کاربرد نانو تکنولوژی در برق
مقدمه
زمانی که قرن بیستم آغاز شد، افراد معمولی بسیار سخت می توانستند درک کنند که خودروها و هواپیماها چگونه کار می کنند. بهره گیری از انرژی اتمی فقط در حد تئوری وجود داشت و شاید اکنون نیز برای عده ای در ابتدای قرن بیست و یکم بسیار سخت باشد که باور کنند بشر روبوتهای میکروسکوپی خواهد ساخت و خط مونتاژ میکروسکوپی داشته باشد. تولید چنین محصولات خارق العاده ای حاصل بخشی از دانش بشری است که به آن نانوتکنولوژی می گویند. بحث نانوتکنولوژی یکی از رایج ترین مباحث در مجامع علمی دنیاست و کشورهایی که نتوانند در این فن آوری موقعیت مناسبی بدست آورند، در آینده در بسیاری زمینه ها از گردونه رقابت اقتصادی خارج می شوند چرا که از جمله مهمترین شاخصه های قابلیت اقتصادی در آینده، توانایی خروج موفقیت آمیز از بحران انرژی است و از نانوتکنولوژی به منزله سلاحی جدید برای مقابله با این بحران یاد می شود.
امروزه از طرفی به دلیل کاهش یافتن منابع اولیه انرژی های فسیلی در دنیا و از طرف دیگر به دلیل ایجاد آلودگی های شدید زیست محیطی در اثر افزایش مصرف این منابع، توجه خاصی به منابع جدید تامین انرژی مانند انرژی های خورشیدی، بادی و … می شود. اما استفاده از این منابع مستلزم دستیابی به تکنولوژی تبدیل کننده این پتانسیل ها به انرژی های الکتریکی، مکانیکی و … است. (مثل پیلهای سوختی، سلهای خورشیدی و …)
از سوی دیگر، نانو تکنولوژی، به سبب بهبود کیفی ابزارها، مصرف کمتر مواد اولیه، مصرف کمتر انرژی، کاهش تولید مواد زائد و افزایش سرعت تولید در کشورهای پیشرفته به عنوان مهمترین روش تولید و ساخت این ابزارها، مطرح است. همچنین به کمک این فناوری گامهای موثری در جهت کاهش آلودگی زیست محیطی 1حاصل از سوختهای فسیلی، برداشته شده است. از این رو از مهمترین بسترهای بکارگیری نانوتکنولوژی در ساخت و تولید مبدلهای انرژی های نو (مثل سلهای خورشیدی و پیلهای سوختی)، کاهش آلاینده های زیست محیطی نیروگاههای گازسوز (با استفاده از کاتالیست های احتراق) و افزایش راندمان این نیروگاهها (با بکارگیری نانوپوششها و نانومگنت ها) است.
فن آوری نانو چیست؟
فناوری نانو واژه ای است کلی که به تمام فناوری های پیشرفته در عرصه کار با مقیاس نانو اطلاق می شود. معمولاً منظور از مقیاس نانوابعادی در حدود 1nm تا 100nm می باشد. (1 نانومتر یک میلیاردیم متر است).
اولین جرقه فناوری نانو (البته در آن زمان هنوز به این نام شناخته نشده بود) در سال 1959 زده شد. در این سال ریچارد فاینمن طی یک سخنرانی با عنوان "فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد" ایده فناوری نانو را مطرح ساخت. وی این نظریه را ارائه داد که در آینده ای نزدیک می توانیم مولکول ها و اتم ها را به صورت مسقیم دستکاری کنیم.
واژه فناوری نانو اولین بار توسط نوریوتاینگوچی استاد دانشگاه علوم توکیو در سال 1974 بر زبانها جاری شد. او این واژه را برای توصیف ساخت مواد (وسایل) دقیقی که تلورانس ابعادی آنها در حد نانومتر می باشد، به کار برد. در سال 1986 این واژه توسط کی اریک درکسلر در کتابی تحت عنوان : "موتور آفرینش: آغاز دوران فناوری نانو"بازآفرینی و تعریف مجدد شد. وی این واژه را به شکل عمیق تری در رساله دکترای خود مورد بررسی قرار داده و بعدها آنرا در کتابی تحت عنوان "نانوسیستم ها ماشین های مولکولی چگونگی ساخت و محاسبات آنها" توسعه داد.1
تفاوت اصلی فناوری نانو با فناوری های دیگر در مقیاس مواد و ساختارهایی است که در این فناوری مورد استفاده قرار می گیرند. البته تنها کوچک بودن اندازه مد نظر نیست؛ بلکه زمانی که اندازه مواد دراین مقیاس قرار می گیرد، خصوصیات ذاتی آنها از جمله رنگ، استحکام، مقاومت خوردگی و … تغییر می یابد. در حقیقت اگر بخواهیم تفاوت این فناوری را با فناوری های دیگر به صورت قابل ارزیابی بیان نماییم، می توانیم وجود "عناصر پایه" را به عنوان یک معیار ذکر کنیم. عناصر پایه در حقیقت همان عناصر نانومقیاسی هستند که خواص آنها در حالت نانومقیاس با خواص شان در مقیاس بزرگتر فرق می کند.
