی اتمی.

تبیان: آیا می توان گفت كه درخواست از سوی مراكز مختلف باعث تمركز بیشتر بر روی این دستگاه شده است؟

**به نظر من توجه داشتن به نیاز مشتری، ایجاد تنوع و به روز بودن از عوامل مهمی به شمار می روند.

تبیان :اشتغال در زمینه فناوری نانو چگونه است؟

**ستاد نانو در این زمینه حمایت های خوبی از پایان نامه ها و موضوعات در زمینه نانو دارند و یا اینكه به تشویق شركت هایی مثل شرکت ما می پردازند كه اگر از متخصصان نانو استفاده كنیم خودشان نیمی از هزینه ها و بیمه آن ها را متقبل می شوند. من این حمایت را موثر می دانم و عقیده دارم كه حمایت ها باعث پذیرفته شدن این افراد در قسمت های مختلف می شود.

ستاد نانو هم برای اشتغال كسانی كه نانو كار می كنند و هم كسانی كه پروژه دارند و می توانند پروژه های خود را بیان كنند امتیازی در نظر میگیرد و هزینه ای را به آن ها می پردازد.

تبیان: ازفناوری  نانو در چه زمینه هایی استفاده می شود؟

**مسائل زیست محیطی، مسائل علوم پزشكی، نانو داروها، نانو فایبرها و حتی استفاده از فناوری نانو در بحث های مدیریتی و پایان نامه های مرتبط با آن.به عقیده من فناوری نانو محدود به زمینه خاصی نیست و در زمینه های مختلف به كار می رود.

به نظر من فناوری  نانو در زمینه های علوم پزشكی بسیار پررنگ تر ظاهر شده است.

و سخن پایانی ایشان...

از ستاد ویژه فناوری نانو به خصوص از جناب دكتر سركار و حمایت ایشان در زمینه های مالی و دلگرمی ها و پیگیری های ایشان كمال تشكر را دارم.

محموله های نانومتری (2)

معرفی،خواص وکاربردهای نانو کپسولها

در وافع نانوکپسول محصول فرآیندی هستند که در آن ذرات ریز مایع یا جامد با یک لایه نازک پیوسته از مواد پلیمری پوشش داده شده و احاطه شده اند. نانوکپسول ها می توانند در قرار دادن مایعات در محفظه های نانومتری، بسته بندی نانوذرات، جلوگیری از تماس ترکیبات فعال شیمیایی با بافت های داخلی بدن، ابجاد محافظت محیطی و سازگاری با مواد دیگر و آسان کردن کار با نانومواد کاربرد داشته باشند. نانوکپسول ها به سبب گستردگی کاربردهایشان توسعه زیادی پیدا کرده اند. امروزه حتی مولکول هایی مانند DNA یا سلول ها در داخل کپسول قرار گیرند و بیوکپسول ها را ایجاد می کنند.

نانوکپسول ها پوششی دارند که به کمک آن می توانند ماده موثره داخل شان را به یک نقطه مشخص در داخل بدن هدایت کرده و در نقطه دلخواه با انهدام پوسته خود، هدف اصلی را که تخریب سلول های سرطانی و یا تنظیم شرایط هورمونی یا تغذیه است انجام دهند.

 در روش های معمول یک ماده دارویی شیمیایی با دوز بالا در تمام بدن پخش می شد تا شاید سلول شیمیایی از بین برود. با این وضعیت مسلم است که کپسول کردن مواد صرفه جویی در حجم مواد شیمیایی مصرفی و کاهش هزینه ها را به همراه دارد.همچنین کپسول کردن مواد باعث تاثیر گذاری بیشتر و موثر تر داروهای شیمیایی برای رسیدن به نقاط خاصی در بدن را می شود.  امروزه بیشترین کاربردهای فناوری نانو به دارورسانی اختصاص دارد بعد از ساخت بیوپلیمرها که امکان ورودشان به بدن وجود داشت و زیست تخریب پذیر بودند، رفته رفته روش های میکروکپسول سازی و بعدها نانو کپسول سازی ساخت سیستم های رهایش کنترل شده را ممکن کردند. سیستم ایجاد شده امکان کنترل میزان رها شدن دارو و مدت آن را ایجاد می کند. به کمک این سیستم ها، نانوداروهای حساس به محیط های مختلف برای انتقال داروهای فعال به بخش خاصی از بدن تولید می شوند.

