نانوتکنولوژی و پدیده های فیزیکی

نانوتکنولوژی و پدیده های فیزیکی

حتما تاکنون پیش آمده که سنگی را به درون دریاچه ای مملو از آب پرتاب کرده یا انداخته باشید.

بیایید امتحان کنیم. یک لیوان را پر از آّب کنید و روی میز قرار دهید. حال یک تیله را به آرامی درون آب بیاندازید. ملاحظه می کنید که تیله در هنگام برخورد با سطح آب سبب می شود تا آب به اطراف پاشیده شود . به عبارتی تیله با ایجاد صدایی "پولوپ"، آب را می شکافد و وارد آن می شود. دوباره این کار را با جسمی دیگر امتحان کنید. خواهید دید که شکل پاشیده شدن آب به اطراف متفاوت خواهد بود و حتی اگر با یک دوربین حرفه ای از این صحنه ها فیلمبرداری کنید متوجه خواهید شد که حتی دو شیء یکسان، هم وزن و همجنس را نمی توانید پیدا کنید که به طور یکسان آب را به اطراف پراکنده سازند.

Lydéric Bocquet و همکارانش در دانشگاه کلودبرنارد لیئون در فرانسه در خصوص این پدیده پیچیده مطالعاتی انجام داده اند. آنها به دنبال یافتن پاسخ این سوال که چرا حتی در حالتی که دو گوی هم اندازه، هم شکل و هم جنس باشند باز هم شکل پاشیده شده آب متفاوت است تحقیقات وسیعی انجام دادند. آنها دریافتند که رفتار مولکولی سطح گوی ها – اینکه آنها آب را جذب می کنند یا دفع- متفاوت است.
این گروه تحقیقاتی آزمایش را با گوی هایی از جنس آلومینیوم، فولاد و شیشه تکرار کردند تا گویی را پیدا کنند که بیشترین خاصیت آبدوستی را داشته باشد. پس از انتخاب گوی مناسب (گوی شیشه ای)، گوی را با پراکسید ئیدروژن، اسید سولفوریک و الکل تمیز کردند و آزمایش را انجام دادند. در این حالت گلوله به آرامی درون آب افتاد
سپس گوی یکسان دیگری را با کمک یک نانولایه از ماده آب گریز به نام سیلان که تنها به اندازه یک مولکول ضحامت داشت، پوشش دادند و آزمایش را تکرار کردند. در این حالت گوی در هنگام برخورد، به شدت آب را به اطراف پاشید

مقایسه دو مرحله آزمایش: زمانی که گوی شیشه ای بدون پوشش است (شکل سمت چپ)،
زمانی که گوی شیشه ای با یک نانولایه پوشش داده شده است (شکل سمت راست).
Bocquet دلیل این اختلاف را اینگونه شرح می دهد: مولکول های آب گریز سبب می شوند تا هنگام بازشدن مولکول های آب از یکدیگر، حباب هوا ایجاد شود که سبب پاشیده شدن آب به اطراف (درست مانند شکل بالا) می شود در حالی که مولکول های آب دوست شیشه سبب می شوند تا حباب هوا بین سطح مولکولهای شیشه و مولکولهای آب ایجاد نشود. بنابراین گوی به آرامی و بدون پاشیدن آب به اطراف وارد آب می شود. بنابراین نانولایه از ایجاد حباب هوا جلوگیری می کند.
یافته های این گروه آزمایشی ثابت می کنند که برای کاهش شدت پاشیده شدن آب به اطراف عامل سرعت نیز می تواند موثر باشد به گونه ای که هر چه سرعت ورود جسم به آب بیشتر باشد فرصت کمتری برای ایجاد حباب هوا و در نتیجه پاشیده شدن آب به اطراف وجود خواهد داشت.
خوب حالا که دلیل آن را متوجه شدیم بیایید این کار را اجسام مختلف امتحان کنیم. فراموش نکنیم که هر چه مولکول های جسم آب گریزتر باشند آب بیشتر به اطراف پخش می شود پس مواظب باشید خیس نشوید.
منبع:nanoclub.ir

اورانیوم آری سلاح نه!

اورانیوم آری سلاح نه!

نگاه اجمالی

در میان عموم مردم ، همین که صحبت از اورانیوم به میان می‌آید، بلافاصله بمب اتمی و سلاحهای کشتار جمعی ، که امروزه سخن روز محافل سیاسی و مطبوعاتی است، در اذهان تداعی می‌شود. اما بهتر است به این مطلب فکر کنیم که آیا اورانیوم و اصولا عناصر رادیواکتیو ، عناصری نفرین شده هستند که جز مرگ و کشتار فوق‌العاده دردناک مردم ، هیچ نفع دیگری به حال بشریت ندارند؟
اصولا اگر چنین است، پس چرا دانشمندان در طول قرون و اعصار گذشته و حال تمام تلاش و کوشش خود را و بالاتر و باارزش‌تر از همه عمر و جوانی خود را در این راه صرف نمودند و چه بسا مانند ماری کوری و دیگران در اثر همین تشعشعات رادیواکتیو جان خود را از دست دادند.
آیا ارزش دارد افرادی تمام عمر خود را در راه چیزی سپری کنند که عامل از بین برنده نسل او و افراد دیگر است؟ آنچه در این مقاله بیان می‌گردد، شرح کوتاه و مختصری است از خدمتی که اورانیوم ، این عنصر طبیعی برای بشریت و آسایش و راحتی او انجام داده است. همچنین به استفاده‌های نادرست و غلط از این منبع سرشار انرژی نیز نگاه کوتاهی خواهیم داشت.

نیروگاه هسته‌ای

پر واضح است که منابع انرژی الکتریکی که بشر از آنها برای تولید برق مصرفی خود استفاده می‌کند، سدهای آبی ، پیل‌های شیمیایی و موارد دیگر است. اما همه این منابع انرژی با وجود اینکه تقریبا کم‌هزینه هستند، اما دارای معایب زیادی هستند. اول اینکه مقدار انرژی الکتریکی حاصل از این منابع کم است، همچنین در مناطقی که از نظر آب در محرومیت هستند، تقریبا تولید برق از طریق احداث سد غیر ممکن است. همچنین برای تولید برق به این روشها ، نیاز به سوختهای شیمیایی که جزو منابع تجدیدناپذیر انرژی محسوب می‌شوند، وجود دارد.
بنابراین بهترین گزینه برای تولید انرژی الکتریکی کافی ، استفاده از انرژی هسته‌ای است. انرژی هسته‌ای دارای بازده فوق‌العاده زیادی نسبت به منابع دیگر انرژی برق می‌باشد. مشکل عمده فقط در تهیه تجهیزات و دستگاههای لازم برای غنی‌سازی اورانیوم و استفاده از آن برای تولید برق است و امروزه این تکنولوژی بیشتر در اختیار کشورهای صنعتی قرار دارد.
تقریبا در تمام سیستمهای تولید توان هسته‌ای موجود ، راکتور هسته‌ای منبع گرما برای به کار انداختن توربینهای بخار است. این توربینها مولدهای الکتریکی را درست به‌همان صورت به حرکت در می‌آورند که نیروگاههای نفت‌سوز یا ذغال‌سوز عمل می‌کنند. در یک نیروگاه هسته‌ای معمولی ماده شکافت‌پذیر به ‌جای ذغال‌سنگ یا نفت به‌کار می‌رود و بنابراین یک منبع جدید انرژی به صورت الکتریسیته فراهم می‌آورد.

کاربردهای دیگر

کاربرد اورانیوم و تشعشعات رادیواکتیو تنها به تولید انرژی الکتریکی خلاصه نمی‌گردد. به عنوان مثال ، در کشاورزی برای خشک‌کردن و بسته‌بندی میوه‌ها از آن استفاده می‌گردد. همچنین در پزشکی ، صنعت و موارد دیگر نیز کاربرد دارد. بنابراین همانگونه که اشاره شد، اورانیوم عنصری زشت و بی‌ارزش نیست که فقط وسیله‌ای برای کشتار مردم باشد.

اورانیوم آلت دست قدرتهای بزرگ

امروزه بحث استفاده صلح‌آمیز از انرژی هسته‌ای و مساله ساخت و تکثیر سلاحهای هسته‌ای و کشتار جمعی به عنوان سخن روز خوراک محافل مطبوعاتی جهان شده‌ است و قدرتهای بزرگ نظیر آمریکا از این وسیله به عنوان حربه‌ای برای حمله به کشورهای دیگر استفاده می‌کنند. به عنوان مثال همه مردم دنیا می‌دانند که از چندی پیش چنین ادعا می‌شد که کشور عراق دارای سلاحهای کشتار جمعی و تکنولوژی غنی‌سازی اورانیوم است و همین امر بهانه‌ای شد تا به این کشور حمله نظامی شود و بسیاری از مردم بی‌دفاع این کشور کشته ‌شدند، در صورتی که هنوز هم که هنوز است، هیچ ردی از این سلاحها در این کشور پیدا نشده‌است.
نمونه بارز این مساله کشورمان ایران است که چقدر مورد اتهام قرار می‌گیرد و با وجود اینکه هر ساله بازرسان آژانس بین‌المللی انرژی اتمی از آن بازدید کرده و صلح آمیز بودن آن را تایید می‌کنند، ولی هر از چند گاهی این مطلب در سرتیتر روزنامه‌های غربی قرار می‌گیرد که ایران در پی دست یافتن به تکنولوژی سلاحهای اتمی است.