اولین و مهمترین عنصر پایه، نانوذره است. منظور از نانوذره، همانگونه که از نام آن مشخص است، ذراتی با ابعاد نانومتری در هر سه بعد می باشد. نانوذرات می توانند از مواد مختلفی تشکیل شوند، مانند نانوذرات فلزی، سرامیکی، … .
دومین عنصر پایه، نانوکپسول است. همان طوری که از اسم آن مشخص است، کپسول های هستند که قطر نانومتری دارند و می توان مواد مورد نظر را درون آنها قرار داد و کپسوله کرد. سال هاست که نانوکپسول ها در طبیعت تولید می شوند؛ مولکول های موسوم به فسفولیپیدها که یک سر آنها آبگریز و سر دیگر آنها آبدوست است، وقتی در محیط آبی قرار می گیرند، خود به خود کپسول هایی را تشکیل می دهند که قسمت های آبگریز مولکول در درون آنها واقع می شود و از تماس با آب محافظت می شود. حالت برعکس نیز قابل تصور است.
عنصر پایه بعدی نانولوله کربنی است. این عنصر پایه در سال 1991 در شرکت NEC کشف شدند و در حقیقت لوله هایی از گرافیت می باشند. اگر صفحات گرافیت را پیچیده و به شکل لوله در بیاوریم، به نانولوله های کربنی می رسیم. این نانولوله ها دارای اشکال و اندازه های مختلفی هستند و می توانند تک دیواره یا چند دیواره باشند. این لوله ها خواص بسیار جالبی دارند که منجر به ایجاد کاربردهای جالب توجهی از آنها می شود.
در حقیقت کاربرد فناوری نانو از کاربرد عناصر پایه نشات می گیرد. هر کدام از این عناصر پایه، ویژگی های خاصی دارند که استفاده از آنها در زمینه های مختلف، موجب ایجاد خواص جالبی می گردد. مثلاً از جمله کاربردهای نانوذرات می توان به دارورسانی هدفمند و ساده، بانداژهای بی نیاز از تجدید، شناسایی زود هنگام و بی ضرر سلول های سرطانی، و تجزیه آلاینده های محیط زیست اشاره کرد. همچنین نانولوله های کربنی دارای کاربردهای متنوعی می باشند که موارد زیر را می توان ذکر کرد:
• تصویر برداری زیستی دقیق
• حسگرهای شیمیایی و زیستی قابل اطمینان و دارای عمر طولانی
• شناسایی و جداسازی کاملاً اختصاصی DNA
• ژن درمانی که از طریق انتقال ژن به درون سلول توسط نانولوله ها صورت می پذیرد.
• از بین بردن باکتری ها2
اینها تنها مواردی از کاربردهای بسیار زیادی هستند که برای عناصر پایه قابل تصور می باشند. کاربرد این عناصر پایه در صنایع مختلف، در درخت دیگری به نام "درخت صنعت" آورده شده است که با مراجعه به گروه مطالعاتی آینده اندیشی، بخش درخت صنعت، می توانید آن را مشاهده کنید.
در نهایت "درخت فناوری نانو" معرفی می گردد که فناوری نانو را به شکل یک زنجیره از رویکرد ساخت عناصر پایه تا کاربرد آنها، در یک درخت چهار سطحی نمایش می دهد. با مراجعه به گروه مطالعاتی آینده اندیشی، بخش درخت فناوری، می توانید آن را مشاهده کنید.
دکتر ریچارد فیلیپس فاینمن در 11 می سال 1918 در منهتن نیویورک چشم به جهان گشود. فاینمن در طول سال های تحصیلش بر روی ریاضیات و علوم بسیار مطالعه می کرد زیرا پدرش می خواست که او یک معلم فیزیک شود. وی همچنین برای آزمایش در زمینه الکتریسیته یک آزمایشگاه در خانه اش برپا کرد. فاینمن از نمادهای ریاضیاتی خودش برای توابع استفاده می کرد.
بعدها در طول زندگیش هنگامی که به گروه تحقیق حادثه انفجار شاتل چنجر پیوست و دو کتاب خاطراتش را که پرفروش ترین کتاب ها شدند، منتشر کرد به چهره برجسته ای تبدیل شد.
