سفارش تبلیغ
صبا ویژن
این دانش دین است، پس نیک بنگرید که از چه کسی دین خود رامی گیرید . [پیامبر خدا صلی الله علیه و آله]
وبلاگ تخصصی فیزیک
پیوندها
وبلاگ شخصی محمدعلی مقامی
* مطالب علمی *
ایساتیس
آقاشیر
.: شهر عشق :.
جملات زیبا
تعقل و تفکر
دکتر رحمت سخنی
بیگانه ، دختری در میان مردمان
تا ریشه هست، جوانه باید زد...
اس ام اس عاشقانه
خاطرات خاشعات
اس ام اس سرکاری اس ام اس خنده دار و اس ام اس طنز
وسوسه عقل
پرهیزکار عاشق است !
فروش و تعمیر موبایل در استان یزد
آموزش
وبلاگ تخصصی کامپیوتر
هک و ترفند
فروش و تعمیر موبایل در استان یزد
انجمن فیزیک پژوهش سرای بشرویه
عاشقان خدا فراری و گریزان به سوی عشق و حق®
وبلاگ عشق و محبت ( اقا افشین)
باید زیست
دست نوشته های دو میوه خوشمزه
در دل نهفته ها
روزگاران(حتما یه سری بهش بزن ضرر نمی کنی)
فقط برای ادد لیستم...سند تو ال
تجربه های مدیریت
سولات تخصصی امتحان دکترا دانشگاه آزاد
سولات تخصصی امتحان دکترا دانشگاه آزاد
ارزانترین و بزرگترین مرکز سوالات آزمون دکترا
عکس و اس ام اس عشقولانه
دانلود نرم افزار های روز دنیا
شاهرخ
مکانیک هوافضا اخترفیزیک
مکانیک ، هوافضا ،اخترفیزیک
وبلاگ تخصصی فیزیک و اختر فیزیک
وبلاگ تخصصی فیزیک جامدات
همه با هم برای از بین نرفتن فرهنگ ایرانی
انتخاب
فیزیک و واقعیت
ترجمه متون کوتاه انگلیسی
دنیای بیکران فیزیک
آهنگ وبلاگ

دراین مقاله می کوشیم تا نقش ریاضیات را از رهگذر مفاهیم فیزیک جدید، در دنیای زیبا و چندنظمی نانو نشان دهیم.
اغلب اشیاء در جهان -از کوچکترین تا بزرگترین- از مجموعه از المانها تشکیل شده است که هر یک دارای درجه‌ای از آزادی هستند. قوانین پایه‌ای فیزیک این ویژگیها را توضیح می‌دهند. اکنون فرض کنید که می‌خواهید معادلة نیوتن یا شرودینگر را برای 1023 اتم حل کنید؟ و فرض کنید که قویترین رایانه ها را نیز در اختیار دارید، آیا این امر مقدور است؟ از دیدگاه اتمی پاسخ این سؤال به نظر منفی می‌رسد.
حل مسأله با در نظر گرفته 1023 اتم زمان زیادی می‌گیرد و نتایج برای تفسیر کاملاً پیچیده می‌شود (هیچ فضای دیسک سختی قادر به ذخیره‌سازی موقعیت 1023 اتم نمی‌باشد)
علاوه بر این، برای هر ماده، هر ترکیب شیمیایی و ساختار شبکه‌ای مجبور به بارها و بارها محاسبه هستیم. علاوه بر این با زمینه‌های منحصر به فردی از رفتار مواد در فازهای انتقالی جامد، مایع، گاز، پلاسما، فرومغناطیس و ضدفرومغناطیس، ابررسانائی، ابر سیالی و .... مواجهیم. خواص مکانیکی ماده در هر فاز، از فازی به فازی دیگر، متفاوت است. زیرا اتمها دارای درجه آزادی هستند و بعلاوه، پارامترهایی نظیر دما، فشار، نیروی خارجی از فازی به فاز دیگر به شدت تغییر می‌کند. اما سؤال اساسی اینجاست که چگونه رفتار آنها در گذر فاز می‌توان ارتباط داد؟ اگر رفتار مواد را تحت شرایط آزمایشگاهی، در گسترة وسیعی از حالات بررسی کنیم، پارامترهای متعددی را در خواهیم یافت که قادرند شکل مسأله را عوض کنند. اما از سوی دیگر توانائی محاسباتی ما محدود است، بنابراین تقریب مقدور است اما پیشگوئی در چنین مواردی محدود است.
اما از سوی دیگر فیزیکدانان همواره به سوی تئوریهای جهان شمول توجه دارند. رغبت در جهت پیشگوئی رفتار جهان شمول ماده، فیزیکدانان را به سوی« تئوری پدیده‌های بحرانی» سوق داد. «مؤلفه‌های بحرانی» در یک کلاس جهانی مدلسازی قرار دارند. این مؤلفه‌ها نمایشگر مدلی جهان شمول از رفتار ماده هستند و رفتار ماده را به تقارن ماده ( در دیدگاه ساختاری) و ابعاد فضای ماده مرتبط می‌کند. این مقادیر بحرانی، با دقت مناسب بوسیله تئوری قابل محاسبه‌اند.
سیستم‌های بحرانی در« جهان فرکتال »قرار دارند.

