چدن نشکن پس از ریخته گری.
گرافیت های کروی در زمینه پرلیتی(قسمت های سیاه) و فریتی( مناطق سفید). اچ شده با نتال 2 درصد.

فناوري نانو

 

فناوري نانو چيست؟

فناوري‌نانو واژه‌اي است كلي كه به تمام فناوري‌هاي پيشرفته در عرصه كار با مقياس نانو اطلاق مي‌شود.

معمولاً منظور از مقياس نانوابعادي در حدود 1نانو متر تا 100 نانو متر میباشد. (1 نانومتر يک ميليارديم متر است).

اولين جرقه فناوري نانو (البته در آن زمان هنوز به اين نام شناخته نشده بود) در سال 1959 زده شد. در اين سال ريچارد فاينمن طي يك سخنراني با عنوان «فضاي زيادي در سطوح پايين وجود دارد» ايده فناوري نانو را مطرح ساخت. وي اين نظريه را ارائه داد كه در آينده‌اي نزديك مي‌توانيم مولكول‌ها و اتم‌ها را به صورت مسقيم دستكاري كنيم.

واژه فناوري نانو اولين بار توسط نوريوتاينگوچي استاد دانشگاه علوم توكيو در سال 1974 بر زبانها جاري شد.

او اين واژه را براي توصيف ساخت مواد (وسايل) دقيقي كه تلورانس ابعادي آنها در حد نانومتر مي‌باشد، به كار برد. در سال 1986 اين واژه توسط كي اريك دركسلر در کتابي تحت عنوان : «موتور آفرينش: آغاز دوران فناوري‌نانو» بازآفريني و تعريف مجدد شد. وي اين واژه را به شكل عميق‌تري در رساله دكتراي خود مورد بررسي قرار داده و بعدها آنرا در کتابي تحت عنوان «نانوسيستم‌ها ماشين‌هاي مولكولي چگونگي ساخت و محاسبات آنها» توسعه داد.

هدف فناوری نانو یا نانوتکنولوژی تولید مولکولی یا ساخت اتم به اتم و مولکول به مولکول مواد و ماشین‌ها توسط بازوهای روبات برنامه‌ریزی شده در مقیاس نانومتریک است (نانومتر یک میلیاردم متر است یعنی پهنای معادل با 3 تا 4 اتم).

رایانه‌ها اطلاعات را تقریباً بدون صرف هیچ هزینه‌ای باز تولید می‌کنند. اقداماتی در دست اجراست تا دستگاههایی ساخته شوند که تقریباً بدون هزینه - شبیه عمل بیتها در رایانه - اتمها را به صورت مجزا بهم اضافه کنند (کنار هم قرار دهند). این امر ساختن خودکار فراورده‌ها را بدون نیروی کار سنتی همانند عمل کپی در ماشینهای زیراکس میسر می‌کند. صنعت الکترونیک با روند کوچک‌سازی احیاء می‌گردد و کار در ابعاد کوچکتر منجر به ساخت ابزاری می‌شود که قادر به دستکاری اتم‌های منفرد مثل پروتئین‌ها در سیب‌زمینی و همانندسازی اتم‌های خاک، هوا و آب از خودشان می‌گردد.

نانوتکنولوژی تولید کارآمد مواد و دستگاهها و سیستمها با کنترل ماده در مقیاس طولی نانومتر و بهره برداری از خواص و پدیده‌های نو ظهوری است که در مقیاس نانو توسعه یافته‌اند

انواع رویکردهای نانو تکنولوژِی

در نتیجه ، علوم فناوری نانو عمیقا میان رشته‌ای بوده و دستاوردهای بس شگرفی برای بشریت خواهند داشت و افقهای کاملا جدیدی را برای پیشرفت و بهروزی جوامع و مبارزه موثر با بیماریها و گرسنگی خواهند گشود. رسیدن به مقیاس نانو از طریق رویکرد از پایین به بالا یکی از گزینه‌های علم و فناوری نانو است. رویکرد دیگر در علم فناوری نانو ، رویکرد از بالا یه پایین ، یا بیرون کشیدن نانو ساختارها از درون ساختارهای بزرگتر است. این رویکرد به نام برنامه کوچک سازی مشهور گشته است و همراه با رویکرد اول ، بسترهای اساسی برای پیشرفت برنامه عظیم جهانی علوم فناوری نانو هستند.

علوم فناوری نانو ، همراه با فناوری زیسی متکی بر ژنتیک مولکولی که در برنامه بزرگ ژنوم انسانی متجلی گشته است. و فناوری اطلاعات که با پیشرفت عظیم قدرت محاسباتی رایانه‌ها ، در شکل ابر رایانه‌ها سکوهای گرافیک محاسباتی و رایانه‌های فردی ، جهش‌وار به پیش می‌رود. مبانی علم و فناوری قرن بیست و یکم را تشکیل می‌دهند و سیمای پیشرفت جوامع بشری را تا حداقل پنجاه سال آینده ترسیم می‌کنند.

فناوری نانو در آینده نه چندان دور

واقعیت این است که بشر در آستانه بزرگترین تحول و دگرگونی تاریخ خود قرار دارد و این تحول همه چیز را در همه عرصه‌های زندگی بشر ، بطور انقلابی دگرگون خواهد ساخت. فناوری نانو ، جهان را در آستانه بزرگترین انقلاب تاریخ قرار داده است. در سایه انقلاب فناوری نانو توانمندیهای تازه‌ای در تولید و کاربرد ابزار میکرو الکترونیک یکی پس از دیگری پدیدار خواهد شد. با استفاده از این فناوری ابزار و وسایل لازم با بهره گیری از روشهای ساخت مولکولی مشابه با آنچه در اندام انسانی روی می‌دهد تولید می‌شوند.

پیامدهای فناوری نانو با توجه به این نکته که این فناوری می‌تواند در نقطه تلاقی دانش اطلاعات و دانش زیستی عمل نماید کاملا حیرت انگیز خواهد بود. رایانه‌های مولکولی با اجزا ارگانیک و زنده در تماس و ارتباط خواهند بود. انسانها در 25 سال آینده وسایل اطلاع رسانی شخص خود را در حالی با خود حمل خواهند کرد که آن را به نوعی پوشیده‌اند و نیروی لازم برای آن را از انرژی جنبشی ناشی از راه رفتن خود تامین می‌کنند.

محط کار ما بطور مجازی و مطابق نیاز و سلیقه ما همه جا همراه خواهد بود و مردم همه دنیا با حجم زیادی از اطلاعات در هر زمان و مکان قابل دسترسی خواهند بود. هنگام سفر نیز خودروهای رایانه‌ای و هوشمند خود راننده در ارتباط شبکه‌ای با پایگاههای مرکزی بوده و دسترسی دائمی به آخرین اطلاعات مورد نیاز امکان پذیر خواهند نمود و قبل از رسیدن به خانه و لوازم منزل و محیط خانه را با برنامه ریزی و ارتباط با یکدیگر مطابق دلخواه ما آماده خواهند کرد.

در زمینه فناوری میکرو الکترومکانیکها ما به وسایلی دست پیدا خواهیم کرد که در آنها حسگرها و فرستنده‌ها و گیرنده‌ها در حداقل اندازه خود بوده و با چنین وسایلی زندگی ما به شدت متحول خواهد شد. به عنوان نمونه هنگام بیماری پزشکان همزمان با ما و یا حتی زودتر از ما از آن آگاه خواهند شد. در زمینه فناوری زیستی امکان همانند سازی انسان و سایر موجودات زنده گزینش جنسیت و حتی صفات خاص در نوزادان فراهم شده و امکان درمان بسیاری از بیماریهای حاد و مزمن حسی عصبی با فناوری کشت سلولی مقدور خواهد شد.