پروفسور فاینمن عضو انجمن فیزیک آمریکا، انجمن آمریکایی علوم پیشرفته و آکادمی ملی علوم بود. او همچنین در سال 1965 به عنوان عضو خارجی انجمن سلطنتی انگلستان انتخاب شد.
در سال1959 ایشان مقاله ای را درباره قابلیت های فناوری نانو در آینده منتشر ساخت. فاینمن درآن سال در یک مهمانی شام که توسط انجمن فیزیک آمریکا برگزار شده بود، سخنرانی کرد و ایده فناوری نانو را برای عموم مردم آشکار ساخت.
عنوان سخنرانی وی این بود "فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد" باوجود موقعیت هایی که توسط بسیاری تا آن زمان کسب شده بود، ریچارد. پی. فاینمن را به عنوان پایه گذار این علم می شناسند.
سخنرانی او شامل این مطلب بود که می توان تمام دایره المعارف بریتانیکا را بر روی یک سنجاق نگارش کرد. یعنی ابعاد آن را به اندازه 25000/1 ابعاد واقعیش کوچک کرد. او همچنین از دوتایی کردن اتم ها برای کاهش ابعاد کامپیوترها سخن گفت (در آن زمان ابعاد کامپیوترها بسیار بزرگتر از ابعاد کنونی بودند اما او احتمال می داد که ابعاد آنها را بتوان حتی از ابعاد کامپیوترهای کنونی نیز کوچکتر کرد) او همچنین در آن سخنرانی توسعه بیشتر فناوری نانو را پیش بینی نمود. وی در پایان سخنرانیش 1000 دلار برای اختراع اولین الکتروموتوری که ابعادش حداکثر 64/1اینچ مکعب باشد، پیشنهاد داد. جایزه ای که برای اولین کسی که بتواند ابعاد یک صفحه کتاب را به اندازه ابعاد اصلیش کوچک کند، تعیین کرد. ابعاد این صفحه کتاب می بایست به اندازه ای باشد که بتوان آن را به کمک یک میکروسکوپ الکترونی خواند. این ایده ها در سال های 1960 و 1985 تحقق یافتند و جایزه های آنها نیز پرداخت شد.
پیشرفتهای حاصله در زمینه نانوتکنولوژی (متالورژی)
تکنولوژی مواد، یک تکنولوژی بنیانی در زمینه فن آوری اطلاعات، حفاظت محیط زیست، بهینه سازی مصرف و تولید انرژی است. از سوی دیگر نانوتکنولوژی قابلیت بالایی در اصلاح خواص مواد مورد مصرف و ابداع کاربردهای جدید برای مواد با کنترل ریزساختار آنها در ابعاد بسیار بسیار ریز دارد و از این رو می توان ظهور آن را یک انقلاب بزرگ در آغاز قرن بیست و یکم دانست. بطور کلی پیشرفتهای حاصل از نانوتکنولوژی در شاخه متالورژی را می توان به دو دسته تقسیم کرد:
الف) پیشرفتهای حاصله در ساخت و تولید
ب) پیشرفتهای حاصله در تغییر خواص مواد مورد مصرف یه کمک نانوتکنولوژی
پیشرفتهای حاصله در ساخت و تولید نانو
در شاخه ساخت و تولید، امروزه مهمترین کارهای انجام شده در زمینه تولید نانوذرات ونانوپودرهاست. نانوپودرها موادی هستند که به علت دارا بودن خواص منحصر به فرد خود در نوع خاصی از تولید بنام "تولید پایین به بالا" مورد استفاده قرار می گیرند. در تولید پایین به بالا به جای اینکه ماده مورد نظر را از تراش دادن ماده توده ای بسازند، آن را از ذرات و مولکولهای تشکیل دهنده اش می سازند. این روش باروش معمولی (تولید از بالا به پایین) بسیار متفاوت است زیرا در تولید معمولی، حجم بسیار زیادی از مواد زاید حاصل از تراش، دور ریخته می شود ولی در تولید پایین به بالا، علاوه بر اینکه چنین مشکلی وجود ندارد، استحکام ماده تولیدی نیز به علت کم شدن نواقص ریزساختاری بالا می رود.
