صدرا - در دنیای نانو

ان فی اختلاف اللیل و النهار وما خلق الله فی السماوات والارض لایات لقوم یتقون - خداوند بیهوده نیافرید

نورافشاني با نانوبلور کپسوله‌شده در پليمر

دانشمندان امريکايي معتقدند كه افزاره‌هاي مبتني بر نانوبلور، در مقايسه با منابع نوري موجود، نور سفيدِ باکيفيت‌تري را توليد مي‌کنند و فرصتي براي افزايش کارايي ارائه مي‌دهند.

در نورافشاني حالت جامد، از ترکيب جديد حامل‌هاي مثبت و منفي، در داخل مواد نيم‌رسانا نور توليد مي‌شود. اين فناوري کاملاً مشابه ديودهاي نورگسيل LEDهاست و به احتمال قوي جايگزين منابع نوري کم‌بهره‌اي خواهد شد که هم‌اكنون در خانه‌ها و صنايع استفاده مي‌شوند. طبق اظهارات گروه انرژي امريکا اين فناوري باعث کاهش سه‌برابري در مقدار انرژي مورد نياز در سال 2025 خواهد شد و گسيل کربني را به مقدار 42 ميليون تن در سال فقط براي آمريکا پايين خواهد آورد.

با اين حال، کيفيت نور سفيد توليدشده در LEDهاي موجود، براي مصارف روزانه کافي نيست. ساندرا روزنتال و همکارانش از دانشگاه واندربيلت در ناشويل امريکا، با طراحي و ساخت يک پليمر فلئوروکربن ترموپلاست براي کپسول‌بندي نانوبلورهاي توليد‌کننده نور سفيد، توانستند رهيافت جديدي را براي اين مشکل پيدا کنند. اين اولين قدم بزرگ در مسير LEDهاي فسفري بادوام به شمار مي‌رود.

کپسول‌بندي مذکور در بالا بردن طول عمر نانوفسفر‌ها، ضمن حفظ کيفيت بالاي نور سفيد براي استفاده در کاربردهاي تجاري بسيار مهم است. يافتن کپسولي که قادر به محافظت از افزاره نورافشان باشد و در عين حال باعث کاهش در کيفيت نور گسيل‌شده ‌از نانوبلورها نشود، بسيار سخت است، به همين دليل يافته‌هاي اين دانشمندان از اهميت بالايي برخوردار است. قبل از اين نيز کپسول‌هاي پليمري ديگري براي نانوبلورها انتخاب شده بود، ولي آنها يا باعث تضعيف نورافشاني نانوبلورها و يا باعث به هم چسبيدن آنها شده بودند. علاوه ‌بر اينها، پليمرها اغلب نور اضافي ساطع مي‌کنند که همين امر باعث تغيير رنگ نور گسيل‌شده خواهد شد.

همينك، اين مواد در توليد يک محصول كارايي بسيار پاييني دارد و قابل مقايسه با LEDهاي تجاري موجود نيست. شرودر مي‌گويد:«با اين حال، پتانسيل بالايي نه تنها براي حفظ کيفيت بالاي نور سفيد، بلکه براي بالا بردن کارايي نسبت به افزاره‌هاي موجود وجود دارد."

روزنتال اميدوار است که در آينده بتواند با بالا بردن بر هم‌کنش‌هاي نانوبلور-کپسول، کارايي فلورساني نانوبلورها را افزايش دهد و بارگيري نانوبلورها را در داخل کپسول ُبهبود بخشد.

راهکاري نوين در توليد انبوه نانو حسگرهاي تک مولکولي

گروهي از محققان دانشگاه رايس براي نخستين بار با استفاده از نانو ابزاري متشکل از دو الکترود ريز که به فاصله يک مولکول از هم قرار گرفته‌اند، موفق شدند اندازه گيريهاي اپتيکي و الکترونيکي مربوط به مولکول واقع در اين شکاف را به‌طور هم زمان انجام دهند.

اين الکترودها در واقع سيم‌هاي نازکي از جنس طلا هستند که روي ويفرهاي سيليکوني نازکي قرار داده شده‌ و با اعمال جريان الکتريکي به آنها مي‌توان رسانش مولکول بدام افتاده در اين شکاف و رسانش الکترودها (که رابطه مستقيمي با پديده تونل زني دارد) را اندازه گيري کرد.

بررسيهاي اين محققان همچنين حاکي از تأثيرات منحصر به فرد شدت نور متمرکز شده در شکاف بين اين دو الکترود بر مولکول بدام افتاده در آن است و به کمک آن و با استفاده از طيف نگاري رامان افزايش سطحي (SERS) مي‌توان به راحتي واکنشهاي شيميايي روي داده در اين تک مولکول را مستقيما ً مشاهده نمود.

در اين نانوابزار تک مولکولي، فاصله بين دو الکترود آنقدر کم است که تنها يک يا دو الکترون مي‌توانند در رسانش نقش داشته باشند و لذا با برقراري جريان به راحتي مي‌توان اين الکترونها را رد يابي کرده و به اين وسيله نوع تک مولکول درون اين شکاف و اثر اپتيکي آن را تعيين کرد و حتي گفت که اين مولکول چه موقع مي‌چرخد و يا تغيير مکان مي‌دهد.

به باورمحققان نتايج اين تحقيق مي‌تواند زمينه اي براي توليد انبوه حسگرهاي تک مولکولي باشد.

براي آگاهي از جزئيات بيشتر مي‌توانيد به مقاله اي که در اين باره در شماره آن لاين اخير نشريه Nano Letters منتشر شده است مراجعه نماييد.

نانوذرات سيليکا؛‌ کاربردهاي زيستي

روش‌هاي تشخيص مبتني بر فلورسانس، کاربرد گسترده‌اي در تحقيقات جديد زيست‌شيميايي و تشخيص بيماري‌ها دارند. براي تشخيص مقدار جزئي از يک ماده، از مواد نور بخش آلي، به‌عنوان عامل نوردهنده و ارسال‌کننده‌هاي سيگنال استفاده مي‌شود. فلوروفورها (fluorophore) با داشتن ساختاري ساده و کاربرد‌هاي فراوان، داراي ماهيتي مولکولي هستند كه باعث ايجاد محدوديت‌هايي در آنها شده‌است: در اغلب موارد فقط تعداد معدودي از فلوروفورها مي‌توانند به يک زيست‌مولکول بچسبند تا آن مولکول رسوب نکند و اگر اين تعداد افزايش يابد باعث رسوب مولکول مي‌شود؛ ايراد ديگر اين است که يک نوع فلوروفور فقط براي يک سري زيست‌مولکول‌هاي به‌خصوصي قابل استفاده ‌است؛ بنابراين تشخيص و تحليل يک نمونه در صورتي که غلظت آن پايين باشد با کمک فلوروفورها بسيار مشکل است و مراحل فراتري که براي تقويت سيگنال ارسال‌شده از طرف فلوروفورها لازم است، وقت‌گير و هزينه‌بر است.

كاربرد ميكروسكوپ نيروي اتمي در نانوليتوگرافی

امروزه فناوري‌نانو، جايگاه ويژه‌اي را در علوم مختلف به خود اختصاص داده‌است. با توسعه اين حوزه از دانش، ساخت نانومواد و نانو ساختارها با صحت و دقت بالايي امکان‌پذير شده‌است. دستگاه ميکروسکوپ پروبي روبشي1(SPM)، به‌ويژه ميکروسکوپ نيروي اتمي2(AFM) از جايگاه و اهميت ويژه‌اي در فناوري‌نانو برخوردار است؛ اين دستگاه تغيير نيرو بين سوزن و سطح نمونه را نشان مي‌دهد و به کمک آن مي‌توان از سطوح ترکيبات گوناگون، تصاويري با قدرت تفکيکي کمتر از ده نانومتر تهيه نمود، همچنين امکان ثبت تصاوير در محيط مايع، هوا و خلأ نيز وجود دارد. ميکروسکوپ نيروي اتمي علاوه ‌بر بررسي توپوگرافي سطح، به سهولت مي‌تواند به‌عنوان ابزاري براي ايجاد تغيير بر روي سطح در مقياس نانو به کار برده شود

استفاده از نانولوله هاي كربني براي رهايش مواد دارويي درون سلول

استفاده از نانوساختارهاي مبتني بر کربن(همانند نانولوله‌هاي کربني)، در زيست‌پزشکي هر روز علاقه بيشتري را به خود جلب مي‌کند. يکي از مزاياي کليدي نانولوله‌هاي کربني توانايي آنها در عبور از غشاهاي پلاسماست؛ اين توانايي امکان استفاده از آنها را در رهايش مولکول‌هاي فعال دارويي به روشي شبيه پپتيدهاي نفوذ‌کننده در سلول فراهم مي‌آورد، همچنين اميد مي‌رود استفاده از ويژگي‌هاي منحصربه‌فرد الکتريکي، نوري، حرارتي، و طيف‌سنجي نانولوله‌هاي کربني در يک بستر زيستي، منجر به ايجاد پيشرفت‌هايي در تشخيص، بازرسي و درمان بيماري‌ها گردد. در اين مقاله مروري کلي بر اصول بنيادين حاکم بر سازوکار نفوذ نانولوله‌هاي کربني در غشاي پلاسمايي داشته و تصويري کلي از روش‌هاي مختلف درماني مبتني بر اين نانوساختارهاي جالب ـ که در حال تحقيق است ـ ارائه مي‌گردد