 

چقدر کوچک است؟ نانو

تا به اینجا متوجه شدیم که علم فناوری نانو که مورد بحث ما می‌باشد، در مورد بسیار کوچک ها صحبت می‌کند. اما می‌خواهیم بدانیم چقدر کوچک؟ یک نانو عبارتست از 9-10 متر ، اگر بخواهیم این اندازه را در ذهن خود مجسم کنیم باید بدانیم که اگر تعداد یک میلیون ذره یک نانومتری را در کنار هم قرار دهیم تنها طولی برابر با یک میلیمتر بدست می‌آید. به صورت کاملا دقیق هنگامی که ما از ابعاد نانومتری صحبت می‌کنیم. منظور ما ابعادی در اندازه اتمها و مولکولها می‌باشد.

 

نانو تکنولوژی در ایران

برای کشور در حال توسعه ایستایی نظیر کشور ما نیز گزینش استراتژی فرا صنعتی علاوه بر حیاتی و اجتناب ناپذیر بودن آن ، این حسن را نیز دارد که توجه جامعه را از مسائلی انحرافی و مشکلات کاذبی نظیر منازعه کهنه و نخ نما شده 250 ساله طرفداران سنتگرایی و مدرنیسم ، آن هم از نوع سطحی و عوامانه و کپی برداری شده‌اش که مربوط به مناسبات سپری شده سرمایه داری تا جز (نه تجاری) و صنعتی هستند.

به یک هدف مشترک سرنوشت ساز و حیاتی ملی معطوف خواهد کرد که می‌تواند و باید همه مردم را در داخل و خارج کشور حول یک محور مشترک گرد آورد و عزم ملی برای پیشرفت و توسعه پایدار را شکل دهد، زیرا در دنیای امروزی بویژه در کشور با سابقه‌ای مثل ایران با پشتوانه یک تمدن ده هزار ساله و با آن سوبق درخشان علمی هیچکس حداقل در حرف ، مخالف علم و فناوری و ترقی و پیشرفت نیست و یا جرات ابراز آن را ندارد.

کمتر کشوری در جهان است که نیروی انسانی مستعد و شرایط و امکانات مناسب برای پیشرفت و توسعه را همانند کشور ما به یکجا داشته باشد. شاید با قرار دادن هدف شفاف و روشنی در برابر جامعه ، مردم انگیزه کافی برای جنبش و حرکت پیدا کند و اقتصاد بیمار مبتنی بر دلالی جای خود را به یک اقتصاد دانش‌ محور بدهد، مردمی که در پیدایش تمدن کشاورزی نقش برجسته‌ای داشتند و دستاوردهای آن را در سیاهترین دوره تاریخی غرب (قرون وسطی) در زیر سم ستوران قبایل وحشی مهاجم حفظ کردند و آنرا به تمدن صنعتی تحویل دادند.

اینکه این شایستگی را دارند که در ایجاد و پی ریزی یک دوره تاریخی جدید نقش برجسته‌ای ایفا کنند و از مردم هوشمند ایران غیر از این نیز انتظار نمی‌رود و تنها در اینصورت است که می‌توان انتظار داشت. نه فقط در عرصه علم بلکه در همه جنبه‌های تمدن و فرهنگ همانند دوره میترائیسم تا قرنهای اول تمدن اسلامی که سراسر مناطق شناخته شده زمین از ژاپن و چین تا انگلستان و از زنگبار تا اسکاندیناوی از تمدن ما تاثیر پذیرفتند و این بار نیز به جای انفعال و تاثیر پذیری در سراسر جهان تاثیر گذار باشیم و مهر خود را بر پای تمدن فراصنعتی بکوبیم.

چشم انداز علم نانو تکنولوژی

انقلاب جهانی تکونولوژی با تغییرات اجتماعی ، اقتصادی ، سیاسی و فردی در سراسر جهان همراه است. همچون انقلابهای کشاورزی و صنعتی در گذشته ، این انقلاب تکنولوژی نیز از پتانسیل دگرگون سازی کیفیت زندگی و طول عمر ، متحول سازی کار و صنعت ، تغییر و تبدیل ثروت ، جابجایی قدرت در سطح ملتها و در درون ملتها و افزایش تنش و تعارض برخوردار است.

پیامدهای انقلاب یاد شده بر سلامی بشر شاید شگفت آورترین آنها باشد. چرا که خط شکنیهای علمی کیفیت و طول زندگی انسان را به مراتب بهتر خواهند کرد. بیوتکنولوژی نیز ما را قادر خواهد ساخت ارگانیزمهای زنده از جمله خودمان را شناسایی نموده ، چگونگی فعالیتشان را درک کنیم، آنها را دستکاری کرده ، بهبود بخشیده و تحت کنترل در آوریم. تکنولوژی اطلاعات امروزه بویژه در کشورهای توسعه یافته تحولات انقلابی برای زندگی ما به ارمغان آورده و خود عامل توان آفرین عمده‌ای برای سایر روندها به شمار می‌رود.

تکنولوژی مواد ، تولید محصولات ، قطعات و سیستمهای ارزانتر ، هوشمندتر ، چند منظوره سازگار با محیط زیست ، ماندگارتر و سفارشی‌تر از مسیر خواهد ساخت. علاوه بر این مواد هوشمند ، ساخت و تولید چالاک و نانو تکنولوژی ، تولید وسایل را متحول ساخته و توانمندیهای آنها را بهبود بخشید. انقلاب تکنولوژی از حیث اثرات جهانی یکسان عمل نخواهد کرد و بسته به میزان استقبال از آن سرمایه گذاری و مسائل متعددی همچون بیواخلاق ، حریم خصوصی ، نابرابری اقتصادی ، تهاجم فرهنگی و واکنشهای اجتماعی تنشهای متفاوتی ایفا خواهد نمود.

اما راه بازگشتی وجود ندارد، چون برخی جوامع فرصت را غنیمت شمرده ، از انقلاب یاد شده سود برده و محیط زندگی همه جوامع را دستخوش تغییر خواهد کرد.

 

تاریخچه نانوتکنولوژی

نانو تکنولوژی علمی است با تاریخ تولد مشخص! چهل سال پیش ریچارد فاینمن، متخصص کوانتوم نظری و دارندهٔ جایزهٔ نوبل، در هنگام گرفتن جایزه نوبل خود، نظریه‌ی جدیدی مطرح کرد. او در سخنرانی معروف خود در سال ۱۹۵۹ با عنوان "آن پایین فضای بسیاری هست"

به بررسی بعد رشد نیافته علم مواد پرداخت. وی درآن زمان اظهار داشت: "اصول فیزیک، تا آنجایی که من توانایی فهمش را دارم، مخالفتی با ساختن اتم به اتم چیزها ندارد." او فرض را بر این قرار داد که اگر دانشمندان فرا گرفته‌اند که چگونه ترانزیستورها و دیگر سازه‌ها را با مقیاس‌های کوچک بسازند، پس ما خواهیم توانست که آنها را کوچک و کوچکتر کنیم. در واقع آنها به مرزهای حقیقیشان در لبه‌های نامعلوم کوانتوم نزدیک خواهند بود، بطوری که یک اتم را در مقابل دیگری به گونه‌ای قرار دهیم که بتوانیم کوچکترین محصول ممکن را ایجاد کنیم.

با استفاده از این فرم‌های بسیار کوچک، چه وسایلی میتوانیم ایجاد کنیم؟

فاینمن در ذهن خود یک "دکتر مولکولی" تصور کرد که صدها بار از یک سلول منحصربه فرد کوچکتر است و میتواند به بدن انسان تزریق شود و درون بدن برای انجام کاری یا مطالعه و تایید سلامتی سلو‌ل‌ها و یا انجام اعمال ترمیمی و بهطور کلی برای نگهداری بدن در سلامت کامل به سیر بپردازد. در بحبوحه سال‌های صنعتی کلمه "بزرگ" از اهمیت ویژهای برخوردار بود. مثل علوم بزرگ، پروژههای مهندسی بزرگ و غیره حتی کامپیوترها در دهه ۱۹۵۰ تمام طبقات ساختمان را اشغال میکردند. ولی از وقتی فاینمن نظرات و منطق خود را بازگو کرد، جهان روندی بهسوی کوچک شدن در پیش گرفت.

دکتر مینسکی تفکرات بسیار باروری داشت که میتوانست به اندیشه های فاینمن قوت ببخشد.مینسکی پدر یابنده هوشهای مصنوعی دهه 70-1960 جهان را در تفکراتی که مربوط به آینده می شد ، رهبری میکرد.

