نقش نانو نقره در صنعت بسته بندي

خلاصه
نقره از جمله موادي است که امروزه توجه زيادي را به خود جلب نموده است . از جمله خواص برجسته نانونقره به توان بالاي ميکروب زدايي آن و حفظ اين توانايي براي مدت زمان طولاني و عدم ايجاد مقاومت در ریزجاندار مي توان اشاره نمود.
استفاده از نانونقره در صنايع غذايي و بسته بندي از سه حيطه قابل بررسي است:
1- بوجود آوردن محیط پاکیزه در فرآيند توليد
2- توليد فيلم و ظروف میکروب زدا جهت بسته بندي مواد غذايي
3 - افزايش مدت زمان ماندگاري(shelf life) محصولات غذايي به مدت 2 الي 3 برابر
در اين مقاله به بررسي روش هاي استفاده از نانونقره در بسته بندي که توسط محققان مختلف انجام گرفته است و هم چنين کاربردها و مزاياي استفاده از نانونقره در بسته بندي و سازوکار عملکرد نانو نقره پرداخته مي شود.
واژه های کلیدی: نانونقره، ریزجانداران، میکروب زدا، فیلم زیستی
مقدمه :
نقره يکي از قديمي ترين فلزات مورد استفاده بشر بوده است. بر اساس مستندات تاريخي از مدت ها پيش مردم از خواص ميکروب کشي نقره استفاده مي کردند. يوناني ها و رومي ها آب را در ظروف نقره اي ذخيره کرده و در هنگام مصرف نیز از ظروف نقره اي استفاده مي کردند . آنها عقيده داشتند اين ظروف مايع را تازه نگه مي دارد. در اروپا نيز خانواده هاي ثروتمند غذا را در بشقاب هاي نقره اي مي خوردند، با اين اميد که نقره آنها را در برابر بيماري ها مصون مي دارد. جهان گرداني که به آمريکا سفر مي کردند ، قطعات نقره و مس را در ظروف آب يا شير خود قرار مي دادند براي اينکه از فساد اين مايعات جلوگيري کنند. بوميان استراليا نيز قاشق يا چنگال نقره اي در مخازن آب خود قرار مي دادند چه معتقد بودند اين کار آب را تميز و تازه نگه مي دارد. در واقع اين همان خاصيت ضد ميکروبي نقره است که علم امروز بشر آن را اثبات کرده است با رشد فناوری نانو ، اطلاع از خواص نانو ذرات و مقايسه آن با مواد توده اي ، امروزه توجه زيادي به ساخت نانوذرات نقره شده است . اين به دليل خواص منحصر به فرد نقره از جمله خاصيت ضد ميکروبي نقره در مقياس نانو ميباشد. نانو ذرات داراي سطح زيادي هستند.
اين افزايش سطح باعث خواهد شد که يک گرم از نانو ذرات نقره براي ضد باکتري کردن يک صد متر مربع از سطح يک ماده کافي باشد. از آنجا که پوشش دادن وسايل مصرفي با نقره فلزي خالص براي ضد باکتري کردن آنها داراي قيمت تمام شده زيادي است، محققان گمان بردند که استفاده از نانو ذرات نقره يک راه عملي براي استفاده از خاصيت ميکروب کشي آن مي باشد.
کاربردها و مزاياي نانونقره در بسته بندي:
از جمله كاربردهاي نانومواد در صنايع غذايي مي توان به بسته بندي و از آن جمله فيلم ها و ظروف بسته بندي اشاره نمود. يك ظرف يا فيلم پلاستيكي كه در آن از نانوذرات نقره استفاده شده است، مواد غذايي را در طولاني مدت كاملاً تازه نگه مي دارد. اين كار ماحصل همكاري فناور نانو با صنعت بسته بندي است. از زماني كه محققان وعده حل معضل اصلي صنعت مواد غذايي را داده اند، فناوري نانو بسيار مورد توجه قرار گرفته است. تحقيق و توسعه در اين صنعت شامل مواردي از قبيل سامانه هاي توزيع مواد غذايي، روش هاي بهينه سازي ظاهر مواد غذايي مانند رنگ، بو، مزه و غيره است. در بخش بسته بندي غذا، با توجه به خواص ويژه حرارتي و مكانيكي نانومواد، تلاش شده تا با استفاده از نانو محافظت بهتر مواد غذايي از گزند عوامل خارجي مانند اثرات ميكروب شناختی،شيميايي،گرمايي و مكانيكي صورت گيرد. ظروف جديد كه داراي نانوذرات نقره اي است، ذاتاًخاصيت ضد باكتري دارد. در اين فرآيند مي توان از مواد نانونقره بصورت مستربچ نانونقره بصورت يک افزودني در فرایند توليد فيلم-ها و ظروف بسته بندي با اندازه مناسب استفاده کرد که با توجه به اينکه مواد نانونقره در فرایند توليد بکار رفته است مي توان مدت زمان ماندگاري خاصيت ميکروب زدائی 10 سال را براي آن تضمين کرد.
با اجراي اين طرح، ظروف و فيلم هاي تهيه شده،مواد غذايي وابسته راتا چهار برابر تازه تر نسبت به حالت معمولي نگه مي دارند. هم چنين اين ظروف قادر هستند ميوه ها، سبزيجات، داروها، نان، پنير، گوشت و خشكبار را در طولاني مدت بدون تغيير رنگ، مزه و خواص غذايي شان نگهداري كنند.
همان گونه كه ذكر شد،ن قره ذاتاً خاصيت ضد باكتري، ضد كپك و ضد قارچ دارد. با استفاده از اين ظروف در مقايسه با ظروف معمولي در 24 ساعت اوليه ميزان رشد باكتري ها 98 در صد كاهش يافته است. جهت حفظ بيشتر ارزش مواد غذايي به همراه بو و مزه آن و به تأخير انداختن و كاهش سرعت فساد مواد غذايي، اين ظروف داراي درپوش سيليكوني غير قابل نفوذ جهت سامانه بسته بندي است. بنابراين اين دسته از فراورده هاي فناوري نانو يعني فيلم هاي ضد باكتريايي و ظروف باكتری زدا و ويژگي هاي منحصر به فرد آن در جهت حفظ سلامت و در نتيجه افزايش ثروت و قدرت، باعث توسعه و افزايش كاربرد نانونقره شده است. بر كسي پوشيده نيست كه بسته بندي چهره کالاست و همراه مواردي مانند طرح و نام تجاري و کيفيت به نحوي باهم ترکيب مي شوند تا کالا به راحتي معرفي شود. بسته بندي در واقع اولين ارتباط مشتري با محصول است و تا حد زيادي وظيفه ارائه يک تصوير ذهني مطلوب از کالا را بر عهده دارد. بسته بندي محصول را از صدمات فيزيکي وآلودگي ها حفظ مي کند بنابراين باتوجه به ويژگي ميکروب زدای توليدات نانونقره، يکي از مهم ترين کاربردهاي اين فناوري در صنايع بسته بندي مي باشد. از اين رو توليد بسته بندي هائي با کارائي وسيع و موثر در برابر انواع ریزجانداران بوسيله فناوری نانونقره مي تواند باعث افزايش عمر مفيد و ماندگاري درازمدت محصولات شود.
آمار نشان مي دهد فروش جهاني محصولات فناوري نانو در صنعت بسته بندي مواد غذاي و نوشيدني از رقم 150 ميليون دلار (120 ميليون يورو) در سال 2002 به 860 ميليون دلار (687/5 ميليون يورو) در سال 2004 رسيده است.
پيش بيني مي شود كه فناوري نانو 25 درصد تجارت بسته بندي مواد غذايي در دهه آينده را تغيير خواهد داد و بازار آن به 30 ميليارد دلار (24 ميليارد يورو) در سال خواهد رسيد.

مزاياي بسته بندي هاي ميکروب زدا:
• از ايجاد ضايعات در حين حمل ونقل و نگهداري جلوگيري مي كند.
• قرار گرفتن در بسته بندي هاي ميکروب زدا موجب ماندگاري هر چه بهتر محصولات مي شود.
• فاقد عوارض سموم شيميايي و خطرناك مي باشد .
• باعث افزايش ماندگاري محصول مي شود.

به منظور عرضه هر چه مطلوب تر محصولات غذايي از جهت کيفيت و ماندگاري هر بهتر و بيشتر محصول مي توان از بسته-بندي هايي استفاده کرد که اهداف خواسته شده را به مرحله اجرا درآورد. بسته بندي ها و شرايط حمل و نگهداري نا مناسب از جمله مهمترين دلايل آلودگي به قارچ ها و باکتري ها مي باشد که اين خود عامل از دست دادن بخشي از بازار داخلي و خارجي به شمار مي آيد. حرارت و رطوبت دو عامل اصلي رشد و توليد قارچ سمي مي باشد. چنان چه از فيلم هاي پلاستيکي و ظروف بسته بندي يک و يا چند لايه که در آن نانونقره به عنوان يک افزودني، به کار رفته است، استفاده شود ، باعث غير قابل نفوذ بودن نسبت به اکسيژن و رطوبت و افزايش طول عمر يا زمان ماندگاري محصول،عدم وجود رشد باکتري و کپک بدون هيچگونه تغيير در ويژگي هاي ظاهري و فيزيکي مي شود.
سازوکار فعاليت ضد ميکروبي نقره
سازوکار دقيق عملکرد نقره بر روي رشد ميکروب ها بطور کامل مشخص نشده است ليکن چندين تحقيق سازوکارهاي مناسبي را که شامل برهمکنش يون هاي نقره با درشت مولکول هاي زیستی است نشان داده اند.
بطور کلي فلزات سنگين معمولا سمي بوده و با پروتئين ها بسيار واکنش پذيرند . (5و4)
اعتقاد بر اين است که اين مواد به مولکول هاي پروتئيني متصل شده و از سوخت و ساز سلولي جلوگيري کرده و باعث مرگ ریزجانداران مي شوند.
توانايي رشد ریزجانداران در حضور محتويات فلزي ممکن است نتيجه ي سازوکار خاص مقاومتي آنها باشد(6). اين سازوکارها، تغيير ساختار شيميايي و يا سميت در اثر تغييرات در حالت اکسايش – کاهش يون هاي فلزي را شامل مي-شود. در حالي که نقره به عنوان ماده اي غير سمي شناخته شده است با اين وجود بسياري از ریزجانداران بيماري زاي متفاوت را مي کشد. اين عمل را به طرق زير انجام مي دهد:
- يون هاي نقره زنجيره تنفسي باکتري در سيتوکروم اکسيداز و دهيدروژناز- سوکسينات –NADH را بلوکه مي-کنند.
- يون هاي نقره وارد سلول شده و به DNA باکتري متصل مي شوند. اين عمل نقره منجر به پايداري افزايش يافته مارپيچ دوتايي و مانع از عمل مکمل سازي DNA ميشود. بنابراين هيچ گونه تکثيري رخ نمي دهد. اين عمل نقره هم چنين مانع از تشکيل فيلم زیستی مي شود. (7)
- پیوندهاي دي سولفيدي (S-S-) نقش محافظتي مهمي براي باکتري در مقابل واکنش هاي اکسایش ايفا مي نمايند. ساختار آنزيم باکتري بوسيله عمل کاتاليستي نقره بهم مي خورد. نقره هم چنين به توليد اکسيژن فعال در هوا يا از آب کمک مي کند که اين موجب از بين رفتن غشاء سلولي باکتري مي گردد. اين عمل نقره مشابه ترکيبات کلراکس و يا هيدروژن پراکسيد ( باز قوي ) جهت از بين بردن باکتري ها مي باشد. (8)
- در ديواره سلولي باکتري مقدار زيادي بار منفي وجود دارد. هنگامي که اين باکتري در مجاورت يک بسپار يا يک پلاستيک و يا يک بافت حاوي نقره قرار مي گيرد، يون-هاي با بار مثبت نقره از سطح بستر جدا شده و جذب بار منفي ديواره مي شوند و در نهايت موجب از بين رفتن باکتري مي گردد. (9)
نتیجه گیری:
بسته بندي ها و شرايط حمل و نگهداري نامناسب از جمله مهم-ترين دلايل آلودگي به قارچ ها و باکتري ها مي باشد که اين خود عامل از دست دادن بخشي از بازار داخلي و خارجي به شمار مي آيد. حرارت و رطوبت دو عامل اصلي رشد و توليد قارچ سمي مي باشد. چنان چه از فيلم هاي پلاستيکي و ظروف بسته-بندي يک و يا چند لايه که در آن نانونقره به عنوان يک افزودني، به کار رفته است، استفاده شود باعث غير قابل نفوذ بودن نسبت به اکسيژن و رطوبت و افزايش طول عمر يا زمان ماندگاري محصول، عدم وجود رشد باکتري و کپک بدون هيچ گونه تغيير در ويژگي هاي ظاهري و فيزيکي مي شود.