ارزش مؤلفه‌های بحرانی در چیست؟

تئوریهای مبتنی بر آنالیز ابعادی، مقادیر نسبی برای این مؤلفه‌ها پیشگوئی می‌کنند. برای آنکه پیچیدگی مسأله را درک کنیم، یک تصویر لحظه‌ای از «اسپین» را در یک ماده «فرومغناطیس» مجسم کنید. اکنون به شکل «2» دقت کنید. شکل «2» نمایشگر نتایج یک شبیه سازی برای یک Ising فرو مغناطیس است. بطوریکه، اسپین‌ها می‌توانند دو حالت «بالا» (نمایش داده شده با رنگ مشکی) یا «پایین» باشد.
در حالت «فرومغناطیس»، (دما کمتر از دمای بحرانی)، اغلب «اسپین‌ها» در حالت «بالا» قرار می‌گیرند (شکل سمت چپ)، در حالیکه در حالت« پارامغناطیس» (دما بالاتر از دمای بحرانی)، اسپین‌ها جهت‌گیری تصادفی می‌کنند (شکل سمت راست، رنگ خاکستری).
در اینجا تنها خوشه‌های کوچکی از اسپین‌های هم تراز، از اندازة سیستم، کوچکترند در حالیکه، در موقعیت بحرانی (شکل وسط)، که دما به حد بحرانی رسیده است، خوشه‌های نامحدودی از اسپین‌های حالت «بالا» پدیدار شده‌اند (سیستم در مرز «نظم» قر ار گرفته است).
توجه کنید که خوشة نظم یافته شکل «فرکتال»، با نوسان شکلی در همة مقیاسها،به خودگرفته است. این هندسة‌ فرکتالی از خوشه‌های تشکیل یافته، به طرز عجیبی انعکاس می‌یابند: مقادیری غیرمنطقی از مؤلفه‌های بحرانی! و البته تئوریهای ساده ساز، مشخصات این فرکتالها را نمی‌توانند تعیین کننند. از دیدگاه فیزیکی، نوسانات شکلی در همة مقیاسها، متضمن ناپایداری سیستم در موقعیت بحرانی است.

  • اما آیا می‌توانیم امیدوار به درک این رفتار پیچیده باشیم؟
  • مکانیک کلاسیک یا کوانتوم؟
  • زمانی که به دنیای کوانتوم وارد می‌شویم می‌گوییم:
«قوانین کوانتوم، رفتار پایه‌ای همة ذرات بنیادی را توجیه و تفسیر می‌کند». تاکنون هیچ کس دلیلی بر نادرستی این قانون ارایه نکرده است.
امروزه، فازهای انتقالی بوسیله » نوسانات دمائی» تفسیر می‌شود. در چنین مواردی، رفتار بحرانی بوسیلة مدلهای کاملاً خالص مکانیک کلاسیک توجیه می‌شود. این ایده بزرگی است، زیرا تئوریهای کلاسیک از تئوریهای کوانتوم ساده‌تر است. در سایر موارد، رفتار ماده در فاز انتقالی در دمای صفر مطلق، بوسیلة میزان سازی آزمایشگاهی «نوسانات کوانتومی» توجیه و اثبات می‌شود
برای این انتقال فازهای کوانتومی،«مدلهای کلاسیک» کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد.
سؤالات اساسی در مدلسازی سیستم‌های نانویی:
  • مؤلفه‌های بحرانی بصورت آزمایشگاهی چگونه تعیین می‌شوند؟
  • چه مؤلفه‌هایی جهانی هستند و کدامیک نیستند؟ مرجع جهان شمول بودن مؤلفه‌های بحرانی کدام است؟
  • انتقال فاز اصلاح شده در سیستم‌های محدود (سازه‌های نانوئی) چگونه است؟
  • رفتار بحرانی چگونه محاسبه می‌شود؟ آیا می‌توانیم «هندسة فرکتال» مؤلفه‌های بحرانی را درک کنیم؟
  • ارتباط میان مؤلفه‌های بحرانی، تقارن داخلی سیستم و ابعاد مسأله، چیست؟
  • ارتباط میان سؤالات فوق، برای هر مسأله، چهارچوبی در جهت مطالعة رفتار سازه‌های نانوئی بوجود می‌آورد.