قابليت‌هاي استفاده از فناوري‌نانو در صنايع دريايي

چکيده
امروزه بحث‌هاي بسياري در زمينه فناوري‌نانو، کاربردها، مزايا و دورنماي آينده آن مطرح است. صنايع دريايي حوزه وسيعي از صنايع از قبيل ساخت كشتي؛ زيردريايي و سكوهاي دريايي را شامل مي‌شود که اغلب آنها در کشور ما نوپا هستند. فناوري‌نانو در بخش‌هاي مختلف صنايع دريايي کاربردهاي ارزنده‌اي دارد که مي‌تواند صنايع دريايي کشور را با تحول زيادي روبه‌رو کند. از طرفي شناسايي نيازهاي گسترده صنايع دريايي کشور مي‌تواند بازار خوبي براي محصولات فناوري‌نانو در کشور باشد و زمينه رشد خوبي را نيز براي آن فراهم کند. در اين مقاله برخي کاربردهاي فناوري‌نانو در صنايع دريايي مورد ارزيابي قرار گرفته و در انتها نيز جايگاه صنايع دريايي کشورآورده شده است. كليد واژه‌ها: فناوري‌نانو صنايع دريايي شناور
مقدمه
فناوري‌نانو در دهه اخير از سوي کشور ما مورد توجه جدي قرار گرفته است. همزمان با آن صنايع دريايي نيز دچار تحولات اساسي شده و سرمايه‌گذاري‌هاي هنگفتي در آن انجام شده است. امروزه ثابت شده است که صنايع دريايي مي‌تواند گرانيگاه رشد و توسعه در مناطق ساحلي کشور باشد. ايران با داشتن 2900 کيلومتر مرز آبي، در زمينه صنايع دريايي، کشوري در حال توسعه محسوب مي‌شود، در حالي که برخي از کشورهاي اروپايي با کمتر ازيک پنجم اين مرز آبي، جزو کشورهاي قدرتمند در زمينه صنايع دريايي قرار دارند و به واسطه اين توانمندي، سلطه خود را بر دنيا تحميل کرده‌اند. صنايع دريايي شامل حوزه وسيعي از صنايع مي‌شود که هر كدام مي‌توانند پشتوانه و مهد توسعه علم و فناوري در کشور باشند. سه دسته‌بندي کلي صنا‌يع دريايي عبارتند از: 1 صنايع کشتي‌سازي: ساخت انواع کشتي‌ها از قبيل کشتي‌هاي کانتينربر، نفتکش‌هاي غول پيکر، ناوچه‌ها و زيردريايي‌. در اين زمينه شرکت‌هاي بزرگي نظير صدرا، ايزوايکو، اروندان و فجر در کشور شکل گرفته‌اند که هر يك تجربه ساخت ده‌ها فروند شناور دارند. 2 صنايع فرا ساحل: شامل ساخت سکوهاي ثابت و متحرک دريايي و لوله‌گذاري در دريا مي‌شود که در پروژه‌هاي عظيم نفت و گاز به خصوص در حوزه‌هاي پارس جنوبي، ابوذر و ميادين بزرگ نفتي کاربرد دارند. شرکت‌هاي بزرگي از قبيل تأسيسات دريايي، صدف و صدرا در اين زمينه شکل گرفته‌اند که تجربه ساخت ده‌ها سکوي ثابت و متحرک دريايي و صدها کيلومتر لوله‌گذاري دريايي را در كارنامه فعاليت خود دارند. 3 صنايع ساحلي و بندري: شامل ساخت اسکله، موج‌شکن و سازه‌هاي نزديک ساحل (پايانه‌هاي نفتي) که در بنادر شهيد رجايي، باهنر، بوشهر، امام خميني و جزيره خارک تجارب بسياري در اين زمينه اندوخته شده است که از جمله آنها مي‌توان به قرارگاه سازندگي نوح و شرکت صدرا اشاره کرد. فناوري‌نانو در زمينه صنايع دريايي، به خصوص ساخت شناورها از اهميت خاصي برخوردار است و كاربردهاي آن را مي‌توان به‌طور كلي شامل موارد زير دانست: 1 ايجاد پوشش‌هاي مناسب در برابر اثرات محيط دريا؛ 2 توليد مواد جديد براي ساخت بدنه و اجزاي آن به‌منظور افزايش استحکام و کاهش نويز و ارتعاش منتشر شده از بدنه؛ 3 توليد مواد جديد براي افزايش قابليت عملکرد شناور مانند سوخت‌هاي جديد، باتري‌هاي با ذخيره انرژي بسيار بالا و پيل‌هاي سوختي.
پتانسيل‌هاي كاربرد در صنايع دريايي
صنايع دريايي گستره وسيعي از صنايع مانند شناورهاي سطحي (کشتي‌ها)، زيرسطحي (زيردريايي‌ها) ، سکوهاي دريايي و کليه صنايع مرتبط با دريا را در برمي‌گيرد.
برخي از پتانسيل‌هاي کاربرد فناوري‌نانو در اين صنايع
1 کليه تحولاتي که در فناوري کامپيوتر، الکترونيک و مخابرات براساس فناوري‌نانو ايجاد مي‌گردد، قطعاً بر صنايع دريايي تأثير‌ مي‌گذارد؛ زيرا اين صنايع مانند ساير صنايع، وابستگي بسياري به اين فناوري‌ها دارند. 2 الکترودهاي جوشکاري دما پايين: اين الکترودها با استفاده از فناوري‌نانو، داراي دماي کاري بسيار پاييني نسبت به الکترودهاي جوشکاري موجود هستند. مواد اين الکترودها به‌گونه‌اي است که در ازاي حرارت اندک، اتحاد مولکولي مستحکمي را بين مولکول‌هاي دو قطعه فلز ايجاد مي‌کنند و عملکردي شبيه چسب‌هاي حرارتي معمولي خواهند داشت. اين الکترودها با ايجاد اعوجاج بسيار ناچيز در فلزات، تأثير شگرفي بر فناوري جوشکاري، به خصوص جوشکاري آلومينيوم خواهند داشت. کاربرد و حجم زياد جوشکاري در صنايع دريايي مي‌تواند عاملي براي تأثير فوق‌العاده فناوري‌نانو در اين زمينه باشد. 3 سوخت: کشتي و کليه شناورها براي تأمين قدرت حرکت در دريا، معمولاً چندين تن سوخت حمل مي‌کنند و کشتي‌هاي اقيانوس‌پيما نيز در طول مسير دريانوردي مجبور هستند، چندين بار براي سوخت‌گيري توقف کنند. فناوري‌نانو با ارائه سوخت‌هاي پرانرژي، کشتي‌ها را از توقف‌هاي متعدد در دريا و حمل چندين تن سوخت بي‌نياز خواهد کرد. اين سوخت‌ها به‌صورت بسته‌هاي پرانرژي مولکولي است که از اثرات مولکول‌ها بريکديگر، انرژي زيادي آزاد مي‌کنند، به طور كهيک ليتر از اين سوخت‌ها، معادل ده‌ها ليتر سوخت معمولي انرژي آزاد مي‌کند[2]. از آنجا که ذرات نانومتري موجب افزايش سرعت سوخت ويکنواختي آن مي‌گردد، در سوخت‌هاي جديد مي‌توان جهت افزايش قدرت سوخت از آنها استفاده کرد [3]. 4 نانوفايبرگلاس و نانوکامپوزيت‌ها: فايبرگلاس با آرايش تار و پودي (ماتريسي) ، استحکام زيادي دارد. در اين مواد، الياف شيشه به صورت تارهاي نازک و تحت شرايط خاصي توليد شده، به صور متفاوتي به هم بافته مي‌شوند؛ رايج‌ترين نوع آنها الياف بافته شده به‌صورت حصيري و الياف سوزني است. فناوري‌نانو با اعمال آرايش تار و پودي بين مولکول‌ها، نانوفايبرگلاس‌هاي بسيار محکم و سبکي ايجاد مي‌کند که نسبت به فايبرگلاس‌هاي امروزي برتري بسياري دارند. نانوکامپوزيت‌ها دسته جديدي از مواد مورد مطالعه جهاني است که شامل پليمرهاي قديمي تقويت شده با ذرات نانومتري مي‌شود. کامپوزيت‌ها با داشتن آرايش‌هاي مولکولي متفاوت، کاربردهاي وسيع‌تر و جديدتري را تجربه خواهند کرد. از جمله خواص مهم کامپوزيت‌ها، استحکام زياد در عين وزن کم، مقاومت بالا در برابر خوردگي و خاصيت جذب امواج راداري است. اين خاصيت به منظور ساخت هواپيماها و زيردريايي‌هايي که به وسيله رادار قابل شناسايي نيستند، مورد استفاده قرار مي‌گيرد [4]. 5 جاذب‌هاي ارتعاشي: جاذب‌هاي ارتعاشي امروزي، موادي حجيم و سنگين هستند. فناوري‌نانو با ارائه جاذب‌هاي ارتعاشي جديد، تحول عميقي را در اين زمينه ايجاد خواهد کرد. اين نانومواد، انرژي ارتعاشي را به مقدار بسيار بالايي در بين شبکه مولکولي خود ذخيره مي‌کنند و ساختارهاي مولکولي ويژه آنها، تا حد زيادي از انتقال انرژي ارتعاشي به مولکول‌هاي جانبي جلوگيري مي‌کند؛ بدين ترتيب ارتعاش به خوبي مهار مي‌شود. اين مواد در کشتي‌هاي مسافربري، شناورهاي نظامي و زيردريايي‌ها کاربردهاي بسياري دارند و اغلب در زير موتورها و اجزاي دوار شناورها نصب مي‌گردند. 6 جاذب‌هاي صوتي: اين جاذب‌ها نيز مانند جاذب‌هاي ارتعاشي، علي‌رغم سبک و نازک بودن، انرژي صوت را به‌طور کامل ميرا مي‌کنند. جاذب‌هاي صوتي امروزي با وجود سنگين و حجيم بودن، نسبت به فرکانس و جهت صوت برخوردي، بازدهي متفاوتي دارند. فناوري‌نانو انواعي از جاذب‌هاي صوتي را ارائه مي‌کند که ساختار مولکولي آنها با جهت برخورد صوت و فرکانس صوت قابل تطابق باشد؛ به گونه‌اي که بتوانند بيشترين مقدار انرژي صوت را جذب کنند. اين مواد در کشتي‌هاي مسافربري، شناورهاي نظامي و زيردريايي‌ها کاربردهاي بسياري دارند و قسمت داخلييا خارجي بدنه از اين مواد پوشيده مي‌شود. 7 رنگ‌هاي دريايي: خوردگي بسيار زياد محيط دريا به خصوص درياهاي آب شور مانند خليج فارس، از معضلات اساسي نگهداري سکوهاي دريايي و کشتي‌هاست. شرايط خاص محيط دريا ايجاب مي‌کند که به‌طور متوسط، هر سه ساليک‌بار بدنه سکوها و کشتي‌ها رنگ‌آميزي شود. فناوري‌نانو رنگ‌هاي جديد بسيار مقاوم در برابر خوردگي و اثرات محيط ارائه مي‌نمايد که با توجه به طول عمر شناورها و دوام بيش از 20 سال اين رنگ‌ها بر بدنه شناورها، مي‌توان اين امر را به معناي مادام‌العمر بودن اين رنگ‌ها دانست. 8 جاذب‌هاي انرژي موج دريا و نور آفتاب: فناوري‌نانو نسل جديدي از مواد را ارائه مي‌کند که همانند سلول‌هاي فتوالکتريک انرژي موج دريا و نور آفتاب را جذب مي‌کنند و به مثابه منبع تأمين انرژي خواهند بود. ويژگي منحصر به فرد اين مواد اين است که همانند پوشش‌هاي معمولي دريايي قابل اتصال به بدنه شناور هستند که مي‌تواند مدت دوام شناور در دريا را چندين برابر نمايد و از انرژي‌هاي محيط استفاده کند. استفاده از اين منابع انرژي مزيت‌هاي زيست‌محيطي نيز دارد. 9 نانوفيلتراسيون: از جمله ويژگي‌هاي اين فناوري مي‌توان به جذب ذرات بسيار ريز محيط اشاره كرد كه در جذب مونوکسيد و دي‌اکسيد کربن كاربرد دارند. پوشش داخلي زيردريايي‌ها در زير آب محيطي بسته و مناسب با بکارگيري اين فناوري است. مطابق اين فناوري، بلورهاي اکسيد تيتانيوم نيمه‌رسانا که اندازه‌شان فقط 40 نانومتر است به‌وسيله نور ماوراء بنفش شارژ شده، براي حذف آلودگي‌هاي آلي استفاده مي شوند. 10 نانومورفولوژي: با استفاده از فناوري‌نانو مي‌توان مواد بسيار مقاوم در برابر آتش ساخت که در اشتعال ناپذيري به خاک تشبيه مي‌شوند. استفاده از اين مواد در شناورها به منظور ايمني در برابر آتش‌سوزي بسيار حائز اهميت است. در شناورهاي نظامي خطر آتش سوزي بسيار زياد است؛ لذا استفاده از اين فناوري بسيار حياتي است. 11 تحول در فناوري پيل سوختي: پيل سوختي در شناورها به خصوص شناورهاي زيرسطحي و زيردريايي‌ها، کاربردهاي وسيعي دارد. امروزه روش‌هاي مختلفي براي ذخيره‌سازي هيدروژن مورد نياز در پيل سوختي استفاده مي‌شود؛ از جمله به صورت مايع (که دماي بسيار پايينيا فشار بسيار بالايي نياز دارد) ، هيدرات فلزي (که وزن بسيار زيادي را به شناور تحميل مي‌کند) و کربن فعال (که استفاده از آن معضل زياد و بازده کمي دارد) . اكنون مي توان از نانولوله‌هاي کربني براي ذخيره هيدروژن استفاده كرد؛ زيرا ديگر نيازي به دماي پايين، فشار بسيار بالا و تحمل وزن سنگين نخواهد داشت؛‌ اين كار تحول عظيمي را در فناوري پيل سوختي ايجاد خواهد كرد. 12 باتري‌هاي با ذخيره انرژي بسيار بالا: امروزه انواع مختلفي از باتري‌هاي قابل شارژ وجود دارند که داراي وزن زياد و ذخيره انرژي اندکي هستند [4]؛ اين باتري‌ها در شناورها به خصوص در قايق‌هاي تفريحي، زيردريايي‌ها و کشتي‌ها (به عنوان منبع برق اضطراري) کاربردهاي حياتي و مهمي دارند، امّا انرژي اندكي كه ذخيره مي‌كنند زمان ماندن زيردريايي‌هاي ديزل الکتريک در زير آب را محدود مي‌کنند. در موقع حرکت سطحي که ديزل قادر به فعاليت است، انرژي الکتريکي توليد شده ديزل در باتري‌ها ذخيره مي‌شود و در موقع حرکت در زير سطح آب که به علت دسترسي نداشتن به هوا امکان کار براي ديزل وجود ندارد، از اين انرژي الکتريکي استفاده مي‌شود. فناوري‌نانو با ارائه باتري‌هاي با ذخيره انرژي بسيار بالا، زيردريايي‌هاي ديزل الکتريک را قادر مي‌کند تا ده‌ها برابرِ زمان فعلي خود در زير آب بمانند. علاوه بر آن فناوري‌نانو با كاهش وزن بسته‌هاي باطري، کاربردهاي ارزنده‌اي در فناوري هوافضا، هواپيماهاي بدون سرنشين، اتومبيل و شناورهاي تفريحي کوچک پديد مي‌آورد. 13 گرافيت و سراميک: فناوري‌نانو با ارائه مواد بسيار مستحکم که ده‌ها برابر مقاوم‌تر از فولاد هستند، تأثير چشمگيري در ساخت سازه‌هاي دريايي و صنايع دريايي خواهد داشت. سراميك‌ها از جمله اين موادند كه در بدنه غوطه‌ورشونده‌هاي آب عميق (حدود 11 هزار متر) به‌کار خواهند رفت. اين مواد با داشتن استحکام فوق‌العاده، وزن سبک، مقاومت بسيار زياد در برابر خوردگي و دوام در شرايط دمايي بسيار متغير، گزينه بسيار مناسبي براي سازه‌هاي عظيم دريايي به خصوص غوطه‌ور شونده‌ها و زيردريايي‌ها هستند.
جايگاه صنايع دريايي و فناوري‌نانو در ايران
در ايران صنايع دريايي به معناي واقعي خود؛ يعني ساخت سکوهاي ثابت و متحرک دريايي، کشتي‌هاي اقيانوس پيما، غوطه‌ور شونده‌ها، زيردريايي‌ها و غيره، حدوديک دهه از عمرشان مي‌گذرد و صنعتي نوپا محسوب مي‌گردد. فناوري‌نانو نيز در دنيا قدمت چنداني ندارد و از معدود فناوري‌هايي است که در همان بدو مطرح شدنش در دنيا، در ايران نيز مطرح شده است. فناوري‌نانو با توجه به تأثيرات شگرفي که در همه صنايع دارد، مورد توجه قرار گرفته است. صنايع دريايي در حال رسيدن به دوران تکامل خود در کشور است و فناوري‌نانو هم مي‌تواند به تکامل هدفمند و روزافزون آن کمک کند. کاربردهايي از فناوري‌نانو که بيان شد، تنها گوشه‌اي از کاربردهاي گسترده آن در صنايع دريايي است و آينده، اين کاربردها را قطعي‌تر و مشخص‌تر خواهد کرد؛ لذا مديران کليه بخش‌هاي صنعتي کشور از جمله صنايع دريايي نبايد خود را نسبت به فناوري‌نانو بيگانه بدانند، بلکه همواره بايد پيشرفت‌هاي اين شاخه از دانش و فناوري مولکولي را در دنيا زير نظر داشته، از پيشرفت اين فناوري جديد در کشور، حمايت‌هاي مادي و معنوي لازم را به عمل آورند. چه بسا که ورود فناوري‌نانو به هر صنعتي، تحولات شگرفي را باعث شود و غافلگيري و ورشکستگي رقبا را به دنبال داشته باشد. از طرف ديگر، نهادهاي مرتبط بايد پيشرفت‌هاي روز دنيا در زمينه فناوري‌نانو را به صنايع مربوطه معرفي کنند که اين امر مستلزم شناخت نيازهاي هر بخش از صنعت در زمينه فناوري‌نانو است. لازم است، متوليان فناوري‌نانو بايک تقسيم‌بندي منطقي در صنايع موجود در کشور، نيازهاي هريک را به تفکيک بررسي کنند و با شناسايي نيازهاي بازار، توسعه فناوري‌نانو را در کشور جهت‌دهي نمايند. به علاوه، پشتوانه مالي مناسبي نيز براي توسعه فناوري‌نانو فراهم نمايند، زيرا نشناختن نيازها به معناي بيراهه رفتن فناوري‌نانو در کشور است. پيشنهاد نگارندگان اين مقاله به مسئولين امر، سرمايه‌گذاري در زمينه باتري‌هاي داراي ذخيره انرژي بالا است که در زيردريايي‌ها کاربرد دارند لازم به ذكر است كه پژوهشکده زير سطحي دانشگاه صنعتي مالک اشتريکي از حاميان اين طرح است

