مقدمه

فناوری نانو می‌تواند اثرات قابل توجهی در صنعت نفت داشته باشد، درمقاله زیر ، بعد از اشاره به برخی از این تأثیرات، تعدادی از کاربردهای فناوری نانودر صنعت نفت بویژه در بحثآلودگیمحیط زیست و نیز سنسورهای نانو بطور مختصر معرفی گردیده است.

تاریخچه

هنگامی که "ریچارد اسملی" ( Richard Smally ) برندةجایزة نوبل ،بالک مینسترفلورسنسرا در سال 1985 در دانشگاه رایس کشف نمود،‌انتظار اندکی داشت که تحقیق او بتواند صنعت نفت را متأثر سازد. سازمان انرژی آمریکا ( DOE ) سرمایه‌گذاری خود را در قسمت فناوری نانو تا 62 درصد افزایش داد تا مطالعاتلازم در زمینة‌ موادی با نام‌های باکی‌بال‌ها ( Bulky Balls ) و باکی‌تیوب‌ها ( Bulky Tubes )‌ استوانه‌های کربنی که دارای قطر متر می‌باشند، صورت گیرد.

نانولوله‌های کربنی

نانولوله‌های کربنی با وزنی در حدود وزنفولاد ، صد برابرمستحکم‌تر از آن بوده ، دارای رسانش الکتریکی معادل بامس و رسانایی گرماییهم‌ارز باالماس می‌باشند. نانوفیلترها می‌توانند به جداسازی مواد در میدان‌های نفتی کمک کنند وکاتالیست‌های نانو می‌توانند تأثیر چندین میلیارد دلاری در فرآیندپالایش بدنبال داشته باشند.

از سایر مزایای نانولوله‌های کربنی می‌توان به کاربردآن‌ها در تکنولوژی اطلاعات (‌ IT ) نظیر ساخت پوشش‌های مقاوم در مقابل تداخل‌هایالکترومغناطیسی ، صفحه‌های نمایش مسطح ، مواد مرکب جدید و تجهیزات الکترونیکی باکارآیی زیاد اشاره نمود.

علم نانو ، یک تحول بزرگ در مقیاس بسیار کوچک

بسیاری از محققان وسیاستمداران جهان معتقدند که علم نانو می‌تواند تحولات اساسی در صنعت جهانی ایجادنماید. صنعتنفت نیزاز پیشرفت این تکنولوژی بهره‌مند خواهد گشت. علم نانو می‌تواند به بهبود تولید نفتو گاز با تسهیل جدایش نفت و گاز در داخل مخزن کمک نماید. این کار با درک بهترفرآیندها در سطوح مولکولی امکان‌پذیر می‌باشد.

با توجه به اینکه نانو مربوطبه ابعادی در حدود متر می‌باشد، نانوتکنولوژی به مفهوم ساخت مواد و ساختارهای جدیدتوسطمولکول‌ها واتم‌ها در این مقیاس می‌باشد. خوشبختانه کاربردهای عملی نانو در صنعت نفت جایگاه‌ ویژه ‌ای دارند. نانوتکنولوژیدیدگاه‌های جدید جهت استخراج بهبودیافتة نفت فراهم کرده است. این تکنولوژی به جدایشموثرتر نفت وآب کمک می‌کند .

با افزودنموادی در مقیاس نانو به مخزن می‌توان نفت بیشتری آزاد نمود. همچنین می‌توان باگسترش تکنیک‌های اندازه‌گیری توسط سنسورهای کوچک ،‌ اطلاعات بهتری دربارة مخزن بدستآورد.

مواد نانو

صنعت نفت تقریباً در تمام فرآیندها احتیاج به موادی مستحکم ومطمئن دارد. با ساخت موادی در مقیاس نانو می‌توان تجهیزاتی سبکتر ، مقاومتر ومحکم‌تر از محصولات امروزی تولید نمود. شرکت نانوتکنولوژی GP در هنگ‌کنگ یکی ازپیشگامان توسعةکربید سیلیکون، یک پودر سرامیکی در ابعاد نانو می‌باشد. بااستفاده از این پودرها می‌توان مواد بسیار سختی تولید نمود. این شرکت در حال حاضرمشغول مطالعه و تحقیق بر روی سایرمواد مرکبمی‌باشد و معتقد است که می‌توانبا نانوکریستال‌ها تجهیزات حفاری بادوامتر و مستحکم‌تری تولید کرد.

همچنینمتخصصان این شرکت ، یک سیال جدید حاوی ذرات و نانوپودرهای بسیار ریز تولیدنموده‌اند که بطور قابل توجهی سرعت حفاری را بهبود می‌بخشد. این مخلوط ، آسیب‌هایوارده به دیوارة مخزن در چاه را حذف نموده ، قابلیتاستخراجنفت را افزایش می‌بخشد.

