نانو تکنولوژی و کاربردها

تعریف :تعاریف مختلفی از نانو تکنولوژی وجود دارد. دریکی از این تعاریف ، نانو تکنولوژی عبارتست از مطالعه، تولید و کنترل هر پدیده ای در مقیاس nm 100-0.2 .

با این تعریف و محدوده اندازه ، بسیاری از مواد ، بویژه در صنایع دارویی، از مجموعه نانو تکنولوژی خارج می گردند. لذا در تعریف جامع تری می توان نانو تکنولوژی را بصورت زیر تعریف نمود:

نانو تکنولوژی عبارتست از مطالعه ، طراحی ، تولید و کاربرد هر ماده ، ابزار و مجموعه ای درمقیاس نانومترکه منجر به تولید مواد، ابزار و ساختارهایی با حداقل یک خصوصیت ویژه گردد.

1- مفهوم مقیاس نانو

 یک نانو متر(nm) برابر است با یک میلیاردم متر. قطر هر گلبول قرمز خون nm 7000 و قطر هر مولکول آب برابر با nm 0.3 است.
در مبحث مقیاس نانو ، ذراتی با اندازه nm0.2 (که برابر با اندازه یک اتم است) تا nm 100 مورد بحث قرار می گیرند. .

اهمیت مقیاس نانو در این است که در این مقیاس ، مواد خواص کاملا متفاوتی از خود نشان می دهند.
دو دلیل عمده برای متمایز شدن خواص مواد در مقیاس نانو وجود دارد، اول افزایش قابل توجه سطح واحد جرم مواد است این ویژگی باعث بهبود استحکام ، خواص الکتریکی و افزایش واکنش پذیری مواد می گردد. برخی مواد در مقیاس نانو واکنش پذیر هستند در حالیکه در مقیاس بزرگتر جزو مواد خنثی (inert) محسوب می شوند.

دلیل دوم آشکار شدن تاثیرات کوانتومی در این مقیاس است ، که باعث تغییر در خواص الکتریکی ، اپتیکال و مغناطیسی مواد می شود.

مواد می توانند یک بعد(پوششها و لایه ها) ، دو بعد(نانو سیم ها و نانو تیوبها) و یا سه بعد(نانو ذرات) در مقیاس نانو داشته باشند.

2- نسل جدید مواد: نانو مواد

نانو تکنولوژی در واقع در دو زمینه بهبود مواد موجود و ساخت مواد جدید به خدمت گرفته شده است.نانو مواد به دو روش Top down ( تولید ساختارهای بسیار ریز از ذرات بزرگتر مواد)، وBottom up (چینش اتم به اتم و یا مولکول به مولکول برای ایجاد یک ساختار خاص) تولید می شوند. در روش Bottom up نیز از دو تکنیک Self assembly و positional assembly استفاده می شود.در تکنیکSelf-assembly مولکولها یا اتمها بدلیل خواص ذاتی خود چینش خاصی پیدا می کنند، رشد کریستالها در صنعت نیمه هادی ها از همین روش انجام می پذیرد. در حالیکه درتکنیک Positional assembly از دستگاههای خاصی برای چینش مولکولها استفاده می گردد. این روش در حال حاضر در کاربردهای آزمایشگاهی مورد استفاده قرار می گیرد.

2-1- تعریف نانو مواد

نانو مواد به موادی اطلاق می شود که حداقل در یک بعد کوچکتر از nm 100 باشند. موادی که یک بعد در مقیاس نانو دارند ، شامل پوششها و لایه ها می باشند. موادی که دو بعد در مقیاس نانو دارند ، شامل نانو سیم ها و نانو تیوبها هستند و در نهایت موادی که سه بعد در مقیاس نانو دارند نانو ذرات را شامل می شوند.