- منابع :

- 1-Schmid G. and corain B,2003,Nanoparticulated silver.Syntheses,sttuctures,properties and reactivities .Eur.J.Inorg.Chem,3081-3098,
- 2- Corti C.W,Holliday R.J. and Thompson D.T .2004 , The unique properties of silber for nanoscale technologies and fabrication,1st nanofabrication symposium.
- 4- Chepuri R.K.Rao,D.C . trivedi,Synthetic Metals 155(2005), 324-327
- 5- D.P.E.Dlckson.Journal Magn.Mater.203(1999)
- 6-R.CRAWFORD, I.H.HARDING and D.E.MAINWARING.surfaes of NAnoparticles and Porous Materials,Hydrous Metal Oxides as Adsorbents for Aqueous Heay Metals edited by J.A.Schwatz and C.I.Contescu,1999,PP.616.
- 7- I.E.ALCAMO, Fundamentals of Micribiology 1999,P.6.748
- 8- G.J . TORTORA. B.R.FUNKE and C.L.CASE , Micribiology,1992,P.14,273
- 9- Q.L.Feng ,J .Wu,J.Biomed Mater Res,52,662-668,2000.

تهيه کننده: نيلوفر چاوشي- مهندسي صنايع پليمر (شرکت نانونصب پارس)

» ادامه مطلب

همه چيز درباره نانوتكنولوژي

در دو دهه اخير پيشرفت‌هاي تكنولوژي وسايل و مواد با ابعاد بسيار كوچك به دست آمده و به سوي تحولي فوق‌العاده پيش مي‌رود كه تمدن بشر را تا پايان قرن دگرگون خواهد كرد. براي احساس اندازه‌هاي مادون‌ريز، قطر موي سر انسان را كه يك دهم ميلي‌متر است در نظر بگيريد، يك نانومتر صدهزار برابر كوچك‌تر است10-9 متر. تكنولوژي و مهندسي در قرن پيش‌رو با وسايل، اندازه‌گيري‌ها و توليداتي سروكار خواهد داشت كه چنين ابعاد مادون‌ ريزي دارند. در حال حاضر فرايندهايي در ابعاد چند مولكول قابل طراحي و كنترل است. همچنين خواص مكانيكي، شيميايي، الكترونيكي، مغناطيسي، نوري و... مواد در لايه‌ها در حدود ابعاد نانومتر قابل درك و تحليل و سنجش است. تكنولوژي در قرن گذشته در هرچه ريزتر كردن دانه‌هاي بزرگ‌تر پيشرفت چشمگيري داشت، به‌طوري‌كه به مزاح گفته شد كه ديگر كشف ذرات ريز اتمي نه تنها جايزه نوبل ندارد بلكه به آن جريمه هم تعلق مي‌گيرد! تكنولوژي نو در قرن حاضر مسير عكس را طي مي‌كند. يعني مواد مادون‌ريز را بايد تركيب كرد تا دانه‌هاي بزرگتر كارامد به وجود آورد و اين معني همان روشي است كه در طبيعت بر توليد حاكم است. مجموعه‌هاي طبيعي، تركيبي از دانه‌هاي مادون ريز قابل تشخيص با خواص مشابه و يا متفاوت با اندازه‌هاي در حدود نانو است.

تاثير تحقيقات در فناوري‌هاي مادون‌ريز, در درمان بيماري‌ها و يا دست‌يافتن به مواد جديد ظهور يافته است. موارد بسياري در مرحله تحقيقات كاربردي و آزمايشي است. اكنون ساخت رايانه‌هاي بسيار كوچكتر و ميليون‌ها بار سريع‌تر در دستور كار شركت‌هاي تحقيقاتي قرار دارد.

در بياني كوتاه، نانوتكنولوژي فرايند توليد مولكولي است. همان‌طور كه طبيعت مجموعه‌ها را به‌طور خودكار مولكول به مولكول ساخته و روي هم مونتاژ كرده است، ما هم بايد براي توليد محصولات جديد، با اين اعتقاد كه هرچه در طبيعت توليد شده قابل توليد در آزمايشگاه نيز هست، نظير طبيعت راهي پيدا كنيم. البته منظور اين نيست كه چند هسته از مواد را پيدا كنيم و به رساندن انرژي و خوراك پس از چند سال يك نيروگاه از آن بسازيم كه شهري را برق دهد بلكه براي تركيب و تكامل خودكار توليدات مادون‌ريز كه به نحوي در مجموعه‌هاي بزرگتر مصرف دارد، راهي بيابيم. در اندازه‌هاي مادون‌ريز، روش‌ها و ابزارآلات متعارف فيزيكي مانند تراشيدن و خم كردن و سوراخ‌كردن و... پاسخگو نيستند.

براي ساختن ماشين‌هاي مولكولي بايد روش فرايندهاي طبيعي را دنبال كرد

با تهيه نقشه‌هاي ساختاري بدن يعني آرايش ژن‌ها و DNA كه ژنم ناميده شده است و به موازات آن دست‌يافتن به تكنولوژي مادون‌ريز، در درازمدت تحولات بسياري در هستي ايجاد خواهد شد. توليد مواد جديد، گياهان، جانوران و حتي انسان هم متحول خواهد شد. اشكالات ساختاري موجودات در طبيعت رفع مي‌شود و با تركيب و خواص اورگانيك گياهان و جانوران، موجودات جديدي با خواص فوق‌العاده و شخصيت‌هاي متفاوت به‌وجود خواهد آمد. آينده علوم و مهندسي كه چند گرايشي است، به طرف توليد ماشين‌هاي مولكولي سوق داده خواهد شد تا در نهايت بتواند مجموعه‌هاي كارا از پيوندهاي اورگانيك و سايبريك را عرضه كند.

هستي را مي‌توان به رايانه (سخت‌افزار) و برنامه (نرم‌افزار)تشبيه كرد كه دو پديده مختلف اما ادغام شده هستند. سخت‌افزار مصداق ماده (اغلب اتم هيدروژن) و نرم‌افزار يا برنامه، قابليت نهفته در خلقت است.

اتم به‌نظر ساده و ابتدايي هيدروژن، طي ميلياردها سال با قابليت نهفته در خود توانسته است ميليون‌ها نوع آرايش مختلف را در هستي به وجود آورد. بشر از به‌وجود آوردن اساس ماده عاجز است، در برنامه‌ريزي‌ها جديد و يافتن اشكال ديگري از آنچه در طبيعت وجود دارد، پيش خواهد رفت. طبيعت را خواهد شناخت و به اصطلاح، قفل‌هاي شگفت‌آور آن را باز خواهد كرد. احتمالاً انسان در شرايط مناسب‌تري از درجه ‌حرارت و فشار كه در تشكيل طبيعي مواد مختلف از هيدروژن لازم است، بتواند اتم‌هاي مورد نياز خود را توليد كند، سيارات ديگري را در نهايت در اختيار بگيريد و بعيد نيست كه نواده‌هاي دوردست ما بتوانند در نيمه‌هاي راه ابديت در اكثر نقاط جهان هستي و كهكشان‌ها سكني گزينند.

به احتمال زياد پيش از پايان هزاره سوم، انسان‌ها در بدن خود انواع لوازم مصنوعي و ديجيتالي را خواهند داشت. آنها از بيماري، پيري، درد ستون فقرات، كم حافظه‌اي و... رنج نخواهند برد. قابليت فهم و تحليل اطلاعات در مغز آنها در مقايسه با امروز بي‌نهايت خواهد شد. در هزاره‌هاي آينده احتمالاً نمونه‌هايي از انسان‌هاي طبيعي براي مطالعات پژوهشي نگهداري شده و به نمونه‌هاي آزمايشگاهي و به‌طورحتم قابل احترام تبديل خواهند شد و مردمان آينده از اين‌ همه درد و ناراحتي كه اجداد آنها در هزاره‌هاي قبل كشيده‌اند، متعجب و متأثر خواهند بود.

اكنون جا دارد همگام با تحولات جديد در مهندسي و علوم، دانشگاه‌ها و مراكز تحقيقاتي به‌طور جدي به پروژه‌هاي تكنولوژي مادون ريز مشغول شوند تا حداقل ما نيز بتوانيم مرزهاي دانش روز را به نسل‌هاي آينده تحويل دهيم و در تشكل‌هاي جديد هستي, سهمي داشته باشيم. باشد هرچه زودتر به خود آييم و عمق شكوهمند و معجزه‌آساي انديشه بشر را دريابيم و از كوتاه‌بيني و افكار فرسوده موروثي فاصله بگيريم.

چه انتظاري بايد از نانوتكنولوژي داشت؟

اين تكنولوژي جديد توانايي آن را دارد كه تأثيري اساسي بر كشورهاي صنعتي در دهه‌هاي آينده بگذارد. در اينجا به برخي از نمونه‌هاي عملي در زمينه نانوتكنولوژي كه براساس تحقيقات و مشاهدات بخش خصوصي به دست آمده است، اشاره مي‌شود:

- انتظار مي‌رود كه مقياس نانومتر به يك مقياس با كارايي بالا و ويژگي‌هاي منحصربه فرد، تيديل شود

- مواد شيميايي به‌گونه‌اي ساخته خواهند شد كه روش شيمي سنتي نمي‌تواند پاسخگوي اين امر باشد

- نانوتكنولوژي مي‌تواند باعث گسترش فروش سالانه 300 ميليارد دلار براي صنعت نيمه هادي‌ها و 900 ميليون دلار براي مدارهاي مجتمع، طي 10 تا 15 سال آينده شود.

- نانوتكنولوژي، مراقبت‌هاي بهداشتي، طول عمر، كيفيت و توانايي‌هاي جسمي بشر را افزايش خواهد داد.

- تقريباً نيمي از محصولات دارويي در 10 تا 15 سال آينده متكي به نانوتكنولوژي خواهند بود كه اين امر، خود 180 ميليارد دلار نقدينگي را به گردش درخواهد آورد.