آلودگی نفت و نانوتکنولوژی

آلودگی توسطموادشیمیایی و یا گازهای آلاینده یک مبحث بسیار دشوار در تولید نفت و گاز می‌باشد. نتایج بدست‌آمده از تحقیقات دانشمندان حاکی از آن است که نانوتکنولوژی می‌تواند تاحد مطلوبی به کاهش آلودگی کمک کند. در حال حاضر فیلترها و ذراتی با ساختار نانو درحال توسعه می‌باشند که می‌توانند ترکیبات آلی را از بخار نفت جدا سازند. ایننمونه‌ها علیرغم اینکه اندازه‌ای در حدود چند نانومتر دارند، دارای سطح بیرونیوسیعی بوده و قادر به کنترل نوع سیال گذرنده از خود می‌باشند.

همچنینکاتالیست‌هایی با ساختار نانو جهت تسهیل در جداسازی سولفید هیدروژن ، آب ،منوکسیدکربنودی‌اکسیدکربن از گاز‌طبیعی در صنعت نفت بکار گرفته می‌شوند. در حال حاضر مطالعاتی برروی نمونه‌هایی از خاک رس در ابعاد نانو و جهت ترکیب باپلیمرهایی صورت می‌پذیرد که بتوانندهیدروکربنها را جذب نمایند. بنابراین می‌توان باقیمانده‌های نفت را ازگل حفاریجدا نمود.

سنسورهای هیدروژن، خود تمیز کننده خواص فوتوکاتالیستی نانوتیوب‌های تیتانیا در مقایسه با هر فرمی ازتیتانیا بارزتر می‌باشد، بطوریکه آلودگی‌های ایجادشده تحت تابش اشعة ماوراء بنفشبطور قابل توجهی از بین می‌روند تا اینکه سنسورها بتوانند حساسیت اصلی خود را نسبتبههیدروژن حفظ نماید. تحقیقات انجام‌گرفته در این زمینه حاکی از آن است که نانوتیوب‌هایتیتانیا دارای یک مقاومت الکتریکی برگشت‌پذیر می‌باشند، بطوریکه اگر هزار قطعه ازآن‌ها در مقابل یک میلیون‌ اتم هیدروژن قرار بگیرند، مقاومت الکتریکی آن در حدودیکصد میلیون درصد افزایش می‌یابد.

سنسورهای هیدروژن

سنسورهای هیدروژن بطور گسترده‌ای در صنایع شیمیایی ، نفتو نیمه‌رساناها مورد استفاده قرار می‌گیرند. از آنها جهت شناسایی انواع خاصی ازباکتری‌های عفونت‌زا استفاده قرار می‌گیرد. به‌ هر حال محیط‌هایی نظیر تأسیسات وپالایشگاه‌های نفتی که سنسورهای هیدروژن از کاربردهای ویژه‌ای برخوردار می‌باشند،می‌توانند بسیار آلوده و کثیف باشند.

این سنسورهای هیدروژن نانوتیوب‌هایتیتانیا هستند که توسط یک لایة غیرپیوسته‌ای ازپالادیمپوشانده شده‌اند. محققان اینسنسورها را به مواد مختلفی نظیر اسید سیتریک ( یک نوعاسیدچرب )‌ ، دود سیگار و روغن‌های مختلفی آلوده نمودند و سپس مشاهده کردند که تماماین آلوده‌کننده‌ها در اثر خاصیت فوتوکاتالیستی نانوتیوب‌ها از بینمی‌روند.

حد نهایی آلودگی‌ها زمانی بود که دانشمندان این سنسورها را درروغن‌های مختلفی غوطه‌ور ساخته ، سنسورها توانستند خواص خود را بازیابند. محققانسنسورها را در دمای اتاق به مقدار هزار قطعه در مقابل یک میلیون ‌اتم هیدروژن درمعرض این گاز قرار دادند و مشاهده نمودند که در طرح‌های اولیة سنسور مقاومتالکتریکی آن به میزان 175000 درصد تغییر می‌کند.

سپس سنسورها را توسطلایه‌ای به ضخامت چندین میکرون از روغن موتور پوشاندند تا بطور کلی حساسیت آن‌هانسبت به هیدروژن از بین برود. سپس این سنسورها را در هوای عادی به ‌مدت 10 ساعت درمعرض نور ماوراء بنفش قرار دادند و پس از یک ساعت مشاهده نمودند که سنسورها مقدارقابل توجهی از حساسیت خود را بدست آورده‌ ، پس از گذشت 10 ساعت تقریباً بطور کاملبه وضعیت عادی خود بازگشتند.