در اواسط دهه ۷۰،اریک درکسلر یک دانشجوی فارغ التحصیل بود،مینسکی را به عنوان استاد راهنما جهت تکمیل پایان نامه اش انتخاب کرد

و او نیز این مسئولیت را بر عهده گرفت.درکسلر سخت به وسایل کوچک فاینمن علاقه مند شده بود و قصد داشت تا در مورد توانایی های آنها به کاوش بپردازد.

مینسکی نیز با وی موافقت کرد.

درکسلر در اوایل دهه ۸۰، درجه استادی خود را در رشته علوم کامپیوتر دریافت کرده بود و گروهی از دانشجویان را به صورت انجمنی به دور خود جمع نموده بود. او افکار جوان ترها را با یک سری ایده ها‌ که خودش "نانوتکنولوژی" نامگذاری کرده، مشغول میداشت.

وی اولین مقاله علمی خود را در مورد" نانوتکنولوژی مولکولی "در سال ۱۹۸۱ ارایه داد. او کتاب:

Engine of Creation:The Coming Era of Nanotechnology

را در سال ۱۹۸۶ به چاپ رساند.درکسلر تنها درجه دکتری در نانوتکنولوژی را در سال ۱۹۹۱ از دانشگاه MIT

دریافت داشت. او یک پیشرو در طرح نانوتکنولوژی است و هماکنون رئیس انستیتو Foresight و Research Fellow

. میباشد

 

نانوتکنولوژی انقلاب صنعتی آینده:

کاربردهای نانوتکنولوژی

علوم و فناوری نانو، عنصری اساسی در درک بهتر طبیعت در دهه‌های آتی خواهد بود. از جمله موارد مهم در آینده، همکاریهای تحقیقاتی میان‌رشته‌ای، آموزش خاص و انتقال ایده‌ها و افراد به صنعت خواهد بود. بخشی از تأثیرات و کاربردهای نانوتکنولوژی بهشرح زیر می‌باشد:

 

نانوتکنولوژی، تغییر بنیادی مسیری است که در آینده، موجب ساخت مواد و ابزارها خواهد شد. امکان سنتز بلوک‌های ساختمانی نانو با اندازه و ترکیب به دقّت کنترل‌شده و سپس چیدن آنها در ساختارهای بزرگتر، که دارای خواص و کارکرد منحصربه‌فرد باشند، انقلابی در مواد و فرآیندهای تولید آنها ایجاد می‌کند. محقّقین قادر به ایجاد ساختارهایی از مواد خواهند شد که در طبیعت نبوده و شیمی مرسوم نیز قادر به ایجادشان نبوده‌است. برخی از مزایای نانوساختارها عبارتست از: مواد سبک‌تر، سخت‌تر و قابل برنامه‌ریزی؛ کاهش هزینه عمر کاری از طریق کاهش دفعات نقص فنّی؛ ابزارهایی نوین بر پایهٔ اصول و معماری جدید؛ بکارگیری کارخانجات مولکولی یا خوشه‌ای که مزیّت مونتاژ مواد در سطح نانو را دارند.

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

. 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 مرئی‌سازی بکار می‌رود) درون سلو‌ل‌ها وارد نمود.

*افزایش توان محاسباتی بوسیله 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 مسائل 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 ۵٬1 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 نورانیها) را به مقدار زیاد در ابعاد نانو تولید کرد. در امریکا، تقریبا" 20% کل برق تولیدی، صرف روشنایی می‌شود. مطابق پیش‌بینی‌ها در ۱۰ تا ۱۵ سال آینده، پیشرفت‌هایی از این دست می‌تواند مصرف جهانی را بیش از 10% 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

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 عبارتند از: تسلط اطّلاعاتی از طریق نانوالکترونیک پیشرفته بعنوان 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" دی وی دی "

یا بیشتر در یک هارد دیسک با ابعاد یک کارت اعتباری می‌شود. ساخت تراشه‌ها در اندازههای فوقالعاده کوچک به‌عنوان مثال در اندازههای 32 تا ۹۰ نانومتر، تولید دیسک‌های نوری ۱۰۰ گیگابایتی در اندازه های کوچک نیز میباشد.

سازندگان تجهیزات الکترونیکی ، علاقه بسیاری به کوچک کردن ابعاد و بالا بردن قدرت محاسبات این تجهیزات دارند. ولی این امر با استفاده از فناوریهای معمولی تقریبا به مرز نهایی خود نزدیک شده است. اما فناوری نانو ، راه دیگری را پیش پا گذاشته و می‌توان گفت دنیای الکترونیک را دگرگون ساخته است. با استفاده از این فناوری ، نسل جدیدی از رایانه‌ها به نام رایانه کوانتومی به بازار خواهد آمد، که تقریبا 1000 برابر رایانه‌های امروزی قدرت خواهد داشت! با استفاده از این رایانه‌ها ، سرعت دستیابی به اطلاعات صدها برابر شده و طبعا برتری اطلاعاتی با دارندگان این تجهیزات خواهد بود.

 

فناوری نانو و شیمی

با استفاده از فناوری نانو می‌توان کاتالیزورهایی با نسبت سطح به حجم بسیار بالا تولید کرده و راندمان را در واحدهای شیمیایی به میزان بسیار زیادی افزایش داد. سلولهای خورشیدی کوانتومی با استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت تمیز ، نسل جدید باتریها ، پوششهای بسیار مقاوم ، رنگهای بی‌نیاز از شستشو و تحولات خارق‌العاده دیگر در دنیای شیمی و تولید ، از دیگر کاربردهای فناوری نانو ، می‌باشند که قابلیت ایجاد تحول در نحوه زندگی انسان خواهد داشت. به همین ترتیب ، می‌توان کاربردهای بسیاری را در سایر شاخه‌های علوم و فناوری برای فناوری نانو نام برد.

 

فناوری نانو و پزشکی

همانگونه که می‌دانید روش معمولی درمان دارویی ، بدین صورت است که ماده موثر را وارد بدن می‌کنند و این ماده علاوه بر سلولهای مریض به سلولها و بافتهای سالم بدن نیز سرایت می‌کند. این امر ، باعث مصرف بسیار بالای دارو شده و مهمتر اینکه موجب آسیب رساندن به بافتهای سالم بدن نیز می‌گردد. محققان با استفاده از فناوری نانو ، در حال ساخت کپسولهایی با ابعاد نانومتری هستند که علاوه بر اندازه غیر قابل تصورشان قدرت تشخیص بافتهای مریض را داشته ، دقیقا روی این بافتها قرار گرفته و مقدار داروی لازم را به آنها می‌رسانند.

این پدیده را دارو رسانی

گویند. فناوری نانو همچنین راه را برای ساخت اندامکهای سازگار با بدن بسیار هموارتر ساخته و بسیاری از امراض غیر قابل علاج را درمان پذیر خواهد کرد. در مورد درمان سرطان نیز محققان در حال ساخت نانو ذراتی هستند که به محض ورود به بدن ، بافتهای سرطانی را حتی اگر به اندازه چند سلول باشند، شناسایی کرده و از بین می‌برند. این امر موجب خواهد شد که بافتهای سرطانی در همان روزهای ابتدای شکل گیری، شناسایی شده و از بین بروند. بطور کلی در سالهای آینده پیشگیری ، تشخیص و درمان بیماریها نسبت به آنچه امروزه به عنوان پزشکی خوانده می‌شود، بسیار متفاوت خواهد شد.

فناوری نانو و حمل و نقل

مواد جدیدی که از نانو ذرات ساخته شده‌اند، به میزان چشم گیری موجب کاهش وزن وسایل نقلیه خواهند شد. در خودروهای نسل آینده ، بجای فولاد ، از مواد مرکب یا نانو کامپوزیتهایی استفاده می‌شود که وزنی بسیار ناچیز و استحکام حیرت انگیز دارند (نسبت استحکام به وزن در این مواد در مقایسه با فولاد چند صد برابر بیشتر است).