- كاتاليست‌هاي نانوساختاري در صنايع پتروشيمي داراي كاربردهاي فراواني هستند كه پيش‌بيني شده است اين دانش، سالانه 100 ميليارد دلار را طي 10 تا 15 سال آينده تحت تأثير قرار دهد.

- نانوتكنولوژي‌ موجب توسعه محصولات كشاورزي براي جمعيتي عظيم خواهد شد و راه‌هاي اقتصادي‌تري را براي تصفيه و نمك‌زدايي آب و بهينه‌سازي راه‌هاي استفاده از منابع انرژي‌هاي تجديدپذير همچون انرژي خورشيدي ارائه كند. مثلاً استفاده از يك نوع انباره جريان گذرا با الكترودهاي نانولوله كربني كه بتازگي آزمايش شد، نشان داد كه اين روش آب دريا را 10 بار كمتر از روش اسمز معكوس، نمك‌زدايي مي‌كند.

- انتظار مي‌رود كه نانوتكنولوژي نياز بشر را به مواد كمياب كمتر كرده و با كاستن آلاينده‌ها، محيط زيستي سالم‌تر را فراهم كند. براي مثال مطالعات نشان مي‌دهد طي 10 تا 15 سال آينده، روشنايي حاصل از پيشرفت نانوتكنولوژي، مصرف جهاني انرژي را تا 10 درصد كاهش داده، باعث صرفه‌جويي سالانه 100 ميليارد دلار و همچنين كاهش آلودگي هوا به ميزان 20 ميليون تن كربن شود.

در چند سال گذشته بازار چند ميليارد دلاري بر پايه نانوتكنولوژي گسترش يافته‌اند. براي مثال در ايالات متحده، TBM براي هد ديسك‌هاي سخت، يك سري حسگرهاي مغناطيسي را ابداع كرده است.

Eastern Kodak و 3M تكنولوژي ساخت فيلم‌هاي نازك نانو ساختاري را به وجود آورده‌اند. شركت Mobil كاتاليست‌هاي نانوساختاري را براي دستگاه‌هاي شيميايي توليد كرده است و شركت Merck، داروهاي نانوذره‌اي را عرضه كرده است. تويوتا در ژاپن مواد پليمري تقويت شده نانوذره‌اي را براي خودروها و سامسونگ الكتريك كره، در حال كار بر روي سطح صفحات نمايش توسط نانولوله‌هاي كربني هستند. بشر درست در ابتداي مسير قرار دارد و فقط چندين محصول تجاري از نانوساختارهاي يك بعدي بهره مي‌گيرند (نانوذرات، نانولوله‌ها، نانولايه‌ها و سوپرلاستيك‌ها). نظريات جديد و روش‌هاي مقرون به صرفه توليد نانوساختارهاي دو و سه بعدي از موضوعات مورد بررسي آينده مي‌باشد.

نانوتكنولوژي يا كاربرد فناوري در مقياس يك ميليونيم متر، جهان حيرت‌انگيري را پيش روي دانشمندان قرار داده است كه در تاريخ بشريت نظيري براي آن نمي‌توان يافت. پيشرفت‌هاي پرشتابي كه در اين عرصه به وقوع مي‌پيوندد، پيام مهمي را با خود به همراه آورده است. بشر در آستانه دستيابي به توانايي‌هايي بي‌بديل براي تغيير محيط پيرامون خويش قرار گرفته است و جهان و جامعه‌اي كه در آينده‌اي نه چندان دور به مدد اين فناوري جديد پديدار خواهد شد، تفاوت‌هاي بنيادين با جهان مالوف آدمي درگذشته خواهد داشت.

به گزارش ايرنا، نانوتكنولوژي نظير هر فناوري ديگر, همانند شمشيري دولبه است كه مي‌توان از آن در مسير خير و صلاح و يا نابودي و فنا استفاده كرد. گام اول در راه بهره‌گيري از اين فناوري شناخت دقيق‌تر خصوصيات آن و آشنايي با قابليت‌هاي بالقوه‌اي است كه در خود جاي داده است. در خصوص نانوتكنولوژي يك نكته را مي‌توان به روشني و بدون ابهام مورد تأكيد قرار داد: اين فناوري جديد هنوز، حتي براي متخصصان، شناخته شده نيست و همين امر هاله ابهامي را كه آن را در برگرفته ضخيم‌تر مي‌كند و راه را براي گمانه‌زني‌هاي متنوع هموار مي‌سازد.

كساني بر اين باورند كه اين فناوري نظير هيولاي فرانكشتين در داستان مري شلي و يا همانند جعبه پاندورا در اسطوره‌هاي يونان باستان، مرگ و نابودي براي ابناي بشر در پي دارد. در مقابل, گروهي نيز معتقدند كه به مدد توانايي‌هاي حاصل از اين فناوري مي‌توان عالم را گلستان كرد.

در حال حاضر 450 شركت تحقيقاتي ـ تجاري در سراسر جهان و 270 دانشگاه در اروپا، امريكا و ژاپن با بودجه‌اي كه در مجموع به 4 ميليارد دلار بالغ مي‌شود، سرگرم انجام تحقيقات در عرصه نانوتكنولوژي هستند. در اين قلمرو اتم‌ها و ذرات رفتاري غيرمتعارف از خود به نمايش مي‌گذارند و از آنجا كه كل طبيعت از همين ذرات تشكيل شده، شناخت نحوه عمل آنها، به يك معنا، شناخت بهتر نحوه شكل‌گيري عالم است. به اين ترتيب دانشمنداني كه در اين قلمرو به كاوش مشغولند، به يك اعتبار با ذهن و ضمير خالق هستي و نقشه شگفت‌انگيز او در خلقت عالم آشنايي پيدا مي‌كنند، اما از آنجا كه دانايي توانايي به همراه مي‌آورد، شناسايي و رازهاي هستي مي‌تواند توان فوق‌العاده‌اي را در اختيار كاشفان اين رازها قرار دهد. تحقيق در قلمرو نانوتكنولوژي از اواخر دهه 1950 آغاز شد و در دهه 1990 نخستين نتايج چشمگير از رهگذر اين تحقيقات به دست آمد.

از جمله گروهي از محققان شركت IBM موفق شدند 35 اتم گزنون را روي يك صفحه از جنس نيكل جاي دهند و با كمك اين تك اتم‌ها نامي را بر روي صفحه نيكلي درج كنند. محققان ديگر به بررسي درباره ساختارهاي ريز موجود در طبيعت نظير تار عنكبوت‌ها و رشته‌هاي ابريشم پرداختند تا بتوانند موادي نازك‌تر و مقاوم‌تر توليد كنند. در اين ميان ساخت يك نوع مولكول جديد كربن موسوم به باكمينسترفولرين يا كربن -60 راه را براي پژوهش‌هاي بعدي هموارتر كرد. محققان با كمك اين مولكول كه خواص حيرت‌انگيز آن هنوز در دست بررسي است، لوله‌هاي موئينه‌اي در مقياس نانو ساخته‌اند كه مي‌تواند براي ايجاد ساختارهاي مختلف در تراز يك ميليونيم متر مورد استفاده قرار گيرد. بررسي‌هايي كه در ابعاد نانو بر روي مواد مختلف صورت گرفته و خواص تازه‌اي را آشكار كرده است. مثلاً ذرات سيليكن در اين ابعاد از خود نور ساطع مي‌كنند و لايه‌هاي فولاد در اين مقياس از استحكام بيشتري در قياس با صفحات بزرگ‌تر اين فلز برخوردارند.

برخي شركت‌ها از هم‌اكنون بهره‌برداري از برخي يافته‌هاي نانوتكنولوژي را آغاز كرده‌اند. به عنوان نمونه شركت آرايشي اورال از مواد نانو در محصولات آرايشي خود استفاده مي‌كند تا بر ميزان تأثير آنها بيفزايد. ساخت ديودهاي نوري با استفاده از مواد نانو موجب مي‌شود تا 80 درصد در هزينه برق صرفه‌جويي شود. توپ‌هاي تنيسي كه با كربن 60 ساخته و روانه بازار شده, سبك‌تر و محكم‌تر از توپ‌هاي عادي هستند. شركت‌هاي ديگر با استفاده از مواد نانوپارچه‌هايي توليد كرده‌اند كه با يك بار تكاندن آنها مي‌توان حالت اتوي اوليه را به آنها بازگرداند و همه چين و چروك‌هايشان را زائل كرد. با همين يك بار تكان همه گردوخاكي كه به اين پارچه‌ها جذب شده‌اند نيز پاك مي‌شوند. نوارهاي زخم‌بندي هوشمندي با اين مواد درست شده كه به محض مشاهده نخستين علائم عفونت در مقياس مولكولي، پزشكان را مطلع مي‌سازند.

از همين نوع مواد همچنين ليوان‌هايي توليد شده كه قابليت خود – تميز كردن دارند. لنزها و عدسي‌هاي عينك ساخته شده از جنس مواد نانو ضدخش هستند و يك گروه از محققان تا آنجا پيش رفته‌اند كه درصددند با مواد نانو پوشش‌هاي مناسبي توليد كنند كه سلو‌هاي حاوي ويروس‌هاي خطرناك نظير ويروس ايدز را در خود مي‌پوشاند و مانع خروج آنها مي‌شود. مهم‌ترين نكته درباره موقعيت كنوني فناوري نانو آن است كه اكنون دانشمندان اين توانايي را پيدا كرده‌اند كه در تراز تك اتم‌ها به بهره‌گيري از آنها بپردازند و اين توانايي بالقوه مي‌تواند زمينه‌ساز بسياري از تحولات بعدي شود. يك گروه از برجسته‌ترين محققان در حوزه نانوتكنولوژي بر اين اعتقادند كه مي‌توان بدون آسيب رساندن به سلول‌هاي حياتي، در درون آنها به كاوش و تحقيق پرداخت. شيوه‌هاي كنوني براي بررسي سلول‌ها بسيار خام و ابتدايي است و دانشمندان براي شناخت آنچه كه در درون سلول اتفاق مي‌افتد ناگزيرند سلول‌ها را از هم بشكافند و در اين حال بسياري از اطلاعات مهم مربوط به سيال‌هاي درون سلول با ارگانل‌هاي موجود در آن از بين مي‌رود.

يك گروه از محققان كه در گروهي موسوم به اتحاد سيستم‌هاي زيستي گرد آمده‌اند، سرگرم تكميل ابزارهاي ظريف هستند كه هدف آن بررسي اوضاع و احوال درون سلول در زمان واقعي و بدون آسيب رساندن به اجزاي دروني سلول يا مداخله در فعاليت بخش‌هاي داخلي آن است. ابزاري كه اين گروه مشغول ساخت آن هستند، رديف‌هايي از لوله‌ها سيستم‌هاي بسيار ظريفند كه قادرند وظايف مختلفي را به انجام برسانند از جمله اينكه هزاران پروتئيني را كه به وسيله سلول‌ها ترشح مي‌شود شناسايي كند. گروه‌‌هاي ديگر از محققان نيز به نوبه خود سرگرم توليد دستگاه‌ها و ابزار ديگر براي انجام مقاصد علمي ديگر هستند.