کلوئید ها ، Quantum dots (ذرات تشکیل دهند نیمه هادی ها) ومواد نانو کریستالین (موادی با دانه بندی در مقیاس نانو) از جمله این مواد هستند. برخی از این مواد قبلا هم مورد استفاده قرار می گرفتند و برخی دیگر جدید هستند. در این بخش ما به معرفی اجمالی کاربردهای فعلی نانو مواد و چشم اندازی که در آینده برای کاربرد این مواد وجود دارد می پردازیم.
دو دلیل عمده برای متمایز شدن خواص مواد در مقیاس نانو وجود دارد، اول افزایش قابل توجه سطح واحد جرم مواد و دلیل دوم آشکار شدن تاثیرات کوانتومی در این مقیاس است ، این دو عامل باعث تغییر و یا بهبود خواص الکتریکی ، اپتیکال ، مغناطیسی و واکنش پذیری مواد می شود.

هر چقدر سایز ذرات ریز تر شود، نسبت اتمهایی که در سطح ذره قرار می گیرند افزایش می یابد. بعنوان مثال در یک ذره به قطر nm 30 ، 5% از اتمها در سطح ذره قرار می گیرند، در حالیکه در ذرات به قطر nm 10 و nm 3 این مقدار به 20% و 50% می رسد. بنا براین نانو ذرات سطح واحد جرم بیشتری نسبت به ذرات بزرگتر دارند.

پارامتر "نسبت سطح به واحد جرم " دربسیاری از زمینه ها از اهمیت فوق العاده ای برخوردار است.بعنوان مثال ، در واکنشهای شیمیایی، چون واکنش در سطح (surface) اتفاق می افتد، واکنش پذیری مواد در مقیاس نانو بسیار بالاتر از واکنش پذیری مقدار جرم برابر از همان ماده ،در مقیاس بزرگتر می باشد.

جهت روشن تر تاثیر اندازه ذره در اندازه سطح ، به ذکر یک مثال می پردازیم: یک سکه به قطر cm 4 سطحی حدود 27.2 سانتی متر مربع دارد. اگر همین سکه را به ذراتی به قطر nm 1 تقسیم کنیم، سطح کل ذرات برابر با 11400 متر مربع خواهد بود. بعبارت دیگر با تقسیم سکه به قطر cm 4 به ذراتی به قطر nm 1 سطح همان سکه حدود 4.115 میلیون برابر خواهد شد.

2-2- خواص نانو مواد

 زمانیکه مواد به ذرات در مقیاس نانو(مقیاس اتمی ) تقسیم می شوند ،علاوه بر افزایش سطح واحد جرم ، تاثیرات کوانتومی (quantum effects) نمایان می گردند و باعث تغییر خواص مواد می شوند.

تاثیرات کوانتومی باعث می شوند نانو مواد رفتارهای مغناطیسی ، الکتریکی و اپتیکال بسیار منحصر بفردی داشته باشند. Quantum dots و Quantum well lasers که در optoelectronic کاربرد دارند از جمله مواردی هستند که از Quantum effects بهره جسته اند.

از طرفی سطح واحد جرم بسیار بالا در نانومواد ، عاملی است برای آنکه نانو مواد از نظر مکانیکی، الکتریکی، واکنش پذیری و ... بسیار ویژه عمل نمایند. بعنوان مثال بیشتر فلزات از دانه های کریستالی تشکیل شده اند ، زمانیکه این دانه بندی ها در مقیاس نانومتر باشند بدلیل افزایش سطح بین کریستالها ، استحکام فلز افزایش می یابد. بعنوان مثال استحکام نانو کریستالین نیکل به اندازه پولاد آبدیده (hardened steel) است.

3- دانش نانومواد

تولید نانومواد نیاز به روشهای ویژه ای دارد. دو روش عمده برای تولید نانو مواد عبارتند ازtop-down method (تولید ذرات بسیار ریز از ذرات بزرگتر) و bottom up method (تولید از روش چینش اتم به اتم و یا مولکول به مولکول) .