کاهش وزن در وسایل نقلیه یعنی دستیابی به سرعتهای بالاتر ، کاهش مصرف سوخت ، کاهش تولید آلاینده‌ها و هزاران منفعت دیگر که به یمن کاهش آلودگی ، عاید بشر خواهد شد. هم‌اکنون با استفاده از این فناوری ، لاستیکهایی ساخته می‌شود که با دارا بودن درصدی از خاک رس ، مقاومت به سایش بسیار بالایی داشته و عمری چند برابر لاستیکهای معمولی دارند.

 

نانوتکنولوژی و صنعت نفت» «

فناوری نانو میتواند اثرات قابل توجهی در صنعت نفت داشته باشد، در مطلب زیر بعد از اشاره به برخی از این تأثیرات، تعدادی از کاربردهای فناوری نانو در صنعت نفت بویژه در بحث آلودگی محیط زیست و نیز سنسورهای نانو به طور مختصر معرفی گردیده است

مقدمه هنگامی که ریچارد اسملی

برندة جایزة نوبل، بالک مینسترفلورسنس را در سال 1985 در دانشگاه رایس کشف نمود،‌ انتظار اندکی داشت که تحقیق او بتواند صنعت نفت را متأثر سازد. سازمان انرژی آمریکا

سرمایه‌گذاری خود را در قسمت فناوری نانو با 62 درصد افزایش داد تا مطالعات لازم در زمینة‌ موادی با نام‌های باکی‌بال‌ها

و باکی‌تیوب‌ها

استوانه‌های کربنی که دارای قطر متر می‌باشند صورت گیرد. نانولوله‌های کربنی با وزنی در حدود وزن فولاد، صد برابر مستحکم

تر از آن بوده، دارای رسانش الکتریکی معادل با مس و رسانی گرمایی هم ارز با الماس می‌باشند. نانوفیلترها می‌توانند به جداسازی مواد در میدان‌های نفتی کمک کنند و کاتالیست‌های نانو می‌توانند تأثیر چندین میلیارد دلاری در فرآیند پالایش به‌دنبال داشته باشند.

از سایر مزایای نانولوله‌های کربنی می‌توان به کاربرد آن‌ها در تکنولوژی اطلاعات نظیر ساخت پوشش‌های مقاوم در مقابل تداخل‌های الکترومغناطیسی، صفحه‌های نمایش مسطح، مواد مرکب جدید و تجهیزات الکترونیکی با کارآیی زیاد اشاره نمود.

علم نانو یک تحول بزرگ در مقیاس بسیار کوچک

بسیاری از محققان و سیاستمداران جهان معتقدند که علم نانو می‌تواند تحولات اساسی در صنعت جهانی ایجاد نماید صنعت نفت نیز از پیشرفت این تکنولوژی بهره‌مند خواهد گشت.

علم نانو می‌تواند به بهبود تولید نفت و گاز با تسهیل جدایش نفت وگاز در داخل مخزن کمک نماید. این کار با درک بهتر فرآیندها در سطوح مولکولی امکانپذیر می‌باشد. با توجه به اینکه نانو مربوط به ابعادی در حدود متر می‌باشد، نانوتکنولوژی به مفهوم ساخت مواد و ساختارهای جدید توسط مولکول‌ها و اتم‌ها در این مقیاس می‌باشد.

خوشبختانه کاربردهای عملی نانو در صنعت نفت جایگاه‌ ویژه‌ای دارند. نانوتکنولوژی دیدگاه‌های جدید جهت استخراج بهبود یافته نفت فراهم کرده است. این تکنولوژی به جدایش موثرتر نفت و آب کمک می‌کند . با افزودن موادی در مقیاس نانو به مخزن می‌توان نفت بیشتری آزاد نمود. همچنین می‌توان با گسترش تکنیک‌های اندازه‌گیری توسط سنسورهای کوچک،‌ اطلاعات بهتری درباره مخزن بدست آورد

مواد نانو

صنعت نفت تقریباً در تمام فرآیندها احتیاج به موادی مستحکم و مطمئن دارد. با ساخت موادی در مقیاس نانو می‌توان تجهیزاتی سبکتر، مقاومتر و محکم‌تر از محصولات امروزی تولید نمود. شرکت نانوتکنولوژی "جی پی"

در هنگ‌کنگ یکی از پیشگامان توسعه کربید سیلیکون، یک پودر سرامیکی در ابعاد نانو می‌باشد.

با استفاده از این پودرها می‌توان مواد بسیار سختی تولید نمود. این شرکت در حال حاضر مشغول مطالعه و تحقیق بر روی سایر مواد مرکب می‌باشد و معتقد است که می‌توان با نانوکریستال‌ها تجهیزات حفاری بادوامتر و مستحکم‌تری تولید کرد. همچنین متخصصان این شرکت یک سیال جدید حاوی ذرات و نانوپودرهای بسیار ریز تولید نموده‌اند که به‌طور قابل توجهی سرعت حفاری را بهبود می‌بخشد. این مخلوط آسیب‌های وارده به دیواره مخزن در چاه را حذف نموده و قابلیت استخراج نفت را افزایش می‌بخشد.

آلودگی

آلودگی توسط مواد شیمیایی 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 تا حد مطلوبی به کاهش آلودگی کمک کند. در حال حاضر فیلترها و ذراتی با ساختار نانو در حال توسعه می‌باشند که می‌توانند ترکیبات آلی را از بخار نفت جدا سازند. این نمونه‌ها علیرغم اینکه اندازه‌ای در حدود چند نانومتر دارند، دارای سطح بیرونی وسیعی بوده و قادر به کنترل نوع سیال گذرنده از خود می‌باشند. همچنین کاتالیست‌هایی با ساختار نانو جهت تسهیل در جداسازی سولفید هیدروژن، آب، مونوکسیدکربن، و دی‌اکسید کربن از گاز‌طبیعی در صنعت نفت بکار گرفته می‌شوند. در حال حاضر مطالعاتی بر روی نمونه‌هایی از خاک رس در ابعاد نانو و جهت ترکیب با پلیمرهایی صورت می‌پذیرد که بتوانند هیدروکربن‌ها را جذب نمایند. بنابراین می‌توان باقیمانده‌های نفت را از گل حفاری جدا نمود.

سنسورهای جدید در خدمت بهبود استخراج نفت

براساس آخرین اطلاعات چاپ شده توسط سازمان انرژی آمریکا، استخراج نفت در حدود دو سوم از چاه‌های نفت آمریکا اقتصادی نمی‌باشد. با توجه به دما و فشار زیاد در محیط‌های سخت زیرزمینی، سنسورهای قدیمی الکتریکی و الکترونیکی و سایر لوازم اندازه‌گیری قابل اعتماد نمی‌باشند و در نتیجه شرکت‌های استخراج‌ کنندة‌ نفت در تهیه ‌اطلاعات لازم و حساس جهت استخراج کامل و مؤثر نفت از مخازن با برخی مشکلات مواجه می‌باشند

در حال حاضر محققان در آزمایشگاه فوتونیک دانشگاه صنعتی ویرجینیا در حال توسعه یک‌سری سنسورهای قابل اعتماد و ارزان از فیبرهای نوری جهت اندازه‌گیری فشار، دما، جریان نفت و امواج آکوستیک در چاه‌های نفت می‌باشند. این سنسورها به‌علت مزایایی نظیر اندازة کوچک ،‌ایمنی در قبال تداخل الکترومغناطیسی ، قابلیت کارآیی در فشار و دمای بالا و همچنین محیط‌های دشوار، مورد توجه بسیار قرار گرفته‌اند. از همه مهم‌تر اینکه امکان جایگزینی و تعویض این سنسورها بدون دخالت در فرآیند تولید نفت و باهزینة‌ مناسب فراهم می‌باشد. در حال حاضر عمل جایگزینی و تعویض سنسورهای قدیمی در چاه‌های نفت میلیون‌ها دلار هزینه در پی دارد. سنسورهای جدید از نظر تولید بسیار مقرون ‌به صرفه بوده و اندازه‌گیری‌های دقیق‌تری ارائه می‌دهند.