انتقال گرما به وسيله نانوسيالات

چکيده
اخيراً استفاده از نانوسيالات که در حقيقت سوسپانسيون پايداري از نانوفيبرها و نانوذرات جامد هستند، به عنوان راهبردي جديد در عمليات انتقال حرارت مطرح شده است.
تحقيقات اخير روي نانوسيالات، افزايش قابل توجهي را در هدايت حرارتي آنها نسبت به سيالات بدون نانوذرات و يا همراه با ذرات بزرگ‌تر (ماکرو ذرات) نشان مي‌دهد. از ديگر تفاوت‌هاي اين نوع سيالات، تابعيت شديد هدايت حرارتي از دما، همچنين افزايش فوق‌العاده فلاکس حرارتي بحراني در انتقال حرارت جوشش آنهاست. نتايج آزمايشگاهي به دست آمده از نانوسيالات نتايج قابل بحثي است که به عنوان مثال مي‌توان به انطباق نداشتن افزايش هدايت حرارتي با تئوري‌هاي موجود اشاره کرد. اين امر نشان دهنده ناتواني اين مدل ها در پيش‌بيني صحيح خواص نانوسيال است. بنابراين براي کاربردي کردن اين نوع از سيالات در آينده و در سيستم‌هاي جديد، بايد اقدام به طراحي و ايجاد مدل‌ها و تئوري‌هايي شامل اثر نسبت سطح به حجم و فاکتورهاي سياليت نانوذرات و تصحيحات مربوط به آن کرد.
1. مقدمه
سيستم‌هاي خنک کننده، يکي از مهم‌ترين دغدغه‌هاي کارخانه‌ها و صنايعي مانند ميکروالکترونيک و هر جايي است که به نوعي با انتقال گرما روبه‌رو باشد. با پيشرفت فناوري در صنايعي مانند ميکروالکترونيک که در مقياس‌هاي زير صد نانومتر عمليات‌هاي سريع و حجيم با سرعت‌هاي بسيار بالا (چند گيگا هرتز) اتفاق مي‌افتد و استفاده از موتورهايي با توان و بار حرارتي بالا اهميت به سزايي پيدا مي‌کند، استفاده از سيستم‌هاي خنک‌کننده پيشرفته و بهينه، کاري اجتناب‌ناپذير است. بهينه‌سازي سيستم‌هاي انتقال حرارت موجود، در اکثر مواقع به وسيله افزايش سطح آنها صورت مي‌گيرد که همواره باعث افزايش حجم و اندازه اين دستگاه‌ها مي‌شود؛ لذا براي غلبه‌ بر اين مشکل، به خنک کننده‌هاي جديد و مؤثر نياز است و نانو سيالات به عنوان راهکاري جديد در اين زمينه مطرح شده‌اند. [1]
نانوسيالات به علت افزايش قابل توجه خواص حرارتي، توجه بسياري از دانشمندان را در سال‌هاي اخير به خود جلب کرده است، به عنوان مثال مقدار کمي (حدود يک درصد حجمي) از نانوذرات مس يا نانولوله‌هاي کربني در اتيلن گليکول يا روغن به ترتيب افزايش 40 و 150 درصدي در هدايت حرارتي اين سيالات ايجاد مي‌کند [2] [3]؛ در حالي که براي رسيدن به چنين افزايشي در سوسپانسيون‌هاي معمولي، به غلظت‌هاي بالاتر از ده درصد از ذرات احتياج است؛ اين در حالي است که مشکلات رئولوژيکي و پايداري اين سوسپانسيون‌ها در غلظت‌هاي بالا مانع از استفاده گسترده از آنها در انتقال حرارت مي‌شود. در برخي از تحقيقات، هدايت حرارتي نانوسيالات، چندين برابر بيشتر از پيش‌بيني تئوري‌ها است. از ديگر نتايج بسيار جالب، تابعيت شديد هدايت حرارتي نانوسيالات از دما [4] [5] و افزايش تقريباً سه برابري فلاکس حرارتي بحراني آنها در مقايسه با سيالات معمولي است [6 و7].
اين تغييرات در خواص حرارتي نانوسيالات فقط مورد توجه دانشگاهيان نبوده در صورت تهيه موفقيت‌آميز و تأييد پايداري آنها، مي‌تواند آينده‌اي اميدوارکننده در مديريت حرارتي صنعت را رقم بزند. البته از سوسپانسيون نانوذرات فلزي، در ديگر زمينه‌ها از جمله صنايع دارويي و درمان سرطان نيز استفاده شده است [8]. به هر حال تحقيق در زمينه نانوذرات، داراي آينده‌اي بسيار گسترده است [9].

شکل 1. تصاوير TEM از نانو سيال مس (چپ)، نانو ذرات اکسيد مس (وسط) و ذرات کلوئيدي طلاسرب (راست) که در مطالعات مقاومت فصل مشترک استفاده شده اند. ذرات اکسيد مس حالت خوشه اي دارند و کلوئيد هاي طلاسرب توزيع مناسب و اندازه يکسان دارند.