کلمات کلیدی: نانو تکنولوژی


نوشته شده توسط مهدی 86/2/17:: 6:53 عصر     |     () نظر

مقدمه

شاید تا بحال از خود پرسیده باشید که چرا مواد مختلف با هم متفاوتند؟ چرا برخی از آن‌ها محکم تر از سایرین هستند؟ چرا برخی از مواد رسانا و برخی نارسانا؟ چرا نور می‌تواند از بعضی از مواد عبور ‌کند و از بعضی دیگر نه؟

سئوالاتی از این دست ذهن را متوجه تفاوت‌‌های مواد از نظر خواص می‌‌کند و ما را در رابطه با علت این تفاوت‌‌ها، به تفکر بیشتر وادار می‌‌کند. با اطلاعاتی که ما از ساختمان عناصر و تفاوت‌‌های موجود در عناصر داریم شاید گمان کنیم که تفاوت‌‌‌‌های موجود در مواد مختلف حاصل تفاوت‌‌های عناصر تشکیل دهنده آنها است. با این تفکر مواد تنها متاثر از تنوع عناصر تشکیل دهنده خود خواهند بود و تمامی ویژگی‌‌های رفتاری مواد با شناخت عناصر تشکیل دهنده آنها روشن خواهد شد. بر این اساس مشخص شدن عناصر تشکیل دهنده یعنی تعیین ترکیب شیمیایی همه اسرار مربوط به خصوصیات مواد را آشکار می‌‌کند. براستی با دانستن ترکیب شیمیایی، خواص مواد معلوم خواهد شد؟

با کمی دقت و توجه به ترکیبات شیمیایی مواد پیرامون خویش در می‌‌یابیم که بسیاری از آنها با وجود این که در رفتار و خواص با یکدیگر بسیار متفاوتند، دارای عناصر تشکیل دهنده و ترکیب شیمیایی یکسان می‌باشند و برخی دیگراز مواد با داشتن عناصر تشکیل دهنده و ترکیب شیمیایی متفاوت با یکدیگر، دارای خواص و رفتار مشابهی هستند. پس چه چیزی بجز ترکیب شیمیایی موجب تفاوت در رفتار مواد می‌‌شود؟

برای جواب این سئوال لازم است که بیشتر با ساختار و ویژگی‌های مواد آشنا شویم.

ساختار مواد چیست؟

ساختار مواد ارتباط بین اتم‌‌ها، یون‌‌ها و مولکول‌‌های تشکیل دهنده آن مواد را مشخص می‌‌کند. برای شناخت ساختار مواد ابتدا باید به نوع اتصالات بین اتم‌‌ها و یون‌‌ها پی برد. به طور حتم با پیوندهای شیمیایی آشنایی دارید. پیوندهای شیمیایی نحوه اتصال میان اتم‌‌ها و یون‌‌ها را مشخص می‌‌کنند. بنابراین تفاوت پیوندهای شیمیایی مختلف را در ویژگی‌های این پیوندها می‌‌توان مشاهده کرد. به عنوان مثال در نمک طعام به دلیل وجود پیوند یونی که منجر به محصور شدن الکترون‌‌ها می‌‌شود، خاصیت "رسانایی" مشاهده نمی‌شود زیرا الکترون‌‌ها که حامل و انتقال دهنده‌ی بار الکتریکی هستند، به دلیل محصور شدن امکان حرکت ندارند و چیزی برای انتقال بار الکتریکی در میان ماده وجود نخواهد داشت. در مقابل در فلزات، مانند مس، به دلیل وجود پیوند فلزی که موجب آزادی الکترون‌‌ها می‌‌شود و امکان تحرک الکترون‌‌ها را فراهم می‌‌نماید، می‌‌توانیم خاصیت رسانایی را انتظار داشته باشیم. زیرا الکترون‌‌های آزاد، امکان انتقال بار الکتریکی را در طول ماده فراهم می‌آورند. همانطور که ذکر شد اطلاع از نوع پیوندهای اتمی می‌‌تواند به شناخت ما از رفتار و خواص مواد کمک کند. اما آیا تنها با دانستن نوع پیوندها تمامی خواص و رفتار یک ماده را می‌‌توان پیش‌‌بینی کرد؟