اورانیوم در خدمت نابودی نسل بشر

قدرتهای بزرگ و کشورهای پیشرفته دنیا با اینکه در استفاده درست از اورانیوم برای خدمت به مردم خود سرمایه‌گذاری می‌کنند، اما همواره از قدرت فوق‌العاده تخریبی و کشتار آن نیز غافل نیستند و تقریبا در جهت استفاده منفی از این عنصر طبیعی نیز گام بر می‌دارند. هرچند استفاده منفی و نادرست از اورانیوم عواقب بسیار دردناکی مانند حادثه هیروشیما و ناکازاکی برجای می‌گذارد، ولی بازهم هیچ حرکتی در جهت جلوگیری از این کار صورت نمی‌گیرد.
درست است که ظاهرا سازمانهای بین‌المللی مانع آژانس بین‌المللی انرژی اتمی و توافقنامه‌های بین‌المللی مانند معاهده منع تولید و تکثیر سلاحهای کشتار جمعی بوجود آمده است، اما گویی تمام این موارد برای کشورهای دیگر است و قدرتهای بزرگ و حامیان آنها از تمام این موارد مستثنی هستند.

سخن آخر

به هر حال امید است که بالاخره روزی انسان به این رشد عقلی برسد که تمام آفریده‌های خداوند برای آسایش و راحتی او خلق شده‌اند و این خود انسان است که به واسطه برخی مسایل به استفاده‌های نادرست از این منابع سرشار خدادادی اقدام می‌کند و چه بسا در این کار اقدام به ساخت ابزار و وسایلی می‌کند که زندگی خود او را تهدید می‌کند.
منبع:http://www.academist.ir

کاربرد فناوری‌نانو در پاکسازی محیط زیست‎

کاربرد فناوری‌نانو در پاکسازی محیط زیست‎

یکی از مهم‌ترین کاربردهای فناوری‌نانو در محیط زیست، تصفیه آلاینده‌های آب‌های زیرزمینی با نانوذرات nZVI (zero-valent iron) است که بازده و راندمان قابل توجهی دارد، اما نامشخص بودن خصوصیات اساسی این فناوری مشکلاتی در رابطه با استفاده بهینه و یا ارزیابی خطرات آن از لحاظ انسانی و اکولوژیکی به وجود آورده است.
در این مقاله به سه مورد اساسی که باعث سوء تفاهم در مورد این فناوری می‌شود اشاره می شود:
nZVI هایی که در تصفیه آب‌های زیرزمینی استفاده می‌شوند بسیار بزرگتر از ذراتی هستند که تأثیرات حقیقی در اندازه نانو را نشان می‌دهند.
واکنش‌پذیری بالای این ذرات عمدتاً نتیجه سطح ویژه بالای آنها است.
تحرک nZVI تقریباً در تمامی شرایط کمتر از چندمتر است. لذا استفاده از آن در تصفیه به حداقل می‌رسد.
به هر حال هنوز سئوالات زیادی در مورد این فناوری وجود دارد: مثلاً این که چگونه nZVI به سرعت جابه‌جا خواهد شد؟ این جابه‌جایی به سمت چه محصولاتی است؟ آیا این مواد در محیط زیست قابل تشخیص هستند؟ و اینکه چگونه تغییرات سطح nZVI باعث تغییر طول عمر و تأثیر آن روی تصفیه خواهد شد؟
کاربردهای نویدبخش فناوری‌نانو در محیط زیست بسیار زیاد است؛ این مطلب در ”پیشرفت محیط‌زیستی“ به عنوان یکی از هشت زمینه پیشرو فناوری‌نانو که از جانب NNI تعیین شده منعکس شده است. در حقیقت، تقریباً تمام برنامه‌های NNI (پدیده‌های بنیادی، مواد، روش‌ها، اندازه‌گیری و غیره) جنبه‌های محیطی دارند. نگرانی‌های زیست محیطی تقریباً در تمام 11 سازمان حاضر در برنامه NNI قابل مشاهده است.
بیشتر کاربردهای زیست محیطی فناوری‌نانو در سه مقوله جای می‌گیرند:
محصولات بی‌خطر برای محیط زیست یا محصولات با قابلیت تحمل بالا مثلاً شیمی سبز؛
تصفیه موادی که با ذرات خطرناک آلوده شده‌اند؛
حسگرهایی برای ذرات محیطی.
با اینکه معمولاً این سه مقوله در زمره موادشیمیایی یا مواد نانوبیولوژیکی تلقی می‌شود باید توجه کرد که این موارد می‌تواند در مورد عوامل میکروبی و مواد زیست‌محیطی نیز کاربرد داشته باشد. فناوری‌نانو‌ نقش مهمی در بهبود روش‌های کشف و پاک‌سازی عوامل زیست‌محیطی مضر دارد.
دو فناوری متعارف تصفیه که در فناوری‌ ‌نانو نیز از آنها استفاده می‌شود عبارتند از: جاذبه و واکنش درجا و غیردرجا. در فناوری‌ تصفیه جاذبه‌ای به کمک فرآیند جداسازی، آلاینده‌ها (به خصوص فلزات) را جدا می‌کنند؛ در حالی که فناوری‌ واکنشی باعث تجزیه آلاینده‌های می‌شود. گاهی اوقات تمام روش‌ها به سمت تولید محصولات کم ضررتر است مثلاً در مواردی که آلاینده‌ها آلی باشند محصولاتی مثل CO2 و H2O تولید می‌شود.
در فناوری‌‌ درجا، پاک‌سازی آلودگی در همان محل آلودگی صورت می‌گیرد در حالی که در فناوری‌ غیر درجا، عملیات پاک‌سازی پس از انتقال مواد آلوده کننده به مکان‌ مطمئن انجام می‌شود؛ به عنوان مثال آب‌های زیرزمینی آلوده به سطح زمین پمپ شده و پاک‌سازی آنها در راکتورهای واقع در سطح زمین انجام می‌شود.

فناوری‌نانو غیردرجا

یک مثال برجسته از فناوری‌نانو برای تصفیه آلاینده‌ها از طریق جذب سطحی، تک لایه‌های خودآرا روی پایه میان حفره‌ای یا SAMMS است. SAMMS از طریق خود آرایی‌ یک لایه از عوامل سطحی فعال شده بر روی پایه‌های سرامیکی میان حفره‌ای به وجود می‌آید که سبب ایجاد موادی با سطح ویژه بسیار بالا (تقریباً1000 m2/g) می‌شود. خصوصیات جذبی این مواد را به گونه‌ای می‌توان تنظیم کرد که آلاینده‌های خاص مثل جیوه، کرومات، آرسنات، پرتکنتات، و سلنیت را جذب کند.
پلیمرهای درخت‌سانی، نوع دیگری از مواد نانوساختار هستند که پتانسیل تصفیه آلاینده‌ها را دارند. نمونه‌های جدید این روش شامل اولترافیلتراسیون بهبود یافته با درخت‌سان‌ها به منظور حذف Cu+2 از آب و حذف آلاینده‌های Pb+2 از خاک است.
این دو نوع نانوساختار جاذب که در فرایندهای غیردرجا استفاده می‌شوند، می‌توانند مواد پرخطر را در غلظت بالایی در سطح خود جمع کنند.
تجزیه آلاینده‌ها به کمک فناوری نانو بر خلاف تصفیه از طریق جذب مختص آلاینده‌های آلی است. روش رایج تصفیه آلاینده‌های آلی فوتواکسیداسیون (photooxidation) به وسیله کاتالیزورهای نیمه‌رسانا (مثلTiO2 ) است. قابلیت فوتوکاتالیست‌های کوانتومی (اندازه ذره تقریباً 10 nm) مدت‌هاست که در تجزیه آلاینده‌ها شناخته شده‌ است.
به هر حال همان‌طور که در توضیح فناوری‌های جاذب گفته شد فوتواکسیداسیون به وسیله نیمه‌هادی‌های نانوساختار یک روش غیردرجا است؛ چون به نور نیاز دارد و باید در یک راکتور که برای این کار طراحی شده است؛ انجام شود.