2. تهيه نانوسيالات
بهبود خواص حرارتي نانوسيال احتياج به انتخاب روش تهيه مناسب اين سوسپانسيون‌ها دارد تا از ته‌نشيني و ناپايداري آنها جلوگيري شود. متناسب با کاربرد، انواع بسياري از نانوسيالات از جلمه نانوسيال اکسيد فلزات، نيتريت‌ها، کاربيد فلزات و غيرفلزات که به وسيله يا بدون استفاده از سورفکتانت در سيالاتي مانند آب، اتيلن گليگول و روغن به وجود آمده است. مطالعات زيادي روي چگونگي تهيه نانوذرات و روش‌هاي پراکنده‌سازي آنها درسيال پايه انجام شده است که در اينجا به طور مختصر چند روش متداول‌ را که براي تهيه نانوسيال وجود دارد ذکر مي‌کنيم.
يکي از روش‌هاي متداول تهيه نانوسيال، روش دو مرحله‌اي است [10]. در اين روش ابتدا نانوذره يا نانولوله معمولاً به وسيله روش رسوب بخار شيميايي (CVD) در فضاي گاز بي‌اثر به صورت پودرهاي خشک تهيه مي‌شود [11] [ شکل 1. وسط]، در مرحله بعد نانوذره يا نانولوله در داخل سيال پراکنده مي‌شود. براي اين کار از روش‌هايي مانند لرزاننده‌هاي مافوق صوت و يا از سورفکتانت‌ها استفاده مي‌شود تا توده‌هاي نانوذره‌اي به حداقل رسيده و باعث بهبود رفتار پراکندگي شود. روش دو مرحله‌اي براي بعضي موارد مانند اکسيد فلزات در آب، ديونيزه شده بسيار مناسب است [10] و براي نانوسيالات شامل نانوذرات فلزي سنگيني، کمتر موفق بوده است [12].
روش دو مرحله‌اي داراي مزاياي اقتصادي بالقوه‌اي است؛ زيرا شرکت‌هاي زيادي توانايي تهيه نانوپودرها در مقياس صنعتي را دارند [13].
روش يک مرحله‌اي نيز به موازات روش دو مرحله‌اي پيشرفت کرده است؛ به طور مثال نانوسيالاتي شامل نانوذرات فلزي با استفاده از روش تبخير مستقيم تهيه شده‌اند [2] و [12]. در اين روش، منبع فلزي تحت شرايط خلاء تبخير مي‌شود [14] [شکل 1. چپ].
در اين روش، تراکم توده نانوذرات به حداقل خود مي‌رسد، اما فشار بخار پايين سيال يکي از معايب اين فرايند محسوب مي‌شود؛ ولي با اين حال روش‌هاي شيميايي تک مرحله‌اي مختلفي براي تهيه نانوسيال به وجود آمده است که از آن جمله مي‌توان به روش احياي نمک فلزات و تهيه سوسپانسيون آن در حلال‌هاي مختلف براي تهيه نانوسيال فلزات اشاره کرد [16] [شکل 1. راست]. مزيت اصلي روش يک مرحله‌اي، کنترل بسيار مناسب روي اندازه و توزيع اندازه ذرات است.

3. انتقال حرارت در سيالات ساکن
خواص استثنايي نانوسيالات شامل هدايت حرارتي بيشتر نسبت به سوسپانسيون‌هاي معمولي، رابطه غيرخطي بين هدايت وغلظت مواد جامد و بستگي شديد هدايت به دما و افزايش شديد فلاکس حرارتي در منطقه جوشش است. اين خواص استثنايي، به همراه پايداري، روش تهيه نسبتاً آسان و ويسکوزيته قابل قبول باعث شده تا اين سيالات به عنوان يکي از مناسب‌ترين و قوي‌ترين انتخاب‌ها در زمينه سيالات خنک کننده مطرح شوند. نتايج يکي از تحقيقات منتشر شده در زمينه تغيير هدايت حرارتي نانوسيال به عنوان تابعي از غلظت در شکل (2) آمده است.
بيشترين تحقيقات روي هدايت حرارتي نانوسيالات، در زمينه سيالات حاوي نانوذرات اکسيد فلزي انجام شده است [18].
ماسودا افزايش 30 درصدي هدايت حرارتي را با اضافه کردن 3/4 درصد حجمي آلومينا به آب گزارش کرده است. لي [15] افزايش 15 درصدي را براي همين نوع نانوسيال با همين درصد حجمي گزارش کرده است که تفاوت اين نتايج را ناشي از تفاوت در اندازه نانوذرات به‌کار رفته در اين دو تحقيق مي‌داند. قطر متوسط ذرات آلوميناي بکاررفته در آزمايش اول 13نانومتر و در آزمايش دوم 33 نانومتر بوده است. زاي و همکاران [20] [19] افزايش 20 درصدي را براي 50 درصد حجمي از همين نانوذرات گزارش کرده‌اند. گروه مشابهي [21] براي نانوذرات کاربيد سيليکون نيز به نتايج مشابهي رسيدند. لي بهبود نسبتاً کمتري را در هدايت حرارتي نانوسيالات حاوي نانوذرات اکسيد مس، نسبت به نانوذرات آلومنيا مشاهده کرد؛ در حالي که ونگ [24] 17 درصد افزايش هدايت حرارتي را براي فقط 4/0 درصد حجمي از نانوذرات اکسيد مس در آب گزارش کرده است. براي نانوسيال با پايه اتيلن گليکول، افزايش بالاي 40 درصد براي 3/0 درصد حجمي مس با متوسط قطر ده نانومتر گزارش شده است. پتل [5] افزايش بالاي 21 درصد براي سوسپانسيون 11 درصد حجمي از نانوذرات طلا و نقره که به ترتيب در آب و تولوئن پراکنده شده بودند را مشاهده کرد. در مواردي هم هيچ افزايش قابل توجهي در هدايت مشاهده نشده است
[23].
اخيراً تحقيقات ديگري روي وابستگي هدايت به دما براي غلظت‌هاي بالاي نانوذرات اکسيد فلزات و غلظت‌هاي پايين نانوذرات فلزي در حال انجام است که در هر دو مورد در محدوده دماي 20 تا 50 درجه سانتيگراد افزايش دو تا چهار برابري در هدايت مشاهده شده است و در صورت تأييد اين خواص براي دماهاي بالاتر مي‌توان نانوسيال را در سيستم‌هاي گرمايشي نيز استفاده کرد.
بيشترين افزايش هدايت در سوسپانسيون نانولوله‌هاي کربني گزارش شده است که علاوه بر هدايت حرارتي بالا، نسبت طول به قطر بالايي دارند[شکل 3]. از آنجا که نانولوله‌هاي کربني، تشکيل يک شبکه فيبري مي‌دهند، سوسپانسيون آنها بيشتر شبيه کامپوزيت‌هاي پليمري عمل مي‌کند. بيرکاک[25] افزايش 125 درصدي هدايت را در اپوکسي پليمر- نانولوله حاوي يک درصد نانولوله تک ديواره گزارش کرد، همچنين مشاهده کرد که با افزايش دما، هدايت حرارتي افزايش مي‌يابد.
چوي[3] براي سوسپانسيون يک درصد نانولوله‌هاي چند ديواره در روغن [شکل 3 ب] 16 درصد افزايش هدايت حرارتي گزارش کرده است. گزارش‌ها و تحقيقات مختلفي در زمينه افزايش هدايت حرارتي سوسپانسيون نانولوله‌کربني ارائه شده است؛ زاي [26] افزايش ده تا 20 درصدي هدايت حرارتي را در سوسپانسيون يک درصد حجمي با سيال آب گزارش کرده است. ون و دينگ [27] نيز 25درصد افزايش هدايت را در سوسپانسيون 8/0 درصد حجمي در آب گزارش کرده است. اسيل [23] بيشترين افزايش را 38 درصد براي سوسپانسيون شش درصد حجمي در آب گزارش کرده است.
ون و دينگ افزايش سريع هدايت در غلظت‌هاي حدود 2/0 درصد حجمي را گزارش کرده و نشان داده است که اين افزايش از آن به بعد تقريباً ثابت مي‌ماند. در تمامي گزارش‌ها افزايش هدايت با دما مشاهده شده؛ هر چند براي دماهاي بالاتر از 30 درجه سانتيگراد اين افزايش تقريباً متوقف مي‌شود.

4. جريان، جابه‌جايي و جوشش
اخيراً ضرايب انتقال حرارت نانوسيال در جابه‌جايي آزاد و اجباري اندازه‌گيري شده است. داس [17] آزمايش‌هاي تعيين خواص حرارتي جوشش را براي نانوسيال شروع کرد. يو [6] فلاکس حرارتي بحراني نانوسيال آلومينا- آب در حال جوشش را اندازه‌گيري کرد و افزايش سه برابري در فلاکس حرارت بحراني (CHF) را نسبت به آب خالص گزارش کرد. در همين زمينه واسالو [7] نانوسيال سيليکا- آب را تهيه کرد و همان افزايش سه برابري در CHF را گزارش کرد.
ضريب انتقال حرارت جابجايي آزاد علاوه بر اينکه به هدايت حرارتي بستگي دارد، به خواص ديگري مانند گرماي ويژه، دانسيته و ويسکوزيته ديناميک نيز وابسته است که البته در اين درصدهاي حجمي پايين همان‌طور که انتظار مي‌رفت و مشاهده شد، گرماي ويژه و دانسيته بسيار به سيال پايه نزديک است [33]. ونگ [34] ويسکوزيته آلومينا- آب را اندازه گرفت و نشان داد که هر چه ذرات بهتر و بيشتر پراکنده شوند ويسکوزيته پايين‌تري را مشاهده مي‌کنيم. وي افزايش 30 درصدي در ويسکوزيته را براي سوسپانسيون سه درصد حجمي گزارش کرد که در مقايسه با نتيجه پک‌رچو [35] سه برابر بيشتر به نظر مي‌رسد که نشان‌دهنده وابستگي ويکسوزيته به روش تهيه نانوسيال است. ژوان‌ولي [32] ضريب اصطکاک را براي نانوسيال حاوي يک تا دو درصد ذرات مس به دست آورد و نشان دادکه اين ضريب تقريباً مشابه سيال پايه آب است. ايستمن [36] نشان داد که ضريب انتقال حرارت جابه‌جايي اجباري سوسپانسيون 9/0 درصد حجمي از نانوذرات اکسيد مس، 15 درصد بيشتر از سيال پايه است.

شکل 2. ارتباط هدايت الکتريکي با جزء حجمي نانو ذرات، بر اساس تئوري ميانگين متوسط براي نانو ذرات بسيار هادي (خط چين پايين) و مدل کلوخه هاي متراکم

شکل 3. تصاوير SEM از نانو لوله هاي کربني تک ديواره (a) و چند ديواره (b) مورد استفاده در سوسپانسيون ها و کامپوزيت ها.

شکل 4. پيش بيني هدايت حرارتي کامپوزيت ها ( نرمال شده بر اساس هدايت ماتريکس) به عنوان تابعي از جزء حجمي پر کننده. مربع توپر: ذرات با توزيع مناسب، دايره: خوشه هاي ذرات متراکم ( با 60 درصد حجمي) و مربع: خوشه هاي با تراکم کمتر ( با 40 درصد حجمي از نانو ذرات).