یکی از راههای اجرای روش bottom up ، self assembly است که در آن اتمها و یا مولکولها بنا به ماهیت ذاتی خود به صورت خاصی کنار یکدیگر قرار می گیرند و ساختار خاصی را ایجاد می نمایند. روش دیگر استفاده از دستگاههای مخصوص برای ایجاد یک چیدمان خاص و در نتیجه ایجاد یک ساختار ویژه است.

4- کاربردهای نانو مواد:

کاربردهای نانو مواد را می توان به سه دسته عمده تقسیم نمود: کاربردهای فعلی، کاربرهایی در آینده نزدیک و کاربردهایی در آینده دورتر.

4-1- کاربردهای فعلی:

(a) محصولات آرایشی و کرمهای ضد آفتاب:

نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم و اکسید روی در کرمهای ضد آفتاب مورد استفاده قرار می گیرند. این نانو ذرات باعث می شوند تا کرمهای ضد آفتاب علاوه بر جذب و برگرداندن اشعه ماورا بنفش، شفاف (transparent) باشند . بنابر این این نوع کرمها از نظر مشتریان مطلوبتر هستند.

(b) کامپوزیتها:

کامپوزیتها موادی هستندکه در آنها دو یا چند ماده مجزا برای بهبود خواص یکدیگر مخلوط می شوند، و در نهایت خواص ماده نهایی (کامپوزیت) بهتر از تک تک کامپوننتها می باشد. این فرایند نه تنها خواص مکانیکی بلکه خواص الکتریکی ، اپتیکال و مغناطیسی مواد را نیز بهبود می بخشد. یکی از کاربردهای نانو مواد ساخت کامپوزیتهاست.

در حال حاضر فیبرهای کربنی و نانو تیوبهای کربنی دسته ای (multi-walled CNT) برای کنترل و یا بهبود هدایت الکتریکی(conductivity) پلیمر ها مورد استفاده قرار می گیرند. استفاده از نانو تیوبهای کربنی منفرد (individual carbon nanotubes) در کامپوزیتها یکی از کاربردهای نانو تیوبهای کربنی است که در آینده محقق خواهد شد.

در انواع دیگری از نانو کامپوزیتها ، نانوذرات بعنوان فیلر (پرکننده) در یک ماتریکس استفاده می شوند، بعنوان مثال کربن (carbon black) بعنوان فیلر برای تقویت لاستیک اتوموبیل مورد استفاده قرار می گیرد. ولی اندازه ذرات کربنی که در حال حاضر مورد استفاده قرار می گیرد بزرگتر از مقیاس نانوست لذا این ذرات جزو دسته نانو ذرات قرار نمی گیرند.
(c) سفالها:

ساخت کامپوزیتهایی متشکل از پلاستیک و نانوذراتی از رس ، از کاربردهای دیگر نانو مواد است. این نوع کامپوزیتها در ساخت متریال های سازه ای و قطعات مختلفی ، (مانند سپر اتوموبیل ) مورد استفاده قرار می گیرند.

(d) پوششها و سطوح:

نانو مواد در ساخت پوششهای فوق نازک که ضخامتی در حد نانومتر دارند مورد استفاده قرار می گیرند. بعنوان مثال دی اکسید تیتانیوم در ساخت پوششهای ضد باکتری خود شوینده و آبگریز جهت استفاده روی انواع شیشه و سطوح مورد استفاده قرار میگیرد. از کاربردهای دیگر می توان به ساخت پوششهای مقاوم و ضد خش ، پارچه های مدرن که در عین ضد آب و ضد لک بودن ، قابلیت عبوردهی هوا را دارند، اشاره نمود.

(e) تجهیزات برش:

نانو کریستالین هایی مانند کربید تنگستن، کربید تانتانیوم و کربید تیتانیوم که بسیار سخت و مقاوم در مقابل سایش هستند ، در ساخت تجهیزات و ابزار برش و انواع مته کاربرد دارند.