یکی از مزایای این نانوذرات آن است که آن ها نسبت به شرایط شدید محیطی مانند pH و ... حساس هستند و با کاهش رهایش بر اساس محیط نوعی خود تنظیمی دارند. ویروس ها برای بسته بندی اسیدهای نوکلئیک خود از موادی استفاده می کنند که مدل های خوبی برای این نوع نانوکپسول ها هستند. برخی از این مواد در پاسخ به تغییرات اسید یته یا شوری محیط متورم یا منقبض می شوند و به این شکل راهی را برای رهایش محتوای خود باز می کنند. توسعه حسگرهای زیستی که شرایط محیطی، دمای غذا (در تغییرات ناگهانی) و آلودگی را کنترل می کنند به افزایش کیفیت محصولات غذایی و کشاورزی منجر شده است. استفاده از کپسول کردن مواد باعث نگه داری آن ها نیز می شود. برای مثال ریزوبیوم باکتری بسیار مفیدی است که جذب و تبدیل نیترات ها در خاک را افزایش می دهد، اما معمولاً به خاطر شسته شدن با باران کارایی آن کم می شود. با کپسوله کردن، فرآیند پیوسته می شود و غلظت سلول ها نیز افزایش می یابد.

مزایای کپسوله کردن مواد در صنایع غذایی

* راحتی کنترل، این روش مایعات فرار را به پودر تبدیل کرده که بتوان راحتر کنترل شوند.

* بهسازی ثبات، این روش برای ترکیبات خاص فعال مثل طعم ها که با سایر ترکیبات مواد غذایی واکنش می دهند استفاده می شود و به این مواد عمر ماندگاری بالاتری می دهند .

* حفاظت در برابر اکسیداسیون

* نگهداری ترکیبات فرار شبکه حساس به رطوبت، مواد با فراریت بالا را در خود حفظ کرده و با گذشت زمان کاهش طعم در محصول کمتر است.

* پوششهای طعم، طعم های ناخواسته می توانند توسط مولکولهای فعال و سطح موکوس دهانی پوشیده شوند.

* آزاد شدن کنترل شده رطوبت، میکرو کپسول ها در آب دهان حل شده و ترکیبات فرار طعم را آزاد می کنند بنابراین اثر بسیار زیاد طعم را ایجاد می کنند.

*گرمای آزاد شده، نانو کپسول های آب گریز به دما حساسند و ترکیبات فعال و طعم ها را در دمای معین آزاد می کنند .

* تغییر ویژگی طعم

کاربرد بیشتر نانو کپسول ها در محصولات نانوایی، خمیر های منجمد ، گوشت فرآوری، غذاهای مغذی و... بسیاری از محصولات غذایی است.

استفاده از نانوکپسول ها در لباس

یکی از راه های استفاده از نانوذرات برای ایجاد قابلیت ویژه در لباس، به کار بردن نانوذراتی است که با یک لایه واسطه پلیمری احاطه شده و به طور غیر مستقیم به پارچه وصل می گردند. این لایه با سطح پلیمری الیاف یا پارچه اتصال دارد و قابلیت خاصی را که متناسب با نوع نانوذره است به منسوج می دهد. با این روش، نانوذرات می توانند با الیاف، نخ، پارچه و پوشاک یا ترکیبات پلیمری دیگر پیوند ایجاد می کنند. لایه احاطه کننده، سطحی دارد که شامل اتصالات جانبی برای چسبیدن به الیاف است. این گروه ها با اتصال محکم کوالانسی نگهداشتن ماده فعال روی منسوج را تضمین می کند.

چنین منسوجاتی پایداری و دوام بالایی در خصوصیات دارند و قابلیت آنها بعد از بارها شستشو حفظ می شود. این کپسول ها، شبکه پلیمری شفاف یا روشنی دارند. شفافیت به ساختار غیرکریستالی این شبکه ها ارتباط دارد. ابعاد این کپسول ها نانومتری یا میکرومتری است. لایه پلیمری کپسول ها می تواند تراوا، نیمه تراوا و ناتراوا باشد. لایه های تراوا برای کاربردهای رهایش مدت دار استفاده می شوند. میزان رهایش آنها قابل کنترل است.

 لایه های کپسول، لایه های پلیمری دو بعدی یا شبکه ای هستند. نانوذره در حالت کنترل شده و مدت دار رهایش دارد و می تواند با تغییرات فیزیکی نیز رهایش داشته باشد. معماری کپسول پلیمری قابل تغییر و تنظیم است تا رهایش موادفعال دقیق باشد.

رهایش قابل تنظیم از میزان صفر (برای رنگ ها، کولئید های انعکاس دهنده و عوامل ضد اشعه ماورای بنفش) تا یک مقدار زمانی خاص (متناسب با نوع دارو، کود، عوامل بیولوژیکی و ضد بیولوژیکی، نرم کننده ها و عطرها) است. این کپسول می تواند با جداسازی چاشنی از پوست، از ایجاد حساسیت آن جلوگیری می کند. بخش کپسول شده با تاثیر از عوامل بیرونی مثل دما، تغییرات نور، pH، مونوکسیدکربن، اسید سولفوریک، خون، فشار، میدان الکتریکی و یا رطوبت روی لایه پلیمری تاثیر گذاشته و می تواند در دوره رهایش یا میزان آن تاثیر گذارد.

    ادامه دارد...