انتظار می‌رود که تکنولوژی این سنسورها تولید نفت را با ارائه اندازه‌گیری‌های دقیق و قابل اعتماد و کاهش ریسک‌های همراه با اکتشاف و حفاری نفت بهبود بخشد. همچنین سنسورهای جدید به‌علت برخی کاربردهای ویژه نظیر استخراج دریایی و افقی نفت، جایی که بکاربستن سنسورهای قدیمی در چنین شرایطی بسیار مشکل می‌باشد، از توجه ویژه‌ای برخوردارند.

 

 

نانوتکنولوژی و افزایش بازده موتورها

محققین دانشگاه کالیفرنیا در سانتاکروز در راس یک برنامه همکاری به منظور توسعه فناوری جدیدی جدیدی جهت افزایش بازده

موتور های احتراق داخلی قرار دارند.

این فناوری قرار است حرارت خروجی از موتور را به جریان الکتریکی تبدیل نماید.این پروژه از مهندسی نانومتری مواد ، جهت تبدیل مستقیم انرژی حرارتی به انرژی الکتریکی استفاده خواهد نمود.

 

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.

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*

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

 

نتیجه گیری

اساسأ دانشمندان در 300 سال گذشته، دنیا را با فرمولهای مختلف توصیف کرده اند، و اگر ژنتیک یکی از علومی بوده است که از دانش برای نوآفرینی بخشی از واقعیت طبیعی با کنترل قادر شده است، ننوتک میتواند همه جهان را از نو به شکل هوشمندانه خلق کند، و میتواند محیطی برای ابزارهای هوشمند خلق کند که در ارتباط متقابل موثر با دنیای فیزیکی قرار گیرند، و طبیعت را به واقعیت ثروت زا برای نسل بشر مبدل کنند، و در عین حال به ما کمک کنند که به فراسوی محدودیت های بیولوژیک خود برویم، و با مسائلی نظیر سرطان به طور موثر دست و پنجه نرم کنیم. در این عرصه فرصت های بسیاری برای بشریت نهفته است، و ترک این عرصه دانش میتواند به هر ملت و کل جهان لطمه زده و توسعه جامعه فراصنعتی در سطح جهانی را کُند کند. به طور خلاصه، نانوتکنولوژی به تاثیر ابزار هوشمند برروی زندگی بشر و جهان گره خورده،و مشترکا ً پتانسیل های عظیم فراروی بشریت و جهان را ترسیم میکنند.

 

 

بازیافت مواد کامپوزیتی

 

بازیافت مواد کامپوزیتی

 

نوشتار حاضر، گزارش نهایی یک پروژه تحقیقاتی در زمینه بازیافت مواد کامپوزیتی است. هدف کلی این برنامه پژوهشی ، افزایش کاربرد کامپوزیت های پلیمری گرما سخت، از طریق توسعه فن آوری بازیافت مواد دور ریز بوده است. برای انجام این پروژه دو روش به کار گرفته شد :

          روش کار در دانشگاه برونل به کار گیری مجدد کامپوزیت های گرما سخت خرد شده به عنوان پر کننده درپلیمرها و فن آوری مربوطه بود. یک فن آوری با فرآیندهایی که به تولید محصولاتی با ارزش افزوده بالا منجر می شود. این فرآیندها به ویژه برای بازیافت قراضه های تقریبا تمیز و غیر آلوده کامپوزیتی مناسب هستند.

          در دانشگاه ناتینگهام کار بر روش های حرارتی بستر سیال متمرکز شده بود که انرژی و الیاف را به شکلی مناسب برای تهیه محصولات با ارزش بازیافت می کنند. این فرآیند برای قراضه های آلوده و مخلوط با سایر مواد، حاصل از قطعات صنایعی همچون صنعت خودرو مناسب است.

          این گزارش نتایج کارهای انجام شده در دانشگاه ناتینگهام را بیشتر مورد بررسی قرار می دهد. در این دانشگاه یک فرآیند بستر سیال به کار گرفته شد. فرآیندی که بای بازیافت ماده تقویت کننده و انرژی از طریق سوزاندن زمینه پلیمری مواد کامپوزیتی مناسب است. سپس الیاف بازیافتی مشخصه سازی شده و کاربرد آنها درجاهایی که ارزش افزوده بالایی دارند نشان داده شده است.

          هدف اصلی این مطالعه، کامپوزیت های گرما سختی بود که درحجم بالا به کارگرفته می شوند. کامپوزیت هایی با زمینه پلی استر، و فنلیک که با الیاف شیشه تقویت شده و با مواد معدنی پر شده اند. کامپوزیت های الیاف کربن نیز مورد مطالعه قرار گرفته اند.

 

فرآیند بستر سیال

به کارگیری بستر سیال برای بازیافت الیاف و شیشه و انرژی از مواد کامپوزیتی، بر مبنای یک کار قبلی در دانشگاه ناتینگهام انجام شد که درآن فرآیندهای گوناگون احتراق به عنوان روش بازیابی انرژی از کامپوزیتها مورد مطالعه قرار گرفته بودند. زمینه پلیمری کامپوزیت هنگام ورود به بستر سیال دما بالا تجزیه شده و این امر منجر به آزاد شدن الیاف و پرکننده و خروج آنها از بستر به وسیله جریان گاز می شود. یک بستر سیال دراندازه های آزمایشگاهی و به قطر 315 میلی متر ساخته شده و هوای سیال ساز به صورت الکتریکی پیش گرم شد تا بستر در دمایی بیش از 750 درجه سانتی گراد کار کند. الیاف و پرکننده ها پس از ترک بستر سیال به وسیله چرخانه از جریان گاز جدا شدند.

پژوهشهای نخستین روی یک نمونه صنعتی پایه پلی استری انجام شد که به روش قالب گیری ورقه ای ساخته شده بود. نتایج نشان دادند که استحکام الیاف شیشه در طول فرایند با افزایش دما کاهش می یابد. با این وجود حداقل دمایی برای تجزیه پلیمر و آزاد شدن الیاف مورد نیاز بود. به این ترتیب دمای بهینه فرایند تعیین شد.  

 

 

در دمای 450 درجه سانتی گراد ، سوختن کامل نمی شد و به محفظه ای برای احتراق ثانویه نیاز بود که در آن، گازهای بستر سیال، پس از جدا شدن از الیاف و پرکننده ها بسوزند. پس از این محفظه، یک مبدل گرمایی قرارداده شد که در آن از سوزاندن پلیمر انرژی به دست آید.

 

بهینه سازی دستگاه بازیافت الیاف

سیستم جریان گردبادی الیاف و پرکننده نصب شده، نمی توانست الیاف را به طور کامل از پرکننده جدا کند و برای دستیابی به الیافی با کیفیت بالاتر، به سیستم جداساز بهتری نیاز بود. به همین علت، یک توری چرخان روی مجرای بستر سیال نصب شد. با عبور گازهای خروجی بستر سیال از توری، الیاف در سوراخ های توری گیر می کنند.

با چرخش توری، الیاف از جریان گاز خروجی جدا شده و داخل یک جریان هوای مخالف قرار می گیرند که الیاف را از توری گذرانده و وارد مجرای جمع کننده می کند. ذرات پرکننده روی شبکه توری جمع نمی شوند. این توری چرخان قادراست الیاف شیشه را با خلوص 80 در صد جمع آوری کند.

 

آماده سازی مواد برای بازیافت

قراضه های کامپوزیتی از داخل یک قیف و به وسیله یک ماردون به درون بستر سیال تغذیه می شوند. موثرترین روش آماده سازی، به کار گیری آسیاب چکشی برای خرد کردن ضایعات است، تا حدی که از یک توری با شبکه های 5 تا 10 میلی متری عبور کنند. نتایج نشان دادند که با کوچک تر شدن ابعاد مواد ورودی، روند فرایند بستر سیال سریع تر می شود و مواد باقی مانده درکف بستر در هر مرحله، کاهش می یابد. با این وجود درچنین شرایطی متوسط طول الیاف بازیافتی کوتاه تر است. علاوه بر قطعات SMC ، دیگر ضایعات کامپوزیتی تقویت شده با الیاف شیشه نیز از روش بستر سیال بازیافت شدند، از جمله قطعه ای از وینیل استر/ شیشه با پرکننده سیلیس. هر دوی این کامپوزیت ها با روشی مشابه به روش ذکرشده برای قطعات SMC فرآوری شدند، اگر چه تجزیه رزین وینیل اسر بسیار کند تر از پلی استر انجام شد. یک صفحه فنلیک/ شیشه نیز بازیافت شد. رزین فنلیک زمان بیشتری برای تجزیه نیاز داشت و قطعات باقی مانده از الیاف شیشه با سختی به رشته های جداگانه تبدیل می شدند.