فناوری‌نانو‌ درجا

سه روش کاربرد ذرات Fe برای تصفیه آب‌های زیرزمینی:
(a) یک سر واکنشی نفوذپذیر مرسوم که از Fe گرانولی با اندازه میلی‌متری ساخته شده است؛
(b) یک ناحیه پاک‌سازی واکنشی که به وسیله تزریق پی‌درپی نانوذرات Fe شکل گرفته است؛
(C) پاک‌سازی آلاینده‌های فاز مایع بدون آب (DNAPL) به وسیله تزریق نانوذرات متحرک.
در شکل‌های b و c نانوذرات با نقاط سیاه، و نواحی تحت تأثیر آنان با رنگ روشن معین شده‌اند.
در شکل b فرض بر این است که نانوذرات در محیط‌های متخلخل تحرک اندکی دارند؛ درحالی که در شکل C نانوذرات به منظور تحرک بیشتر تغییر و بهبود یافته‌اند.
توجه کنید که واکنش تنها زمانی رخ می‌دهد که آلاینده‌ها به صورت محلول در آب‌های زیرزمینی باشند و یا مثل DNAPL به سطوح Fe متصل باشند.
تجزیه درجای آلاینده‌ها، بر سایر روش‌ها ارجحیت دارد؛ زیرا این روش از نظر اقتصادی مقرون به صرفه‌تر است. البته تصفیه درجا مستلزم تداخل آلاینده‌ها با عملیات پاک‌سازی است و این خود مانع اصلی در توسعه و بسط این نوع فناوری‌ها است. امکان تزریق نانوذرات (واکنشی و جذبی)، در محیط‌های متخلخل آلوده‌ مثل خاک‌ها، رسوبات و محیط‌های آبی، سبب شده است تا این روش از پتانسیل بالایی برخوردار باشد. در این روش یکی از دو امکان زیر باید وجود داشته باشد:
ایجاد نواحی واکنشی درجا با نانوذراتی که تقریباً بی‌حرکت هستند؛
ایجاد توده نانوذرات واکنشی که به سمت مناطق آلوده حرکت می‌کنند؛ البته اگر این نانوذرات به اندازه کافی متحرک باشند.
در زیر بیشتر به تحرک درجای نانوذرات می‌پردازیم، زیرا تحرک درجای نانوذرات معمولاً باعث ایجاد سوء تفاهم در فهم مطلب می‌شود.
با وجود اینکه نانوذرات گوناگونی (مثل دو قطبی غیریونی، پلی‌یورتان و یا فلزات نجیبی روی پایه آلومینا) در تصفیه درجا قابل استفاده‌اند؛ اما تا به حال بیشترین توجه به نانوذرات حاوی nZVI شده است. تمایل به استفاده از nZVI برای تصفیه باعث بهبود شیمی تصفیه و یا گزینه‌های توسعه آن شده است.
این امر منجر به انتقال بسیار سریع این فناوری از مرحله آزمایشگاهی به مرحله نیمه‌صنعتی شده است. کاربردهای تجاری nZVI در تصفیه به سرعت رایج و بازارهای رقابتی شدیدی در زمینه مواد حاوی nZVI و تأمین کنندگان خدمات آن به وجود آورده است.
برخی تصورات غلط راجع به اصول اساسی فناوری تصفیه مبتنی بر nZVL کاربردهای آن در محیط زیست وجود دارد. با اینکه این مطالب بسیار به هم وابسته‌اند ولی ما می‌توانیم آنها ر ا در سه گروه تقسیم کنیم: ریخت‌شناسی ذره، واکنش‌پذیری و تحرک.
در ادامه، نکات کلیدی سه دسته بالا را توضیح می‌دهیم تا بتوانیم به یک جمع‌بندی راجع به این فناوری‌ دست یابیم و از این طریق به پیشرفت‌های زیست محیطی فناوری کمک کنیم.

ویژگی‌های نانوذرات

ریخت‌شناسی

تعریف‌های گوناگونی در مورد اندازه نانو ارائه شده است؛ اما باید به این نظریه اشاره کرد که اندازه نانو محدوده‌ای از اندازه مولکول‌ها و مواد است که ذرات در این محدوده، خواص بی‌همانند یا به طور کیفی، متفاوت با ذرات بزرگ‌تر از خود دارند.
سطح ویژه با فرض این که ذرات به صورت کرومی با ذره برآوردی از قطر زیاد دایره‌ای هندسی و چگالی 7.6 g/Cm3 هستند. (بر پایه میانگین چگالی‌های FeO و Fe3O4 خالص)
بیشتر نمونه‌هایی که این خواص را دارند، دارای اندازه‌ای در محدوده کوچک‌تر از 10 نانومتر هستند؛ زیرا در این محدوده، اندازه ذرات به اندازه آنها در شرایط مولکولی پایدار نزدیک‌تر است.
یکی از این مثال‌ها محدوده کوانتومی است که به این علت به وجود می‌آید که با کاهش اندازه ذرات، باند گپ (bandgap) افزایش یافته، باعث به وجود آمدن برخی ویژگی‌های مفید در فوتوکاتالیست‌های نیمه‌هادی می‌شود که در بخش فناوری‌های غیردرجا توضیح داده شد.
خصوصیات دیگری که در اندازه‌های زیر 10 نانومتر تغییر می‌کند سطح ویژه است .
از نظر کیفی فاکتورهای دیگری نیز وجود دارند که در تعیین این خصوصیات دخالت دارند، مثل نسبت اتم‌های سطحی به اتم‌های توده و قسمتی از حجم ذره که شامل ضخامت محدود لایه سطحی است (حجم سطحی).
آماده‌سازی nZVI برای استفاده در کاربردهای تصفیه‌ای، به طور معمول در این محدوده- بین چند ده تا چند صد نانومتر- انجام می‌شود. علاوه بر این، ذرات nZVI حتی تحت شرایط آزمایشگاهی هم تمایل دارند که به هم بپیوندند و متراکم شوند و در نتیجه مجموعه‌هایی تولید می‌شود که اندازه آنها ممکن است نزدیک چند میکرون شود. این بدان معنی است که nZVI و مواد مرتبط با آن که در کاربردهای تصفیه محیط‌زیست استفاده می‌‌شوند، خصوصیات فوق‌العاده مورد انتظار برای نانوذرات حقیقی را از خود نشان نخواهند داد و اغلب همانند کلوئید‌های محیط زیست رفتار خواهند کرد.

واکنش‌پذیری

واکنش‌پذیری زیاد نانوذرات می‌تواند نتیجه سطح ویژه بالای نانوذرات، چگالی بیشتر نواحی واکنش‌پذیر روی سطوح ذره و یا افزایش واکنش‌پذیری این نواحی بر روی سطح باشد.
این فاکتورها مجموع سه نتیجه واضح وکارا را در مورد nZVI در پی داشته است:
تجزیه آلاینده‌هایی که واکنش‌ چندانی با ذرات بزرگ‌تر نمی‌دهند. مانند پلی فنیل های کلرینه شده؛
تجزیه بسیار سریع‌تر آلاینده‌هایی که پیش از این با سرعت‌های مناسبی با ذرات بزرگ‌تر واکنش نشان می‌دادند، مانند اتیلن‌های کلرینه شده؛
دسترسی به محصولات مطلوب‌تر با تجزیه آلاینده‌هایی که به وسیله مواد بزرگ‌تر سریعاً تجزیه می‌شوند؛ اما باعث به وجود آمدن محصولات فرعی نامطلوبی مثل تتراکلریدکربن می‌شوند.
از این سه دسته تأثیرات واکنشی، دومین دسته (تجزیه سریع‌تر آلاینده‌های قابل تجزیه) بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. علت این تأثیر با اینکه یک مسئله بسیار کاربردی، بنیادی و با اهمیت است کمتر شناخته شده است.
مقایسه ثابت‌های سرعت احیایCL4 به وسیله nZVI و دو نوع Fe در اندازه‌های میلی‌متری. مناطق روی نمودار تقریباً بر مبنای 50 داده از منابع مختلف هستند.
ما برای تجزیه تتراکلرید کربن به وسیله nZVI ، نسبت ثابت سرعت‌های نرمال شده بر حسب سطح ویژه ksa را با ثابت سرعت‌های نرمال شده بر حسب جرم km مقایسه کردیم، نتایج نشان داد که ksa برای نانوذرات nZVI برابر این پارامتر در ذرات میلی‌متری nZVIاست؛ اما km آن بزرگ‌تر از ذرات میلی‌متری است. بنابراین تجزیه سریع‌تر تتراکلرید کربن به وسیله nZVI به خاطر سطح ویژه بالای آن است، نه به خاطر بیشتر بودن فراوانی نقاط واکنش‌پذیر روی سطح و یا واکنش‌پذیرتر بودن این نقاط. این نتیجه ممکن است در مورد سایر آلاینده‌هایی که با nZVI واکنش می‌دهند نیز صدق کند اما اطلاعات ما در این مورد ناکافی است.
باید توجه داشت که این تحلیل شامل ترکیبات دوفلزی nZVI با کاتالیزرهای فلزات نجیب مثل Pd، Ni و Cu نیست. این مواد دو فلزی معمولاً دارای مقادیر ksa بالایی هستند، ولی این افزایش در درجه اول نتیجه تأثیر خاصیت کاتالیستی فلزات نجیب است که در مورد ذرات بزرگ‌تر نیز مشاهده می‌شود.
اما مشکلی که هست این که افزایش واکنش‌پذیری معمولاً همراه با کاهش انتخاب‌پذیری است که موجب واکنش nZVI با مواد غیرهدف شامل اکسیژن غیرمحلول و آب‌ و در نتیجه پایین آمدن راندمان تصفیه با nZVI می‌شود.
منجر به پیدایش نیاز به تزریق ذرات به سیستم و درنتیجه بالا رفتن هزینه عملیات خواهد شد.
با محدود کردن مواد ناخواسته (مواد غیرهدف شامل اکسیژن و آب) به وسیله گیرنده‌های ارزان‌تر می‌توان طول عمر کوتاه nZVI را مفیدتر کرد؛ البته اگر ذرات تحرک قابل ملاحظه‌ای از خود نشان دهند.

