کاربردهای نانو تکنولوژی

دسته بندي: تحقیق و پروژه رایگان,پروژه و تحقیق رایگان,دانش آموزی,تحقیق دانشجویی,

قابلیتهای محتمل تکنیکی نانوتکنولوژی

محصولات خود_اسمبل
کامپیوترهایی با سرعت میلیاردها برابر کامپیوترهای امروزی
اختراعات بسیار جدید (که امروزه ناممکن است)
سفرهای فضایی امن و مقرون به صرفه
نانوتکنولوژی پزشکی که در واقع باعث ختم تقریبی بیماریها ، سالخوردگی و مرگ ومیر خواهد شد.
دستیابی به تحصیلات عالی برای همه بچه‌های دنیا
احیاء و سازماندهی اراضی

برخی کاربردها

مدلسازی مولکولی و نانوتکنولوژی

در سازمان دهی و دستکاری مواد در مقیاسنانو ، لازم است تمامی ابزار موجود جهت افزایش کارایی مواد و وسایل بکار گرفته شود. یکی از این ابزار ،شیمی تحلیلی، خصوصامدل ‌سازی مولکولیوشبیه ‌سازیاست. امروزه ابزار تحقیقاتیفراگیری مانند روشهای شیمی تحلیلی مزیتهای فراوانی نسبت به روشهای تجربی دارند. میهیل یورکاز شرکتContinental Tire North America می‌گوید:"روشهای تجربی مستلزمبهره‌گیری از نیروی انسانی ، شیمیایی ، تجهیزات ، انرژی و زمان است. شیمی تحلیلیاین امکان را برای هر فرد مهیا می‌سازد که فعالیتهای شیمیایی چندگانه‌ای را در 24ساعت شبانه ‌روز انجام دهد. شیمیدانها می‌توانند با انجام آزمایشها توسط رایانه ‌،احتمال فعالیتهای غیرمؤثر را از بین ببرند و گستره احتمالی موفقیتهای آزمایشگاهی راوسعت دهند.

نتیجه نهایی این امر ، کاهش اساسی در هزینه‌های آزمایشگاهی (مانند مواد ، انرژی ، تجهیزات) و زمان است." از طرف دیگر ، در شیمی تحلیلی سرمایه‌گذاری اولیه جهت تهیه نرم‌افزار و هزینه‌های وابسته از جمله سخت‌افزار جدید ، آموزشو تغییرات پرسنل بسیار بالا خواهد بود. ولی با بکار گیری هوشمندانه این ابزارمی‌توان هریک از هزینه‌های اولیه را نه تنها از طریق صرفه‌جویی در هزینه آزمایشگاهبلکه بوسیله فراهم نمودن دانشی که منجر به بهینه ‌سازی فرآیندها و عملکردها می‌شود،جبران ساخت.

این موضوع برای شیمیدانها بسیار مناسب است، ولی روشهایشبیه‌سازی چطور می‌توانند برای نانوتکنولوژیستها مفید واقع شود؟ محدودیتهایآزمایشگر در مقیاس نانو ، زمانی آشکار می‌شود که شگفتی جهان دانشمندان نظری واردعمل می‌شود. در اینجا هنگامی که دانشمندان قصد قرار دادن هر یک از اتمها را در محلمورد نظر دارندقوانین کوانتوموارد صحنه می‌شود. پیش‌بینیرفتار و خواص در محدودهای از ابعاد برای نانوتکنولوژیستها حیاتیاست.

مدل‌سازی رایانه‌ای با بکارگیری قوانین اولیه مکانیک کوانتوم و یاشبیه‌سازیهای مقیاس میانی ، دانشمندان را به مشاهده و پیش‌بینی رفتار در مقیاس نانوو یا حدود آن قادر می‌سازد. مدلهای مقیاس میانی با بکارگیری واحدهای اصلی بزرگتر ازمدلهای مولکولی که نیازمند جزئیات اتمی است، به ارائه خواص جامدات ، مایعات و گازهامیپردازند. روشهای مقیاس میانی در مقیاسهای طولی و زمانی بزرگتری نسبت بهشبیهسازی مولکولی عمل می‌کنند. می‌توان این روشها را برای مطالعه مایعات پیچیده ،مخلوطهای پلیمر و مواد ساخته‌شده در مقیاس نانو و میکرو بکار برد.