پیشرفتهای حاصله در بهبود خواص مواد با نانوساختارسازی
محققان و دانشمندان علم مواد و فیزیک بر این باورند که بسیاری از خواص فیزیکی مواد ارتباط تنگاتنگی با ریزساختار ماده (آرایش اتمی، ترکیب شیمیایی و همگنی آرایش کریستالی یک جامد در یک یا دو یا سه بعد) دارد. بدیهی است با پذیرش چنین اصلی می توانیم انتظار تغییر خواص فیزیکی یک جامد را در اثر تغییر یافتن یکی از پارامترهای مذکور داشته باشیم. در ارتباط با نانومواد گزارشات متعددی در خصوص تغییرات خواص در اثر این تحولات ارایه شده است که با توجه به کاربردهای بسیار جالب آنها، تلاشهای زیادی جهت درک پدیده های نوظهور ایجاد شده در حال انجام است. در واقع تغییر در ساختار اتمی مواد، نقش تعیین کننده ای در کنترل خواص مواد نانوساختار دارد. به عنوان مثال کم شدن ابعاد دانه در حد نانونمتر اثر شدیدی بر تولید و حرکت نابجائیها و در نتیجه افزایش چشمگیر استحکام تسلیم، سختی و چقرمگی دارد. همچنین مقاومت به سایش و خوردگی مواد نانوساختار از نمونه های معمول بیشتر است.
ریزساختار نانو مواد
در یک تقسیم بندی کلی انواع مواد نانوساختار می توانند بر اساس ترکیب شیمیایی کریستالیتها یا مرز دانه ها، شکل بلوها و … در چهار گروه دسته بندی شوند. بر اساس این مدل در ساده ترین حالت (گروه اول) کریستالیتها و نواحی مرزی دارای ترکیب شیمیایی یکسان هستند. مثل پلیمرهای نیمه هادی که در آنها لایه های کریستالی روی هم چیده شده، توسط لایه های غیرکریستالی جدا می شوند. این کریستالیتها، ساختار کریستالی متفاوت اما ترکیب شیمیایی یکسانی دارند.3
گروه دوم نیز مشابه گروه اول است، با این تفاوت که علاوه بر ساختار کریستالی، ترکیب شیمیایی کریستالیت ها نیز با یکدیگر متفاوت است. حالت سوم حالتی است که یک کریستالیت غالب وجود دارد که بین دانه های آن مرزدانه است. در اینحالت یک نوع اتم یا مولکول در نواحی مرزی به گونه ای تجمع می یابد که هم تغییرات ساختاری و هم شیمیایی را به طور مضاعف داشته باشیم. نوع چهارم جامدهای نانوساختار، می تواند بصورت توزیع کریستالهای نانومتری با اشکال مختلف (نظیر صفحه ای، میله ای و …) در یک زمینه با ترکیب شیمیایی متفاوت پدیدار شود (مثل آلیاژهای رسوب سختی شده)
بدین ترتیب می توان با اعمال کنترلهای بسیار دقیق، شاهد تاثیرات نانوساختارسازی بر بهبود خواص مواد مورد استفاده بود.
بکارگیری نانوتکنولوژی در پوشش قطعات داغ توربینهای گازی
قطعات داغ توربینهای گازی زمینی از سوپر آلیاژهای گرانقیمت ساخته می شوند که دوام خزشی نسبتاً بالایی داشته باشند. هزینه تامین مواد اولیه از یک سو و پیچیدگی روشهای تولید، ماشینکاری و کنترل کیفی از سوی دیگر سبب شده است که این قبیل قطعات قیمت تمام شده بالایی داشته باشند. قطعات مذکور در تماس مستقیم با گازهای داغ هستند و در اثر عوامل تخریبی مختلفی از جمله سوخت مورد استفاده شوکهای حرارتی و شرایط محیطی آسیب می بینند. آسیبهای وارده به صورت کاهش ضخامت و تضعیف فلز پایه به دلیل خوردگی داغ، اکسیداسیون، فرسایش و پوسته شدن یا افت خواص مکانیکی در اثر نفوذ عوامل مضر به داخل زمینه آلیاژ بروز می کند.
در سه دهه گذشته تلاشهای زیادی برای افزایش مقاومت این آلیاژها انجام شده است تا بدین وسیله افزایش توام استحکام و مقاومت به اکسیداسیون و خوردگی و امکان بالا بردن دما جهت افزایش راندمان توربین فراهم شود و نیز بتوان از سوختهای ناخالص تر و ارزانتر برای احتراق استفاده کرد. افزایش مقاومت به خوردگی آلیاژ، با بهبود ترکیب شیمیایی، اصلاح ریزساختار، کنترل دمای کاری و کاهش عوامل خورنده در محیط کاری صورت می گیرد. همچنین افزودن یکسری از عناصر مانند کروم و آلومینیوم سبب افزایش مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون می شود. اما افزودن این عناصر سایر خواص آلیاژ مثل استحکام و مقاومت به ضربه رابه شدت کاهش می دهد. از طرفی کاهش دمای کاری توربینها، راندمان را کاهش داده و مقرون به صرفه نخواهد بود. به منظور کاهش عوامل خورنده می توان از فیلتر کردن سوخت، هوا و… استفاده کرد ولی حذف کامل این عوامل امکان پذیر نیست. از این رو جهت برطرف کردن معضلات مذکور، استفاده از پوشش مطرح شده که فلسفه آن طراحی سیستمی مشتمل از یک آلیاژ با استحکام بالا برای تحمل تنشها و یک پوشش سطحی برای رسیدن به بالاترین خواص حفاظتی در برابر محیط باشد.