برای روشن شدن مطلب مثال معروفی را ارائه می‌‌کنیم. همانطور که می‌‌دانید گرافیت و الماس هر دو از اتم‌‌های کربن تشکیل شده‌‌اند و هر دو "ریخت‌‌های" مختلفی از عنصر کربن هستند. اما چرا خواص گرافیت و الماس تا این حد با یکدیگر متفاوت است؟ الماس به عنوان سخت‌‌ترین ماده طبیعی معرفی می‌‌گردد و گرافیت به دلیل نرمی بسیار، به عنوان ماده "روانساز" به کار گرفته می‌‌شود! تفاوت رفتار و خواص گرافیت و الماس را به نوع اتصال و پیوند شیمیایی اتم‌‌های کربن نمی‌‌توان نسبت داد زیرا در هر دو شکل این ماده - که تنها دارای اتم‌‌های کربن است - یک نوع پیوند شیمیایی وجود دارد. بلکه علت در "چگونگی اتصالات و پیوندهای شیمیایی" این دو شکل کربن است. در گرافیت اتم‌‌های کربن شش ضلعی‌‌های پیوسته‌‌ای شبیه به یک لانه زنبور تشکیل می‌‌دهند که در یک سطح گسترده شده است. لایه‌‌های شش ضلعی ساخته شده با قرار گرفتن روی هم، حجمی را تشکیل می‌‌دهند که به آن گرافیت می‌‌گوییم. واضح است که در ساختار گرافیت دو نوع اتصال وجود خواهد داشت: یک نوع اتصال، اتصالی است که بین اتم‌‌های کربن هر لایه لانه زنبوری وجود دارد و جنس آن از نوع پیوند کوالانسی است. نوع دوم اتصالی است که لایه‌‌های لانه زنبوری را به یکدیگر وصل می‌کند. بدیهی است که این نوع از جنس اتصالات اولیه یعنی پیوندهای اتمی نیست. بنابراین پیوند به هم پیوستگی دوم - که قدرت به هم پیوستگی لایه‌‌ها را مشخص می‌‌کند - ضعیف‌‌تر از اتصال اولیه که یک پیوند کوالانسی است، خواهد بود. پس می‌توان انتظار داشت که گرافیت، در جهت صفهات لانه‌زنبوری به دلیل داشتن پیوند قوی کووالانسی استحکام بالایی داشته باشد؛ بالعکس، این ساختار در جهت عمود بر صفحات لانه زنبوری به علت وجود پیوند ضعیف ثانویه بین لایه‌ها، به مراتب کمتر از استحکام درون آنها، دارای مقاومت است. از طرفی به دلیل پیوندهای ضعیف بین لایه‌‌ای انتظار می‌‌رود که با اعمال نیرویی بیشتر، لایه‌‌های لانه زنبوری بتوانند بر روی یکدیگر بلغزند.



شکل 1- ساختار گرافیت


<در مقابل ساختار لایه‌ای گرافیت، الماس دارای یک ساختار شبکه‌ای است. در گرافیت پیوندهای اولیه یعنی پیوندهای اتمی تنها در یک سطح (در یک وجه) برقرار می‌‌شود در حالی که در ساختار الماس این پیوندها به صورت شبکه‌‌ای سه بعدی فضا را پر می‌‌کنند. در ساختار گرافیت هر اتم کربن با سه اتم کربن دیگر اتصال اتمی از جنس کوالانسی ایجاد می‌‌کند، در حالی که در ساختار الماس هر اتم کربن با چهار اتم کربن دیگر پیوند اتمی و از جنس کوالانسی برقرار می‌نماید.



شکل 2- ساختار الماس


با توضیحاتی که راجع به تفاوت‌‌های ساختاری گرافیت و الماس داده شد مشخص می‌‌گردد که دلیل نرمی گرافیت و سختی الماس در چیست. همانطور که دیدید ساختار با مشخص کردن نوع، تعداد و چگونگی پیوندهای تشکیل دهنده مواد، تاثیر به سزایی در خواص مواد دارد. بنابراین از طریق مطالعه در ساختار مواد، بسیاری از رفتارها و خواص آنها را می‌‌توان پیش‌‌بینی کرد. همچنین برای دستیابی به برخی از خواص می‌‌توان ساختار متناسب با آنها را طراحی نمود.