 

 

4-2- کاربردهایی در آینده نزدیک (5 سال آینده)

رنگها:
استفاده از نانو ذرات در رنگها ، منجر به تولید رنگهایی با خواص ویژه و منحصر بفرد خواهد شد. نازک شدن لایه رنگی( کاهش وزن هواپیماها و سفینه های فضایی) ، کم شدن حلال مورد نیاز در رنگها (آسیب کمتر به محیط زیست) مزایای استفاده از نانو مواد در رنگها می باشد.

پوششهای ضد رسوب در صنعت از اهمیت زیادی برخور دار هستند از جمله در مبدل های حرارتی ، که باعث کاهش اتلاف انرژی می گردد. در صورتی که این پوششها با قیمت کمتر تولید گردند ،درشبکه های لوله کشی صنعتی و خانگی نیز قابل استفاده خواهند بود.نانوذرات در تولید رنگهایی با قابلیت تغییر رنگ در محیط ها و دماهای مختلف نیزکاربرد خواهند داشت.

کاربردهای زیست محیطی:

استفاده از نانو مواد برای تبدیل مواد خطرناک موجود درخاک و آبهای زیر زمینی به مواد بی خطر از کاربردهایی است که در آینده نزدیک به کمک محیط زیست خواهد آمد. در یک مطالعه نانو ذرات آهن ، ترکیبات سرطان زای chlorinated hydrocarbon موجود در آبهای زیر زمینی را به مواد کم خطر ترتبدیل کرده اند.

پیل های سوختی :

در آینده ممکن است هیدروژن (سوخت پیلهای سوختی) بوسیله واکنشهای کاتالیستی از هیدروکربنها تهیه گردد. در پیلهای سوختی خواص و ساختار خلل و فرج صفحات استفاده شده مستقیما در عملکرد پیل تاثیر دارد،لذا استفاده از غشا های تولید توسط نانو تکنولوژی امکان بالا بردن راندمان واکنشهای کاتالیستی و در نتیجه ساخت پیلهای سوختی کوچک را امکان پذیر خواهد نمود.

نمایشگر ها :

به کمک نانو مواد ، در چند سال آینده نسل جدیدی از نمایشگر ها به بازار خواهند آمد که ازنظر شفافیت و کیفیت تصویر بسیار متمایز و منحصر بفرد خواهند بود.

باطری ها :

امروزه اهمیت و کاربرد وسایل الکترونیکی پرتابل مانند تلفن همراه ، لپ تاپ و ... بر کسی پوشیده نیست . بزودی به کمک فن آوری نانو ، باطری های بسیار سبکتر با قابلیت ذخیره سازی انرژی بسیار بالا به بازار خواهند آمد و صنعت باطری را متحول خواهند نمود. در این باطری ها مواد نانو کریستالین بعنوان صفحه جداکننده (separator plate) مورد استفاده قرار خواهند گرفت که بدلیل سطح واحد جرم بسیار بالا ، باطری های تولید شده نیاز کمتری به شارژ خواهند داشت.

مواد افزودنی به سوختها

محققان در حال ساخت افزودنی هایی هستند که با افزودن نانو ذرات اکسید سریم به بنزین ، مصرف بنزین را در اتوموبیل ها کاهش دهند.

کاتالیست ها

در صنعت ، راندمان کاتالیستها اهمتی بسیار زیادی دارد، چه از نظر مصرف کاتالیست و چه از نظر تولید محصولات جانبی ناخواسته . از آنجا که واکنشهای شیمیایی روی سطوح کاتالیستها انجام می گیرند، افزایش سطح واحد جرم برای کاتالیستها نقش حیاتی در بالا بردن راندمان و در نتیجه کاهش مصرف کاتالیستها دارد. بعنوان مثال در صنایعی که پلاتین بعنوان کاتالیست عمل می نماید ، کاهش مصرف کاتالیست بدلیل قیمت بالای پلاتین و محدود بودن منابع این فلز گرانبها ، از نظر اقتصادی قابل توجه می باشد.