به عنوان نمونه يك گروه از محققان سرگرم تكميل فيبرهاي نوري در ابعاد نانو هستند كه قادر خواهند بود مولكول‌هاي موردنظر را شناسايي كنند. گروهي نيز دستگاهي را در دست ساخت دارند كه با استفاده از ذرات طلا مي‌تواند پروتئين‌هاي معيني را فعال سازد يا از كار بيندازد. به اعتقاد پژوهشگران براي آنكه بتوان از سلول‌ها در حين فعاليت واقعي آنها اطلاعات مناسب را به دست آورد، بايد شيوه تنظيم آزمايش‌ها را مورد تجديدنظر اساسي قرار داد. سلول‌ها در فعاليت طبيعي خود امور مختلفي را به انجام مي‌رسانند: از جمله انتقال اطلاعات و علائم و داده‌ها ميان خود، ردوبدل كردن مواد غذايي و بالاخره سوخت وساز و اعمال حياتي. يك گروه از روش تازه‌اي موسوم به الگوي انتقال ابرـ شبكه استفاده كرده‌اند كه ساخت نيمه هادي‌هاي نانومتري به قطر تنها 8 نانومتر را امكان‌پذير مي‌سازد. هر يك از اين لوله‌هاي بسيار ريز بالقوه مي‌توانند يك پادتن خاص يا يك اوليگو نوكلئواسيد و يا بخش كوچك از رشته ‌دي ان اي بر روي خود جاي دهند.

با كمك هر تراشه مي‌توان 1000 آزمايش متفاوت بر روي يك سلول انجام داد. براي دستيابي به موفقيت كامل بايد بر برخي از محدوديت‌ها غلبه شود. از جمله آنكه در حال حاضر براي بررسي سلول‌ها بايد آنها را در درون مانعي قرار داد كه مصنوعاً محيط زيست طبيعي سلول‌ها را بازسازي مي‌كند. اما يون موجود در اين مايع مي‌تواند سنجنده‌هاي موئينه را از كار بيندازد. براي رفع مشكل، محققان سلول‌ها را درون مايعي جاي مي‌دهند كه چگالي يون آن كمتر است. گروه‌هاي ديگري از محققان نيز در تلاشند تا ابزارهاي مناسب در مقياس نانو براي بررسي جهان سلول‌ها ابداع كنند. يكي از اين ابزارها نوعي فيبر نوري است كه ضخامت نوك آن 40 نانومتر است و بر روي نوك نوعي پادتن جا داده شده كه قادر است خود را به مولكول مورد نظر در درون سلول متصل سازد. اين فيبر نوري با استفاده از فيبرهاي معمولي و تراش آنها ساخته شده و بر روي فيبر پوششي از نقره اندود شده تا از فرار نور جلوگيري كند. نحوه عمل اين فيبر نوري درخور توجه است.

از آنجا كه قطر نوك اين فيبر نوري از طول موج نوري كه براي روشن كردن سلول مورد استفاده قرار مي‌گيرد به مراتب بزرگ‌تر است، فوتون‌هاي نور نمي‌توانند خود را تا انتهاي فيبر برسانند، درعوض در نزديكي نوك فيبر مجتمع مي‌شوند و يك ميدان نوري به وجود مي‌آورند كه تنها مي‌تواند مولكول‌هايي را كه در تماس با نوك فيبر قرار مي‌گيرند تحريك كند. به نوك اين فيبر نوري يك پادتن متصل است و محققان به اين پادتن يك مولكول فلورسان مي‌چسبانند و آنگاه نوك فيبر را به درون يك سلول فرو مي‌كنند. در درون سلول، نمونه مشابه مولكول فلورسان نوك فيبر، اين مولكول را كنار مي‌زند و خود جاي آن را مي‌گيرد به اين ترتيب، نوري كه از مولكول فلورسان ساطع مي‌شد از بين مي‌رود و فضاي درون سلول تنها با نوري كه به وسيله ميدان موجود در فيبر نوري به وجود مي‌آيد روشن مي‌شود و در نتيجه محققان قادر مي‌شوند يك تك مولكول را در درون سلول مشاهده كنند.

مزيت بزرگ اين روش در آن است كه باعث مرگ سلول نمي‌شود و به دانشمندان اجازه مي‌دهد درون سلول را در هنگام فعاليت آن مشاهده كنند. نانوتكنولوژي همچنين به محققان امكان مي‌دهد كه بتوانند رويدادهاي بسيار نادر يا مولكول‌هاي با چگالي بسيار كم را مشاهده كنند. به عنوان مثال بلورهاي مينياتوري نيمه هادي‌هاي فلزي در يك فركانس خاص از خود نور ساطع مي‌كنند و از اين نور مي‌توان براي مشخص كردن مجموعه‌اي از مولكول‌هاي زيستي و الصاق برچسب براي شناسايي آنها استفاده كرد. به نوشته‌ هفته‌نامه علمي نيچر چاپ انگلستان يك گروه از محققان دانشگاه ميشيگان نيز توانسته‌اند سنجنده خاصي را تكميل كنند كه قادر است حركت اتم‌هاي روي را در درون سلول‌ها دنبال كند و به دانشمندان در تشخيص نقايص زيست عصبي مدد رساند.

از ابزارهاي در مقياس نانو همچنين مي‌توان براي عرصه مؤثرتر داروها در نقاط موردنظر استفاده كرد. در آزمايشي كه بتازگي به انجام رسيده نشان داده شده است كه حمله به سلول‌هاي سرطاني با استفاده از ذرات نانو 100 برابر بازده عمل را افزايش مي‌دهد.محققان اميدوارند در آينده‌اي نه چندان دور با استفاده از نانو تكنولوژي موفق شوند امور داخلي هر سلول را تحت كنترل خود درآورند. هم اكنون گام‌هاي بلندي در اين زمينه برداشته شده و به عنوان نمونه دانشمندان مي‌توانند فعاليت پروتئين‌ها و مولكول DNA را در درون سلول كنترل كنند. به اين ترتيب نانوتكنولوژي به محققان امكان مي‌دهد تا اطلاعات خود را درباره سلول‌ها يعني اصلي‌ترين بخش سازنده بدن جانداران به بهترين وجه كامل سازند.

منبع:

Alivephysics.persianblog.com

 نويسنده : فريد سعادتيان فريور

» ادامه مطلب

نانوفناوري و صنعت خودرو

نانوفناوري به‌عنوان انقلاب صنعتي قرن آينده، اثرات فراواني در صنايع گوناگون خواهد داشت. يکي از چشم­اندازهاي اميدوارکننده اين فناوري پيشرفته، تحول در صنعت خودروسازي است. يکي از اصلي­ترين موضوعات نانو فناوري، ساخت مواد با خواص جديد است. اين مواد، ارزش افزوده بسيار بالا و کارايي بالاتري در تمام صنايع خواهند داشت که صنعت خودرو نيز از آن مستثني نخواهد بود.

ساخت بدنه­هاي سبکتر و مقاومتر براي خودرو، ساخت لاستيک­هايي با مقاومت سايشي بهتر، ساخت قطعات موتور با عمر چند برابر، کاهش مصرف سوخت خودرو، ساخت باتري­هايي با انرژي بالا و دوام بيشتر، ساخت نانوساختارهايي مبتني‌بر کربن به‌عنوان سوپر اسفنج هيدروژني در خودروهاي پيل سوختي، ساخت حسگرهاي چندمنظوره براي کنترل فرايندهاي مختلف در خودرو، ساخت کاتاليزورهاي اگزوز خودرو براي کاهش آلودگي هوا، لايه­هاي بسيار محکم با خصوصيات ويژه­اي مثل الکتروکروميک (رنگ­پذيري الکتريکي) با خود پاک­کنندگي براي استفاده در شيشه­ها و آينه­هاي خودرو و سازگار کردن خودرو با محيط‌زيست و بسياري از موارد ديگر، از جمله کاربردهاي نانو فناوري در صنعت خودرو است. همچنين، جايگزيني کربن سياه در تايرها با ذرات رس و پليمرهاي نانومتري، فناوري جديدي است که تايرهاي سازگار با محيط‌زيست و مقاوم در برابر ساييدگي را به ارمغان مي­آورد. يکي از اثرات مثبت نانوفناوري، افزايش بازده موتورهاي درون­سوز کنوني است. اين موتورها، حدود 15 درصد از انرژي ذخيره شده در بنزين را به نيروي محرکه تبديل مي­کنند. ازديگرسو، وزن متوسط خودروهاي امروزي حدود 1500 کيلوگرم است. با استفاده از نانوفناوري پيش­بيني مي­شود که بتوان بازده را تا 5 برابر افزايش داد و نيز وزن وسايل نقليه را به‌ميزان 10 برابر کاهش داد. لذا مي­توان اميدوار بود که وسايل نقليه با استفاده از اين فناوري تا 50 درصد بهبود کارايي داشته باشند.

تعريف نانوفناوري

نانوفناوري، توانمندي توليد مواد، ابزار و سيستم­هاي جديد با دردست گرفتن کنترل در سطوح ملکولي و اتمي و استفاده از خواص است که در آن سطوح ظاهر مي­شود. از همين تعريف ساده برمي­آيد که نانوفناوري رشته­اي جديد نيست، بلکه رويکردي جديد در تمام رشته­هاست. براي نانوفناوري کاربردهايي را در حوزه­هاي مختلف از غذا، دارو، تشخيص پزشکي و بيوفناوري تا الکترونيک، رايانه، ارتباطات، حمل‌و‌نقل، انرژي، محيط‌زيست، مواد، هوافضا و امنيت ملي برشمرده­اند. کاربردهاي وسيع اين عرصه به‌همراه پيامدهاي اجتماعي، سياسي و حقوقي آن، اين فناوري را به‌عنوان يک زمينه فرارشته­اي و فرابخشي مطرح کرده است. هر چند آزمايش­ها و تحقيقات در زمينه نانوفناوري از ابتداي دهه 80 قرن بيستم به­طور جدي پيگيري شد، اما اثرات تحول­آفرين، معجزه­آسا و باورنکردني آن در روند تحقيق و توسعه، باعث شد تا نظر تمامي کشورهاي بزرگ به اين موضوع جلب شده و فناوري نانو را به‌عنوان يکي از مهم­ترين اولويت­هاي تحقيقاتي خويش طي دهه اول قرن بيست‌و‌يکم، تلقي کنند.

در زمينه انرژي، نانوفناوري مي­تواند به­طور قابل ملاحظه­اي کارايي، ذخيره­سازي و توليد انرژي را تحت تاثير قرار داده و مصرف انرژي را پايين بياورد. به‌عنوان مثال، شرکت­هاي مواد شيميايي، مواد پليمري تقويت شده با نانوذرات را ساخته­اند که مي­تواند جايگزين اجزاي فلزي بدنه خودروها شود. استفاده گسترده از اين نانوکامپوزيت­ها مي­تواند سالانه 5/1 ميليارد ليتر صرفه­جويي مصرف بنزين به‌همراه داشته باشد.