 

بازیافت قطعات خودرو

هدف اصلی این پروژه، نمایش امکان بازیافت قطعات کامپوزیتی کهنه و اسقاطی از طریق بستر سیال بود، به ویژه ضایعات صنعت خودرو که در صورت ورود کامپوزیت به صنعت خودرو حجم زیادی خواهند داشت. این ضایعات اغلب به مواد دیگر چسبیده اند و قطعه انتخاب شده برای این آزمایش نیز درصندوق عقب یک خودرو- سازه ای ساندویچی متشکل از دو لایه پلی استر تقویت شده با شیشه و یک مغزی از فوم پلی اورتان – بود. این قطعه رنگ شده بود و تعدادی قطعه فلزی داخل آن قرار داشت. این  قطع ابتدا با برش و سپس آسیاب چکشی به قطعاتی کوچک تر از 10 میلی متر خرد شد. سپس تمام محصولات آسیاب شده به درون بستر سیال  تغذیه شد و دردمای 450 درجه سانتی گراد فراری شد. خلوص محصول به دست آمده 80 درصد بود. پس از آزمایش مقدار کمی زغال (ناشی از فوم پلی اورتان) و تعدادی قطعه فلزی در بستر سیال باقی مانده بود. 

 

بازیافت کامپوزیت های الیاف کربن

چندین آزمایش نیز برای تحقیق در زمینه فرایند بازیافت الیاف کربن ازمواد کامپوزیتی انجام شد. ماده مورد آزمایش، قطعه ای اپوکسی- الیاف کربن بود که به روش پیچش الیاف ساخته شده و با آسیاب چکشی به قطعاتی کوچک تر از 10 میلی متر رد شده بود. آزمایش های بستر سیال تا دمای  5 درجه سانتی گراد انجام شدند و نتایج نشان دادند که تا این دما، اپوکسی از الیاف جدا شد ولی اکسیداسیون زیادی در سطح رخ نداد. الیاف کربن بازیافتی با میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) بررسی شدند. این الیاف در شرایط مناسب قرار داشتند.

 

مشخصه سازی الیاف شیشه بازیافتی

الیاف شیشه بازیافتی به شکل تک رشته های کوتاه بودند. استحکام کششی، مدول یانگ و توزیع طول آنها مورد بررسی قرار گرفت. مدول این الیاف تغییری نداشت ولی کاهش محسوس در استحکام آنها مشاهده شد که دلیل آن دمای بالای بستر سیال بود. استحکام الیاف بازیافتی در دمای 450 درجه سانتی گراد، نصف استحکام الیاف شیشه اولیه بود. این کاهش استحکام در مقالات نیز گزارش شده است. آزمایش های کنترل شده در کوره آزمایشگاهی ، نشان دادند که این اثر به علت افزایش دمای فرایند است و به نظر میرسد کار مکانیکی در بستر سیال ، تاثیر محسوسی بر استحکام ندارد.

اندازه گیری توزیع طول الیاف بازیافتی بسیار دشوار بود. پس از چندین مرحل تحقیق و بررسی، روش پردازش تصویری با به کار گیری چندین نرم افزار دقیق مورد استفاده قرار گرفت. به این ترتیب میانگین طول الیاف بازیافتی 5-3 میلی متر گزارش شد.

بررسی تصویرهای میکروسکوپی الیاف نیز نشان دهنده کیفیت خوب الیاف و آلودگی سطحی بسیار کم بود. به این ترتیب فرایند بستر سیال روشی مناسب برای جداکردن الیاف از زمینه های پلیمری است.

 

به کار گیری مجدد الیاف شیشه بازیافتی

الیاف شیشه بازیافت شده تک رشته های کوتاهی بودند که سفتی آنها برابر سفتی الیاف شیشه اولیه اما استحکام آنها کم تر بود. بر پایه شکل و اندازه آنها، امکان به کار گیری این الیاف درکاربردهای مورد بررسی قرار گرفت که استحکام الیاف درآنها به اندازه سفتی مهم نبود. دو کاربرد با جزئیاتی که درپی خواهد آمد مورد بررسی قرار گرفتند. در هر دوی این کاربردها الیاف بازیافتی مستقیما به جای الیاف نو به کار گرفته شدند. بنابر این می توان گفت الیاف بازیافتی این توان بالقوه را دارند که به صورت موادی ارزشمند مورد توجه قرار گیرند.

 

1.  تهیه پارچه سوزنی

    پارچه سوزنی الیاف شیشه کربرد های بسیاری ، در صنعت کامپوزیت و چه در دیگر صنایع دارد. این نوع پارچه ها به روش های گوناگون تهیه می شوند و متداول ترین روش، فرایندی تر مشابه روش شبیه به صورت تک رشته هایی درون یک مایع پراکنده شده و سپس روی یک پارچه توری یا الک خوابانده می شود تا بافت مورد نظر به دست آید. از آنجائی که در بسیاری از کاربردها استحکام پارچه ویژگی زیاد مهمی نیست، این فرایند، فرایندی ایده آل به ویژه برای به کارگیری دوباره الیاف شیشه بازیافتی است.

 

     پارچه های تهیه شده با نسبت های گوناگون الیاف بازیافتی، از روش های متفاوتی ارزیابی شدند. به عنوان مثال مناسب بودن بافت سطحی این پارچه ها برای فراهم کردن سطح پرداخت نهایی خوب هم در آزمایشگاه (اندازه گیری زبری سطح) و هم بصورت صنعتی (به کار گیری به عنوان پوشش یک یا چند لایی) آزمایش شد و در هر دو آزمایش ، پارچه نو عمل کرد. آزمایش های محیطی نیز به این صورت انجام شد که پارچه به عنوان بافت پوششی یک یا چند لایه به کار گرفته شد و سپس قطعه درمعرض محیط فرساینده مناسبی قرار گرفت و مجددا مشاهده شد که کارایی پارچه تهیه شده از الیاف بازیافتی، تفاوتی با پارچه های نو نداشت. استحکام پارچه سوزنی بازیافتی، به علت کاهش استحکام تک تک الیاف، عمدتا کم تر از پارچه سوزنی نو بود، اگر چه طول کوتاه تر الیاف نیز تاثیر گذار بود.

 

2. قالب گیری ترکیبات گرما سخت

    ساخت ترکیبات گرم سخت به روش قالب گیری نیز فرصت مناسبی برای به کار گیری مجدد الیاف شیشه بازیافتی است. این مواد معمولا  رکاربردهای نیازمند استحکام زیاد به کارگرفته نمی شوند و فرایند ترکیب سازی آنها با کمی اصلاح، می تواند برای الیاف بازیافتی تغییر داده شود. آزمایش های انجام شده روی یک ترکیب قالب گیری خمیری (DMC) درآزمایشگاه نشان دادند که جایگزینی الیاف شیشه بازیافتی به جای الیاف معمولی تا 50 درصد تاثیر قابل ملاحظه ای بر ویژگی های مکانیکی ماده-استحکام کششی، مدول و استحکام ضربه ندارد.

     به دنبال این آزمایش ها، یک قطعه آزمایشی توسط یکی از شرکتهای همکار در پروژه ساخته و به کار گرفته شد. برای ساخت این قطعه با کاربرد الکتریکی، 17 کیلوگرم ترکیب خمیری شکل تهیه شد که در آن 50 در صد الیاف شیشه با الیاف بازیافتی جایگزین شده بود. فرایند ترکیب سازی وعملیات قالب گیری تحت تاثیر این جایگزینی قرار نرگفت و ترکیب تولید شده از نظر ظاهری تفاوتی با سایر ترکیبات نداشت. ویژگی های مکانیکی و الکتریکی قطعه DMC تولید شده با الیاف بازیافتی درمحدوده قابل قبولی قرار داشت.