از بین پوششهای مرسوم می توان به پوششهای سرامیکی (تک فاز و کامپوزیتی) و پوششهای کروم سخت اشاره کرد. اما همه این روشها مشکلات مهمی دارند که باعث محدودیت در استفاده از آنها می شود. آبکاری کروم، همراه با مواد سمی و خطرناک است و رفع آنها هزینه بسیار زیادی می طلبد، از طرف دیگر پوششهای پاشش پلاسمایی سرامیکی، قیمت کمتری نسبت به کروم سخت دارند، اما تردند و چسبندگی خوبی با زمینه ایجاد نمی کنند. از این رو جایگزینی این پوششها با پوششهایی که این مشکلات را نداشته باشند بسیار مورد توجه است و در بین راههای مختلف، نانوساختارسازی پوششهای سرامیکی از بهترین و جدید ترین شیوه ها محسوب می شود.
با توجه به تاثیر بسزای بکارگیری نانوساختارها در بهبود خواص پوششها، تاکنون تاثیر نانوساختارسازی روی خواص پوششهای مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. در این میان نانو پوششهای سد حرارتی (TBC) از اهمیت بسزایی جهت ایزوله کردن حرارتی اجزای داغ، برخوردارند، چرا که این پوشش، فلز را ایزوله می کند و باعث می شود که با بالاتر رفتن دمای کاری، بازدهی موتور افزایش یابد، دمای اجزای فلزی پایین تر بیاید و در نتیجه زوال، دیرتر صورت گیرد، احتیاج کمتری به خنک کننده باشد و احتمال زوال حرارتی کم شود، که اینها در مجموع منجر به بهبود کارآیی، بازدهی بیشتر و طول عمر بیشتر اجزای موتور توربین های گازی می شود. شکل (2) تاثیر حضور پوشش سد حرارتی را نشان می دهد.
دستاوردی جدید در زمینه ی "الکترونیک نامرئی"
سرانجام دانشمندان پس تلاش های بسیار برای ساخت مدارهای الکترونیکی نامرئی و نمایشگرهای شفاف، موفق به ساخت تعداد بسیار کمی از این مدارها شدند که البته آن هم به مواد نیمه رسانای شفاف محدود شده، تاکنون امکان کاربرد گسترده و فراگیر آن فراهم نشده است.
اخیراً محققانی در کالیفرنیا به موفقیتی در این زمینه دست یافته اند که کاربرد ویژه ای را در نمایشگرهای تخت، نمایشگرهای شیشه ی جلوی اتومبیل ها، و الکترونیک کاغذی داشته، بسیار مورد توجه واقع شده است. مدارهای الکترونیکی ظریف و شفافی که آنها ساخته اند تا به امروز قدرتمندترین مدارها در نوع خود به شمار می رود و راه را برای دستیابی به الکترونیک شفاف و دیگر کاربردهای آینده نگرانه و پیشرو؛ از قبیل روزنامه های الکترونیکی و لباس های نمایشگر قابل پوشیدن هموار می سازد. این ترانزیستورهای شفاف فیلم نازک (TTFT)ها) بر خلاف انواع مشابه قبلی خود، از نانولوله های کربنی تک جداره ی کاملاً هم ترازی تشکیل شده است که شفاف و انعطاف پذیر بوده، به خوبی کار می کنند. از جمله ویژگی های حاصل از بررسی های آزمایشگاهی این ترانزیستورها، می توان به کاربرد راحت آن در سطوح شیشه ای یا پلاستیکی اشاره کرد، ضمن اینکه نتایج به دست آمده در این خصوص و امکان کاربرد آن در مصارف روزمره بسیار نیز امیدوار کننده بوده اند.گزارش این تحقیق در شماره ی 27 ژانویه ماهنامه ی ACS Nano منتشر شده است.
پوششهای سد حرارتی ساختار نانو
بر اساس تحقیقات بعمل آمده، زوال پوششهای سد حرارتی در سیکلهای حرارتی، هنوز مشکل مهمی محسوب می شود که شدیداً عمر قطعه پوشش داده شده را کم می کند. این زوال ناگهانی معمولاً بر اثر پوسته ای شدن پوشش سرامیکی واقع می شود که با ریز کردن ابعاد ذرات و کریستالها در پوششهای نانوساختار معضل مذکور برطرف می شود. عمده ترین روشی که برای پوسش سد حرارتی در حالت نانوساختار بکار گرفته می شود، پوشش دهی پلاسمایی است.