کاربردهاي نانوفناوري در صنعت خودرو

نانوفناوري، کاربردهاي بسياري در صنعت خودرو دارد که مهم­ترين آنها عبارتند از:

1. مواد ساختاري و پوشش­ها

با توجه به اهميت نانوکامپوزيت­ها در صنعت خودرو و اينکه يکي از مصرف­کنندگان بزرگ نانوکامپوزيت­ها، صنعت حمل‌ونقل است، مي­توان به موارد ذيل اشاره کرد:

الف- نانوکامپوزيت­هاي پليمري

نياز اقتصادي رو به افزايش سوخت در عرصه حمل‌ونقل، تقاضا براي استفاده از مواد جديد سبک‌وزن مانند پلاستيک را که مي­تواند جايگزين فلز شود، افزايش داده است. انواع خوب اين پلاستيک­ها گران­قيمت هستند. نانوکامپوزيت­ها، دسته جديدي از مواد موردمطالعه جهاني هستند که شامل پليمرهاي قديمي تقويت شده با ذرات نانومتري هستند. درواقع، نانوکامپوزيت­ها گروهي از پلاستيک­هاي انباشته از مواد معدني هستند که شامل مقدار کمي (کمتر از 10 درصد) از ذرات ريز نانومقياس (اغلب خاک­رس) هستند. در حالت نظري، اين مواد مي­توانند به‌آساني به‌صورت اکسترود يا قالب، به شکل نهايي درآيند. اين درحالي است که از استحکام و قدرت فلز برخوردار بوده و از آن سبک­تر هستند.

خاصيت مهمي که براي نانولوله­هاي کربني بيان شده است، رسانايي الکتريکي آنهاست که باتوجه به اين ويژگي مي­توان با کاربرد آنها در بدنه خودرو و ديگر قسمت­ها، از روش رنگ الکترواستاتيکي براي رنگ­آميزي خودرو استفاده کرد.

ب- نانوکامپوزيت­هاي فلزي

استفاده از نانوبلورهاي فلزي به‌صورت ترکيبات ساختاري حجيم (Bulk) در صنعت خودرو، از فرصت­هاي زيادي برخوردار است. استفاده از اين مواد در بدنه خودروها با نانوکامپوزيت­هاست. مثلاً، نانوبلورهاي فولاد مزاياي زيادي در ارتقاي درجه استحکام ايجاد مي­کنند. شرکت تويوتا از اين مواد در ساخت خودروهايش استفاده کرده است.

نانوبلورهاي فولاد، نسبت استحکام به وزن را به‌نحوي قابل‌ملاحظه بهبود مي­بخشند. اين ويژگي مي­تواند از افول صنعت فولاد و جايگزيني آن توسط کامپوزيت­هاي پليمري، جلوگيري کند. در مجموع، نانوبلورهاي فلزي در قسمت­هاي مختلف خودرو نظير موتور، باعث استحکام و سختي مي­شوند.

سراميک­ها، از لحاظ سختي داراي قابليت رقابت با اين­گونه مواد هستند، اما بسيار شکننده­اند. نانوبلورهاي سراميکي، بسيار بادوام بوده و قادرند ترکيباتي را که نياز به سختي، مقاومت فرسايش و اعوجاج گرمايي بالايي دارند، ارتقا بخشند. افزودن نانوذرات اکسيد آلومينيم به آلومينيوم، باعث مي­شود تا مقاومت آن در برابر ساييدگي، مشابه بهترين ياتاقان­هاي فولادي شود.

· رنگ و پوشش

استفاده از نانوفناوري در رنگ، باعث افزايش کيفيت رنگ و کاهش مصرف آن مي­شود. نکته مهم در اين زمينه، جاذبه رنگ براي جلب توجه مشتري به محصول است. مثالي در اين مورد مي­گويد: «رنگ، باعث فروش توليدات شما مي­شود». رنگ، عاملي مهم در جلب توجه مشتري است. استفاده از رنگ­هاي مقاوم در برابر نور خورشيد، ساييدگي و همراه با خاصيت صيقلي بالا (جلاي زياد) در خودرو ضروري است. نانوفناوري به دو صورت به اين بخش کمک مي­کند: يکي انتخاب مواد مناسب در رنگ و ديگري روش­هاي بهينه رنگ کردن.

نانوذرات با اندازه­هاي مختلف، نورهايي با فرکانس­هاي متفاوت ساطع مي­کنند. لذا مي­توان از آنها براي توليد رنگ­هاي گوناگون استفاده کرد.

کاربرد جالب توجه در اين بخش، استفاده از نانولوله­هاي کربني در رنگ است. فيبريل­ها، ساختارهاي ويژه­اي هستند که از نانولوله­هاي کربني ساخته مي­شوند (استوانه­هايي متشکل از 8 لايه گرافيتي که از فاز بخار به عمل مي­آيند) و خاصيت رسانايي بالايي دارند. فيبريل­ها از لحاظ شکل ظاهري شبيه به رشته­هاي ماکاروني در ابعاد ميکروسکوپي هستند. قطر خارجي آنها 10 نانومتر و قطر داخلي آنها 5 نانومتر و طول آنها از 1 تا 10 ميکرون متغير است.

کاربرد فيبريل­ها در رنگ، باعث رسانايي آن مي­شود و مي­توان از آن براي رنگ‌کردن خودرو به‌روش قطره­هاي باردار شده استفاده کرد (روش رنگ الکترواستاتيکي). در اين روش، رنگ و قسمت­هايي را که قرار است رنگ شوند، باردار مي­کنند. تا جاذبه الکتريکي بين آنها باعث جذب رنگ شود. به اين‌ترتيب، کارايي رنگ، چه از لحاظ کيفيت و چه از لحاظ کميت (ميزان رنگ مصرفي) ارتقا مي­يابد. در اين روش، رنگ به­طور دقيق روي سطح موردنظر مي­نشيند و از پراکنده شدن آن جلوگيري مي­شود. لذا کارايي آن بالا رفته و سريع و تميز و مقرون به‌صرفه مي­شود. همچنين، اين روش باعث کاهش انتشارات سمي (VOC) مي­شود (نمودار 1).

نمودار 1: کارايي رنگ الکترواستاتيک

کارايي رنگ الکترواستاتيکي، 4 برابر بيشتر از رنگ به‌روش اسپري است. در روش الکترواستاتيکي 80 درصد از رنگ روي قسمت موردنظر مي­نشيند، اما در روش­هاي ديگر اين مقدار به 20 درصد مي­رسد.

فناوري پوشش­دهي مبتني‌بر نانوفناوري، چه از طريق فرايندهاي سل – ژل و چه روش­هاي نانوذره­اي، کاربردهايي را ارائه مي­دهند که در صنعت خودرو داراي جذابيت تجاري هستند. در زمينه پنجره­هاي فتوکروميک و الکتروميک يا پنجره­هايي که به‌ترتيب تحت تاثير نور و الکتريسيته تغيير رنگ مي­دهند، تحقيقاتي صورت گرفته است. با تعداد زيادي از روش­هاي مبتني‌بر نانوذرات و فرايند سل – ژل، مي­توان اين­گونه شيشه­ها را توليد کرد.

پوشش­هاي سراميکي نانوذرات، موجب پايداري حرارتي و مقاومت به فرسايش در قطعات موتور مي­شوند. پوشش­هاي مبتني بر نانوذرات، ويژگي مواد خود پاک­کننده را از خود نشان داده­اند (شرکت BMW به‌همراه شرکت Creavis در اين زمينه فعال هستند).

آلودگي هوا براي اکثر کشورها بويژه کشورهاي اروپايي، معضلي جدي است. در فرانسه، 30 ميليون خودروي آلاينده هوا در حال تردد هستند. از آنجا که به‌ازاي 100 کيلوگرم کاهش وزن، 5/0 ليتر در مصرف سوخت در هر 100 کيلومتر صرفه­جويي مي­شود، استفاده از سيليسيم به معني کاهش آلودگي است.

استاندارد ميزان CO2 توليد شده توسط خودرو در اروپا تا سال 2008، حداکثر 140 گرم بر کيلومتر و تا 2012، حدود 120 گرم بر کيلومتر در نظر گرفته شده است.

بخش محيط­زيست ساپکو در زمينه بررسي کامپوزيت Al/SiC و کاربردهاي مختلف آن در صنعت خودروسازي و تهيه کامپوزيت­هاي مختلف با درصدهاي متفاوت SiC اقدام به تحقيق و تهيه پودر نانو SiC کرده و صحت تشکيل آن توسط دستگاه تفرق اشعه X (XRD) دانشکده متالورژي دانشگاه تهران موردتاييد قرار گرفته است.

2. کاتاليست­هاي زيست محيطي

از زمينه­هاي ديگر کاربردهاي مواد نانوساختاري، استفاده از آنها به‌عنوان کاتاليزورهاي زيست‌محيطي به‌منظور تصفيه خروجي اگزوز خودروها و پالايش آب و هواست.

استاندارد مربوط به گازهاي خروجي از اگزوز خودروها روزبه­روز سخت­گيرانه­تر و دقيق­تر مي­شود. از اين­رو نياز به کاتاليزورهاي پيشرفته بيش از پيش احساس مي­شود. کاتاليزورهاي رايج که اغلب داراي پايه پلاتين هستند اگرچه بازده کافي دارند، اما بسيار گران­قيمت هستند. به‌همين جهت، کاتاليزورهاي نانوساختاري به‌عنوان جايگزين ارزان‌قيمت کاتاليزورهاي فوق بسيار قابل‌توجه قرار گرفته­اند. دو نمونه از اين کاتاليزورها عبارت­اند از: TMOC، TMC که قابليت جذب فراوان آلاينده­هاي خروجي از اگزوز را دارند.

مورد استفاده ديگر کاتاليزورهاي زيست‌محيطي، کاربرد آنها براي مصارف تصفيه آب و هوا و حذف فلز سنگين توسط فتوکاتاليست­هاست. با استفاده از اين کاتاليزورهاي نوري، ترکيبات سمي مهلک به موادي بي­خطر تبديل مي­شوند. دي­اکسيد تيتانيوم مصرفي در اين نوع کاتاليزورها، ماده­اي پايدار، ارزان­قيمت، خود احياء و قابل بازيافت بوده و اثرات سوء‌زيست محيطي ناچيزي دارد.

3. مقاومت روکش­هاي سطح خودرو در برابر خراش

روش­هاي متفاوتي براي بهبود مقاومت در برابر خش­پذيري روکش­هاي سطح خودرو پيشنهاد شده است که از آن جمله مي­توان به استفاده از مواد افزودني اشاره نمود. در اين پژوهش، تاثير نوع و غلظت مواد افزودني سيليکوني و اکريلاتي بر روي مقاومت به خش­پذيري روکش­هاي شفاف خودرو بر پايه اکريليک ايزوسيانات موردبررسي قرار گرفته و از آزمون­هاي خراشنده و سايش براي ارزيابي مقاومت به خش­پذيري و خراش و از طيف­سنجي مادون قرمز، اندازه­گيري خواص کششي، مقاومت به جامي‌شدن و سختي براي بررسي و ارزيابي نحوه عملکرد مواد افزودني، استفاده شده است. نتايج نشان مي­دهند که مواد افزودني سيليکوني در مقايسه با اکريلاتي، تاثير مثبت­تري بر روي مقاومت به خراش و خش­پذيري روکش­هاي سطح اکريليک ايزوسيانات دارند و با کاهش قطبيت مواد افزودني سيليکوني اين تأثير محسوس­تر مي­شود.

4. نانوکامپوزيت­ها

مواد کامپوزيتي، موادي مهندسي هستند که از دو يا چند جزء تشکيل شده­اند، به­گونه­اي که اين مواد مجزا و در مقياس ماکروسکوپي قابل تشخيص هستند. کامپوزيت از دو قسمت اصلي ماتريکس (زمينه) و تقويت­کننده (پرکننده) تشکيل شده است. ماتريکس با احاطه کردن تقويت­کننده آن را در محل نسبي خودش نگه مي­دارد و تقويت­کننده موجب بهبود خواص مکانيکي ساختار مي­شود.