 

تحلیل اقتصادی

به منظور ارزیابی چشم انداز احتمالی توسعه بیشتر فرایند بستر سیال و تعیین حوزه هایی که اصلاح آنها می تواند به بیشتر عملی شد این فرایند منجر شود، یک برآورد اقتصادی ازاین فرایند انجام شد. برای انجام این تحلیل ابتدا یک کارخانه بازیافت د رمقیاس واقعی طراحی شده و تجهیزات مورد نیاز ، اندازه تجهیزات و شرایط کار آنها (دما، فشار، سرعت، جریان سیال و...) مشخص شد.

نتایج نشان دادند که برای سر به سر شدن هزینه های این کارخانه، توان بازیافت آن باید 10000 تن در سال باشد. برای این که کارخانه پس از 10 سال، سالانه 3 درصد سود داشته باشد، توان بازیافت آن باید 15000 تن در سال باشد.

تغییر و بهبود فرایند بستر سیال ممکن است به افزایش توان تولید و عملی تر شدن چنین طرح هایی منجر شود. تحلیل هزینه های مشابهی برای کارخانه بازیافت الیاف کربن شیشه ارزش بیشتری دارد، تاسیس چنین کارخانه ای با توان تولید چند صد تن الیاف در سال امکان پذیر خواهد بود.

 

منبع : فصلنامه كامپوزيت

مهندسی:کامپوزیتها مواد چند سازه ای یا کاهگل های عصر جدید

مهندسی:کامپوزیتها -مواد چند سازه ای یا کاهگل های عصر جدید.
کامپوزیتها (مواد چند سازه ای یا کاهگل های عصر جدید )رده ای از مواد پیشرفته هستند که در آنها از ترکیب موادساده به منظور ایجاد موادی جدید با خواص مکانیکی و فیزیکی برتر استفاده شده است.اجزای تشکیل دهنده ویژگی خود را حفظ کرده در یکدیگر حل نشده و با هم ممزوج نمی شوند.استفاده از این مواد در طول تاریخ نیز مرسوم بوده است مانند آجرهای گلی که در ساخت آنها از تقویت کننده کاه استفاده می شده است .هنگامی که این دو باهم مخلوط بشوند در نهایت آجرپخته بدست می آید که بسیار ماندگار تر و مقاوم تر از هر دو ماده اولیه یعنی گل و کاه است.

تقسیم بندی مواد کامپوزیت:
1)کامپوزیتهای زمینه سرامیکی. ( CMC )
2)کامپوزیتهای زمینه فلزی. ( MMC)
1)کامپوزیتهای زمینه پلیمری. ( CMC )

رایجترین دسته کامپوزیت های زمینه پلیمری هستند که بیش از 90 درصد مصرف جهانی کامپوزیت را به خود اختصاص داده اند.

فایبرگلاس‌ها یا الیاف شیشه متداولترین الیاف مصرفی کامپوزیت‌ها در دنیا و ایران است . انواع الیاف شیشه عبارتند از انواع E ، C ، S و کوارتز. ترکیب الیاف شیشه نوع E یا الکتریکی ، از جنس آلومینوبور و سیلیکات کلسیم بوده و دارای مقاومت ویژه الکتریکی بالایی است.الیاف شیشه نوع S ، تقریباْْ 40 درصد استحکام بیشتری نسبت به الیاف شیشه نوع E دارند. الیاف شیشه نوع C یا الیاف شیشه شیمیایی ، دارای ترکیب بور و سیلیکات کربنات دو سود بوده و نسبت به دو مورد قبل پایداری شیمیایی بیشتری بخصوص در محیط‌های اسیدی دارد. الیاف شیشه کوارتز ، بیشتر در مواردی که خاصیت دی‌الکتریک پایین نیاز باشد، مانند پوشش آنتن‌ها و یا رادارهای هواپیما استفاده می‌شوند.

نقاط قوت کامپوزیتها:
وزن کم این مواد در عین بالا بودن نسبت مقاومت به وزن آنها (حتی تا 15 برابر برخی از فولادها )
مقاومت بالا نسبت به خوردگی.
وجود روش های مختلف ساخت و امکان تولید اشکال پیچیده و متنوع.

موارد کاربرد کامپوزیت:
1)صنعت هوا-فضا:ساخت بدنه هواپیما .ساخت پره های توربین بادی و پره های هلی کوپتر.پوشش رادار هواپیما.
2)صنعت نفت وگاز:به منظور ترمیم و تقویت سازه های فرسوده و ترمیم لوله های فرسوده نفت و گاز -.عایق توربین.(کامپوزیت ها با توجه به ساختار شبکه ای و طولی ای که دارند گرما را فقط در جهت طولی منتقل می کنند و نه عرضی بنابر این به عنوان عایق گرما برای دیواره توربین ها مناسب می باشند.-نقل قول از دکتر مظاهری رئیس گروه آیرودینامیک وپیشرانش دانشکده هوا-فضای شریف.)
3)صنایع دریایی:ساخت بدنه کشتی و تاسیسات فرا ساحلی.
4)صنعت ساختمان:پوشش کف -نما-سقف و برج های خنک کننده.
5)صنعت خودرو سازی:ساخت خودره ای سبک و در نتیجه کم مصرف تر.

آشنایی پروژه هایی در مورد کامپوزیت که در ایران در حال انجام است:
1) گروه كامپوزيت و چسب -پژوهشگاه پلیمر وپتروشیمی ایران:

http://www.iranpolymerinstitute.org/Persian/pjh.asp?ID=40

2)ساخت هواپیمای 4 نفره تمام کامپوزیت فجر 3 در شرکت هواپیمایی فجر.
3)مقاوم سازی  پالایشگاه نفت آبادان، پل تقاطع اتوبان شهید همت و اتوبان شیخ فضل الله نوری و نیز دو پل راه آهن در استان یزد.
4) مقاوم سازی سطح خارجی بتون با استفاده از مواد کامپوزیتی :این طرح توسط موسسه کامپوزیت ایران به عنوان اختراع به ثبت رسیده است. 
به گفته دکتر مهرداد شکریه رئیس موسسه کامپوزیت ایران : در این روش لایه‌هایی از الیاف شیشه یا کربن به ضخامت 3/0 میلیمتر با استفاده از یک رزین مثل اپوکسی روی سازه بتونی کشیده می‌شود و به این ترتیب میزان مقاومت بتون 3 برابر خواهد شد.

مصرف سرانه مواد کامپوزیتی در کشور :
مصرف سرانه مواد کامپوزیتی در کشور یک دهم سرانه مصرف در کشورهای پیشرفته است و  سالانه بیش از 6 میلیون تن مواد کامپوزیتی به ارزش 145 میلیارد دلار در صنایع مختلف جهان مصرف می‌شود.  دکتر مهرداد شکریه، رئیس موسسه کامپوزیت ایران با اعلام این مطلب افزود: سرانه مصرف کامپوزیت در کشورهای پیشرفته جهان 3 کیلوگرم است در حالی که این سرانه در کشور ما تنها 3/0 کیلوگرم است.به گفته عضو هیات علمی دانشگاه علم و صنعت ایران ایران از نظر سرانه مصرف مواد کامپوزیتی، همرده کشورهای آسیایی قرار دارد. وی با اشاره به این که علت پایین بودن سرانه مصرف مواد کامپوزیتی در این قاره وسعت این قاره و نیز وجود کشورهای فقیر در این منطقه است، در عین حال از کشور ژاپن با سرانه 5/4 کیلوگرم در سال به عنوان نمونه‌ای از یک کشور آسیایی پیشرفته با مصرف سرانه مواد کامپوزیتی بالا نام برد.

 منابع:گروه علوم روزنامه شرق-روزنامه هموطن سلام-شبکه رشد-روزنامه شریف-سایت پژوهشگاه پلیمر وپتروشیمی ایران .