اصول پوشش دهی پلاسمایی معمولی و نانوساختار، عملاً تفاوتی با یکدیگر ندارند. مبانی پوشش دهی پلاسمایی بدین صورت است که یک گاز خنثی از ناحیه ای که تخلیه الکتریکی شده، عبور می کند و دمای آن بسیار بالا می رود تا گاز یونیزه شود. گاز یونیزه شده از داخل یک نازل، با نیروی بسیار و سرعت زیاد خارج شده، از طرف دیگر ذرات پودری تغذیه در مسیر حرکت پلاسما قرار گرفته، داغ و ذوب شده، به طرف فلز پایه هدایت می شوند.
نکته ای که در این راستا مطرح است این است که استفاده مستقیم از پودر با ذرات نانو، امکان پذیر نیست چون نانو ذرات نمی توانند با تزریق در ناحیه پلاسما به خوبی اسپری شوند چرا که اندازه این ذرات بسیار کوچک است و اندازه حرکت لازم برای رسوخ به پلاسما و ضربه زدن مناسب به سطح فلز پایه را ندارند از این رو تنها نکته این روش رعایت شرایط ویژه تهیه تغذیه مناسب برای پاشش به روی زطمینه جهت رسیدن به پوششهای نانوساختار است.
در روش پوشش دهی، پلاسمایی قطره های مذاب که روی فلز پایه یا پوشش منجمد شده قبلی پرتاب میشوند، پس از انجماد مرزی با بخش منجمد شده تشکیل می دهند که به آن مرز پرتابی گفته می شود. در نمونه های پاشش حرارتی شده معمولی، نواحی مرزهای پرتابی مکان مناسبی برای رشد ترک هستند اما در پوششهای نانوساختار، مرزهای پرتابی توسط نواحی ذوب کامل نشده قطع می شوند و ترک از داخل مرزهای پرتابی رشد می کند که با رسیدن به این نواحی متوقف می شود و یا مسیرش منحرف می شود. علت بهبود سایش پوششهای نانو در مقایسه با پوششهای معمولی این است که به دلیل سادگی رشد ترک از مرزهای پرتابی. کنده شدن ذرات ماده در اثر سایش راحت تر واقع می شود در حالی که در مورد پوششهای نانوساختار به دلیل ریز بودن ترکها و منحرف یا متوقف شدن آنها در نواحی ذوب کامل نشده، کنده شدن جسم به سختی صورت می گیرد و مقاومت سایشی بهبود می یابد.
تاثیر نانو ساختار سازی بر بهبود خواص پوششها
بنا بر عقیده محققان، مهمترین پارامترها در بهبود و کارایی پوششهای (TBC) عبارتند از:
الف) افزایش استحکام و سختی
ب) افزایش مقاومت به خوردگی
ج) کاهش هدایت حرارتی
د) بهبود مقاومت به سایش
در نانو ساختارها به علت ریز شدن ابعاد دانه ها، سختی افزایش می یابد. همچنین به علت کوتاه شدن فاصله لغزش و دامنه حرکت نابجائیها با ریز شدن ابعاد دانه ها، استحکام این مواد در اثر تجمع نابجائیها پشت موانع بالاتر از استحکام مواد معمول است. از سوی دیگر افزایش شدید مرز دانه در پوششهای نانوساختار، سبب می شود که برای غلظت معینی از ناخالصیهای داخل دانه ها میزان ناخالصی در واحد مرز دانه کمتر از پوششهای معمول است و این خالص شدن مرز دانه ها باعث ایجاد مورفولوژی یکنواخت تری از مرزدانه و دانه می شود و در اثر این امر، مقاومت به خوردگی نسبت به پوششهای معمول بیشتر می شود. همچنین ریزشدن دانه ها، منجر به افزایش مرزدانه شده و کاهش هدایت حرارتی بر اثر پراکنده شدن فونونها دراین مرزها می شود.
بکارگیری نانوتکنولوژی در افزایش راندمان سلهای خورشیدی
خورشید که به یک نیروگاه اتمی شباهت دارد، منبع شگفت انگیزی است. انرژی خورشید در اثر همجوشی هسته ای بوجود می آید. درجه حرارت درون خورشید حدود 15 میلیون درجه سانتیگراد برآورد شده است، به صورتی که تنها انرژی تشعشعی آن که پس از طی 15000 میلیون کیلومتر در مدت 8 دقیقه به زمین می رسد. هزاران برابر مصرف کنونی جهان است. میزان تابش خورشید و امکان استفاده از آن در کشوهای مختلف متفاوت است. ایران از این نظر دررده نخستین کشورها قرار دارد، زیرا بنا بر محاسبات انجام شده میانگین سالیانه تابش خورشید بر هر متر مربع، 2200 کیلووات است. در سالیان گذشته حدود شش میلیارد دلار در جهان در زمینه استفاده از انرژی خورشیدی سرمایه گذاری شده است. انرژی خورشیدی را می توان با روشهای گوناگون به سایر انواع انرژی تبدیل کرد. یکی از این روشها، استفاده از سلهای خورشیدی است.