تاکنون يکي از گسترده­ترين کاربردهاي نانوفناوري در صنعت خودرو، ساخت نانوکامپوزيت­ها بوده است. از آنجا که در نانوکامپوزيت­ها، ذرات بسيار ريز (نانوذرات)، استحکام و دوام رزين را بسيار بالا مي­برند، جايگزين مواد مرسوم مانند ميکا و تالک شده­اند، اما علاوه‌بر ويژگي­هاي فيزيکي بهتر، اين کامپوزيت­ها داراي دو برتري ديگر نيز مي­باشند: نخست اينکه نانوذرات با ايجاد ماتريکس (زمينه) يکنواخت و هموار به­طور قابل‌توجهي زيبايي بيشتر را فراهم مي­کنند و بنابراين نانو کامپوزيت­ها سطح زيباتر و رنگ­هاي شفاف­تري دارند. همچنين نانو کامپوزيت­ها به‌دليل نياز به مواد تقويت­کننده­ي کمتر، تا حدود 20 درصد نسبت به کامپوزيت­هاي رايج سبک­ترند.

5. اثر نيلوفري و ساخت سطوح خود تميزشونده

يکي از شناخته‌شده­ترين مزيت­هاي نانوفناوري «اثر نيلوفري» است که سطوح خود تميزشونده را امکان­پذير مي­سازد. به سبب ساختار بسيار صاف و يکنواخت سطح گل نيلوفر، قطرات آب و گردوغبار از روي گلبرگ­ها مي­لغزند بي­آنکه اثري روي آنها بر جاي بگذارند.

بنابراين اگر سطوح اجسام داراي ساختار بسيار صاف و صيقلي (در مقياس نانو) باشند، ذرات آلودگي و همچنين آب روي آنها باقي نخواهد ماند. رنگ­ها و پوشش­هاي سقف خودرو که اين اصل طبيعي را به‌کار مي­برند، امروزه در بازار موجود مي­باشند. ساختار نانويي اين سطوح، از جمع‌شدن ذرات آلودگي و قطرات بسيار ريز آب نيز جلوگيري مي­کند. همچنين رينگ­هاي خود تميزشونده نيز با استفاده از اين ويژگي در حال توليد هستند.

همچنين پوشش نانويي در حال توليد است که با اضافه‌کردن آن به سطح شيشه خودور (براي مثال به‌روش اسپري کردن)، فرورفتگي­هاي بسيار ريز سطح شيشه را پر کرده و سطح صاف و بدون پستي و بلندي ايجاد مي­کند و در نتيجه قطرات ريز آب و گردوغبار روي شيشه باقي نمي­ماند و بنابراين موجب افزايش ديد راننده، استهلاک کمتر برف­ پاک­کن­ها و نياز کمتر به شستشوي شيشه و همچنين بهبود ديد در شب در نتيجه کاهش انعکاس مضر نور مي­شود.

6. شيشه­هاي نوين با توانايي بازتاب پرتو فروسرخ

نمونه­اي ديگر از کاربردهاي نانوفناوري در صنعت شيشه خودرو، شيشه­هايي با قابليت بازتاب پرتو فروسرخ نور خورشيد است؛ به‌اين ترتيب که لايه­اي بسيار نازک بين دو لايه­ي شيشه قرار گرفته­اند که وظيفه آنها بازتاباندن پرتو فروسرخ خورشيد و در نتيجه جلوگيري از گرم شدن زياد داخل خودرو است.

7. مبدل­هاي کاتاليستي

همان­طور که مي­دانيد اگر احتراق به­طور کامل و ايده­آل رخ دهد، خروجي­هاي حاصل از آن، آب، نيتروژن (N2) و دي­اکسيدکربن (CO2) است و اگر احتراق در شرايط ايده­آل رخ ندهد، مثلاً براي احتراق هواي مناسب وجود نداشته و ... خروجي­هاي حاصل از احتراق، گازهاي زيان­آوري همچون مونواکسيدکربن (CO)، گروه گازهاي (NOX) و هيدروکربن­هاي نسوخته (CH) است. وظيفه مبدل کاتاليستي که در مسير گازهاي خروجي از موتور قرار مي­گيرد، اين است که گازهاي فوق را به گازهاي بي­خطر تبديل کند.

يکي از ويژگي­هاي نانوذرات استفاده شده در توليد مبدل­هاي کاتاليستي، عبارت است از: سطح تماس ذرات با کاهش اندازه آنها و افزايش تعدادشان (به­طوري که جرم کلي مجموعه ثابت بماند) افزايش مي­يابد. يک دسته از واکنش­هاي شيميايي روي سطح کاتاليست­ها رخ مي­دهند و بنابراين سطح تماس بيشتر، کاتاليست­ فعال­تري را موجب مي­شود. از اين­رو به­کارگيري نانوذرات در مبدل­هاي کاتاليستي منجر به توليد مبدل­هاي موثرتر خواهد شد.

کاربردهاي ديگر نانوفناوري در خودروسازي

· به­کارگيري لايه­هاي نازک بر روي بلبرينگ­ها و قطعات تحت اصطحکاک به جاي استفاده از روان­کننده­ها

· فيلترهاي الکتروستاتيک جديد

· کاتاليزورهاي جديدي که از مواد بسيار متخلخل و سطوح انتخابگر شيميايي بهره مي­برند.

· نانوذرات در افزودني­هاي رنگ­ها به‌کار رفته و اثرات رنگي جديد، سختي بيشتر، و دوام بالاتر را موجب مي­شوند.

· مواد نانوساختار

· مواد سبک

· افزايش استحکام و سختي

· افزايش طول عمر

· مواد ضدآتش و محافظت­کننده دمايي

· مواد مهندسي شده

· حسگري و پايش

· مواد هوشمند

· افزايش شفافيت

· پنجره­هايي با قابليت کنترل ميزان نور و گرماي خورشيد

· پنجره­هاي تميز

· محافظت در برابر آلودگي

· پلاستيک ضدنشت

· مواد فوق­العاده چسبناک

· رنگ­هاي داراي کارکرد خاص

· خودتميز شوندگي

· ضدخوردگي

نتيجه­ گيري

نانوفناوري تاثيرات زيادي در بخش­هاي مختلف خودرو، از جمله: رنگ، شيشه، بدنه، لاستيک، پيل سوختي و بسياري از ديگر موارد خواهد داشت.

کشور ما با داشتن منابع غني معدني و مخازن عظيم نفتي، بايد انگيزه بيشتري براي دستيابي به اين فناوري داشته باشد. تأثيرات فناوري نانو بر ارتقاي کيفيت مواد به­کار رفته در قسمت­هاي مختلف خودرو و خصوصيات ويژه­اي که پيدا مي­کنند، مهم­ترين مقوله­اي است که بايد به آن توجه کرد. تأثير بسزايي که استفاده از اين فناوري در محيط زيست مي­گذارد، قابل توجه است. مواد اوليه موردنياز براي هر صنعت، نقش مهمي در کيفيت، قيمت و قابليت­هاي محصول توليد شده آن صنعت دارد. اگر بتوان از موادي با کيفيت بهتر، قيمت کمتر و کارايي بيشتر در ساخت قطعات خودرو استفاده کرد، خودروهاي آينده علاوه‌بر آلودگي کمتر، از قيمت مناسب و قابليت­هايي بيشتر برخوردار خواهند بود.

با توجه به هوشياري روزافزون جهاني در بخش فناوري نانو و اقدامات صنايع مختلف از جمله صنعت خودروسازي در جهان، ما نيز بايد درصدد باشيم که سهمي هر چند اندک از اين بازار را در دست بگيريم. با مطالعه کارهاي تجاري شرکت­هاي خودروسازي درمي­يابيم که شرکت­هاي بزرگ در اين زمينه کارهاي تجاري کوچکي را انجام داده­اند، گرچه در زمينه­ي تحقيقات فعاليت فراواني کرده­اند، اما در توليد تجاري مثلاً با استفاده از فناوري نانو دست به توليد رکاب براي يک خودرو زده­اند (شرکت جنرال موتورز) يا يک قاب آينه (شرکت فورد) که شايد از اهميت خاصي برخوردار نيست، اما در حقيقت تلاش تجاري آنها به‌منظور در دست گرفتن بازار بوده است تا کارهاي تحقيقاتي و آزمايشگاهي­شان را با ارزيابي­هاي تجاري در آينده به‌صورت توليد انبوه درآورند.

منابع:

1. Nanotechnology, nanoelectronic, Fahrner. W.R (ED) 2005,XVL 269 p, 218ilus.

2. Nanochemistry, G.B.serqeev Elsevier, feb2006, edition 1.

3. Core concepts in supramulecular Chemistry and nanochemistry, jonathan W. steed, 2007, 307 pages.

4. www.nanoeurope.org
5. www.impart-nanotox.orgp

نويسنده : زهرا طلابيان

» ادامه مطلب

Nanocomposites

مواد نانوکامپوزیتی به آن دسته از موادی اطلاق می‌شود که فاز تقویت‌کننده آن دارای ابعادی در مقیاس یک تا صد نانومتر باشد که شامل نانوکامپوزیت‌های پلیمرـ سرامیک، پلیمرـفلز، سرامیک ـفلز و سرامیک ـ سرامیک هستند. تقویت‌کننده نانومتری به‌دلیل داشتن ابعاد بسیار کوچک و سطح بسیار بالا در مقایسه با تقویت‌کننده‌های معمولی در سطح بارگذاری کمتر باعث بهبود خواص مورد نظر شده و جایگزین خوبی برای کامپوزیت‌های معمولی هستند؛ چراکه کارآیی بهتر و وزن کمتری ‌دارند. محصولات تهیه‌شده از نانوکامپوزیت‌های پلیمری قابلیت استفاده در صنایع شیمیایی، خودروسازی، ساختمان، نظامی، پزشکی، لوازم خانگی، ورزشی، کشاورزی و الکترونیکی را داشته و استفاده از آن‌ها در این صنایع، کاهش مصرف سوخت و انرژی، افزایش مقاومت و ایمنی در برابر زلزله و آتش‌سوزی، افزایش عمر سازه‌ها، کاهش خسارات ناشی از زمان نگهداری مواد غذایی و محصولات کشاورزی‌،‌ کاهش خسارات ناشی از خوردگی و به‌طور خلاصه، استفاده بهینه از منابع موجود را می‌تواند به‌همراه داشته‌باشد.
با توجه به حجم گسترده استفاده از کامپوزیت‌های معمولی در داخل کشور و با عنایت به حجم بالای تولید پلیمرها در سال‌های آتی از‌سوی شرکت ملی صنایع پتروشیمی و لزوم افزایش کاربری این پلیمرها‌، تولید نانوکامپوزیت‌های پلیمری یکی از مناسب‌ترین راه‌های پاسخ‌گویی به نیاز بازار و بهبود خواص و گسترش دامنه کاربرد پلیمرهای داخلی است. در‌حال‌حاضر، میزان مصرف کل آمیزه‌های پلیمری در داخل کشور حدود صد و پنجاه هزار تن در سال است که بخشی از آن، از طریق واردات از کشورهایی مثل هلند‌،‌ ایتالیا‌، تایوان‌، سوئد، آلمان و بخش دیگر به‌وسیله تولیدکنندگان داخلی تامین می‌شود. این آمیزه‌ها عمدتا در صنایع خودرو‌، لوازم خانگی و اداری‌، لاستیک‌سازی مورد استفاده قرار می‌گیرد. با توجه به خواص برتر نانوکامپوزیت‌های پلیمری در مقایسه با آمیزه‌های معمولی پلیمری و با عنایت به روند نزولی قیمت جهانی نانوذرات و در نتیجه امکان رقابت این محصولات از نظر قیمت‌،‌ انتظار می‌رود با تولید نانوکامپوزیت‌ها در داخل کشور می‌توان آن‌ها را جایگزین بخش عمده‌ای از آمیزه‌های معمولی پلیمری کرد.