کاربرد مواد قابل بازیافت در صنعت خودرو

                       کاربرد مواد قابل بازیافت در صنعت خودرو

---

 در دهه های 60 و 70 میلادی مواد طبیعی مورد استفاده در صنعت خودرو تقریبا ً به طور کامل با مواد سنتزی جایگزین شدند ولی به تازگی این صنعت رویکرد جدید به مواد طبیعی داشته است . به کارگیری مواد قابل بازیافت از دهه 1990 مورد توجه قرار گرفته است . یکی از دلایل عمده این مسئله ، رشد آگاهی مردم و توجه به مسایل زیست محیطی است که در عبارت هایی همانند " حفظ منابع " ، " کاهش انتشارCO2  " ، و " بازیافت " انعکاس داشته است . علاوه براستفاده از سوختهای جایگزین ( الکل های طبیعی همانند اتانول و متانول در برزیل و یا بیودیزل ماده ای مشتق شده از روغن شلغم در کشورهای اروپایی ) و روغن های طبیعی ( برای سیستم های هیدرولیک و روانسازی ) ، به کارگیری الیاف طبیعی به عنوان مواد عایق ساز و ضربه گیر یا به عنوان پرکننده و تقویت کننده در مواد پلیمری نقش مهمی در راستای حفظ محیط زیست ایفا می کند . در حال حاضر الیاف گیاهی تنها در ساخت تزئینات داخلی خودروهای سواری و اتاق وانت و کامیون های کوچک به کار گرفته می شوند . علاوه برساخت قطعاتی همانند پانل تودری ، داشبورد و کنسول خودروها ، الیاف گیاهی به طور گسترده ای در عایق های حرارتی و صوتی به کار می روند . این مواد عایق ساز که معمولا ً از الیاف کتان بازیافتی صنعت نساجی تولید می شوند ، حاوی حدود 80 درصد وزنی الیاف هستند . در برزیل ، این قطعات از مخلوط کردن ضایعات کیسه های کنفی قهوه و کیسه های  پلی پروپیلنی ساخته می شوند . به این ترتیب مشاهده می شود که گاهی اوقات مواد بازیافتی را می توان در کاربردهای پیشرفته نیز به کار گرفت . یکی دیگر از کاربردهای شناخته شده الیاف گیاهی ، ساخت تشک صندلی با استفاده ازالیاف نارگیل ولاستیک خام طبیعی است . قابلیت الیاف گیاهی درجذب آب به مقدارزیاد ، راحتی این صندلی ها را تا حدی افزایش می دهد که دستیابی به آن با مواد سنتزی ممکن نیست ، به غیر از این موارد در سالهای اخیر کاربرد جدیدی برای این مواد شناخته شده است . با ساخت صفحات تودری مرسدس بنز کلاس E ، یک گام مهم به سوی کاربردهای پیشرفته تر و با کارایی بالاتر برداشته شد . مواد ساخته شده با الیاف چوب این صفحات با اپوکسی تقویت شده با مت کتان / سیسال جایگزین شد . به این ترتیب وزن حدود 20 درصد کاهش پیدا کرده و ویژگی های مکانیکی مهم برای حفظ جان سرنشینان هنگام تصادف بهبود یافت . علاوه براین که ماده کتان / سیسال را می توان به شکل های سه بعدی پیچیده قالبگیری کرد که این قابلیت برای ساخت صفحات تودری بسیار مناسب است .

 

کامپوزیت های الیاف گیاهی

     کتان ، سیسال ، کنف هندی و نارگیل که به راحتی در دسترسند و بهای نسبتا ً کمی دارند ،  مهم ترین منابع تهیه الیاف گیاهی هستند . در اروپا هنوز هم مهم ترین نوع الیاف گیاهی از نظر تجاری ، الیاف کتان است . اگرچه زمانی محصولات جانبی صنعت نساجی – به علت ارزانی – به کار گرفته می شدند اما امروزه الیاف گیاهی از گیاهانی تهیه می شوند که به طور ویژه به این منظور کشت می شوند . درسالهای اخیر کشت کنف در اروپا دوباره احیا شده است . کنف نقطه تسلیم بالاتری دارد و نسبت به کتان الیاف  قوی تری تولید می کند ، اما از آنجایی که  هنوز به قدر کافی پیشرفت نداشته است الیاف کتان همچنان مهمترین نوع الیاف باقی مانده است .

علاوه برالیاف ، زمینه نیز اثر بسزایی بر ویژگیهای یک ترکیب دارد . برای تولید قطعات داخلی خودرو و مواد عایق ساز و ضربه گیر ، پلیمرهای گرما سختی هم چون رزین فنلیک به همراه کتان یا الیاف مشابه به کارگرفته می شوند . موادی که با چسب های گرما سخت متداول هم چون اپوکسی  یا رزین فنلیک تولید می شوند ، شرایط کاربردهای پیشرفته تر را نیز برآورده می سازند . این مواد  ویژگی های مکانیکی – به ویژه استحکام و سفتی – لازم برای چنین کاربردهایی را با هزینه قابل قبولی فراهم می کنند .

     در مقایسه با ترکیب های پایه پلیمری گرما نرم هم چون پلی پروپلین ، ترکیب های گرما سخت پایداری حرارتی عالی و جذب آب کمتری دارند . با این حال انتظار می رود تمایل به استفاده از مواد قابل بازیافت منجر به جایگزینی رزین های گرما سخت با پلیمرهای گرما نرم شود . از نظر زیست محیطی ، جایگزینی الیاف سنتزی با الیاف طبیعی و کاهش اثرات مخرب مواد سنتزی بر طبیعت ، در مراحل اولیه است . فشارهای موجود برای کاهش انتشار گازهای آلاینده ای که منجر به اثر گلخانه ای می شوند هم چون  CO2  و افزایش آگاهی مردم از محدودیت منابع فسیلی انرژی ، عوامل اصلی گسترش مواد نوینی هستند . نمونه ای از پلیمرهای مشتق شده از مواد خام تجدید پذیر پلی آمید 11 ( PA11 ( است . این پلیمر – با پایه روغن کرچک – ویژگیهای منحصر به فردی دارد که آن را به ویژه برای ساخت لوله های انعطاف پذیر سیستم ترمز یا سیستم سوخت رسانی خودرو مناسب می سازد . اما موادی که تاکنون ساخته شده اند ( به عنوان مثال از نشاسته ، سلولز و شکر ) شرایط و نیازهای کاربردهای خودرویی را برآورده نمی سازند .

     کامپوزیت های طبیعی ، جدای از روش های شناخته شده ای همانند دفن زباله ، سوزاندن و بازیافت آن ، راه جدیدی برای حل مشکل زباله های صنعتی فراهم می کنند که تجزیه بیولوژیکی است . نمونه هایی از این مواد هم اکنون در صنایع دیگر به کار می روند و تحت بررسی هستند ولی برای کاربردهای خودرویی ، هنوز با ویژگی ها و بهای قابل قبولی در دسترس نیستند .

       

روش های ساخت

     بی شک مهم ترین فن آوری در این زمینه ، قالب گیری فشاری است . نسخه های گوناگون این فرآیند که جزئیاتی متفاوت – با توجه به شرکت ارایه کننده آن – دارند ، برای ساخت قطعه از الیاف طبیعی مناسبند . تفاوت عمده این روش ها باهم ، نحوه ترکیب الیاف و پلیمر و قالب گیری آنهاست . در بعضی از فرآیندها یک پلیمر از پیش ذوب شده به کار گرفته می شود ( فن آوری اکسپرس ) . برخی از آنها از الیاف پلیمری استفاده می کنند که قبل از فرآیند قالب گیری با الیاف گیاهی به صورت یک مت هیبریدی ترکیب می شوند و در دیگر روش ها ، پودر پلیمر قبل از قالب گیری با مت الیاف گیاهی ترکیب می شوند . از آنجا که تقریبا ً در تمام روش ها مت الیاف به کار گرفته می شود ، تهیه مت از الیاف ، نکته کلیدی این فن آوری است .

 

ویژگی ها