مدل ‌سازی خاک‌ رس

محققین دانشگاه لندن در انگلستان و دانشگاه Paris Sud در فرانسه ، شبیه‌سازیهایی بر اساس مکانیک کوانتوم برای مطالعه و کامپوزیتهای خاک‌رس–پلیمر بکار برده‌اند. امروزه این ترکیبات یکی از موفق‌ترین مواد نانوتکنولوژیهستند، زیرا بطور همزمان مقاومت بالا و شکل‌پذیری از خود نشان می‌دهند؛ خواصی کهمعمولاً در یکجا جمع نمی‌شوند. نانو کامپوزیتهای پلیمر–خاک رس می‌توانند باپلیمریزاسیون در جا تهیه شوند؛ فرآیندی که شامل مخلوط کردن مکانیکی خاک معدنی بامونومر مورد نیاز است. بنابراین مونومر در لایه درونی جای‌گذاری می‌شود (خودش را درلایه‌های درون ورقه‌های سفال جای می‌دهد) و تورق کل ساختار را افزایش می‌دهد. پلیمریزاسیون ادامه می‌یابد تا سبب پیدایش مواد پلیمری خطی و همبسته گردد.

دانشمندان با بکارگیریCastep (یک برنامه مکانیک کوانتوم که نظریه کارکردی چگالی را بکار می‌گیرد) تحول کشف شدهدر این روش را که پلیمریزاسیون میان ‌گذار خود کاتالیست نامیده می‌شود مطالعهکردند. این پروژه ، دانشی نظری در زمینه ساز و کار این فرآیند جدید را بوسیله مشخصکردن نقش سفال در کامپوزیت فراهم نمود. ضروری است که دانش حاصل از شبیه‌سازیها ،جهت کنترل و مهندسی نمودن فعل و انفعالات پلیمر-سیلیکات به کمک دانشمندانآید.

دانشمندان در شرکت BASF شبیه‌ سازیهای مقیاس میانی را برای بررسی علم ورفتارریزواره‌هابکاربردند. ریزواره‌ها ذراتیکروی شکل با ابعاد نانو هستند که به صورت خود به خود در محلولهای کوپلیمری ایجادمی‌شوند و در زمینه‌هایی مانند سنسورها وسایل آرایشی و دارو رسانی کاربرد دارند. دانشمندانBASF با بکار گیری esoDyn ، یک ابزار شبیه ‌سازی برای پیش‌بینی ساختارهایمقیاس میانی مواد متراکم محلولهای تغلیظ ‌شده کوپلیمرهای آمفی‌فیلیک را بررسیکردند.

شبیه‌سازیها مشخص نمود که کدام شرایط مولکولی و فرمولی به شکل‌گیری "ریزواره‌های معکوس" مانند نانو ذرات آب در یک محیط فعال منتهی‌ میشود. چنیننتایجی برای درک رفتار عوامل فعال سطحی ضروری هستند. به کمک روشهایی مانند پرتابمحلول در آزمایشگاه می‌توان به نتایجی در این زمینه دست یافت، اما دستیابی به ایننتایج ماهها به طول می‌انجامد، درحالی که آزمایشهای شبیه‌سازی شده تنها طی چند روزنتیجه می‌دهند.

محدودیتهای این روشهاچیست؟

در حالیکه امروزه ابزار مدلسازی در سطح کوانتومی ومقیاس میانی به خوبی توسعه یافته‌اند، همچنان محدودیتهایی در این عرصه وجود دارد. برای مثال کاربردهایی در زمینه وسایل الکترونیک مستلزم انجام محاسبات مکانیککوانتوم برای تعداد اتمهایی بیش از روشهای حاضر می‌باشد که بیش از توان عملیاتیمنابع محاسبه‌گر فعلی است. همچنین مدلسازی کل وسایل امکان‌پذیر نیست، بویژهعملکردها و خواص آنها..

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.

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.

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.