ریزساختار چیست؟

با شناختی که نسبت به ساختار مواد پیدا کرده‌اید، ممکن است گمان کنید موادی که ما به صورت توده‌ای در اطراف خود می‌بینیم از گسترده‌تر شدن نظم ساختاری اولیه به وجود آمده‌اند. به عبارت دیگر ممکن است تصور شود که مواد توده‌ای، شکل گسترش یافته ساختار اولیه است و بنابراین تمامی خواص و رفتار ساختار اولیه را دارا خواهد بود. این تصور با مشاهدات رفتاری مواد متفاوت است. به عنوان مثال در ساختار گرافیت ما انتظار داریم که استحکام در راستاهای مختلف متفاوت باشد زیرا ساختار اولیه در جهت صفحات لانه زنبوری دارای استحکام بالا و در جهت عمود بر صفحات دارای استحکام کمی است. بنابراین گرافیت فقط در برخی جهات خاص می‌بایست "قابلیت حرکت لایه‌ها بر روی یکدیگر" را داشته باشد. می‌دانیم که از گرافیت به عنوان ماده اصلی مغز مداد استفاده می‌شود و اثری که از مداد بر روی کاغذ باقی می‌ماند در حقیقت لایه‌‌های نازک گرافیت است که با مالش نوک مداد بر روی کاغذ، از سطح آن کنده شده و بر روی کاغذ می‌چسبد و همانطور که پیش‌تر اشاره شد لایه‌های گرافیت به دلیل پیوند ضعیف ثانویه امکان لغزش و حتی جدا شدن از یکدیگر را دارند. حالا سئوال اینجاست که اگر توده گرافیت گسترش همان ساختار اولیه گرافیت باشد، باید مداد تنها در یک جهت خاص قابلیت نوشتن داشته باشد زیرا ساختار گرافیت تنها لغزیدن لایه‌ها بر روی هم و کنده شدن آنها از توده و چسبیدن‌شان به سطح کاغذ را در جهت خاصی میسر می‌سازد و در غیر از آن جهات خاص به دلیل وجود پیوندهای قوی درون لایه‌ها، امکان کنده شدن وجود نخواهد داشت. این تعبیر به آن معناست که مداد تنها در برخی جهات خاص می‌نویسد و در دیگر جهات مداد نخواهد نوشت و این تصور با تجربه هر روزه ما از بکارگیری مداد متفاوت و متناقض است زیرا به تجربه دریافته‌ایم که مداد در تمامی جهات می‌نویسد. ما مداد را در هر زاویه و هر جهتی نسبت به کاغذ حرکت دهیم مداد خواهد نوشت. پس دلیل این تناقض چیست؟ آیا ساختار گرافیت آنگونه که گمان می‌کنیم نیست؟ و یا اینکه توده گرافیت چیزی غیر از گسترش یکنواخت و هماهنگ ساختار گرافیت است؟



شکل 3- طرحی ساده از ریزساختار ایده‌آل گرافیت


برای درک درست از رفتار توده‌ای مواد لازم است که با ریزساختار آنها آشنا بشویم. با بررسی میکروسکوپی گرافیت درمی‌یابیم‌ که توده گرافیت یکپارچه نیست بلکه این توده متشکل از دانه‌های بسیاری است که هر یک به صورت مستقل و جدا از یکدیگر در درون خود دارای ساختار گرافیت هستند. به عبارت دیگر توده گرافیت را می‌توان اجتماع بی‌نظمی از بخش‌هایی که هر یک دارای ساختار گرافیت هستند، دانست.



شکل 4- طرحی ساده از ریزساختار واقعی گرافیت


تفاوت این نوع ریزساختار از نوعی که پیش‌تر تصور می‌کردیم، یعنی یک توده گسترده از ساختار گرافیت، در دامنه نظم آنهاست. در تصور اول ما توده گرافیت را یک ساختار یکپارچه و منظم از ساختار گرافیت که در تمام توده گسترش یافته می‌دانستیم در این حالت نظم حاکم بر ساختار، یک نظم با دامنه بلند که تمام توده را می‌پوشاند در نظر گرفته می‌شود اما در عمل نظم ساختار گرافیت به صورت محلی و با دامنه‌های کوتاه مشاهده می‌شود. این بی‌نظمی در قرار گرفتن توده‌های دارای ساختار گرافیت باعث می‌شود. تنوع و گوناگونی فراوانی در بخش‌های گرافیت که هر یک زاویه و جهت خاصی دارند، وجود داشته باشد. بنابراین همیشه بخش‌هایی که زاویه و جهت مناسب برای حرکت و کنده شدن لایه‌ها را دارند، وجود خواهد داشت و ما بدون نگرانی از جهت و زاویه قرار گرفتن مداد می‌توانیم از نوشتن آن مطمئن شویم.

نتیجه‌گیری

عوامل تاثیرگذار در خواص توده‌ای مواد را به صورت اجمالی و ساده شناختیم. این عوامل عبارت بودند از عناصر تشکیل دهنده مواد، ساختار مواد و ریزساختار مواد. به صورتی ساده می‌توانیم خواص توده‌ای مواد را مشابه با خصوصیات یک شهر بدانیم. عناصر تشکیل دهنده مواد به صورت مصالح بکار گرفته شده در ساختمان‌های شهر، ساختار مواد که چگونگی قرارگرفتن عناصر در کنار یکدیگر و اتصالات میان آنها را مشخص می‌کند به صورت ساختمان‌های شهر و ریزساختار که چگونگی کنار هم قرار گرفتن ساختار میکروسکوپی را معین می‌کند، به صورت الگوهای شهرسازی در نظر گرفته می‌شود. با این تشبیه خصوصیات یک شهر نه تنها به مصالح(ترکیب شیمیایی بکار رفته در آن) بلکه به معماری ساختمان‌ها(ساختار) و نحوه شهرسازی(ریزساختار) نیز بشدت وابسته خواهد بود.