تحرک

نانوذرات در محیط‌های متخلخل تحرک زیادی خواهند داشت، زیرا اندازه آنها از اندازه سوراخ‌های محیط‌های متخلخل بسیار کوچک‌تر است اما اینکه ما فرض کنیم علت تحرک نانوذرت تنها این مطلب است بسیار ساده انگاری است. معمولاً تحرک نانوذرات را در محیط‌های متخلخل اشباع، دو فاکتور تعیین می‌کند: تعداد برخوردهای نانوذرات با محیط متخلخل به ازای واحد جابه‌جایی؛ و ضریب چسبندگی (احتمال اینکه هر برخورد، منجر به حذف ذره از جریان شود). برخورد ممکن است در نتیجه سه عامل رخ دهد: حرکت براونی، بازدارنده‌ها (عواملی که مانعی از حرکت نانوذره می‌شوند) و رسوب‌گذاری گرانشی.
شکل 4- فاصله جابه‌جایی که در آن،‌ بیش از 99 درصد نانوذرات حذف می‌شوند در ضرایب چسبندگی شرایطی سطحی به شکل زیر است:
تخلخل = 36.0 ، سرعت=1.0 m/day،
اندازه ذرات خاک=3.0 میلی‌متر،
چگالی نانوذرات=7.6 g/Cm3
نانوذرات در محیط‌های متخلخل اغلب حرکت براونی دارند. برای ذرات بزرگتر از 400 نانومتر با چگالی بالا‌ (مثلاً 7.68 g/cm2 برای ذرات آهن خالص) تأثیر جاذبه می‌تواند بسیار مهم باشد. با استفاده از روش بازده single-Collector که به وسیله Tufenkji و Elimelech ارائه شده و تئوری فیلتراسیون deep-bed، این امکان وجود دارد که بتوان فاصله جابه‌جایی را که در آن، 99 درصد حذف نانوذرات به عنوان تابعی از خواص سطحی و ضریب چسبندگی صورت می‌گیرد، محاسبه کرد.
نشان می‌دهد که محدوده فاصله جابه‌جایی در شرایط سطحی متعارف، از چند میلی‌متر تا چند ده متر متناسب با ضریب چسبندگی است.
ضریب چسبندگی گزارش شده برای nZVI معمولی در انواع محیط‌های متخلخل، بین 0.14 تا یک است؛ این به معنی فاصله جابه‌جایی چند سانتی‌متر در محیط‌های متخلخل در شرایط آب‌های زیرزمینی است . این امر موجب ایجاد علاقه قابل ملاحظه‌ای برای تغییر سطح نانوذرات در جهت افزایش فاصله جابه‌جایی شده است.
بدین ترتیب ضرایب چسبندگی کوچک‌تری برای این گونه نانوذرات و سایر نانوذرات گزارش شده است (0.001 برای نانوذرات Fe که سطح آنها بهبود یافته است و 0.0001 برای نانوذراتی که پایه کربنی دارند). اما حتی این ضرایب چسبندگی کوچک هم به طور قطعی باعث تحرک بیشتر (بیش از چندمتر) نانوذرات در آب‌های زیرزمینی نمی‌شود، به جز در آب‌های زیرزمینی با سرعت حرکت خیلی زیاد.

خطرات

مباحث فوق در مورد ریخت‌شناسی، واکنش‌پذیری و تحرک نانوذرات در زمینه تصفیه ‌محیط زیست نشان می‌دهد که دانش ما در مورد فرآیندهای پایه در این فناوری هنوز ناکافی است. به علاوه، خطرات احتمالی این فناوری برای سلامت انسان و محیط‌زیست، انجام این روش در مقیاس انبوه را با مشکل مواجه کرده است. مخصوصاً با توجه به کاربردهای درجای nZVI (یا مواد وابسته) برای تصفیه محیط‌های متخلخل، هنوز تحقیقات مستقیم و قابل ملاحظه‌ای که خطرات آن را مورد توجه قرار دهد انجام نشده است. برخی گروه‌ها حالت احتیاطی (پیشگرانه) را پذیرفته‌اند و کاربردهای درجای نانوذرات برای تصفیه را ممنوع کرده‌اند در حالی که برخی گروه‌ها آن را توصیه کرده‌اند. در واقع تحقیقات در این زمینه باید به طور موازی صورت گیرد.
این معما که چگونه می‌توان از نانوذرات برای تصفیه استفاده کرد باید به زودی و با استفاده از نتایج تحقیقات در حال انجام، قابل حل و دسترسی باشد. مهم‌ترین این خطرات استنشاق ذرات‌ریزی است که از طریق هوا جابه‌جا می‌شوند.
به هر حال هم‌اکنون ما می‌توانیم نتیجه بگیریم با اینکه nZVI و مواد مرتبط با آن، در کاربردهای تصفیه‌ای درجا استفاده می‌شوند، از مواد ویژه‌ای که در دسترس ما هستند کوچک‌تر، واکنش‌پذیرتر، مقاوم‌تر و متحرک‌تر بوده و در عین حال احتمال خطرزایی برای انسان و محیط زیست را دارا هستند.
منبع:irannano.org

نانو الیاف‌‌ها، باریک ‌تراز تار عنکبوت

نانو الیاف‌‌ها، باریک ‌تراز تار عنکبوت

الیاف دارای قطر کمتر از 500 نانومتر را «نانو الیاف» گویند. نانو الیاف‌ها دارای استحکام بیشتر نسبت به دیگر الیاف مشابه و بزرگ هستند. این مواد می‌توانند انقلاب بزرگی را در فن‌آوری به وجود آورند. هرچند که این الیاف دارای قطری در حد نانو هستند، اما ممکن است طول آنها به چندین کیلومتر برسد.
نانو الیاف‌ها در زمینه‌های گوناگون از جمله تولید لباس‌های محافظ و ضد لک، تولید آینه‌های قابل استفاده در فضا، فیلتراسیون‌ هوا و بسیاری از موارد دیگر کاربرد دارند. نانو الیاف‌ها نسبت به عبور هرچیزی غیر از مولکول‌های بسیار ریز مقاوم هستند. به همین دلیل می‌توان از آنها در تولیدپوشاک مقاوم در برابر مواد شیمیایی استفاده کرد. با روکش کردن الیاف بافتنی معمولی با نانو الیاف‌ها می‌توان آنها را نسبت به هرگونه لک اعم از چربی، آب، روغن و غیره مقاوم کرد.
نانو الیاف‌ها بر حسب نوع ساختار و مواد به کار رفته در آنها به 3 دسته مهم تقسیم می‌شوند: نانوالیاف کربنی، نانو الیاف پلیمری و نانو الیاف معدنی. هر کدام از اینها کاربردهاوویژگی‌های خاصی دارند. با این حال، نانو الیاف‌های دیگری نیز تولید می‌شوند که ممکن است یکی از انواع نانوالیاف‌های ذکر شده باشد.
در حالی حاضر، روش‌های فراوانی در تولید الیاف نانو متری ارائه شده است. برای ساخت هرکدام از انواع نانوالیاف‌ها روش‌های گوناگونی به کار گرفته می‌شود. نانوالیاف‌ها مانند نانویسم‌ها از انواع ساختارهای تک بعدی هستند.