» ادامه مطلب

نانو ذرات رسی؛ راه حلی جدید برای تقویت رنگ های لاتکسی امولسیونی

محققان دانشگاه Warwick راهی برای جایگزینی مونومر های اصلاح کننده سطح و هم پایدار کننده های معمولی که به منظور پایدار کردن رنگ های لاتکسی امولسیونی استفاده می شوند با نانو ذرات رسی پیدا کردند که مقاومت در برابر آتش و سایش بسیار بهتری را در رنگ ها ایجاد می نماید.

به گزارش سانا، دکتر Stefan Bon و تیمش در گروه پلیمر های کلوییدی این دانشگاه راه ساده ای را برای پوشش دادن تک تک ذرات لاتکس با صفحات رسی لاپونیت در اندازه نانو پیدا کرده اند که یک لایه مسلح موثر برروی ذرات پلیمر ایجاد می نماید. صفحات رس لاپونیت را می توان با استفاده از تجهیزات معمول تولید رنگ های صنعتی اعمال کرد. این ذرات نه تنها می توانند به عنوان جایگزین اصلاح کننده های سطحی معمول به کار روند بلکه می توانند رنگ های امولسیونی را در برابر آتش و سایش به خوبی مقاوم نمایند.

چکیده ای از نتایج این تحقیقات توسط دکتر Bon در سمینار "Fire retardant coatings II" ارایه شده است.

منبع: Coatings News

» ادامه مطلب

Nanotechnology

در طول تاريخ بشر از زمان يونان باستان، مردم و به‌خصوص دانشمندان آن دوره بر اين باور بودند كه مواد را مي‌توان آنقدر به اجزاء كوچك تقسيم كرد تا به ذراتي رسيد كه خردناشدني هستند و اين ذرات بنيان مواد را تشكيل مي‌دهند، شايد بتوان دموكريتوس فيلسوف يوناني را پدر فناوري و علوم نانو دانست چرا كه در حدود 400 سال قبل از ميلاد مسيح او اولين كسي بود كه واژة اتم را كه به معني تقسيم‌نشدني در زبان يوناني است براي توصيف ذرات سازنده مواد به كار برد. با تحقيقات و آزمايش‌هاي بسيار، دانشمندان تاكنون 108 نوع اتم و تعداد زيادي ايزوتوپ كشف كرده‌اند. آنها همچنين پي برده اند كه اتم‌ها از ذرات كوچكتري مانند كوارك‌ها و لپتون‌ها تشكيل شده‌اند. با اين حال اين كشف‌ها در تاريخ پيدايش اين فناوري پيچيده زياد مهم نيست. نقطه شروع و توسعه اوليه فناوري نانو به طور دقيق مشخص نيست. شايد بتوان گفت كه اولين نانوتكنولوژيست‌ها شيشه‌گران قرون وسطايي بوده‌اند كه از قالب‌هاي قديمي(Medieal forges) براي شكل‌دادن شيشه‌هايشان استفاده مي‌كرده‌اند. البته اين شيشه‌گران نمي‌دانستند كه چرا با اضافه‌كردن طلا به شيشه رنگ آن تغيير مي‌كند. در آن زمان براي ساخت شيشه‌هاي كليساهاي قرون وسطايي از ذرات نانومتري طلا استفاده مي‌‌شده است و با اين كار شيشه‌هاي رنگي بسيار جذابي بدست مي‌آمده است. اين قبيل شيشه‌ها هم‌اكنون در بين شيشه‌هاي بسيار قديمي يافت مي‌شوند. رنگ به‌وجودآمده در اين شيشه‌ها برپايه اين حقيقت استوار است كه مواد با ابعاد نانو داراي همان خواص مواد با ابعاد ميكرو نمي‌باشند. در واقع يافتن مثالهايي براي استفاده از نانو ذرات فلزي چندان سخت نيست.رنگدانه‌هاي تزييني جام مشهور ليكرگوس در روم باستان ( قرن چهارم بعد از ميلاد) نمونه‌اي از آنهاست. اين جام هنوز در موزه بريتانيا قرار دارد و بسته به جهت نور تابيده به آن رنگهاي متفاوتي دارد. نور انعكاس يافته از آن سبز است ولي اگر نوري از درون آن بتابد، به رنگ قرمز ديده مي‌شود. آناليز اين شيشه حكايت از وجود مقادير بسيار اندكي از بلورهاي فلزي ريز700 (nm) دارد ، كه حاوي نقره و طلا با نسبت مولي تقريبا 14 به 1 است حضور اين نانوبلورها باعث رنگ ويژه جام ليكرگوس گشته است.در سال1959 ريچارد فاينمن مقاله‌اي را دربارة قابليت‌هاي فناوري نانو در آينده منتشر ساخت. باوجود موقعيت‌هايي كه توسط بسياري تا آن زمان كسب‌شده بود، ريچارد. پي. فاينمن را به عنوان پايه گذار اين علم مي‌شناسند. فاينمن كه بعدها جايزه نوبل را در فيزيك دريافت كرد درآن سال در يك مهماني شام كه توسط انجمن فيزيك آمريكا برگزار شده بود، سخنراني كرد و ايده فناوري نانو را براي عموم مردم آشكار ساخت. عنوان سخنراني وي «فضاي زيادي در سطوح پايين وجود دارد» بود.سخنراني او شامل اين مطلب بود كه مي‌توان تمام دايره‌المعارف بريتانيكا را بر روي يك سنجاق نگارش كرد.يعني ابعاد آن به اندازه25000/1ابعاد واقعيش كوچك مي شود. او همچنين از دوتايي‌كردن اتم‌ها براي كاهش ابعاد كامپيوترها سخن گفت (در آن زمان ابعاد كامپيوترها بسيار بزرگتر از ابعاد كنوني بودند اما او احتمال مي‌داد كه ابعاد آنها را بتوان حتي از ابعاد كامپيوترهاي كنوني نيز كوچكتر كرد. او همچنين در آن سخنراني توسعه بيشتر فناوري نانو را پيش‌بيني نمود.

تاريخ رويدادهاي مهم در زمينه فناوري نانو

1857 مايكل فارادي محلول كلوئيدي طلا را كشف كرد
1905 تشريح رفتار محلول‌هاي كلوئيدي توسط آلبرت انيشتين
1932 ايجاد لايه‌هاي اتمي به ضخامت يك مولكول توسط لنگموير (Langmuir)
1959 فاينمن ايده " فضاي زياد در سطوح پايين " را براي كار با مواد در مقياس نانو مطرح كرد
1974 براي اولين بار واژه فناوري نانو توسط نوريو تانيگوچي بر زبانها جاري شد
1981 IBM دستگاهي اختراع كرد كه به كمك آن مي‌توان اتم‌ها را تك تك جا‌به‌جا كرد.
1985 كشف ساختار جديدي از كربن C60
1990 شركت IBM توانايي كنترل نحوه قرارگيري اتم‌ها را نمايش گذاشت
1991 كشف نانو لوله‌هاي كربني
1993 توليد اولين نقاط كوانتومي با كيفيت بالا
1997 ساخت اولين نانو ترانزيستور
2000 ساخت اولين موتور DNA
2001 ساخت يك مدل آزمايشگاهي سلول سوخت با استفاده از نانو لوله
2002 شلوارهاي ضدلك به بازار آمد
2003 توليد نمونه‌هاي آزمايشگاهي نانوسلول‌هاي خورشيدي
2004 تحقيق و توسعه براي پيشرفت در عرصه فناوري‌نانو ادامه دارد

در پست های بعدی با این علم پر طرفدار بیشتر آشنا می شویم.

» ادامه مطلب

فناوري نانو چيست

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 1nm تا 100nm مي‌باشد. (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.

تعاریف نانو

يك نانومتر يك هزارم ميكرون است و اگر بخواهيم احساس فيزيكي نسبت به آن داشته باشيم مي‌توان گفت كه يك نانومتر 80000/1قطر موي انسان مي‌باشد اما اين تعريف مقياس نانو، نمي تواند مقايسه درستي باشد چرا که ضخامت موي انسان با توجه خصوصيات فردي هرانسان از چند ده ميكرومتر تا چند صدميكرومتر متغير مي‌باشد. بنابراين نياز به يك استاندارد براي بيان مفهوم مقياس نانو وجود دارد. با ايجاد ارتباط ميان اندازه اتم‌ها و مقياس نانو مي‌توان يك نانومتر را راحت‌ترتصوركرد. يك نانومتر برابر قطر 10 اتم هيدروژن و يا 5 اتم سيلسيم مي‌باشد. درك اين موضوع براي افراد معمولي نيز راحت‌تر مي‌باشد. علي‌رغم اينكه درك اندازه يك اتم براي افراد غيرعلمي ساده نمي‌باشد، با اينحال اندازه دقيق اتم براي فهماندن اين مقياس زياد اهميت ندارد. چيزي كه با اين تشابه مشخص مي‌شود، اين است كه نانوفناوري عبارت است از:دستكاري كوچكترين اجزاء ماده يا اتم‌ها

تعاریف نانو از منابع مختلف

Merriam-Webster's Collegiate Dictionary definition:nano•tech•nol•o•gyPronunciation: "na-nO-tek-'nä-l&-jEFunction: nounDate: 1987: the art of manipulating materials on an atomic or molecular scale especially to build microscopic devices (as robots).

فناوري نانو عبارت است از هنر دستكاري مواد در مقياس اتمي يا مولكولي و به خصوص ساخت قطعات و لوازم ميكروسكوپي (مانند روبات‌هاي ميكروسكپي)

Engines of Creation Glossary:Nanotechnology - technology based on the manipulation of individual atoms and molecules to build structures to complex, atomic specifications.

فناري نانو فناوري است كه بر پايه دستكاري تك‌تك اتم‌ها و مولكول‌ها استوار است بدين منظور كه بتوان ساختاري پيچيده را با خصوصيات اتمي توليد كرد.

The About.com definition at the physics portal: Nanotechnology Definition: The development and use of devices that have a size of only a few nanometres. Research has been carried out into very small components, which depend on electronic effects and may involve movement of a countable number of electrons in their action. Such devices would act faster than larger components. Considerable interest has been shown in the production of structures on a molecular level by suitable sequences of chemical reactions. It is also possible to manipulate individual atoms on surfaces using a variant of the atomic force microscope.