ژوان ولي [32] ضريب انتقال حرارت جابه‌جايي اجباري در جريان آشفته را نيز اندازه گرفتند و نشان دادند که مقدار کمي از نانوذرات مس در آب ديونيزه شده، ضريب انتقال حرارت را به صورت قابل توجهي افزايش مي‌دهد، به طور مثال افزودن دو درصد حجمي از نانوذرات مس به آب، حدود 39 درصد انتقال حرارت آن را افزايش مي‌دهد. در حالي که در تناقض با نتايج بالا، پک‌وچو [35] کاهش 12درصدي ضريب انتقال حرارت را در سوسپانسيون حاوي سه درصد حجمي از آلومينا و تيتانا در همان شرايط مشاهده کردند. پوترا [28] با کار روي جابجائي آزاد، بر خلاف هدايت و جابه‌جايي اجباري، کاهش انتقال حرارت را مشاهده کرد. داس با [17] انجام آزمايش‌هاي جوشش روي آلومينا- آب نشان داد که با افزايش درصد حجمي نانوذرات، بازدهي جوشش نسبت به سيال پايه کم مي‌شود. وي اين کاهش را به تغيير خواص سطحي بويلر به علت ته‌نشيني نانوذرات روي سطح ناهموار آن نسبت داد، نه به تغيير خواص سيال. يو [6] با اندازه‌گيري فلاکس حرارتي بحراني براي جوشش روي سطوح تخت و مربعي مس که در نانوسيال آب- آلومينا غوطه‌ور بودند، نشان داد که فلاکس حرارتي اين سيالات سه برابر آب است و اندازه متوسط حباب، افزايش و فرکانس توليد آنها کاهش مي‌يابد. اين نتايج را واسالو [7] نيز تأييد کرد. وي روي نانوسيال آب - سيليکا‌ کار مي‌کرد و افزايش فلاکس حرارت بحراني را براي غلظت‌هاي کمتر از يک‌هزارم درصد حجمي گزارش کرد. هنوز مدلي براي پيش‌بيني اين افزايش‌ها و فاکتورهاي مؤثر بر آن وجود ندارد.

5. هدايت حرارتي نانوسيال
هدايت حرارتي نانوسيال بيشترين مطالعات را به خود اختصاص داده است. اين مقاله نيز به هدايت حرارتي در سيال ساکن پرداخته است. از آنجا که نانوسيال جزو مواد مرکب و کامپوزيتي محسوب مي‌شود، هدايت حرارتي آن به وسيله تئوري متوسط مؤثر به دست مي‌آيد که به وسيله موسوتي، کلازيوس، ماکسول و لورانزا در قرن 19 به دست آمد [37 و38].
اگر از تأثيرات سطح مشترک نانوذرات کروي صرف‌نظر شود، در مقادير بسيار اندک نانوذرات [ f = جزء حجمي نانوذرات] همه مدل‌هاي منتج از تئوري متوسط مؤثر، حل يکساني دارند. در مواردي که نانوذرات داراي هدايت حرارتي بالايي باشد پيش‌بيني مي‌شود که افزايش هدايت حرارتي نانوسيال3× f خواهد شد که اين پيش‌بيني، تخمين خوبي براي مواردي است که هدايت ذرات، بيشتر از 20 برابر هدايت حرارتي سيال باشد [39]. همان‌طور که در شکل (2) نشان داده شده بسياري از تحقيقات تطابق خوبي با اين پيش‌بيني دارد، از جمله مي‌توان به تحقيقات زير اشاره کرد: نانوسيال کاربيد سيليکون با اندازه 26 نانومتر و نانوسيال آلومينا- آب و آلومينا- اتيلن گليکول [10].
مقاومت سطح مشترک نانوذرت و سيال اطراف آن پيش‌بيني اين تئوري را کاهش مي‌دهد؛ البته هر چه ذرات ريزتر باشند اين مقاومت کاهش پيدا مي‌کند. در غلظت‌هاي بالاي نانوذر‌ات [شکل 1. وسط] اگر توده‌هاي نانوذره کوچک باشد، تئوري متوسط مؤثر خوب جواب مي‌دهد؛ زيرا توده نانوذرات فضاي بيشتري نسبت به نانوذر‌ات منفرد اشغال مي‌کند و بنابراين جزء حجمي توده بيشتر از نانوذرات منفرد است. [40] در توده‌هاي متراکم نانوذرات، دانسيته نسبي تقريباً 0 6 درصد است و در مواردي که توده‌‌ها از نظر وضعيت ساختماني بازتر باشد، افزايش بيشتري را مشاهده مي‌کنيم [ شکل 4] که نتايج آزمايشي نيز همين را نشان مي‌دهد [20]؛ البته هدايت حرارتي نانوذرات توده‌اي، کوچک‌تر از ذر‌ات منفرد است؛ البته عامل مهمي در مقابل هدايت حرارتي بالاي نانوذرات نيست.

6. چشم‌انداز
در ده سال گذشته، خواص جالبي براي نانوسيالات گزارش شده است که در اين ميان، هدايت حرارتي بيشترين توجه را به خود جلب کرده است؛ ولي اخيراً خواص حرارتي ديگري نيز مورد پژوهش قرار گرفته است.
نانوسيالات را مي‌توان در زمينه‌هاي مختلفي به کاربرد، اما اين کار با موانعي روبه‌رو است، از جمله اينکه درباره نانوسيال چند نکته بايد بيشتر مورد توجه قرار گيرد:
• تطابق نداشتن نتايج تجربي در آزمايشگاه‌هاي مختلف؛
• ضعف در تعيين مشخصات سوسپانسيون نانوذرات؛
• نبود مدل‌ها و تئوري‌هاي مناسب براي بررسي تغيير خواص نانوسيال.

اشاره‌اي به کاربردهاي فناوري نانو در صنعت خودرو

امروزه فناوري نانو در بخش‌هاي مختلفي از صنعت خودروسازي وارد شده است که غفلت از آن باعث عقب‌ماندگي کشور در صنعت خودروسازي مي‌گردد. اين فناوري عامل بسيار مهمي در توليد خودروهاي کم مصرف‌تر و مرغوب‌تر خواهد بود.
پس بجاست که مديران صنعت خودروسازي کشور تلاش مجدانه‌اي در جهت دستيابي و توسعه اين فناوري در صنعت خودروسازي کشور نمايند و با تلاش دو چندان در پي تجاري سازي آن باشند. صنايع خودروسازي در کنار صنايع ديگر از يک سو نگرشي به کاهش هزينه‌ها دارد و از سوي ديگر در پي تلاش براي استفاده از فناوري‌هاي نوين درکنار ملاحظات زيست‌محيطي مي باشد.
از عوامل کليدي در صنعت خودرو مي‌توان به موارد زير اشاره کرد:

کاهش آلايندگي و مصرف سوخت
بازيافت
ايمني
بهبود عملکرد و ا فزايش کارايي موتور
زيبايي گرايي

کاربردهاي آتي در صنعت خودرو
فروش بيش از 55 ميليون خودرو در سرتاسر جهان در سال 2002 صنعت خودرو را به يک بازار اقتصادي بزرگ و صنعت بسيار جذاب تبديل کرده است. از اين فناوري بيشتر براي بهبود استحکام، کاهش وزن، توليد مواد با سختي بالا (نانوکامپوزيت‌ها)، استفاده بيشتر از انرژي (پيل‌هاي سوختي) و نانوکاتاليست‌هاي جديد (کنترل آلايندگي) استفاده مي‌شود.
توليد کنندگان خودرو به دنبال راه‌هاي استفاده از فناوري نانو به عنوان ابزاري براي کاهش هزينه‌ها و بهبود عملکرد اجزاء خودرو در کنار راحتي و ايمني هستند.
در همين رابطه يک شرکت بزرگ که در سال‌هاي 1989، 1990 و 1995 تجربيات موفقي در مطالعه روي فناوري ميکروسيستم‌ها، ميکروالکترونيک، صنايع خودرو و صنايع هواپيمائي داشته، در ادامه مطالعات خود به کمک 70 خودروساز معتبر دنيا از جمله مرسدس بنز، BMW ، فراري، ولوو، پورشه، پژو، جنرال موتورز، فورد و ... آمده و مطالعاتي را روي فناوري نانو و فناوري‌هاي مرتبط با آن جهت استفاده در اين صنايع انجام داده است.
هدف از انجام اين مطالعات، بررسي بازار سراسري کارخانه‌ها، ارگانها، شاخه‌ها، محصولات و تحقق و توسعه آنهاست. مطالعات نشان دهنده حجم معاملات و برگشت پذيري آن در زمينه‌هاي توليد زنجيره ارزش کارخانجات و موفقيت آنها در کنار استراتژي فرصت‌ها و ريسک‌پذيري آنها براي سالهاي آينده مي‌باشد. همچنين در اين مطالعات، به شکل جداگانه، بازار اين گونه محصولات در کشورهاي آمريکا، ژاپن، آلمان، چين و ديگر کشورهاي اروپايي و آسيايي مورد بررسي قرار گرفته است.
بازارهاي بخش‌هاي فناوري نانو در صنعت خودرو مطابق تحقيقات انجام شده، بصورت ذيل مي‌باشد:

توليد و ذخيره انرژي
- پيل‌هاي سوختي
- پيل‌هاي خورشيدي
- کاتاليزورهاي گازوئيلي و بنزيني
- ذخيره‌سازي انرژي
مواد نانوساختار – نانوکامپوزيت‌ - نانوذرات
- نانوساختارهاي سبک وزن
- مواد مقاوم در برابر آتش و حرارت
- افزايش استحکام و بهبود پايداري
- رنگ‌ها و پوشش‌هاي نانوساختار و هوشمند
- خود تميز شونده‌ها
- مقاومت به خراش
- عملکرد نوري پوشش‌ها
- مواد قابل برنامه‌ريزي
حسگرها و نمايشگرهاي دقيق
- نمايشگرهاي حرکت
- نمايشگرهاي فشار
- نمايشگرهاي شيب
- سيستم‌هاي بيومتريک
- حسگرهاي جوي
نانوالکترونيک
- مديريت هوشمند موتور
- سيستم روشنايي
- الکترونيک در دماي بالا
- کنترل امنيت
- باطري‌هاي با طول عمر طولاني
مواد و پوشش‌ها
- پوشش‌هاي نانوکامپوزيتي با اصطکاک پائين‌
- پوشش‌هاي نانوکامپوزيتي مقاوم به سايش
- پوشش‌هاي مقاوم به حرارت
کاربردهاي زيستي
- تجهيزات بهداشتي
- سيستم‌هاي امداد
- طراحي زيستي
توليد
- اندازه‌گيري و کنترل
- اداوات، ابزار و ماشين‌ها
- اتوماسيون
محيط زيست
- فناوري زيست محيطي
- بازيافت
- سوخت
ابزارهاي نانو و فناوري‌هاي متقارب در صنعت خودرو
- فناوري بر اساس نانولوله‌هاي کربني
- مدل سازي و شبيه‌سازي
- نانوحسگرها و محرک‌ها
- اسپينترونيک و نانومغناطيس

تاثير فناوري نانو بر معادلات انرژي (بخش اول)