کلمات کلیدی: نانو تکنولوژی


نوشته شده توسط مهدی 85/10/15:: 12:51 صبح     |     () نظر
 
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 ( Richard Smally ) 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 ( DOE ) سرمایه‌گذاری خود را در قسمت فناوری نانو با 62 درصد افزایش داد تا مطالعات لازم در زمینة‌ موادی با نام‌های باکی‌بال‌ها ( Bulky Balls ) و باکی‌تیوب‌ها ( Bulky Tubes )‌ 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 (‌ IT ) 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 بهبودیافتة 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 دربارة 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 GP در هنگ‌کنگ یکی از پیشگامان توسعة 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 دیوارة 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 هیدروژن خود تمیز کننده

خواص فوتوکاتالیستی نانوتیوب‌های تیتانیا در مقایسه با هر فرمی از تیتانیا بارزتر می‌باشد، بطوری‌که آلودگی‌های ایجادشده تحت تابش اشعة ماوراء بنفش به‌طور قابل توجهی از بین می‌روند. تا اینکه سنسورها بتوانند حساسیت اصلی خود نسبت به هیدروژن را حفظ نماید. تحقیقات انجام‌گرفته در این زمینه حاکی از آن است که نانوتیوب‌های تیتانیا دارای یک مقاومت الکتریکی برگشت‌پذیر می‌باشند، بطوری‌که اگر هزار قطعه از آن‌ها در مقابل یک میلیون‌ اتم هیدروژن قرار بگیرند، مقاومت الکتریکی آن در حدود یکصد میلیون درصد افزایش می‌یابد.

سنسورهای هیدروژن بطور گسترده‌ای در صنایع شیمیایی، نفت و نیمه‌رساناها مورد استفاده قرار می‌گیرند. از آنها جهت شناسایی انواع خاصی از باکتری‌های عفونت‌زا استفاده می‌گردد. به‌ هر حال محیط‌هایی نظیر تأسیسات و پالایشگاه‌های نفتی که سنسورهای هیدروژن از کاربردهای ویژه‌ای برخوردار می‌باشند، می‌توانند بسیار آلوده و کثیف باشند این سنسورهای هیدروژن نانوتیوب‌های تیتانیا هستند که توسط یک لایة غیرپیوسته‌ای از پالادیم پوشانده شده‌اند. محققان این سنسورها را به مواد مختلفی نظیر اسید استریک ( یک نوع اسید چرب )‌، دود سیگار و روغن‌های مختلفی آلوده نمودند و سپس مشاهده کردند که تمام این آلوده‌کننده‌ها در اثر خاصیت فوتوکاتالیستی نانوتیوب‌ها از بین می‌روند. حد نهایی آلودگی‌ها زمانی بود که دانشمندان این سنسورها را در روغن‌های مختلفی غوطه‌ور ساخته و سنسورها توانستند خواص خود را بازیابند. محققان سنسورها را در دمای اتاق به مقدار هزار قطعه در مقابل یک میلیون ‌اتم هیدروژن در معرض این گاز قرار دادند و مشاهده نمودند که در طرح‌های اولیة سنسور مقاومت الکتریکی آن به میزان 175000 درصد تغییر می‌کند. سپس سنسورها را توسط لایه‌ای به ضخامت چندین میکرون از روغن موتور پوشاندند تا بطور کلی حساسیت آن‌ها نسبت به هیدروژن از بین برود. سپس این سنسورها را در هوای عادی به ‌مدت 10 ساعت در معرض نور ماوراء بنفش قرار دادند و پس از یک ساعت مشاهده نمودند که سنسورها مقدار قابل توجهی از حساسیت خود را بدست آورده‌ و پس از گذشت 10 ساعت تقریباً بطور کامل به وضعیت عادی خود بازگشتند.

علیرغم قابلیت بازگشتی بسیار مناسب این سنسورها نمی‌توانند پس از آلودگی به انواع خاصی از آلوده‌کننده‌ها حساسیت خود را باز یابند برای مثال روغن WQ -40 به علت دارابودن مقداری نمک خاصیت فوتوکاتالسیتی نانوتیوب‌ها را تا حد زیادی از بین می‌برد.