نانوالیاف پلیمری

حدود 60 درصد از نانوالیاف‌های پلیمری با روش الکترو ریسندگی ساخته می شوند. ریسندگی الکتریکی یا الکتروریسی (electro spinning) روشی برای تولید نانوالیاف پلیمری است.
این روش ساده بازده بالایی دارد. در این روش، مواد پلیمری سیال به صورت مذاب، یا محلول پلیمری را به کمک نیروهای الکتروستاتیک و نیز باردار کردن محلول یا مذاب پلیمری تحت کشش قرار می‌دهند.
همان طور که اشاره شد، در این روش هم از مذاب و هم از محلول پلیمری می‌توان استفاده کرد. پلی استیرن از پلیمرهایی است که در این روش ریسیده می‌شود که قطر آنها تنها در حد چند نانومتر است.
قطر این الیاف به پارامترهای مختلفی مانند غلظت پلیمر وولتاژالکتریکی اعمال شده بستگی دارد وهرچه الیاف تولیدی ظریف‌تر باشند دارای ویژگی‌های مطلوب‌تری نیز هستند. یکی از مشکلات موجود در روش الکتروریسندگی نبود یکنواختی در میزان کشیدگی الیاف است که با کنترل پارامترهای تاثیرگذار می‌توان این مشکلات را برطرف کرد.
همچنین در روش الکتروریسندگی می‌توان مواد دیگر مانند نانو ذرات یا نانو لوله‌ها را برای بهبود خواص نانوالیاف، درون نانوالیاف‌ها جای داد. نانوالیاف‌های پلیمری به دلیل کاربردهای فراوان و داشتن ویژگی‌های مکانیکی، الکترویکی و بیولوژیکی بهبود یافته از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند.
این نوع مواد در ساخت فیلترهای غشایی، لباس‌های محافظ، تجهیزات الکترونیکی و نوری و نیز در زمینه‌های بیوپزشکی و کامپوزیت‌های تقویت شده کاربرد دارند. یکی از مهمترین کاربردهای نانوالیاف‌ پلیمری در صنایع هوایی است که از آنها در فیلتراسیون هوا استفاده می‌کنند. به این طریق که نانوالیاف پلی استیرن را با الیاف شیشه‌ای مخلوط می‌کنند تا نانووب‌هایی
(Nano web) تولید شود که بتوانند عمل فیلتراسیون را در فیلترهای هوا انجام دهند.
همچنین می‌توان از این مواد در فیلتراسیون‌های آبی نیز استفاده کرد. نانوالیاف‌های پلیمری در فیلتراسیون ویروس‌ها، باکتری‌ها، غبارها و ذرات معلق درمنابع آبی یا هوایی بسیار کاربرد باارزشی دارند.
مکانیزم فیلتراسیون الیاف نانو با الیاف معمولی کاملاً متفاوت است. از دیگر مصارف نانوالیاف‌های پلیمری می‌توان به استفاده از آنها به عنوان محیط داروسازی و مصرف حسگر و نانو الکترونیک‌ها اشاره کرد.
نانوالیاف‌های پلیمری از نظر ساختار و ترکیب بندی قابلیت و کاربرد زیادی در صنایع نظامی دارند. ساخت لباس‌های ضد گلوله، پتوهای ضد انفجار و پوشش‌های الکترومغناطیسی نمونه‌هایی از کابردهای این مواد در ارتش است.
سربازانی که لباس‌های ساخته شده از نانو الیاف‌های پلیمری بر تن دارند می‌توانند در زمینه شناسایی و خنثی سازی بمب به کار گرفته شوند. ساخت لباس‌های ضد گلوله، کاهش وزن محموله‌ای که سربازان حمل می‌کنند، بررسی سلامت نظامیان به وسیله لباسی که بر تن دارند، ارتقای توانایی و عکس‌العمل نظامیان، قابل تحمل کردن جراحت‌های عملیات و درمان آنها، افزایش توانایی ارتباطات سربازان با جیپ های نانوالکتریکی، محافظت سربازان در برابر سلاح‌های بیولوژیک و شیمیایی، از کاربردهای نانوالیاف پلیمری در هوشمند سازی سیستم‌ها و تجهیزات نظامی و دفاعی است.

نانوالیاف‌های کربنی

از نانوالیاف‌های کربنی به عنوان تقویت‌کننده‌های فاز در نانو کامپوزیت‌ها استفاده می‌کنند ومعمولاً براساس همان روش‌هایی که در تولید نانو لوله‌های کربنی به کار می‌روند، تولید می‌شوند، ولی برخی از این روش‌ها مانند روش CVD نانوالیاف‌های کربنی بیشتری تولید می‌کنند. نانوالیاف کربنی شامل نانو لوله‌های کربنی و رشته‌های کربنی است. رشته‌های کربنی مانند نانولوله‌‌ها فاقد ساختار سیلندری و توخالی هستند.
کامپوزیست‌های (مواد ترکیبی) حاوی نانوالیاف‌کربنی کاربردهای زیادی در صنایع نظامی و هوافضا دارند. یکی دیگر از کاربردهای باارزشی که نانوالیاف‌های کربنی می‌توانند داشته باشند، استفاده از آنها به عنوان ماده ضدآتش است.
پژوهشگران موسسه استاندارد و فنآوری (NIST) آمریکا دریافته‌اند که اضافه نمودن مقادیر اندکی از نانوالیاف کربنی به فوم‌های پلی اورتان که در برخی مبلمان‌ها، تشک‌ها در اماکن عمومی مانند هتل‌ها و دفاتر کار مورد استفاده قرار می‌گیرند، می‌تواند آتش‌گیری را نسبت به فوم‌هایی که در آنها از تاخیر اندازهای معمولی آتش استفاده می‌کنند تا 35 درصد کاهش دهد.
نانوالیاف کربنی از چکیدن فوم تحت حرارت جلوگیری نموده واز سرعت آتش‌سوزی می‌کاهد، چرا که مطالعات صورت گرفته نشان می‌دهد که نانولوله‌های کربنی یک شبکه پایدار حرارتی ایجاد می‌کنند و در نتیجه از چکیدن فوم در هنگام حرارت‌های شدید جلوگیری می‌نماید.
در حال حاضر، قیمت نانولوله‌های کربنی بسیار بیشتر از افزودنی‌های ضد آتش رایج است، اما به خاطر سیر کاهشی قیمت آن و اینکه مقدار اندکی از این مواد در تولید ماده ضد آتش نیاز است به عنوان موادی تجاری و مقرون به صرفه مورد استفاده قرار می‌گیرند.

نانوالیاف معدنی

این نوع الیاف در مقیاس نانو در فرآیند سل ـ ژل (تشکیل ژل بی‌شکل از یک محلول) و حرارت دهی تولید می‌شوند.
هنگامی که سل در یک قالب ریخته شود، ژلی مرطوب شکل می‌گیرد که پس از خشک شدن به صورت ذرات سرامیکی متراکم می‌شود که به هم متصل هستند و به این ترتیب فیلتری به دست می‌آید که دارای منافذی در مقیاس نانو است. از این الیاف می‌توان به عنوان ماده ضد ویروس استفاده کرد.
نانوالیاف‌های معدنی به ویژه آلومینا به دلیل داشتن خاصیت الکتروستاتیک، ویروس‌ها و ذرات را به خود می‌چسبانند و برای دفع آلودگی بسیار مفید هستند. برتری این فیلترها این است که برخلاف فیلترهایی که به روش غربال کردن، عمل فیلتراسیون را انجام می‌دهند، با انسداد منافذ روبه‌رو نخواهند شد.
منبع: روزنامه اطلاعات

فناوری نانو

فناوری نانو

پزشکی و بدن انسان:
رفتار مولکولی در مقیاس نانومتر، سیستم‌های زنده را اداره می‌کند. یعنی مقیاسی که شیمی]، فیزیک، زیست‌شناسی و شبیه‌سازی کامپیوتری، همگی به آن سمت درحال گرایش هستند.
* فراتر از سهل‌شدن استفاده بهینه از دارو، نانوتکنولوژی می‌تواند فرمولاسیون و مسیرهایی برای رهایش دارو(Drug Delivery) تهیه کند، که به‌نحو حیرت‌انگیزی توان درمانی داروها را افزایش می‌دهد.
* مواد زیست‌سازگار با کارآیی بالا، از توانایی بشر در کنترل نانوساختارها حاصل خواهدشد. نانومواد سنتزی معدنی و آلی را مثل اجزای فعّال، می‌توان برای اعمال نقش تشخیصی(مثل ذرات کوانتومی که برای مریی‌سازی بکار می‌رود) درون سلو‌ل‌ها وارد نمود.
* افزایش توان محاسباتی به‌وسیله نانوتکنولوژی، ترسیم وضعیت شبکه‌های ماکرومولکولی را در محیط‌های واقعی ممکن می‌سازد. اینگونه شبیه‌سازی‌ها برای بهبود قطعات کاشته‌شده زیست‌سازگار در بدن و جهت فرآیند کشف دارو، الزامی خواهدبود.

دوام‌پذیری منابع: کشاورزی، آب، انرژی، مواد و محیط زیست پاک:

نانوتکنولوژی منجر به تغییراتی شگرف در استفاده از منابع طبیعی، انرژی و آب خواهد شد و پساب و آلودگی را کاهش خواهدداد. همچنین فنّاوری‌های جدید، امکان بازیافت و استفاده مجدد از مواد، انرژی و آب را فراهم خواهند کرد. در زمینه محیط زیست، علوم و مهندسی نانو، می‌تواند تأثیر قابل ملاحظه‌ای در درک مولکولی فرآیندهای مقیاس نانو که در طبیعت رخ می‌دهد؛ در ایجاد و درمان مسایل زیست‌محیطی از طریق کنترل انتشار آلاینده‌ها؛ در توسعه فنّاوری‌های “سبز” جدید که محصولات جانبی ناخواسته کمتری دارند و یا در جریانات و مناطق حاوی فاضلاب، داشته‌باشد. لازم به ذکراست، نانوتکنولوژی توان حذف آلودگی‌های کوچک از منابع آبی (کمتر از ۲۰۰ نانومتر) و هوا (زیر ۲۰ نانومتر) و اندازه‌گیری و تخفیف مداوم آلودگی در مناطق بزرگ‌تر را دارد.
در زمینه انرژی، نانوتکنولوژی می‌تواند به‌طور قابل ملاحظه‌ای کارآیی، ذخیره‌سازی و تولید انرژی را تحت تأثیر قرار داده مصرف انرژی را پایین بیاورد. به عنوان مثال، شرکت‌های مواد شیمیایی، مواد پلیمری تقویت‌شده با نانوذرات را ساخته‌اند که می‌تواند جایگزین اجزای فلزی بدنه اتومبیل‌ها شود. استفاده گسترده از این نانوکامپوزیت‌ها می‌تواند سالیانه ۵٬۱ میلیارد لیتر صرفه‌جویی مصرف بنزین به ‌همراه داشته‌باشد.
همچنین انتظار می‌رود تغییرات عمده‌ای در فنّاوری روشنایی در ۱۰ سال آینده رخ دهد. می‌توان نیمه‌هادی‌های مورد استفاده در دیودهای نورانی(LED ها) را به مقدار زیاد در ابعاد نانو تولید کرد. در امریکا، تقریبا” ۲۰% کل برق تولیدی، صرف روشنایی(چه لامپ‌های التهابی معمولی و چه فلویورسنت) می‌شود. مطابق پیش‌بینی‌ها در ۱۰ تا ۱۵ سال آینده، پیشرفت‌هایی از این دست می‌تواند مصرف جهانی را بیش از ۱۰% کاهش دهد که ۱۰۰ میلیارد دلار در سال صرفه‌جویی و ۲۰۰ میلیون تن کاهش انتشار کربن را به‌همراه خواهدداشت.