علیرغم قابلیت بازگشتی بسیار مناسب ، اینسنسورها نمی‌توانند پس از آلودگی به انواع خاصی از آلوده‌کننده‌ها حساسیت خود رابازیابند. برای مثال روغن WQ -40 به علت دارابودن مقداری نمک خاصیت فوتوکاتالسیتینانوتیوب‌ها را تا حد زیادی از بین می‌برد. با افزودن مقدار اندکی از فلزات مختلفنظیرقلع ،طلا ،نقره ،مس ونایوبیم، یک گروه متنوعی از سنسورهایشیمیایی بدست می‌آیند. این فلزات خاصیت فوتوکاتالیستی نانوتیوب‌های تیتانیا راتغییر می‌دهند.

به هر حال سنسورها در یک محیط غیرقابل کنترل در دنیای واقعیتوسط مواد گوناگونی نظیر بخار‌های آلی فرار ، دودة کربن و بخارهای نفت و همچنین گردو غبار آلوده می‌گردند. قابلیت خودپاک‌کنندگی این سنسورها طول عمر آن‌ها را افزایشو از همه مهمتر خطای آنها را کاهش می‌دهد.

سنسورهای جدید در خدمت بهبود استخراج نفت

براساس آخرین اطلاعات چاپ شدهتوسط سازمان انرژی آمریکا ، استخراج نفت در حدود دو سوم از چاه‌های نفت آمریکااقتصادی نمی‌باشد. با توجه به دما و فشار زیاد در محیط‌های سخت زیرزمینی ، سنسورهایقدیمی الکتریکی و الکترونیکی و سایر لوازم اندازه‌گیری قابل اعتماد نمی‌باشند و درنتیجه شرکت‌های استخراج‌ کنندة‌ نفت در تهیة ‌اطلاعات لازم و حساس جهت استخراج کاملو مؤثر نفت از مخازن با برخی مشکلات مواجه می‌باشند.

در حال حاضر محققان درآزمایشگاه فوتونیک دانشگاه صنعتی ویرجینیا ، در حال توسعة یک‌سری سنسورهای قابلاعتماد و ارزان از فیبرهای نوری جهت اندازه‌گیریفشار ،دما ، جریان نفت و امواجآکوستیک در چاه‌های نفت می‌باشند. این سنسورها بعلت مزایایی نظیر اندازة کوچک ،‌ایمنی در قبال تداخل الکترومغناطیسی ، قابلیت کارآیی در فشار و دمای بالا و همچنینمحیط‌های دشوار ، مورد توجه بسیار قرار گرفته‌اند.

از همه مهم‌تر اینکهامکان جایگزینی و تعویض این سنسورها بدون دخالت در فرآیند تولید نفت و باهزینة‌مناسب فراهم می‌باشد. در حال حاضر عمل جایگزینی و تعویض سنسورهای قدیمی در چاه‌هاینفت میلیون‌ها دلار هزینه در پی دارد. سنسورهای جدید از نظر تولید بسیار مقرون ‌بهصرفه بوده و اندازه‌گیری‌های دقیق‌تری ارائه می‌دهند. انتظار می‌رود که تکنولوژیاین سنسورها تولید نفت را با ارائه اندازه‌گیری‌های دقیق و قابل اعتماد و کاهشریسک‌های همراه با اکتشاف و حفاری نفت بهبود بخشد.

همچنین سنسورهای جدیدبعلت برخی کاربردهای ویژه نظیر استخراج دریایی و افقی نفت ، جایی که بکاربستنسنسورهای قدیمی در چنین شرایطی بسیار مشکل می‌باشد، از توجه ویژه‌ای برخوردارند

یک نانومتر چقدر است؟

یک نانومتر یک میلیاردم متر (10^-9 m) است. این مقدار حدودا چهار برابر قطر یک اتم است. مکعبی با ابعاد 2.5 نانومتر ممکناست حدود 1000اتم را شامل شود. کوچکترینآی سیهای امروزیبا ابعادی در حدود 250 نانومتر در هر لایه به ارتفاع یک اتم ، حدود یک میلیون اتمرا در بردارند. در مقایسه یک جسم نانومتری با اندازه‌ای حدود 10 نانومتر ، هزاربرابر کوچکتر از قطر یک موی انسان است.