با افزودن مقدار اندکی از فلزات مختلف نظیر قلع، طلا، نقره، مس و نایوبیم، یک گروه متنوعی از سنسورهای شیمیایی بدست می‌آیند. این فلزات خاصیت فوتوکاتالیستی نانوتیوب‌های تیتانیا را تغییر می‌دهند. به هر حال سنسورها در یک محیط غیرقابل کنترل در دنیای واقعی توسط مواد گوناگونی نظیر بخار‌های آلی فرار، دودة کربن و بخارهای نفت و همچنین گرد و غبار آلوده می‌گردند. قابلیت خودپاک‌کنندگی این سنسورها طول عمر آن‌ها را افزایش و از همه مهمتر خطای آنها را کاهش می‌دهد.

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 تهیة ‌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 توسعة 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.

کلمات کلیدی: نانو تکنولوژی


نوشته شده توسط مهدی 85/10/15:: 12:45 صبح     |     () نظر

 

مولکول هاى DNA به طور طبیعى از رشته هایى از چهار نوع باز متصل به یک پایه قند _ فسفات تشکیل شده اند. این ترکیب حاوى دستورالعمل ساخت پروتئین هایى است که فرآیند حیات را میسر مى سازند. اما مولکول هاى DNA مصنوعى را مى توان وادار به مونتاژ خود به خودى در الگوهاى گوناگون کرد. همچنین مى توان آنها را به گونه اى تحریک کرد که به اشیایى مثل نانوتیوب هاى کربن متصل شوند. نانوتیوب هاى کربن ورقه هاى غلت خورده استوانه اى شکلى از اتم هاى کربن اند که خواص الکتریکى فوق العاده اى دارند و مى توان آنها را در ابعادى هزار بار کوچکتر از باکترى ساخت. در واقع با اعمال طراحى درست، مولکول هاى DNA قادر به مونتاژ اشیا خواهند بود.

محققان دانشگاه دوک در نظر دارند به کمک مجموعه اى از ابزارهاى CAD (طراحى به کمک کامپیوتر)، فرآیند مونتاژ اجزاى مولکولى را در طراحى مدارهاى کامپیوترى که از نانوتیوب هاى کربن مونتاژ شده توسط DNA مصنوعى ساخته مى شوند، ساده سازى کنند. چنین مدارهایى در مقیاس مولکولى که محصول مونتاژ خود به خودى اند باید بتوانند نسبت به کامپیوترهایى که براساس تکنولوژى هاى امروز تراشه سازى مبتنى بر سیلیکون تولید مى شوند، دستگاه هایى به مراتب ارزان تر و کارآمدتر ارائه دهند. به گفته کریس دویر (Dwyer.C)، استادیار مهندسى برق و کامپیوتر در دانشگاه دوک، «این ابزارها امکان طراحى مدارهاى کامپیوترى که بتوانند به طور خودکار توسط مولکول هاى DNA مونتاژ شوند را فراهم مى کند. در واقع به کمک ابزارهاى ما است که با تکیه بر فرآیند مونتاژ خودبه خودى DNA و نانوتیوب هاى کربن، طراحى و ارزیابى مدارها امکان پذیر مى شود».

این ابزارها براى ساخت مدارهاى کامپیوترى با چگالى 2500 ترانزیستور در هر میکرون مربع طراحى شده اند. این چگالى حدود 30 برابر بزرگتر از تراکمى است که با استفاده از تکنولوژى هاى تراشه سازى فعلى در مدارهاى کامپیوترى اعمال مى شود. به عبارت دیگر 2500 ترانزیستور در هر میکرون مربع یعنى 250 میلیارد ترانزیستور در هر سانتى متر مربع. ترانزیستورها به شکل گیت هاى منطقى آرایش مى یابند سپس با تلفیق میلیون ها گیت با یکدیگر مدارهاى پیچیده اى به وجود مى آیند که وظیفه ذخیره و پردازش اطلاعات در کامپیوتر را به عهده دارند. بنابراین توانایى مونتاژ ترانزیستورهاى نانوتیوبى منفرد، پیش نیاز دستیابى به تکنولوژى تراشه سازى بر پایه نانوتیوب ها است. در واقع کلید این معما دریافتن روش هایى براى تلفیق آنها به شکل مدارهاى منطقى است.

به تازگى تیم تحقیقاتى دیگرى از دانشگاه دوک موفق به ساخت ابزارهایى شده اند که از چهارچوب DNA بهره مى گیرند. در واقع مى توان این ابزارها را پایه اى براى مدارهاى نانوتیوبى دانست. این چارچوب محصول تور مانندى از مونتاژ خودبه خودى مولکول هاى DNA مصنوعى است که عرض حفره هاى آن به 20 نانومتر مى رسد.به اعتقاد دویر این تکنولوژى هنوز در آغاز راه است و این چارچوب و دیگر ابزارها به موازات یکدیگر توسعه مى یابند. به گفته وى «زمانى که تکنولوژى چارچوب DNA مهیا شود ما باید بتوانیم درباره کارایى این دستگاه و نوع معمارى کامپیوترى خاصى که ما را به آن سمت مى کشاند، به درستى بیندیشیم تا امکان تصمیم گیرى هاى استراتژیک سطح بالایى مثل تعیین چگونگى بازسازى جریان اطلاعات و اجراى محاسبات فراهم شود.»