هوا و فضا:

محدودیت‌های شدید سوخت برای حمل بار به مدار زمین و ماورای آن، و علاقه به فرستادن فضاپیما برای مأموریت‌های طولانی به مناطق دور از خورشید، کاهش مداوم اندازه، وزن و توان مصرفی را اجتناب‌ناپذیر می‌سازد. مواد و ابزارآلات نانوساختاری، امید حل این مشکل را بوجود آورده‌است.
“نانوساختن”(Nanofabrication) همچنین در طرّاحی و ساخت مواد سبک‌وزن، پرقدرت و مقاوم در برابر حرارت، موردنیاز برای هواپیماها، راکت‌ها، ایستگاههای فضایی و سکّوهای اکتشافی سیّاره‌ای یا خورشیدی، تعیین‌کننده است. همچنین استفاده روزافزون از سیستم‌های کوچک‌شده تمام خودکار، منجر به پیشرفت‌های شگرفی در فنّاوری ساخت و تولید خواهدشد. این مسأله با توجه به اینکه محیط فضا، نیروی جاذبه کم و خلأ بالا دارد، موجب توسعه نانوساختارها و سیستم‌های نانو –که ساخت آنها در زمین ممکن نیست- در فضا خواهدشد.

امنیت ملّی:

برخی کاربردهای دفاعی نانوتکنولوژی عبارت‌اند از: تسلط اطّلاعاتی از طریق نانوالکترونیک پیشرفته به‌عنوان یک قابلیت مهم نظامی، امکان آموزش مؤثّرتر نیرو، به کمک سیستم‌های واقعیت مجازی پیچیده‌تر حاصله از الکترونیک نانوساختاری، استفاده بیشتر از اتوماسیون و رباتیک پیشرفته برای جبران کاهش نیروی انسانی نظامی، کاهش خطر برای سربازان و بهبود کارآیی خودروهای نظامی، دستیابی به کارآیی بالاتر(وزن کمتر و قدرت بیشتر) موردنیاز در صحنه‌های نظامی و در عین‌حال تعداد دفعات نقص فنّی کمتر و هزینه کمتر در عمر کاری تجهیزات نظامی، پیشرفت در امر شناسایی و در نتیجه مراقبت عوامل شیمیایی، زیستی و هسته‌ای، بهبود طرّاحی در سیستم‌های مورد استفاده در کنترل و مدیریت عدم تکثیر سلاح‌های هسته‌ای، تلفیق ابزارهای نانو و میکرومکانیکی جهت کنترل سیستم‌های دفاع هسته‌ای. در بسیاری موارد، فرصت‌های اقتصادی و نظامی مکمّل هم هستند. کاربردهای دراز مدت نانوتکنولوژی در زمینه‌های دیگر، پشتیبانی کننده امنیت ملّی است و بالعکس.

کاربرد نانوتکنولوژی در صنعت الکترونیک

ذخیره‌سازی اطلاعات در مقیاس فوق‌‌العاده کوچک: با استفاده از این فناوری می‌توان ظرفیت ذخیره‌سازی اطلاعات را در حد ۱۰۰۰ برابر یا بیشتر افزایش داد و نهایتاً به ساخت ابزارهای ابرمحاسباتی به کوچکی یک ساعت مچی منتهی شود. ظرفیت نهایی ذخیره اطلاعات به حدود یک ترابیت در هر اینچ مربع برسد، و این امر موجب ذخیره‌ سازی ۵۰ عدد DVD یا بیشتر در یک هارد دیسک با ابعاد یک کارت اعتباری می‌شود. ساخت تراشه‌ها در اندازه¬های فوق¬العاده کوچک به‌عنوان مثال در اندازه¬های ۳۲ تا ۹۰ نانومتر، تولید دیسک‌های نوری ۱۰۰ گیگابایتی در اندازه‌¬های کوچک نیز می¬باشد.

شکل‌گیری بازارهای بسیار بزرگ

شواهد موجود نشان می‌دهد که درصد بالایی از بازارهای محصولات مختلف متکی بر نانوتکنولوژی خواهد بود و به همین دلیل دولت‌ها و شرکت‌های بزرگ و کوچک به دنبال کسب جایگاهی برای خود در این بازارها هستند. میهیل روکو، رییس کمیته علوم و فناوری نانو در ریاست‌جمهوری آمریکا طی مقاله‌ای در ماه می‌‌سال ۲۰۰۱، پتانسیل نانوتکنولوژی برای تغییر چشمگیر در اقتصاد جهانی را یادآوری نموده است. بر مبنای پیش‌بینی وی و بخش دیگری از صاحب‌نظران در ده الی ۱۵ سال آینده نانوتکنولوژی بازار نیمه‌هادی را به طور کامل تحت تأثیر قرار خواهد داد. خبرهایی نیز که اخیراً از شرکتهای اصلی سازنده پردازنده‌های کامپیوتر در آمریکا و ژاپن منتشر شده است، از ورود پردازنده‌های حاوی یک میلیارد نانوترانزیستور تا قبل از ۱۰ سال آینده حکایت دارد. به عنوان مثال شرکت اینتل اعلام نموده است که در سال ۲۰۰۷ پردازنده‌های متکی بر نانوترانزیستور را با قدرت و سرعت بسیار بیشتر و مصرف کمتر نسبت به آخرین دستاوردهای امروزی نیمه‌هادی‌ها وارد بازار خواهد کرد.
در بخش دارو نیز پیش‌بینی شده است تا ۱۰ الی ۱۵ سال آینده نیمی از این صنعت متکی بر نانوتکنولوژی خواهد بود که خود نیاز به وسایل تزریق جدید و آموزشهای پزشکی روزآمد خواهد داشت یا در مورد موادشیمیایی، فقط ذکر بازار ۱۰۰ میلیارد دلاری کاتالیست‌ها که تا ۱۰ سال آینده به طور کامل متکی بر کاتالیست‌های نانوساختاری خواهد بود، برای نشان دادن اهمیت بحث کافی است. از هم‌اکنون بازار بزرگی برای بکارگیری مواد جدید در محصولات فعلی در حال شکل‌گیری است. موادی که می‌توانند خواص جدید و فوق‌العاده‌ای به محصولات موجود بخشیده و موجب کاهش قیمت آنها شوند. به عنوان نمونه نانولوله‌های کربنی(Carbon NanoTubes) با وزن بسیار کمتر و استحکام بسیار بیشتر نسبت به موادی چون فولاد، بخش زیادی از صنایع را در آینده تحت تأثیر قرار خواهد داد.
در کنار این پیش‌بینی‌ها، این سؤال باید مطرح شود که جایگاه کشورهایی که به نانوتکنولوژی دسترسی ندارند، در بازارهای آینده و اقتصاد جهانی چه خواهد بود. با توجه به اینکه سهم هر کشور یا بنگاه در زمان شکل‌گیری یک بازار تثبیت می‌شود، زمان سرمایه‌گذاری برای رسیدن به جایگاه مناسب، همین امروز است.

شاخه‌های اصلی

در دسته‌بندی علوم نانویی، همچنان مسایل حل نشدهٔ زیادی وجود دارد. اما شاخه‌هایی که در زیر آورده شده‌اند، اساس نانو تکنولوژی را تشکیل می‌دهند:
* نانو روکش‌ها
* نانو مواد
* نانو پودرها
* نانو لوله‌ها(نانو تیوب‌ها)
* نانو کامپوزیت‌ها
* مهندسی مولکولی
* موتورهای مولکولی(نانو ماشین‌ها)
* نانو الکترونیک
* نانو سنسورها
* نانو ترانزیستورها
زمینه‌های کاربرد
علم مواد، شیمی و علوم مهندسی
منبع:http://www.academist.ir

دنیای نانو، دنیای کوچولوها!

دنیای نانو، دنیای کوچولوها!