امکان مهندسی در مقیاس مولکولی برایاولین بار توسطریچارد فاینمن (R.Feynnman) ،برندهجایزه نوبل فیزیک مطرح شد. فاینمن طی یک سخنرانی در انستیتو تکنولوژی کالیفرنیادر سال 1959 اشاره کرد که اصول و مبانی فیزیک امکان ساخت اتم به اتم چیزها را ردنمی‌کند. وی اظهار داشت که می‌توان با استفاده از ماشینهای کوچک ماشینهایی به مراتبکوچکتر ساخت و سپس این کاهش ابعاد را تا سطح خود اتم ادامه داد.

همینعبارتهای افسانه وار فاینمن راهگشای یکی از جذابترین زمینه‌های نانو تکنولوژی یعنیساخت روباتهایی در مقیاس نانو شد. در واقع تصور در اختیار داشتن لشکری از نانوماشینهایی در ابعاد میکروب که هر کدام تحت فرمان یک پردازنده مرکزی هستند، هردانشمندی را به وجد می‌آورد. در رویای دانشمندانی مثلجی استورس هال (J.Storrs Hall) واریک درکسلر (E.Drexler) این روباتها یاماشینهای مونتاژکن کوچک تحت فرمان پردازنده مرکزی به هر شکل دلخواهی در می‌آیند. شاید در آینده‌ای نه چندان دور بتوانید به کمک اجرای برنامه ای در کامپیوتر ، تختخوابتان را تبدیل بهاتومبیلکنید و با آن به محل کارتان بروید.

چرا این مقیاس طول اینقدر مهم است؟

خواص موجی شکل (مکانیک کوانتومی) الکترونهای داخل ماده واثر متقابل اتمها با یکدیگر از جابجایی مواد در مقیاس نانومتر اثر می‌پذیرند. باتولید ساختارهایی در مقیاس نانومتر ، امکان کنترل خواص ذاتی مواد ازجملهدمای ذوب،خواص مغناطیسی،ظرفیت بارو حتی رنگ مواد بدون تغییر درترکیب شیمیایی بوجود می‌آید. استفاده از این پتانسیل به محصولات و تکنولوژیهایجدیدی با کارآیی بالا منتهی می‌شود که پیش از این میسر نبود.

نظام سیستماتیکماده در مقیاس نانومتری ، کلیدی برای سیستمهای بیولوژیکی است. نانوتکنولوژی به مااجازه می‌دهد تا اجزاء و ترکیبات را داخل سلولها قرار داده و مواد جدیدی را بااستفاده از روشهای جدیدخود_اسمبلیبسازیم. در روشخود_اسمبلیبه هیچروباتیا ابزار دیگری برای سرهم کردن اجزاءنیازی نیست. این ترکیب پر قدرتعلم موادوبیوتکنولوژی به فرآیندها و صنایع جدیدی منتهی خواهد شد.

ساختارهایی در مقیاس نانو مانندنانو ذرات و نانولایه‌ها دارای نسبت سطح به حجم بالایی هستند که آنها را برایاستفاده درمواد کامپوزیت، واکنشهای شیمیایی ، تهیهدارو وذخیرهانرژی ایده‌ال می‌سازد. سرامیکهای نانوساختاری غالبا سخت‌تر و غیرشکننده‌تر ازمشابه مقیاس میکرونی خود هستند. کاتالیزورهای مقیاس نانو راندمان واکنشهای شیمیاییو احتراق را افزایش داده و به میزان چشمگیری از مواد زائد و آلودگی آن کم می‌کنند. وسایل الکترونیکی جدید ، مدارهای کوچکتر و سریعتر و … با مصرف خیلی کمتر می‌توانندبا کنترل واکنشها در نانوساختار بطور همزمان بدست آیند. اینها تنها اندکی از فوایدو مزایای تهیه مواد در مقیاس نانومتر است.

منافع نانوتکنولوژی چیست؟

مفهوم جدید نانوتکنولوژی آنقدر گسترده وناشناخته است که ممکن است روی علم و تکنولوژی در مسیرهای غیرقابل پیش بینی تأثیربگذارد. محصولات موجود نانوتکنولوژی عبارتند از: لاستیکهای مقاوم در برابر سایش کهاز ترکیب ذرات خاک رس با پلیمرها بدست آمده‌اند، شیشه‌هایی که خودبه خود تمیزمی‌شوند، مواد دارویی که در مقیاس نانو ذرات درست شده‌اند، ذرات مغناطیسی باهوشبرای پمپهای مکنده و روان سازها ،هد دیسکهای لیزریومغناطیسی که با کنترل دقیق ضخامت لایه‌ها از کیفیت بالاتری برخوردارند، چاپگرهای عالی بااستفاده از نانو ذرات با بهترین خواص جوهر و رنگ دانه و ... .