شناخت بهتر حسگرها(1)

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

بسته بندی ای را در یک فروشگاه بزرگ تصور کنید که می تواند فوراً به شما بگوید که ماده غذایی درون آن ها در معرض گرما قرار گرفته یا فسادش شروع شده است. شاخص خودکار خطاناپذیر کوچکی را به تصور در آورد که همواره می تواند خانه ای را نسبت به تأثیر مواد شیمیایی خطرناک همچون نشت گاز، مونوکسیدکربن، یا اوزون تحت نظارت قرار دهد. یک وسیله آزمون پزشکی ساده را فرض کنید که بلافاصله اعلام کند بیمار به دیابت، استروپتوکوک، ویروس، آنفولرانزا و یا کم خونی مبتلاست. سیم ساده ای را تصورکنید که درون زمین کشاورزی قرار داده می شود و به کشاورز اعلام می کند که این زمین برای کشت محصولی مثلاً خیار مناسب است یا خیر. همه این امکانات در محدوده توانایی حسگرهای نانویی قرار می گیرند.

خصوصیات کلی حسگرها:

یک حسگرایده آل باید خصوصیات زیررا داشته باشد :

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

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

3. قدرت تفکیک و گزینش پذیری بالایی داشته باشد.

4. تکرارپذیری و صحت بالایی داشته باشد.

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

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

نانو حسگرها

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

نانو حسگر های طبیعی

نمونه هایی ازنانوحسگرها در بسیاری از حوزه های علوم و فناوری صادق اند.در زیست شناسی بسیار گسترده اند ودر ارتباطات نقشی بس مهم ایفا می کنند . همان طور که می دانیم برقراری ارتباط با سایر موجودات یکی از مشخصه های تعیین کننده حیات به شمار می آید. سیگنال ها به شکل های متنوعی از جمله ملکول ها، صدا، بو و لامسه ارسال می شوند و نیز می توانند در شکل الکترومغناطیسی به صورت گرما و نور در آیند. توانایی آشکار سازی این سیگنال ها هم مطلوب است (مثل عطر و ادکلن) و هم ضروری مانند آشکارسازی مواد مرکاپتان، که موادی حاوی گوگرد و بدبویند که به گاز طبیعی مصرفی خانگی اضافه می کنند.

وجود نانوحسگرهای ظریف در برجستگی های بینی بعضی حیوانات به خصوص سگ در بقای آن ها و راههای یاری آنان به آدمی، نقش تعیین کننده ای بازی می کنند. سازوکار بنیانی در پس حس بویایی سگ ،شناسایی مولکولی به شمار می آید.شکل های مکمل درون ساختار بینی سگ و یا گیرنده های حشرات، شکل ملکول های سیگنال، و به خصوص توزیع بار الکترونی روی سطح آن ها را باز می شناسند ساده ترین تشابه در این مورد عبارت است از کلیدی که دقیقاً به قفل می خورد، اما در این مورد کلید نه تنها باید شکل صحیح را داشته باشد بلکه باید بارهای الکتریکی هم به نحو صحیحی بر روی آن توزیع شده باشند. در این خصوص، قفل های کارت مغناطیسی که در هتل ها متداول اند نمودهای بهتر شناسایی ملکولی هستند به گونه ای که نه تنها کلید را آشکار سازی می کنند بلکه نور سبزی را هم روشن می کنند تا به شما نشان دهند چه موقع کلید صحیح را (و بنابراین حسگرهای صحیحی را که هم کلید را آشکار می کنند و هم سیگنال می دهند) آشکارسازی کرده اند.

انواع نانوحسگرها:

نانوحسگرها براساس نوع ساختارشان به سه دستهء نقاط کوانتومی، نانولوله‌های کربنی و نانوابزارها تقسیم بندی می شوند:

1.استفاده از نقاط کوانتومی درتولید نانو حسگرها:

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

2. استفاده ازنانولوله‌ها درتولید نانوحسگرها:

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

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

الف ) نانولوله‌های کربنی به عنوان حسگرهای شیمیایی:

این حسگرها می توانند دردمای اتاق غلظتهای بسیارکوچکی از مولکولهای گازی با حساسیت بسیاربالا را آشکارسازی کنند. حسگرهای شیمیایی شامل مجموعه ای از نانولوله‌های تک دیواره هستند و میتوانند مواد شیمیایی مانند دی اکسید نیتروژن ( NO2 ) وآمونیاک ( NH3 ) را آشکارکنند. هدایت الکتریکی یک نانولوله نیمه هادی تک دیواره که درمجاورت 200ppm از NO2 قرارداده می شود، می تواند در مدت چند ثانیه تا سه برابر افزایش یابد و به ازای اضافه کردن فقط 2% NH3 هدایت دو برابر خواهد شد. حسگرهای تهیه شده ازنانولوله‌های تک دیواره دارای حساسیت بالایی بوده ودردمای اتاق هم زمان واکنش سریعی دارند. این خصوصیات نتایج مهمی درکاربردهای تشخیصی دارند.

ب) نانولوله‌های کربنی به عنوان حسگرهای مکانیکی:

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

3.استفاده ازنانو ابزارها درتولید نانوحسگرها:

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

   ادامه دارد...