ایده اصلی نانوتکنولوژی متعلق به ریچارد فاینمن فیزیکدان معروف آمریکایی معاصر است. وقتی که وی برای اولین بار گفت که می‌توان تمام اطلاعات موجود در تمام کتابهای یک کتابخانه بزرگ را سر یک سوزن جای داد؛ بعضی‌ها خیلی حرف فاینمن را جدی نگرفتند. اما رفته رفته مردم منظور آن را فهمیدند! به طوریکه نانوتکنولوژی امروز حتی یکی از بزرگترین دغدغه های دولتهای جهان نیز هست.
حالا می‌خواهیم حساب کنیم که اطلاعات کل کتابهای یک کتابخانه چقدر جا می‌گیرد.
بعضی از شما با سیستمهای ذخیره اطلاعات دودویی یا باینری آشنا هستید. در این سیستم تنها با صفر و یک کار داریم و هر چیزی را طبق قراردادی به مجموعه ای از این صفر و یک‌ها تبدیل می‌کنیم. مثلاً قرار می‌گذاریم به جای حرف A عبارت 0100 را قرار دهیم یا مثلاً به جای حرف B عبارت 1001 و الی آخر ... هر خانه فقط می‌تواند صفر یا یک باشد. اگر یک رشته 4 خانه ای داشته باشیم به اندازه 2*2*2*2 حالت داریم پس می‌توان 2*2*2*2 حرف یعنی 16 حرف را کد کرد.
تقریباً تعداد حروف انگلیسی 28 تا و با تعدادی علامت و کاراکترهای دیگر می‌توانیم با 8 خانه یعنی 32 حالت تمامی حروف استفاده شده در نوشته‌ها را کد کنیم. پس به جای هر یک حرف احتیاج به فضایی برای ذخیره 8 خانه که از صفر و یک تشکیل شده باشد، نیاز داریم.
اما نکته بسیار مهم همین است که ما چه چیزهایی نیاز داریم که تنها ویژگی آنها این باشد که 2 حالت داشته باشند نه به یک چیز پیچیده تر؛ که دستمان را خیلی باز می‌گذارد.
مثلا یک چراغ، روشن باشد یا خاموش ... یک دست ... یک دست چپ باشد یا راست... از هر چیزی برای ذخیره سازی می‌توان استفاده کرد. کوچکترین چیزی که می‌شناسید چیست؟ درست است اتم! کافی است اتم هایی داشته باشیم که دو حالت داشته باشند ... بعضی از شما می‌دانید که بعضی از اتمها ویژگی خاصی دارند به اسم " اسپین " که می‌تواند 2 حالت یا چند حالت داشته باشد اما دم دست ترین اتمها اتفاقاً اسپین 2 حالته دارند. اسپین بالا (up) و اسپین پایین (down) که به ترتیب با جهتهای مخصوصشان نشان داده می‌شوند. پس ما برای کد کردن یک حرف از الفبا به 8 تا اتم و تنها 8 اتم احتیاج داریم. حالا خیلی سریع حساب می‌کنیم:
تعداد کتابهای یک کتابخانه بزرگ تقریباً 100 هزار تاست. هر کتاب تقریباً 500 صفحه دارد هر صفحه تقریباً 20 سطر و هر سطر تقریباً 20 تا 30 کلمه و هر کلمه 4 تا پنج حرف دارد ... یک حساب سرانگشتی به ما می‌گوید تعداد کل حروف یک کتابخانه بزرگ برابر است با:
1010*15=5*30*20*500*100000
یعنی ما برای کد کردن این اطلاعات در سیستم دودویی یا صفر و یکی به 1010*15 اتم احتیاج داریم. یعنی ده هزار میلیون ضرب در پانزده! شاید به نظر خیلی زیاد باشد اما واقعاً این تعداد کم است. می‌دانید حجم این همه اتم چقدر است؟ راحت می‌شود حساب کرد.
عدد آدو گادرو چقدر بود؟ یادتان هست؟ تقریبا 1023 تا یعنی هر مول از یک اتم تقریباً 1023 تا اتم دارد اما هر مول می‌دانیم به اندازه جرم اتمی آن ماده جرم دارد یعنی مثلاً برای کربن هر 1023 تا اتم کربن حدود 6 گرم جرم دارد. ( جرم اتمی کربن برابر 6 هست. ) حجم 6 گرم ماده هم که راحت می‌شود حساب کرد. مثلاً اگر ماده آب باشد، هر 6 گرمش تقریباً 6 سانتی متر مربع حجم دارد برای بقیه مواد هم تقریباً همینطور است ... یادتان باشد این یک حساب سرانگشتی و تقریبی هست. خوب پس هر 1023 تا اتم تقریباً 6،7 سانتی متر مکعب حجم اشغال می‌کنند. حالا شما بگو اصلاً 10 سانتی متر مکعب. خوب ما چند تا اتم می‌خواستیم؟ 1010*15 تا اتم ... یعنی اتمهایی که حجمشان می‌شود:
(15*1010/1023)*10cm3=10-11cm3
یا حدود 8-10 میلی متر مکعب. یعنی فضایی با ابعاد تقریبی
3-10*3-10*2-10 میلی متر یعنی مثلاً یک مکعب که دو ضلع آن یک هزارم میلی متر و ضلع سوم یک صدم میلی متر باشد!
خیلی حجم کمی است. نه! اما شک نکنید. یک کتابخانه بزرگ تنها هیمن قدر اطلاعات در بر دارد. یک مکعب کوچولوی کوچولو...
منبع: بانک مقالات فارسی

نانوتکنولوژی چیست ؟

نانوتکنولوژی چیست ؟
تعریف نانوتکنولوژی :

واژه ی نانوتکنولوژی ( Nanotechnology) در سال های اخیر به صورت مکرر در رسانه ها گفته شده است . منابع خبری اعلام می کنند که نانوتکنولوژی انقلاب علمی آینده است . نانوتکنولوژی وعده هایی از جمله : کامپیوترهای سریع تر ، درمان سرطان ها و حل بحران انرژی را به ما می دهند ؛ اما نانوتکنولوژی دقیقاً به چه معناست ؟ و آیا این تکنولوژی توان برآورده کردن این وعده ها را دارد ؟
تعریف رسمی نانوتکنولوژی که به وسیله ی ( National Nanotechnology Initiative NNI ) ارائه شده است به شرح زیر است :
نانوتکنولوژی فهم و کنترل مواد در ابعاد بین 1 تا 100 نانومتر است . که در ابعاد 1 ـ 100 نانومتر ، پدیده های منحصر به فرد ، انسان را قادر می سازند تا کاربردهای جدیدی ابداع کند . نانوتکنولوژی شامل علم در ابعاد نانو ، مهندسی و تکنولوژی می شود .
نانوتکنولوژی با عکسبرداری ، اندازه گیری ، مدل سازی و دستکاری مواد در این طول ابعاد ( 1 تا 100 نانومتر ) درگیر است .
تعریف NNI را می توان به سه بخش اساسی تقسیم کرد :
1 ـ نانوتکنولوژی بسیار بسیار کوچک است .
هنگامی که چیزی در ابعاد نانو باشد ؛ ابعاد آن حداقل در یک بعد در حد 1 تا 100 نانومتر است . بنابراین به علت آن این مواد بسیار بسیار کوچک هستند با چشم دیده نمی شوند . حتی با میکروسکوپ های نوری خاص نیز دیده نمی شوند . دانشمندان برای دیدن این مواد مجبور به استفاده از وسایلی از جمله میکروسکوپ های پروبی روبشی ( SPM ) هستند . بعضی از مواد همواره در ابعاد نانو هستند . مثلاً مولکولهای آب و یا اتم های سیلسیم ( Silicon) .
به هر حال ، اخیراً دانشمندان توانسته اند از ابزارهای جدید استفاده کنند و با پروسه هایی به تولید و دستکاری عموم مواد بپردازند و در این پروسه از ابعاد بزرگ به این ابعاد ( نانو ) برسند . مثلاً تولید نانو ذرات Tio2 ( تیتانیم اکسید ) .
2 ـ در ابعاد نانو ، مواد از خود رفتارهای متفاوتی نشان می دهند .
در ابعاد نانو ، بسیاری از مواد معمولی از خود خواص غیر عادی ارائه می دهند به عنوان مثال مقاومت الکتریکی فوق العاده پایین ، نقطه ذوب پایین تر و یا واکنش شیمیایی سریع تر برای مثال ، در ابعاد ماکرو ، طلا ( Au) درخشنده و زردرنگ است در حالی که زمانی که ابعاد آن به 24 نانومتر ( nm) برسد به رنگ قرمز در می آید . ( شکل 1 ) . طلا با اندازه ی ذرات ریزتر با نور واکنش متفاوت تری دارد ، بنابراین ذرات طلا رنگ های مختلفی را با توجه به عواملی آشکار می کند . این عوامل اندازه ی نانو ذرات طلا و همچنین شکل این ذرات است . که با توجه به آنها رنگ نانو ذرات طلا، قرمز ، زرد و یا آبی می باشد .
مثال دیگر از نانوذرات که به نظر می رسد مطابقتی با ابعاد ماکروسکوپیک خود ندارند موادی است که در کرم های ضد آفتاب کاربرد دارد. اکسید تیتانیم ( Tio2) برای کرم های ضد آفتاب و موانع نور خورشید مورد استفاده قرار می گیرد . این مواد یکی از اجزایی است که باعث می شود رنگ کرم سفید به نظر برسد . تولیدکنندگان اکنون از نانوذرات برای تولید کرم ها و ژل های شفاف استفاده می کنند که علت آن شفافیت و بی رنگی نانوذرات Tio2 است .