سلهای خورشیدی ابزارهایی هستند که انرژی خورشیدی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. در این تبدیل انرژی خورشیدی ابتدا به حرارت یا انرژی شیمیایی و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. معمولترین نوع سلهای خورشیدی بر اساس تبدیل مستقیم انرژی خورشیدی به الکتریسیته (فوتوولتائیک) بوده و ولتاژ حاصل از آنها می تواند در یک مدار خارجی، جریان ایجاد کند و کار انجام دهد.4
ردیابی گرما در نانولوله های کربنی
فیزیکدانان در آمریکا کشف کرده اند که الکترون های جریان یافته در مدارهای مبتنی بر نانولوله کربنی، انرژی خود را در روش های کاملاً متفاوت با الکترون های جریان یافته در افزاره های ساخته شده از نیمه هادی های مرسوم مانند سیلیکون، از دست می دهند. این محققان نشان داده اند که چگونه انرژی جریان های الکتریکی در نانولوله های کربنی به گرما تبدیل می شود و بصورت نوسان های به هم پیوسته ای از اتم های نانولوله و نوسان های سطحی بستر زیرین آن، تلف می شود.
در افزاره های نیمه هادی مرسوم، لایه های متفاوتی از مواد همیشه با پیوند های شیمیایی به هم متصل می شوند. این اتصال یک محیط پیوسته برای انتقال گرما در سرتاسر چنین افزاره هایی ایجاد می کند و سردکردن آنها را نسبتاً آسان می کند. تعداد زیادی از محققان اعتقاد دارند که افزاره های الکترونیکی آینده می توانند از نانولوله های کربنی ساخته شوند. نانولوله ها می توانند اندازه را خیلی کوچک تر کرده و بنابراین عمکرد را بهبود بخشند. نانولوله ها برای اتصال به ساختارها، به صورت شیمیایی پیوند نمی دهند؛ در نتیجه حذف گرما از چنین افزاره هایی خیلی مشکل خواهد بود. 5
شمایی از چگونگی گرم شدن یک نانولوله با عبور یک جریان الکترونی درسرتاسر آن.
اما اکنون محققان IBM متوجه شده اند که الکترون ها در نانولوله ها می تواننند انرژی خود را مستقیماً در یک بستر مجاور حتی اگر با آن پیوند شیمیایی نداشته باشند، پراکنده کرده و از دست بدهند. این محققان همچنین متوجه شده اند که الکترون های حامل بار در افزاره های نانولوله ای فرآیند نرمال گرمایی که در آن نوسان های گرمایی به تعادل آماری می رسند، را طی نمی کنند.
اگرچه فقدان پیوند شیمیایی با بستر، مانع هدایت گرمایی می شود؛ اما این محققان نشان داده اند که موقعی که الکترون ها با اتم های بستر برخورد می کنند، جابه جایی متوالی در مکان اتم ها یک میدان الکتریکی تولید می کند که تا داخل نانولوله گسترش می یابد. هنگامی که الکترون های نانولوله با این میدان برهم کنش می کنند؛ می توانند انرژی خود را مستقیماً در بستر پراکنده کنند
استفاده از نانوذرات سیلیکونی برای دارورسانی ایمن
در دانشگاه کالیفرنیا و موسسه فناوری ماساچوست (MIT)، برای اولین بار نانوذرات سیلیکونی لومینسانت ویژهای تولید کردهاند که اثرات جانبی سمیت را کاهش میدهد. این نانوذرات که از سیلیکون متخلخل ساخته شدهاند، برای تصویربرداری ایمن از تومورها در موشها و تحویل داروها به سلولهای سرطانی در این حیوانها، استفاده شده اند.
نانوپزشکی هنوز در مراحل اولیه خود است و بسیاری از نانومواد فلورسانت مانند نقاط کوانتومی سلنیدکادمیوم که برای تصویربرداری از تومورها یا کشتن سلولهای سرطانی استفاده میشوند، دارای اثرات سمیت احتمالی برای انسان هستند. دانشمندان بهدنبال توسعه جایگزینهای غیررسمی برای این نانومواد هستند. این مطلب مهم است که این ذرات بعد از انجام تصویربرداریشان یا کشتن تومور، در مدت زمان قابل قبولی به صورت ایمن از بدن حذف شوند.