شركت Nano Markets، بر اين اعتقاد است كه هم اكنون فناوري‌نانو تمام فناوري‌هاي انرژي كنوني را تحت تأثير قرار داده و تغيير شگرفي در تصور ما از دنياي انرژي ايجاد خواهد كرد. براي آنها كه به منابع انرژي قابل اطمينان دسترسي ندارند، راه حل‌هاي جديد مهندسي نانو كمك شاياني است تا كيفيت زندگي آنان را بهبود بخشد. فناوري‌نانو براي آنها كه از ناكارآمدي ذخيره، توليد و تبديل انرژي رنج مي‌برند منابع انرژي جديدي فراهم آورده و علاوه بر آن، هزينه توليد هر كيلووات انرژي را هم كاهش داده و يا حداقل به بهبود كيفيت توليد آن كمك خواهد كرد.
براي سرمايه گذاراني كه به بازار انرژي‌هاي جايگزين علاقه دارند، فناوري نانو گزينه مناسبي است و فرصت‌هايي را براي آنها ايجاد مي‌كند. البته در اين زمينه خطرپذيري‌هايي كه در بازار تمام فناوري‌هاي نوظهور بايد متحمل شد را نبايد از نظر دور داشت.
در اين گزارش به مرور راه‌هاي مختلف تأثير فناوري ‌نانو بر صنعت (راه‌هاي کنوني و آينده) مي‌پردازيم.
سوخت‌هاي فسيلي و نانوكاتاليزورها
علي‌رغم تمام جنجال‌هايي كه در مورد منابع انرژي جايگزين وجود دارد، بايد گفت در واقع هيچ كس قاطعانه در مورد اينكه به زودي وابستگي ما به انرژي‌هاي فسيلي قطع خواهد شد قاطعانه اظهار نظري نكرده است؛ اما در عين حال اين حرف به معناي آن نيست كه ميزان وابستگي فعلي دنيا به نفت اوپك هم همچنان در همين سطح باقي بماند. ضمن آنكه هنوز منابع گاز طبيعي و حتي زغال سنگ فراواني پيرامون ما وجود دارد.
همان طور كه مي‌دانيم از دهه 1920 به اين طرف با استفاده از روش فيشر - تروپس (Fischer Tropsch) امكان توليد سوخت‌هاي هيدروكربني مايع چه از زغال سنگ و چه از گاز فراهم شده بود اما با بالا رفتن قيمت نفت، نوع تميزي از اين سوخت ديزلي( گازوئيل) به طور تجاري توليد شد و اخيراً چنين با استفاده از نانو‌فناوري گام‌هايي در اين زمينه برداشته است. انتظار مي‌رود پروژة 2 ميليارد دلاري مايع سازي ذغال سنگ شنهوان(Shenhuan) كه ازفناوري ‌نانوكاتاليزوري آمريكا استفاده مي‌كند بتوانند به عنوان يك روش اقتصادي قابل رقابت با ديگر روش‌ها در توليد سوخت مطرح شود.
تأثير كليدي فناوري ‌نانو در اين بخش از انرژي، بهبود كارآمدي واكنش‌ها و كنترل فرآيندها به شيوه نانوساختارسازي مي‌باشد. به اين ترتيب به ازاي يك حجم معين، سطح بيشتري در معرض كاتاليزوري كه روي آن ريخته شده قرار مي‌گيرد در نتيجه باعث افزايش سرعت واكنش‌ها مي‌گردد. البته اين كار به اين سادگي هم نيست و لازم است مواد واكنش گر با سرعت مناسب، خود را به سايت‌هاي کاتاليزوري برسانند. انجام اين كار متضمن آن است كه ساختارهاي ما داراي تركيبي از مقياس‌ها باشد. اما ايجاد چنين ساختارهاي بزرگ و مجتمعي آن هم به شيوه از پايين به بالا (bottom up) كاري است كه تنها در حوزة‌ فناوري نانو قابل انجام است.
سيستم‌هاي احتراقي پيشرفته و پيل‌هاي سوختي
اخيراً پيشرفت‌هاي بسياري از ساخت و توسعه ميني‌توربين‌ها (mini- turbines) با استفاده از همان اصول و قوانين نيروگاه‌هاي بزرگ در مقياس كوچك‌تر مشاهده شده است؛ لذا تأثير فناوري نانو بر چنين فناوري جا افتاده‌اي يك تأثير متحول كننده نخواهد بود اما قطعاً كاربردهايي از فلزها، سراميك‌ها و كامپوزيت‌هاي نانوبلوري را در اين زمينه مي‌توان يافت كه موجب بهبود پارامترهايي از جمله زمان عمر قطعات خواهند شد.
اين سيستم‌ها مستقيماً با پيل‌هاي سوختي بزرگ‌تر براي استفاده‌هاي صنعتي كوچك مقياس (Smal Scale) رقابت مي‌كند. به طور كلي مي‌توان گفت پيل‌هاي سوختي از چند طريق تحت تأثير فناوري نانو قرار دارند. به عنوان مثال استفاده از فولرين در اين پيل‌ها جايگزين پليمرهاي بزرگي شده است كه در غشاهاي الكتروليتي به كار مي‌روند و به اين ترتيب امكان كار پيل سوختي حتي در دماهاي پايين تر هم فراهم شده‌است . همچنين از فولرين‌ها در غشاهاي مبادله پروتون(Proton exchange membrane) براي كمك به حركت پروتون ها استفاده مي‌شود. از کربن نانوحفره‌اي هم مي‌توان در الكترودها استفاده نمود. كه در سال‌هاي اخير شکل‌هاي جديدي از آن ساخته شده است. كاتاليزورهايي كه داراي نانوذرات هستند نيز يكي ديگر از كاربردهاي نانو در زمينه پيل‌هاي سوختي است كه از آن در جداسازي الكترون/پروتون استفاده مي‌شود.
ضمناً گفتني است كه كاربرد BuckyPaper به صورت مادة الكترودي تركيبي (Combined) و پاية كاتاليزور (Catalyst Support) بسيار موفقيت‌آميز بوده و اين در حالي است كه نانوحسگرها هم جاي خود را در زمينة آشكار سازي هيدروژن در پيل‌هاي سوختي به دست آورده‌اند. در واقع بايد گفت بعد از سال‌ها كه تغييرات قابل توجهي در زمينة پيل‌هاي سوختي وجود نداشت، فناوري نانو را مي‌توان از عوامل عمدة پيشرفت‌هاي اخير در اين زمينه دانست.
انرژي خورشيدي
امروزه انرژي خورشيدي كه داراي ابداعات جديد فناوري‌نانو مي‌باشد نيز همچون پيل‌هاي سوختي بسيار مورد توجه است. اما مشكلي كه تاكنون درباره توسعه انرژي خورشيدي علي‌رغم بازگشت سرمايه طولاني مدت آن وجود داشته، هزينه اوليه بالاي آن مي‌باشد كه بسياري را از اين كار باز داشته است. از سوي ديگر و بالعكس سيستم‌هاي فوتوولتاتيك (Photovoltaic) طي سال‌هاي اخير شاهد توسعه‌اي سريع، هم در زمينه بهبود كارآمد واقع شدن و هم در راستاي كاهش هزينه‌هاي مربوط به آن بوده است.
تا مدتها بازده كار آن هم در محيط آزمايشگاه چيزي در حد 30 درصد بود اما با بهره‌گيري از طول موج‌هاي چند گانه دانشمندان موفق به افزايش اين رقم تا 50 درصد شدند. در اين زمينه روش‌هاي متعدد جديدي كه از نانوساختارهاي مختلف استفاده مي‌كنند نويدبخش توليد پانل‌هاي خورشيدي (Solar Panels) ارزان مي‌باشد، اگر چه كه بازدهي اين پانلها در حد 5 درصد ثابت است. به اين منظور استفاده از روش‌هاي لوله‌اي (roll Processes) و حتي رنگ‌آميزي موادي كه روي ديوار بلوك‌هاي اداري واقعند مورد بحث قرار گرفته است. جالب اينكه حتي برخي پيش بيني كرده‌اند كه موادي با بازده بهتر از انواع پيل‌هاي سيليكوني امروزي توليد شود هزينة آن كه يک دهم تا يک بيستم قيمت اوليه اين قبيل پيل‌ها مي‌باشد.
چنين تلاش‌هايي در صورت وقوع، متحول کننده خواهند بود؛ چرا كه اقتصاد به تنهايي دچار جهش و رشد سريع در بسياري از نقاط جهان مي‌شود. در عين حال با در نظر داشتن دوام و طول عمر محصول بايد به ارزيابي صحيح هزينه‌ها پرداخت و اين كه يكي از ضعف‌هاي برخي از مواد جديد است.
ممكن است اين سؤال مطرح شود كه چرا بايد تصور ايجاد تحول در انرژي خورشيدي پس از سال‌ها ركورد نسبي بايد تصور كرد؟ پاسخ اين سؤال را مي‌توان در تنوع پيشرفت‌هاي ايجاد شده در فناوري‌هايي دانست كه در اين زمينه تأثيرگذار بوده و همان طوري كه شروع اوليه و توسعه پيل‌هاي سوختي را باعث شده در مورد انرژي خورشيدي هم چنين خواهد بود.
پيشرفت‌هاي اساسي ايجاد شده تاكنون در زمينه نانوساختارهاي نيمه هادي و مواد هادي الکترون كه داراي بازده بيشتر بوده‌اند، مي‌باشد كه از جمله آنها مي‌توان مواد فولريني را نام برد.
كاربرد اين مواد و نقش آنها در زمينه انرژي خورشيدي همانند كاربردشان در پيل‌هاي سوختي است به اين ترتيب كه قبل از تركيب شدن خود به خودي و بي‌فايده الكترون‌ها با حفره‌هايي كه در مسيرشان وجود دارد، آنها را از محل توليدشان دور مي‌كند.
انرژي باد، زيست توده و زمين گرمايي
براي منابع انرژي جايگزين متعدد ديگري نيز وجود دارد كه به کمک فناوري نانو استفاده از آنها بسيار عملي تر و معقول‌تر خواهد بود كه از آن جمله مي‌توان انرژي باد زيست توده (biomass) و زمين گرمايي (geothermal) اشاره كرد.
گرچه استفاده از انرژي باد يكي از قديمي‌ترين راه‌هاي توليد انرژي است اما اخيراً استفاده از دستگاه‌هاي بادي مولد برق در بسياري از كشورها و با بهبود وضعيت اقتصادي آنها رشد قابل ملاحظه‌اي داشته است . در عين حال مقدار انرژي كه يك كشور به آن نياز دارد و مي‌تواند آن را توليد كند محدود است كه اين امر به ويژه براي كشورهاي فاقد سواحل آبي گسترده به منظور ايجاد نيروگاه‌هاي برق آبي حائز اهميت بوده و مي‌توانند مقدار زيادي از زمين‌هاي دور از ساحل را به اين كار اختصاص دهند.
ممكن است به نظر عجيب برسد كه چگونه فناوري نانو كه فناوري مدرن و جديدي است مي‌تواند چيزي به قدمت نيروگاه‌هاي بادي را تحت تأثير قرار دهد؟ پاسخ اين سؤال در مواد مورد استفاده نهفته است . همان طور كه مي‌دانيم توان يك توربين بادي متناسب با مربع طول تيغة آن افزايش مي‌يابد در حال حاضر از پيشرفته‌ترين كامپوزيت‌هاي فيبركربني در اين تيغه ها استفاده مي‌شود اما در صورت استفاده از كامپوزيت هايي از نوع نانولوله‌هاي كربني در آنها، نسبت توان به وزن آنها تا چند برابر افزايش مي‌يابد.
از ديگر انرژي‌هاي جايگزين، زيست توده است كه توجه فزاينده‌اي را به خود جلب كرده است و فناوري‌نانو بر آن تأثيري همانند تأثيري است كه بر سوخت‌هاي فسيلي داشته است، مي‌گذارد؛ يعني كاتاليزورهاي بهبود يافته و جدا سازي گاز. همچنين در اين زمينه جزئيات بسياري وجود دارد كه به فناوري پيل‌هاي سوختي مربوط مي‌شود.
در اين بين، انرژي زمين گرمايي توجه كمتري را به خود جلب كرده است و بسياري آن را تنها به بخش‌هاي معيني از دنيا چون جزاير يخي محدود مي‌دانند. اما در واقع بايد گفت اين انرژي تقريباً يكي از ذخاير نامحدود انرژي به شمار مي‌آيد كه هر كجا باشيد زير پايتان قرار دارد.البته تعريفي اين گونه از اين انرژي را در حال حاضر مي‌تواند در كتاب‌هاي زمين شناسي يافت . زيرا براي رسيدن به عمق مناسب و لازم جهت استفاده از گرماي دروني زمين، فناوري حفاري موجود بايد بهبود يافته و يا اينكه ما به توان لازم جهت استفاده از گرماي زمين در سطوح بالاتر زمين دست يابيم.
از سراميك‌ها و نانوبلورهاي فلزي، مواد جديدي در دست تهيه است كه مي‌توان از آنها در فناوري حفاري استفاده نمود. اما جالب ترين پيشرفتي كه در اين زمينه رخ داده استفاده از روش تونل زني ترموالكتريكي براي توليد الكتريسيته از گرماي سطوح بالايي زمين است. هم اكنون چندين شركت براي بهره‌وري از اين فناوري ايجاد شده كه اساس آنها بر استفاده از نانولايه‌هاي عايق الكتريسيته با ابعاد بسيار دقيق و كنترل شده مي‌باشد.
بازارهايي كه اين شركت‌ها در نظر دارند موارد بسيار عادي‌تر از بازار مربوط به انرژي زمين گرمايي در مقياس بزرگ مي‌باشد. از جمله اهداف اين شركت‌ها بهره‌وري از گرماي خروجي از اگزوز موتور خودروها براي توليد الكترسيته (و افزايش بازده) است ضمن آنكه از همين فناوري و مشابه آن مي‌توان در بهره‌وري از گرمايي كه در محيط‌هاي توليد سنتي به هدر مي‌رود نيز استفاده نمود.