در معمارى مدار نانوتیوب _ DNA محققان دانشگاه دوک، براى اتصال انتهاهاى نانوتیوب هاى کربن به نقاطى در چارچوب DNA از جفت هایى از توالى هاى مکمل در DNA استفاده شده است. در واقع اتصال نانوتیوبى نیمه رسانا در امتداد خط مرکزى یکى از حفره ها و اتصال نانوتیوب فلزى دیگرى در راستاى عمود بر اولى منجر به یک ترانزیستور اثر میدانى خواهد شد.

ابزارهاى این محققان نیز مثل ابزارهاى سنتى طراحى به کمک کامپیوتر امکان طراحى منفرد قطعات دستگاه مثل گیت هاى منطقى، اتصال آنها براى تشکیل سیستم کامل، ایجاد طرح اولیه مدار و تولید یک توالى از مراحل مونتاژ را در اختیار کاربران قرار مى دهد. این ابزار از مدل هاى تخصص یافته اى بهره مى گیرد که مى تواند عملکرد مدارها براساس رفتار ترانزیستور نانوتیوبى در سیگنال هاى کوچک را به طور تقریبى نشان دهد. به گفته دویر «ما به کمک این ارزیابى قادریم سرعت و میزان مصرف انرژى طراحى هایمان را تخمین بزنیم.»

براى آن که بتوان بهترین تکنولوژى ممکن را براساس نانوالکترونیک و به ویژه فرآیند مونتاژ خودبه خودى ساخت باید به گونه اى دیگر درباره مدارها و چگونگى انجام محاسبات اندیشید. به گفته دویر «ابزارهاى ما زیربنایى براى طراحى هاى آینده اند. گام بعدى محققان استفاده از آنها در طرح هاى ساده است. ما هم اکنون مشغول مونتاژ شبکه ساده اى از DNA هستیم که اساساً مى تواند براى یک گیت NAND مناسب باشد.»

گیت NAND یا Not AND یکى از عناصر زیربنایى در مدارهاى کامپیوترى به شمار مى رود. این گیت شامل دو سیگنال ورودى و یک سیگنال خروجى است که در صورت یک بودن هر یک از سیگنال هاى ورودى، سیگنال خروجى صفر خواهد بود.یکى از چالش هاى موجود در راه توسعه تکنولوژى DNA این حقیقت است که هر چه چارچوب DNA بزرگتر باشد، تعداد توالى هاى منحصر به فرد موردنیاز براى مدار بیشتر خواهد بود. به گفته دویر «محققان به دنبال راهى هستند تا تعداد کل توالى هاى موردنیاز را کاهش دهند» اما با این حال به نظر نمى رسد ابزارهاى طراحى به کمک کامپیوتر تا پیش از پنج یا ده سال آینده قادر به ساخت نانوتیوب باشند.


کلمات کلیدی: نانو تکنولوژی


نوشته شده توسط مهدی 85/3/1:: 1:30 عصر     |     () نظر

 

ایرانیان در قرن‌های چهارم تا هفتم هجری از نانوذرات نقره و مس برای تزیین سفال‌های خود استفاده می‌کرده‌اند.

محققانی از کشور ایتالیا به همراه مهندس فرح شکوهی، مهندس پروین اولیایی، دکتر جواد رهیقی و دکتر محمد لامهی رشتی از سازمان انرژی اتمی کشورمان، نتایج تحقیقات صورت‌گرفته بر روی لعاب‌های استفاده‌شده بر روی سفال‌های ایرانی قرن‌های 4 تا 7 هجری را به صورت مقاله‌ای در مجلة Applied Physics A منتشر کرده‌اند.

طبق نتایج این تحقیق، وجود نانوذرات نقره و مس در لعاب مورد استفاده در تزئینات سفالی قرون 4 تا 7 هجری موجب پیدایش اثرات کروماتیکی مختلفی در این سفالینه‌ها شده است.

تصاویر TEM ارائه‌شده در این مقاله، حاکی از پخش‌شدن نانوذرات هم‌اندازه نقره با قطر حدود 20 نانومتر در پایة شیشه‌ای لعاب روی سفال‌هاست.


کلمات کلیدی: نانو تکنولوژی


نوشته شده توسط مهدی 85/2/25:: 4:11 عصر     |     () نظر
<   <<   6   7   8   9   10      >