نتیجه
در ایران چند سالی است که تکنولوژی نانو به عنوان یکی از مهمترین تحقیقات زیر بنایی کشور مورد توجه قرار گرفته است. اما آیا تاریخچه نانو در ایران به همین چند سال گذشته می رسد؟ همانطور که گفته شد نظریه نانو حدود 40 سال پیش در دنیا مطرح شد و با تلاش های اریک درکسلر در دهه های 80 و 90 بسیار رشد یافت و به عنوان یک تکنولوژی نوین به بشر معرفی شد. در کشور ما نیز برای برخورداری از فن آوری های نوین تلاش هایی صورت پذیرفته است. در سال 1362 هجری شمسی (1984 میلادی) یکی از بزرگترین دولتمردان ایران آقای میرحسین موسوی (نخست وزیر وقت) با توجه به اهمیت فن آوری روز در دنیا "دفتر بررسی ها و مطالعات علمی و صنعتی" را تاسیس نمود و با اینکار گام ارزنده ای را در پیشرفت تکنولوژی در ایران برداشت.در چند سال اخیر برنامه ریزان کشور بنا بر اهمیت بسیار زیاد نانو تکنولوژی، سیاست های تشویقی خوبی را برای حمایت از تحقیقات در این بخش بکار برده اند. شاید آخرین اقدام دولت برای حمایت از نانو تکنولوژی اختصاص بودجه ای برای تشویق محققان این بخش باشد. در جشنواره های خوارزمی نیز به خوبی مشهود است که برخی مواقع تحقیقات بسیار موثری در این زمینه در ایران صورت می گیرد که البته با توجه به نقش این فن آوری نوین در توسعه یافتگی کشورها بسیار حائز اهمیت خواهد بود. به نظر می رسد که محققان ایرانی پاسخ مناسبی به سرمایه گذاری دولت در بخش نانو تکنولوژی داده اند و رسیدن به اهدف برنامه دولت جمهوری اسلامی ایران که همانا قرار گرفتن کشور ایران در میان 15 کشور برتر دنیا در زمینه نانو تکنولوژی است روز به روز به واقعیت نزدیک می شود. فن آوری نانو در ایران به همه اثبات کرد که در این کشور به هر بخشی اهمیت داده شود در طی مدت زمان کوتاهی می توان پیشرفت های چشم گیر جوانان را مشاهده کرد. نانو تکنولوژی و فن آوری اطلاعات به همه ما ثابت نمود که ایرانی اگر دارای امکانات هرچند کم باشد گام های بزرگی بردارد.
امید است با توجه بیشتر به این فن آوری نوین، کشور ایران بتواند گام های پیشرفت را هر چه سریع تر بپیماید. فراموش نشود که ایران از جمله معدود کشورهای پیشرو نانو تکنولوژی در دنیاست که تحقیقات در این زمینه را آغاز نموده است و می تواند با تحقیقات گسترده تر و مدیریت هدفمند، یکی از قطب های مهم این فن آوری متحول کننده بشری در قرن بیست و یکم باشد.
منابع :
1- صنعت نانو در برق ، خسرو دستاویز ، انتشارات ناقوس ، چاپ اول 1385 ص 15
2- کاربرد نانو در برق قدرت ، محمد رضا آذوش، انتشارات قلم ، چاپ اول 1387 ص 55
3- کاربرد نانو تکنولوژی در صنعت برق، سید مهدی چراغ سحر، انتشارات دانشگاه صنعت شریف تهران، چاپ سوم 1387 ص 32
4- ساختار و مشخصات نظام ملی توسعه فناوری٬ وزارت علوم٬ تحقیقات و فناوری٬ خرداد ماه 1382
5- نانوتکنولوژی، آینه تکنولوژی آفرینش، جمشید سرلک ، انتشارات صدر، ج1 فنی دانشگاه تهران.
1 صنعت نانو در برق ، خسرو دستاویز ، انتشارات ناقوس ، چاپ اول 1385 ص 15
2 کاربرد نانو در برق قدرت ، محمد رضا آذوش، انتشارات قلم ، چاپ اول 1387 ص 55
3 کاربرد نانو تکنولوژی در صنعت برق، سید مهدی چراغ سحر، انتشارات دانشگاه صنعت شریف تهران، چاپ سوم 1387 ص 32
4 اخبار مقالات و نرم افزار های علمی ( شبکه فیزیک هوپا )به نقل از مقالات علمی ایران
5 نانوتکنولوژی، آینه تکنولوژی آفرینش، جمشید سرلک ، انتشارات صدر، ج1 فنی دانشگاه تهران.
—————
————————————————————
—————
————————————————————
20