استفاده از نانورس ها در پزشكي و داروسازي

نانورس‌ها کاني‌هايي هستند که حداقل يکي از ابعاد آنها در حد نانومتر باشد. اين مواد به‌دليل ارزاني و در دسترس بودن ، توجه زيادي در زمينه فناوري‌نانو به خود جلب كرده‌اند، همچنين اندازه کوچک اين مواد آنها را قادر ساخته تا بتوانند با مواد ديگر که در اين زمينه وجود دارند، رقابت کنند. نانورس‌ها سطح ويژه‌اي در حدود 750 مترمربع بر گرم دارند. غالباً براي اصلاح خواص مکانيکي مواد پليمري،‌آنها را با پرکننده‌ها تقويت مي‌كنند. خالص بودن و ظرفيت تبادل کاتيوني، دو خصوصيت مهم براي موفقيت نانورس‌ها ـ به‌عنوان عامل استحکام در پليمر‌هاـ به شمار مي‌رود. خالص بودن رس خصوصيات مکانيکي پليمر را افزايش مي‌دهد كه اين به افزايش تبادل کاتيوني رس در ترکيب شدن رس با پليمر کمک مي‌کند. رس‌ها موادي ارزان هستند که مي‌توان با تغيير يون‌ها، اشباع کردنشان با عناصر فلزي و تيمار کردنشان با اسيدها، آنها را به کاتاليزور مناسب تبديل کرد.

روش هاي مختلف اختلاط نانوذرات و تحليل كيفي و كمي درجه اختلاط

با توجه به خواص فوق‌العاده نانوذرات در بهبود عملکرد مواد و پوشش‌هاي جديد، احتمال استفاده همزمان از دو يا چند نانوذره در نانوکامپوزيت‌ها وجود دارد. در اين مقاله روش‌هاي مختلف اختلاط دو نانوذره مورد شرح و بررسي واقع شده‌است. روش اختلاط تَر توأم با تلاطم اولتراسونيک، روش‌هاي مختلف خشک و روش انبساط ناگهاني مخلوط‌هاي فوق بحراني(RESS) از روش‌هاي مرسوم جهت اختلاط نانوذرات هستند که هر کدام سازوكار متفاوتي براي شکستن آگلومريت‌هاي نانوذرات و اختلاط آنها در يکديگر دارند. تحليل درجه اختلاط نانوذرات در دستيابي به اختلاط مناسب آنها نيز از اهميت بسزايي برخوردار است. به‌منظور تحليل کيفي درجه اختلاط معمولاً از آزمايش‌هاي مختلف ميکروسکوپي استفاده مي‌شود، از روش(EDS) هم در تحليل آماري و کمي اختلاط نانوذرات در مقياس ميکروني استفاده مي‌گردد.

تاثير خصوصيات محلول پليمري بر ويژگي هاي نانو الياف توليد شده به روش الكتروريسي

الکتروريسي يکي از روشهاي توليد الياف در مقياس نانومتر مي‌باشد. از آنجايي که ظرافت بسيار زياد ‏نانو الياف کاربردهاي فراواني براي آنها ايجاد نموده‌است، در سالهاي اخير توجه زيادي به روش توليد، مورفولوژي و ‏خصوصيات آنها شده‌است. در اين مقاله سعي شده‌است به معرفي و چگونگي تأثير عوامل مربوط به محلول پليمري بر ‏مورفولوژي و خصوصيات نانو الياف توليدي پرداخته شود. نتايج نشان داده‌اند که پنج عامل وزن مولکولي پليمر، غلظت، ‏ويسکوزيته، کشش سطحي و هدايت الکتريکي محلول در تعيين قطرالياف، يکنواختي توزيع قطرالياف، شکل سطح ‏مقطع الياف و مورفولوژي دانه‌هاي پليمري ايجاد شده نقش مهمي را ايفاء مي‌کنند.

نقشه راه فناوري نانو کميسيون اروپا: انرژي

در اين گزارش خلاصه‌اي از نتايج کارهاي انجام شده در زمينه ترسيم نقشه راه چهار بخش انرژي يعني پيل‌هاي خورشيدي، الکتريسيته گرمايي، باتري‌هاي قابل شارژ و ابرخازن ها، عايق‌کاري گرمايي و رسانش ارائه گرديده است. دراين نقشه‌هاي راه پيش‌بيني متمرکزتري از کاربردهاي بازاري فناوري نانو طي ده سال آينده داشته و به فناوري‌ها و فرآيندهاي کليدي که لازم است اتحاديه اروپا براي دستيابي به چنين ظرفيت‌هايي که در آن سرمايه‌گذاري نمايد، اشاره خواهد داشت. اين نقشه‌هاي راه دنباله گزارش وسيع مربوط به بخش انرژي هستند که اکتبر سال ۲۰۰۴ منتشر شد. حوزه‌هاي انتخابي در اين نقشه راه پس از يک سري مشورت‌هاي اوليه با متخصصان بين‌المللي (در اولين کنفرانس نقشه راه نانو در نوامبر ۲۰۰۴ رم/ايتاليا و مشورت با کميسيون اروپا تعيين شده است.

فعاليت کاتاليستي نانوذرات طلا و کاربردهاي آن

طلا در ابعاد ماکروسکوپي، فلزي زردرنگ و درخشنده ‌است و يکي از بي‌اثرترين فلزات شناخته‌شده محسوب مي‌شود؛ اما هنگامي که ابعاد ذرات طلا به کمتر از سه تا پنج نانومتر تقليل داده شود در بسياري از واکنش‌هاي شيميايي مي‌توان از آن به‌عنوان کاتاليست استفاده کرد. خصوصيت نادر نانوذرات طلا، فعاليت آنها در دماهاي پايين(دماي محيط و حتي پايين‌تر) است که اين مزيت آنها باعث کاهش قابل توجه هزينه‌هاي عملياتي واحدهاي شيميايي مي‌شود و انتخاب‌پذيري واکنش را نيز بالا مي‌برد، همچنين در بحث کنترل آلودگي؛ از قبيل پاک‌سازي هوا، ماسک‌هاي تنفسي، ‌و خالص‌سازي خط هيدروژن فرايند توليد پيل‌هاي سوختي مورد استفاده قرار مي‌گيرد. هدف اصلي اين مقاله بررسي فعاليت کاتاليستي نانوذرات طلا و کاربردهاي آن است.

مروري بر كاربردهاي فناوري‌نانو در صنعت ساخت‌ و ‌ساز‌

پيشرفت‌هاي اخير در زمينه مواد و فرايندها، همچنين دست‌کاري آنها در مقياس نانو چشم‌اندازي از توليد مواد در اندازه ماکرو و محصولات جديد را پيش روي ما قرار داده‌است و فناوري‌نانو تا‌کنون به حوزه‌ برخي مواد ساختماني از جمله بتن، فولاد و شيشه وارد شده‌است و به همين دليل صنعت ساخت و ساز به‌نوبه خود يکي از ذي‌نفعان‌ فناوري‌نانو به ‌شمار مي‌رود. براي نمونه از برخي دستاوردهايي که تاکنون کسب شده‌اند، مي‌توان به بتن تقويت‌شده با استفاده از فناوري‌نانو که قوي‌تر و بادوام‌تر از بتن‌هاي معمولي بوده و آسان‌تر هم جايگذاري مي‌شود، فولادي با دوام بيشتر و در نهايت شيشه‌هاي خود تميزكننده، اشاره نمود. پيش‌بيني محققان حاکي از اين است که در خلال پنج سال آينده پيشرفت‌هاي بسياري در اين زمينه پديدار خواهد شد و فناوري‌نانو، دست‌يابي به پيشرفت‌هاي فوق‌العاده‌اي را فراسوي فناوري‌هاي معمولي، امکان‌پذير خواهد نمود.

گسترش مرزهاي حرارتي با نانوساختارها

دانشمندان و مهندسان مي‌توانند از نانوساختارها براي انتقال گرما در جامدات استفاده كنند. اين کار به‌دليل وجود حامل‌هاي گرمايي برجسته در غيرفلزات- ارتعاشات بلوري (فونون‌ها) – با طول مشخصة در محدوده نانومتري است. در اين مقاله به بررسي مواردي مي‌پردازيم که در آنها از اين روش استفاده شده‌است. به عنوان نمونه مفاهيمي مانند فيلترينگ فونوني، پراکندگي همبسته (Correlated Scattering) و موج‌بري (waveguiding) مي‌توانند محدوده هدايت گرمايي در رساناها و عايق‌ها را به طور قابل توجهي گسترش دهد. اين مفاهيم تأثيرات گسترده‌اي بر ذخيره و تبديل انرژي، فناوري اطلاعات و سيستم‌هاي کنترل گرمايي خواهد داشت

ردگيري ويروس‌ها با نانولوله‌هاي كربني

محققان با عامل‌دارکردن نانولوله‌هاي کربني، حسگرهاي زيستي سريعي براي رديابي ويروس‌ها ساخته‌اند. اين محققان يک سيستم شامل پروتئين– پذيرنده– ليگاند حياتي را به‌صورت کوالانسي روي نانولوله‌هاي کربني تک‌جدارة دسته‌اي و منفرد تثبيت کرده‌اند.
اين عامل‌دار کردن باعث مي‌شود که ويروس‌هاي ويژه‌اي با اين ساختار پيوند دهند و نانولوله‌هاي کربني تک‌جداره داراي عملکردي زيستي شوند.

تصاوير نوري(بالا) و فلورسانسي(پايين) از نانولوله‌هاي کربني تک‌جداره که در هوا اکسيد شده و با پروتئين CAR که ويروس Ad 12 Knob (که داراي برچسب فلورسانتي است) را هدف گرفته‌است، عامل‌دار شده‌اند. ميله مقياس 5/2 ميکرون است.