خواص دیگر مواد نیز هنگامی که در ابعاد نانو هستند تغییر می کند . برای مثال آلومینیوم ( AL) فلزی نرم و درخشان است که برای تولید قوطی های لیموناد مورد استفاده قرار می گیرد . در ابعاد نانو ، آلومینیوم بسیار واکنش پذیر و قابلیت انفجار دارد . نانوذرات بسیار واکنش پذیرند زیرا وسعت سطح آنها از حالت ماکروسکوپیک بیشتر است.
3 ) محقیقن می خواهند این رفتارهای متفاوت و غیر عادی مواد در ابعاد نانو را برای ایجاد تکنولوژی جدید تحت کنترل قرار دهند .
با تحت کنترل قرار دادن این رفتارهای جدید ، محقیقن در رشته های مختلف آرزوی ساخت وسایل جدید از تولیدات روزانه مثل جوراب های آنتی باکتریال و راکت های تنیس سبکتر گرفته تا سلولهای خورشیدی و کامپیوترهای سریع تر و کوچکتر یا درمان های دارویی گزینشی را دارند .
بسیاری از دانشمندان فکر می کنند که احتمال تحقق این آرزوها بالا باشد .

آیا ipod Nano نمونه ای از نانوتکنولوژی است ؟

تولیدات توسعه یافته با فناوری نانو هم اکنون در اکثر مراکز فروش یافت می شوند . ولی در هیچ یک از این تولیدات ، اتیکت « نانو » که مشخص کننده ی بهره گیری تولید کننده از فناوری نانوتکنولوژی است وجود ندارد . بعضی از تولید کنندگان از پیشوند « نانو » برای ایجاد ارتباط بین اندازه ی کوچک تولیدات منحصر بفردشان استفاده می کنند که این بیشتر برای ایجاد پتانسیل فروش بیشتر است . به علاوه قصد آنها ، فروش بیشتر این وسیله با توجه به شور و اشتیاقی است که در زمینه ی فناوری نانوتکنولوژی به راه افتاده است . برای مثال تولید کنندگان ماشین در هندوستان اخیراً Tata Nano را به بازار فروش اتومبیل ارائه کرده اند ( شکل 2 ) . این ماشین به طور یقین در ابعاد نانو ساخته نشده است . اما طراحان نام نانو را برای این تولیدشان استفاده کردند تا به علاقه مندان خرید این خودروها بگویند که این خودرو با فناوری بالا و اندازه ی کوچک ساخته شده است .

البته این تنها مثال برای این مورد در بازار امروزی نیست . مثلاً پخش کننده های موسیقی ( MP3 یا MP4 ) با نام Ipod Nano تولید شده اند که این پخش کننده های موسیقی در ابعاد نانومتری نیستند اما ابعادشان از ipod های تولیدی توسط این کمپانی کوچکترند ( شکل 3 ) به هر حال ، این وسایل از نانوتکنولوژی در تراشه ها و مدارهای الکترونیکی استفاده شده است همانگونه که در مدارات الکتریکی و تراشه های لپ تاپ شما از این فناوری بهره برداری شده است . تولیداتی نیز وجود دارند که در آنها از نانوتکنولوژی استفاده شده است . اگر چه در نام این وسایل و تولیدات علامتی نیامده است ! یکی از اتفاق های معمولی استفاده از نانوذرات نقره در تولیدات مصرفی ( Consumer Products) است . نقره به طور ذاتی آنتی باکتریال است . برای کنترل عوامل باکتریایی از زمان های قدیم استفاده می شده است . با وارد کردن نقره با ابعاد در حد نانو در منسوجات ، پلاستیک ها و وسایل خانه ( شکل 4 ) ، تولید کنندگان می توانند موجب کشته شدن باکتریها با مقدار کمی نقره شوند بدون اینکه خواص دیگر این تولیدات تحت شجاع قرار گیرد .

به هر حال ، مسئله ی استفاده از نقره در این وسایل یک ریسک تلقی می شود زیرا هنوز مشخص نشده است که آیا نانوذرات نقره مقاومت باکتریها را در مقابل عوامل آنتی باکتریال بالا می برند یا نه ؟
پروژه های بخش نانوتکنولوژی باعث تولید محصولاتی شده است که به طور واقعی در آنها از نانوتکنولوژی بهره برده شده است . به هر حال به خاطر طبیعت اختصاصی بودن این تولیدات و داشتن حالت راز مانند : توضیحاتی دقیق در مورد نحوه ی استفاده از نانوتکنولوژی در این وسایل موجود نمی باشد .

نتیجه ی بحث :

نانوتکنولوژی به عنوان « تکنولوژی بزرگ آینده » لقب گرفته است . این تکنولوژی منادی راه کارهایی جهت درمان سرطان ها ، استقلال انرژی ، توسعه ی وسایل الکترونیکی و تهیه ی آب سالم برای کشورهای جهان سوم است . با یک چنین کاربردهای گوناگون ، نانوتکنولوژی ظرفیت تغییر دنیایی که ما در آن زندگی می کنیم را دارا می باشد همانگونه که کامپیوترجامعه را در 30 سال گذشته تغییر داده است . اما برای به انجام رساندن چنین شاهکاری دانشمندان و مهندسین بخش نانو هنوز تحقیقات بسیاری پیش رو دارند و باید بفهمند که مواد با ابعاد نانو چگونه کار می کنند و چگونه می توان آنها را تولید کرد . البته من معتقدم که کاربردهای نانوتکنولوژی بیشتر در فروشگاه ها دیده می شوند تا در جاهای دیگر .
مثالی از تحقیقات در حال انجام مشارکت بین پروفسور Naomi Halas و Jennifer West در دانگشاه Rice است . این دو پژوهشگر در حال بررسی روش های درمانی سرطان به وسیله ی نانو شل های طلا هستند که البته این تحقیق هنوز در مرحله ی تحقیق و پژوهش است . اما ممکن است به واسطه ی آن بسیاری از روش های درمانی جدید در آینده به وجود آید .
منبع:www.mrsec.wisc.eduEdet cnano techindex.html

چرا نانو مهم است؟

چرا نانو مهم است؟

علم نانو مطالعه اصول اولیه مولکول ها وساختارهایی با ابعاد 1 تا 100 نانومتر است. اما چه چیزی در مقیاس نانومتری وجود دارد که یک فناوری برپایه آن بنا شده است؟ مثالی را برای درک بیشتر مقیاس نانوبا هم مرور می کنیم. یک مکعب از جنس طلا رل با ابعاد 5 سانتی متر در نظر بگیرید. حال این مکعب را از طول، عرض و ارتفاع نصف می کنیم تا به 8 مکعب کوچک تر به دست آید.
خواص این مکعب های کوچک، دقیقاً مشابه خواص مکعب اولیه است (به جز ارزش مادی)، یعنی هر یک از 8 مکعب به دست آمده هنوز طلا است: زرد، درخشنده، نرم و سنگین است، همچنین هادی الکتریسیته بوده ونقطه ذوب آنها همان نقطه ذوب طلاست. حال تصور کنید یکی از این مکعب ها را نیز با همان روش قبل به 8 مکعب کوچک تر تقسیم کنیم. مکعب های به دست آمده نیز خواص مکعب اولیه را دارا هستند و باز هم تقسیم کردن را ادامه دهیم، به طوری که نتوانیم تکه های ریز شده طلا را با چشم غیرمسلح ببینیم، باز هم خواص فیزیکی و شیمیایی تکه های طلا بدون تغییر باقی می مانند. اما اگر ریزشدن ذرات طلا را ادامه دهیم تا به مقیاس نانو برسیم، تقریباً همه چیز تغییر می کند. همه ما طلای زینتی را با رنگ زرد درخشنده اش می شناسیم. اما آیا می دانید می توان طلای قرمز نیز تولید کرد؟ مثلاً نانو ذرات طلا بسته به اندازه ذرات خود می تواند قرمز، آبی متمایل به سبز، نارنجی یا حتی ارغوانی به نظر برسند! تولید نانوذرات طلای قرمز هر هفته در بخش شیمی تجزیه دانشگاه کاشان در حال انجام است.
با نگاه میکروسکوپی می توان مشاهده کرد که یک نانو نقطه طلا، قرمز به نظر می رسد. اما اگر همین ذرات به هم متصل شوند، رنگشان به زرد تبدیل می شود. اگر تعداد کافی نانو نقاط طلا به هم نزدیک شوند، به طوری که با هم ترکیب نشوند، می توان رنگ قرمز طلا را با چشم غیر مسلح دید. با رسیدن به مقیاس نانو نه تنها رنگ ذرات تغییر می کند، بلکه خواصی مانند نقطه ذوب، خواص مغناطیسی و ... نیز دچار تحول می شود.
منبع:نشریه دانشمند -ش 548