لذا در آینده نزدیک استفاده از نانو تکنولوژی ، نقطه عطفی در صنعت ساخت کاتالیست خواهد بود.

4-3- کاربردهایی در آینده دورتر(15-5 سال آینده )

کامپوزیتهای نانو تیوبهای کربنی

نانوتیوبهای کربنی (CNT) خواص مکانیکی بسیار استثنایی دارند. بویژه از نظر مقاومت کششی و وزن بسیار کم. یکی از کاربردهای نانو مواد در تولید کامپوزیتهای تقویت شده با نانو تیوبهای کربنی خواهد بود . این کامپوزیتها عملکرد بسیار بهتری نسبت به کامپوزیتهای موجود که با استفاده از فیبر کربنی تولید شده اند خواهند داشت.

 روان کننده ها

نانو ذرات کروی شکل مواد معدنی بعنوان روان کننده مورد استفاده قرار خواهند گرفت . در واقع این ذرات بصورت بلبرینگ های بسیار ریز عمل خواهند کرد. مزیت این روان کننده ها نسبت به روان کننده های فعلی ، عملکرد بهتر در فشارهای بالا و عملکرد بهتر در سطوح ناهموار است . البته روان ساز های مورد بحث مخلوط نانو ذرات و روان سازهای مایع خواهد بود.

مواد مغناطیسی

تحقیقات نشان داده که آهن ربا های ساخته شده از نانو کریستالین های یوتریوم ، ساماریوم و کبالت ، خواص مغناطیسی بسیار استثنایی دارند. این مواد مغناطیسی می توانند در موتور ها ، تجهیزات MRI ، میکرو سنسورها و ... کاربرد داشته باشند. این مواد همچنین امکان ذخیره سازی حجم بالای اطلاعات را در فضای کم فراهم می آورند.

 ایمپلنت های پزشکی

در حال حاضر ایمپلنتهای ارتوپدی و ولو (valve) های مورد استفاده در قلب ، از تیتانیوم و استیل (stainless steel) ساخته می شوند. متاسفانه برخی از این آلیاژها پس از مدتی ، کارایی خود را از دست می دهند. در آینده ای نه چندان دور، نانوکریستالین اکسید زیرکونیوم ،نانو کریستالین کربید سیلیکون و نانو سرامیکها بدلیل استحکام ، مقاومت بالا در مقابل فرسودگی و تجانس با بدن انسان جایگزین آلیاژهای فعلی خواهند شد.

سرامیکهای انعطاف پذیر

سرامیکها موادی سخت و در عین حال شکننده و غیر قابل انعطاف هستند. با کاهش اندازه دانه بندی سرامیکها درحد مقیاس نانو ، انعطاف پذیری سرامیکها افزایش می یابد. با همین روش ، زیرکونیا که یک سرامیک بسیار سخت و شکننده است بصورت یک سوپر پلاستیک مورد استفاده قرار گرفته است ، زیراتا 300% قابلیت انعطاف (Deformation) دارد. سرامیکهای نانو کریستالین مانند نیترید سیلیکون و کربید سیلیکون نیز در بخشهای مختلف اتوموبیل مانند فنرهای بسیار مستحکم و بلبرینگها مورد استفاده قرار گرفته اند. سرامیکهای نانو کریستالین علاوه بر خواص مکانیکی ویژه ، خواص شیمیایی منحصر بفرد و مقاومت حرارتی بسیار(جهت استفاده در کوره ها) بالا نیز دارند.

  تصفیه آب

با استفاده از غشاهای ساخته شده توسط نانو تکنولوژی ، فرایند تصفیه آب بویژه در روش اسمز معکوس، با صرف انرژی کمتر و راندمان بالا انجام خواهد پذیرفت.