شبيه‌سازي ديناميک مولکولي از پروتئين CAR که به صورت کوالانسي به نانولوله کربني متصل شده‌است.

به علاوه طبيعت کوالانسي اين عامل‌دار کردن بدين معني است که پروتئين‌هاي پذيرنده با ساختار، پيوند محکمي برقرار کرده، روي سطح نانولوله کربني تثبيت مي‌شوند.
استنيسلاوس وانگ، از دانشگاه ايالتي نيويورک در استوني بروک، دراين باره گفت: «استحکام و دوام بسيار اهميت دارند. باقي ماندن فعاليت زيستي در يک دوره طولاني از زمان، يکي از چالش‌هاي اصلي در اين زمينه است».
گروه تحقيقاتي وي براي اطمينان از اين اثر، مجموعه‌اي از ترانزيستورهاي اثر ميداني مبتني بر اين ساختارهاي عامل‌دارشده را ساخت و آنها را در معرض يک آدنوويروس(adenovirus) مکمل معروف به ويروس Ad 12 Knob قرار داد. آدنوويروس يکي از زيردسته‌هاي ويروس‌ها هستند که باعث عفونت‌هايي از قبيل سرماخوردگي معمولي و ديگر بيماري‌هاي مزمن مرتبط با مجراهاي روده‌اي و تنفسي فوقاني، مي‌شوند.
اين پروتئينِ هدف با FET جذب شد و در نتيجه اين جذب، مشخصات ولتاژ – جريان(I-V) اين افزاره تغيير کرد. در واقع تغييرات ولتاژ – جريان(I-V) اين افزاره در نتيجه جذب پروتئين هدف، يک روش ساده براي‌شناسايي اين ويروس است. هنگامي که اين افزاره در معرض پروتئين غير ويژه(غير مکمل) قرار گرفت، مشخصات ولتاژ – جريان(I-V) آن تغيير نکرد.
طبق گفته اين محققان، اين روش مي‌تواند براي ‌شناسايي حضور serotype 12 و ديگر آندنوويروس‌هايي که مي‌توانند با پروتئين CAR پيوند دهند، استفاده شود، همچنين به‌وسيله آن مي‌توان زير گروه ويروس‌هاي B Coxsackie را ‌شناسايي کرد. اين پروژه يک کار مشترک بين گروه‌هاي تحقيقاتي در دانشگاه ايالتي نيويورک در استوني بروک، آزمايشگاه ملي بروکهاون و دانشگاه پنسيلوانيا بود.
نتايج اين تحقيق در مجله Nano Letters منتشر شده‌است.

تركيب طب گياهي و فناوري نانو (86/10/28 )

طبق تحقيقات محققان دانشگاه روتگرز، با كپسوله كردن رنگ‌دانه معدني موجود در زردچوبه -موسوم به کورکومين- در نانوامولسيون‌ها مي‌تواند خواص طبي اين ماده را بهبود بخشيد
كركومين در آب حل نمي‌شود، لذا بخش عمده‌اي از آن از بدن دفع مي‌شود و مقدار باقيمانده هم به سرعت در روده دچار تحول مي‌شود.

ساختار کورکومين

کپسوله کردن به طور فزاينده‌اي براي رهاسازي کنترل‌شدة اجزاي فعال زيستي، مواد معطر و خوشبو و داروها مورد استفاده قرار مي‌گيرد. در اين تحقيق جديد روي توان بالقوة مخلوط کردن فشار بالا و سرعت بالاي امولسيون‌هاي روغن در آب، براي حفاظت از کورکومين و افزايش مزاياي طبي آن مطالعه شده‌است.
در چند سال اخير کورکومين به‌شدت مورد توجه قرار گرفته و مطالعات زيادي روي آن انجام شده‌است، اين مطالعات بيشتر در زمينة توان بالقوة آن براي کاهش سطح کلسترول، بهبود سلامت رگ‌هاي قلبي و خواص ضد سرطاني آن بوده‌است.
محققان دانشگاه روتگرز با استفاده از تري آسيل گليسرول با زنجيرة متوسط(MCT) به‌عنوان روغن، و تويين 20 به‌عنوان امولسيون‌کننده، يک امولسيون تهيه کردند که شامل قطراتي در محدودة 5/79 تا 8/618 نانومتر، بود.
طبق اطلاعات موجود، عمدة کورکوميني که وارد بدن مي‌شود، دفع‌‌‌ شده و مقدار کمي از آن وارد جريان خون مي‌شود؛ اين به واسطه غير قابل حل‌بودن آن در آب، تحت شرايط خنثي يا اسيدي، مي‌باشد. به‌علاوه، اين رنگ‌دانه معدني داخل روده به‌سرعت دچار تغيير و تحول مي‌شود؛ بنابراين با پيدا کردن راهي براي حفاظت از کورکومين مي‌توان قابليت دسترسي زيستي آن را افزايش داد.
اين محققان گفتند: «اگرچه کورکومين تقريباً در آب غير قابل حل است؛ اما يك درصد از آن مي‌تواند به‌صورت موفقيت‌آميزي در امولسيون‌هاي روغن و آب كپسوله شود. در واقع اين امولسيون‌ها داراي ظرفيت بالايي براي حمل کورکومين هستند».
اين محققان با آزمايش بر روي موش‌ها، گزارش دادند که هنگام کپسوله ‌‌‌‌شدن يك درصد از کورکومين در امولسيون‌هاي روغن در آب با قطراتي در محدودة 5/79 تا 8/618 نانومتر، التهاب در گوش موش‌ها 43 تا 85 درصد کاهش يافت. اين دانشمندان گفتند: «در اينجا به اين نکته بايد اشاره کرد که اثرات هم‌نيروزادي اندازة قطره ‌امولسيون و حضور ليپيد در امولسيون است که باعث فعاليت بهينة ضد التهابي کورکومين مي‌شود».
همچنين آنها بيان کردند که ‌امولسيون‌هاي 5/79 نانومتري، نسبت به‌ امولسيون‌هاي 6/618 نانومتري، فعاليت ضد التهابي بيشتري از خود نشان دادند.
اين محققان گفتند که تکميل توزيع زيستي و اثرات دارويي کورکومين کپسوله‌شده‌ در نانوامولسيون‌ها، در حال انجام است. آنها تأييد کردند که اين زمينه فقط يکي از مطالعات در حال پيشرفت است. در واقع طبق گفته سازمان‌دهندگان کنفرانس فناوري‌نانو در صنايع غذايي و سلامت غذايي در آمستردام، کاربرد فناوري‌نانو و نانوذرات در صنايع غذايي به‌سرعت در حال پيشرفت است.
نتايج اين تحقيق با عنوان افزايش فعاليت ضد التهابي کورکومين با نانوامولسيون‌هاي آب و روغن در مجلة Food Chemistry منتشر شده‌است.

اين خبر در ماهنامه شماره 124 به چاپ رسيده است

به خدمت گرفتن نيروي اسپرم براي نانوروبات‌ها (86/10/28 )

محققان دانشگاه کرنل در تلاشند تا از همان انرژي که باعث حرکت اسپرم مي‌شود، براي تأمين نيروي نانوروبات‌ها و يا رساندن دارو‌ها و مواد شيميايي به اهداف خاصي در بدن استفاده نمايند. با تجزيه و تحليل تک تک مراحل اين روند زيستي که اسپرم از آن انرژي خود را تأمين مي‌نمايد، محققان در تلاشند تا همان روند را در ابزار‌هاي ساخت بشر نيز به خدمت گيرند.

يک اسپرم موش که انرژي لازم براي شنا با دم طويل خود را از ميتوکندري‌هاي واقع در قطعه مياني و نيز گليکوليز در قطعه اصلي تأمين مي‌نمايد. دانشمندان دانشگاه کرنل اين راهبرد را از قطعه اصلي اسپرم تقليد نموده‌اند تا انرژي لازم براي نانوموتور‌ها را فراهم آورند.

آلکس تراويس، دانشيار دانشکده دامپزشکي دانشگاه کرنل، گفت: «هدف ما از اين تحقيق يک محصول نهايي نيست!» شيناتسو موکايي، همکار اين طرح، گفت: «دليل ما بر كارايي اين روش، اين است که ما نشان داده‌ايم که دو آنزيم اول اين فرايند مي‌توانند به يک تراشه متصل شده، با هم ‌ديگر کار کنند. قطعه مياني واقع بين سر و دم اسپرم حاوي ميتوکندري‌هاست که‌ اندامک‌هاي تأمين‌کننده انرژي سلول به شمار مي‌روند؛ اما اسپرم از فرايند ديگري هم براي حرکت دادن دم دراز خود بهره مي‌برد که همان روش معروف گليکوليز است و در آن گلوکز براي توليد ATP مصرف مي‌گردد».
مسير گليکوليز به ده آنزيم نياز دارد. با استفاده از جايگاه‌هاي هدف‌گيري ويژه، اسپرم براي حرکت دادن دم دراز خود، اين آنزيم‌ها را به پوشش فيبري موجود در سرتاسر خود متصل مي‌نمايد. در اين مطالعه، محققان تلاش دارند تابا اصلاح هر يک از جايگاه‌هاي هدف‌گيري پروتئيني، آنها را به سطح ذرات نيکل متصل نمايند و در تراشه‌هاي خاصي آنها را به‌کار برند.
تاکنون آنها توانسته‌اند سه آنزيم از ده آنزيم لازم براي توليد ATP از گلوکز را به اين ذرات متصل نمايند؛ به‌طوري كه هر سه آنزيم فعاليت خود را نيز حفظ نموده‌است. اگر آنها بتوانند هر ده آنزيم را روي يک ذره متصل نمايند، مجموعه‌اي به‌ دست خواهند آورد که مي‌تواند ATP توليد کرده و نيروي لازم براي نانوابزار‌ها را تأمين نمايد. چنين ابزاري در بدن مي‌تواند گلوکز ؛يعني سوخت لازم را از محيط پيرامون خود کسب نمايد.
کاربرد‌هاي بالقوه اين نانوابزار‌ها در سيستم‌هاي رسانش دارو يا آنتي‌بيوتيک‌ها به سلول‌هاي خاص هدف در بدن مي‌باشد. چنين سيستمي به پزشکان اجازه مي‌دهد که با کاهش عوارض جانبي دارو‌ها دوز‌هاي پايداري از آنها در بدن ايجاد نمايند.
اين گروه در تلاش است تا تأمين مالي لازم براي متصل نمودن همة ده آنزيم لازم براي گليکوليز را کسب نمايد. تراويس در اين مورد گفت: «ما در حال تدوين يک پتنت احتمالي براي آينده هستيم و مي‌توانيم با شرکت‌هاي علاقه‌مند به اين طرح، به توافق برسيم و در تلاشيم تا مسير زيستي‌اي را که اسپرم براي تأمين انرژي استفاده مي‌کند، به‌ شکل جديدي به خدمت بگيريم؛ لذا به مهندسان ‌زيستي، فيزيک‌دان‌ها، و دام‌پزشکاني نياز داريم که بتوانند سيستم‌هاي انتقالي قابل ‌کاربرد در موجود زنده و ساير کاربرد‌هاي ابداعي مربوط به آنها را توسعه دهند».
اين محققان نتايج خود را در چهل و هفتمين نشست �