تعريف فناوري نانو: توسعه و استفاده از ادوات و قطعاتي كه اندازه آنها تنها چند نانومتر است. تحقيق بر روي قطعات و ادوات بسيار كوچك كه خواصشان به خواص الكترونيكي اين قطعات وابسته است و خواص الكتريكي آنها احتمالاً متأثر از حركت تعداد معدودي الكترون در طي عملكرد قطعه مي‌باشد. اين ادوات، سريع‌تر از ادوات بزرگتر عمل مي‌كنند. مسأله قابل توجه اين است كه مي‌توان چنين ساختارهاي در ابعاد مولكولي را به كمك انتخاب مناسب مراحل واكنش‌هاي شيميايي توليد كرد. همچنين مي‌توان چنين ساختارهايي را از طريق دستكاري اتم‌ها روي سطح به وسيله ميكروسكوپ‌هاي نيروي اتمي بدست آورد.

Webopedia's definition of nanotechnology A field of science whose goal is to control individual atoms and molecules to create computer chips and other devices that are thousands of times smaller than current technologies permit. Current manufacturing processes use lithography to imprint circuits on semiconductor materials. While lithography has improved dramatically over the last two decades -- to the point where some manufacturing plants can produce circuits smaller than one micron (1,000 nanometers) -- it still deals with aggregates of millions of atoms. It is widely believed that lithography is quickly approaching its physical limits. To continue reducing the size of semiconductors, new technologies that juggle individual atoms will be necessary. This is the realm of nanotechnology.Although research in this field dates back to Richard P. Feynman's classic talk in 1959, the term nanotechnology was first coined by K. Eric Drexler in 1986 in the book Engines of Creation.In the popular press, the term nanotechnology is sometimes used to refer to any sub-micron process, including lithography. Because of this, many scientists are beginning to use the term molecular nanotechnology when talking about true nanotechnology at the molecular level.

شاخه‌اي از علوم كه هدف نهايي آن كنترل بر روي تك‌تك اتم‌ها و مولكول‌ها مي‌باشد تا بتوان به كمك آن تراشه‌هاي كامپيوتري و ساير ادواتي توليد كرد كه هزاران بار كوچكتر از ادوات فعلي باشند كه فناوري امروز امكان ساخت آنها را براي ما فراهم آورده است. در فناوري فعلي توليد مدارات نيمه هادي از روش ليتوگرافي براي ايجاد طرح مدار بر روي مواد نيمه هادي استفاده مي‌شود. پيشرفت شگرفي كه در ليتوگرافي طي 2 دهه اخير رخ داده است به ما اين امكان را مي‌دهد كه با بهره‌گيري از دستگاه‌هاي جديد بتوانيم مداراتي كوچكتر از 1 ميكرون (1000 نانومتر) را توليد كنيم. البته بايد توجه داشت كه اين مدارات هنوز از ميليون‌ها اتم تشكيل شده‌اند. بيشتر دانشمندان بر اين باور هستند كه ليتوگرافي به مرزهاي محدودكننده فيزيكي خود نزديك شده است. بنابر اين براي كوچكتر كردن اندازه نيمه‌هادي‌ها مي‌بايست از فناوري‌هاي جديدي كه مي‌توانند تك‌تك اتم‌ها را سازماندهي كنند، استفاده كرد و طبعاً چنين فناوري جزء محدوده فناوري نانو محسوب مي‌شود. اگر چه تحقيق در زمينه فناوري نانو به زماني باز مي‌گردد كه ريچاردپي فاينمن طي سخنراني كلاسيك خود در سال 1959 به اين فناوري اشاره كرد اما عبارت فناوري نانو اولين بار توسط كي‌اريك دركسلر در سال 1986 در كتابي از وي با عنوان موتورهاي آفرينش بسط داده شد. در مقالات و نوشته هاي عمومي واژه فناوري نانو گاهي به هر فرآيند كوچكتر از اندازه‌هاي ميكرون اطلاق مي‌گردد كه مي‌تواند فرآيند ليتوگرافي را نيز شامل شود. به خاطر همين بسياري از دانشمندان هنگامي كه مي‌خواهند درباره فناوري نانو به معني واقعي و علمي كلمه صحبت كنند از آن به عنوان فناوري نانومولكولي ياد مي‌كنند كه به معني فناوري نانو در ابعاد مولكولي مي‌باشد.

Whatisit.com definition: Nanotechnology, or, as it is sometimes called, molecular manufacturing, is a branch of engineering that deals with the design and manufacture of extremely small electronic circuits and mechanical devices built at the molecular level of matter. The Institute of Nanotechnology in the U.K. expresses it as "science and technology where dimensions and tolerances in the range of 0.1 nanometer (nm) to 100 nm play a critical role." Nanotechnology is often discussed together with micro-electromechanical systems (MEMS), a subject that usually includes nanotechnology but may also include technologies higher than the molecular level. (click the link for entire definition)

فناوري نانو كه گاه به آن فناوري ساخت مولكولي نيز گفته مي‌شود، شاخه‌اي از مهندسي است كه با طراحي و ساخت مدارات الكترونيكي و اداوات مكانيكي بسيار كوچك (در ابعاد مولكولي) سر و كار دارد. پژوهشگاه فناوري نانو انگلستان تعريف فناوري نانو را بدين گونه بيان مي‌كند: قلمروي از علم و فناوري كه به ابعاد و تلورانس‌هاي 1/0 تا 100 نانو مترمي‌پردازد در جايي كه اين ابعاد و يا تلورانس‌ها بتوانند نقش مهمي در خواص قطعه ايفاء كنند.بحث فناوري نانو اغلب مشابه بحث سيستم‌هاي ميكرو مكانيكي- الكترونيكي مي‌باشد(MEMS) .در واقع فناوري نانو زير مجموعه MEMS است و MEMS به فناوري‌هاي بزرگتر از ابعاد مولكولي (ابعاد نانو) نيز مي‌پردازد.

NNI definition National Nanotechnology Initiative (nano.gov)What is Nanotechnology?While many definitions for nanotechnology exist, the NNI calls it "nanotechnology" only if it involves all of the following:1. Research and technology development at the atomic, molecular or macromolecular levels, in the length scale of approximately 1 - 100 nanometer range.2. Creating and using structures, devices and systems that have novel properties and functions because of their small and/or intermediate size.3. Ability to control or manipulate on the atomic scale.

نانوتکنولوژي چيست ؟در حالي که تعاريف زيادي براي فناوري نانو وجود دارد ، ‌‌NNI تعريفي را براي فناوري نانو ارائه مي دهد که در برگيرنده هر سه تعريف ذيل باشد.1- توسعه فناوري و تحقيقات در سطوح اتمي ، مولکولي و يا ماکرومولکولي در مقياس اندازه اي 1 تا 100 نانومتر.2 – خلق و استفاده از ساختارها و ابزار و سيستمهايي که به خاطر اندازه کوچک يا حد ميانه آنها، خواص و عملکرد نويني دارند .3 – توانايي کنترل يا دستکاري در سطوح اتمي .

عناصر اصلی در نانوفناوری

تفاوت اصلي فناوري نانو با فناوري‌هاي ديگر در مقياس مواد و ساختارهايي است كه در اين فناوري مورد استفاده قرار مي‌گيرند. البته تنها كوچك بودن اندازه مد نظر نيست؛ بلكه زماني كه اندازه مواد دراين مقياس قرار مي‌گيرد، خصوصيات ذاتي آنها از جمله رنگ، استحكام، مقاومت خوردگي و ... تغيير مي‌يابد. در حقيقت اگر بخواهيم تفاوت اين فناوري را با فناوري‌هاي ديگر به صورت قابل ارزيابي بيان نماييم، مي‌توانيم وجود "عناصر پايه" را به عنوان يك معيار ذكر كنيم. عناصر پايه در حقيقت همان عناصر نانومقياسي هستند كه خواص آنها در حالت نانومقياس با خواص‌شان در مقياس بزرگتر فرق مي‌كند.
اولين و مهمترين عنصر پايه، نانوذره است. منظور از نانوذره، همانگونه که از نام آن مشخص است، ذراتي با ابعاد نانومتري در هر سه بعد مي‌باشد. نانوذرات مي‌توانند از مواد مختلفي تشکيل شوند، مانند نانوذرات فلزي، سراميکي، ... .

دومين عنصر پايه، نانوكپسول است. همان طوري كه از اسم آن مشخص است، كپسول‌هاي هستند كه قطر نانومتري دارند و مي‌توان مواد مورد نظر را درون آنها قرار داد و كپسوله كرد. سال‌هاست كه نانوكپسول‌ها در طبيعت توليد مي‌شوند؛ مولكول‌هاي موسوم به فسفوليپيدها كه يك سر آنها آبگريز و سر ديگر آنها آبدوست است، وقتي در محيط آبي قرار مي‌گيرند، خود به خود كپسول‌هايي را تشكيل مي‌دهند كه قسمت‌هاي آبگريز مولكول در درون آنها واقع مي‌شود و از تماس با آب محافظت مي‌شود. حالت برعكس نيز قابل تصور است.
عنصر پايه بعدي نانولوله کربني است. اين عنصر پايه در سال 1991 در شركت NEC كشف شدند و در حقيقت لوله‌هايي از گرافيت مي‌باشند. اگر صفحات گرافيت را پيچيده و به شكل لوله در بياوريم، به نانولوله‌هاي كربني مي‌رسيم. اين نانولوله‌ها داراي اشكال و اندازه‌هاي مختلفي هستند و مي‌توانند تك ديواره يا چند ديواره باشند. اين لوله‌ها خواص بسيار جالبي دارند که منجر به ايجاد کاربردهاي جالب توجهي از آنها مي‌شود.

روش های ساخت عناصر پایه
به طور کلي عناصر پايه با دو رويکرد «بالا به پايين» و «پايين به بالا» قابل ساخت مي‌باشند. در رويکرد بالا به پايين براي توليد محصول، يک ماده توده‌اي را شکل‌دهي و اصلاح مي‌کنند. در حقيقت در اين روش، يک ماده بزرگ را برمي‌داريم و با کاهش ابعاد و شکل‌دهي آن، به يک محصول با ابعاد نانو مي‌رسيم. به عبارت ديگر، اگر اندازه يک ماده توده‌اي را به طور متناوب کاهش دهيم تا به يک ماده با ابعاد نانومتري برسيم، از رويکرد بالا به پايين استفاده کرده‌ايم. اين كار اغلب و نه هميشه شامل حذف بعضي از مواد به شکل ضايعات است، مثل ماشين‌کاري يک بخش فلزي از يک موتور يا نانوساختاري‌کردن فلزات به طريق تغييرشکل‌دهي (که شامل ضايعات نيست). تصوير زير نشان‌دهنده اين رويکرد مي‌باشد.

رويکرد پايين به بالا درست عکس رويکرد بالا به پايين مي‌باشد.در اين رويکرد، محصول از طريق کنار هم قراردادن مواد ساده‌تر به وجود مي‌آيد، مانند ساخت يک موتور از قطعات آن. در حقيقت کاري که در اينجا انجام مي‌شود، کنار هم قرار دادن اتم‌ها و مولکول‌ها (که ابعاد کوچکتر از مقياس نانو دارند) براي ساخت يک محصول نانومتري است. تصور کنيد که قادريم اتم‌ها و مولکول‌ها را به طور واقعي ببينيم و آنها را به طور دلخواه کنار هم قرار دهيم تا شکل مورد نظر حاصل شود. معمولاً روش‌هاي پايين به بالا ضايعاتي ندارند؛ هر چند الزاماً اين مسأله صادق نيست. تصوير زير رويکرد پايين به بالا را نشان مي‌دهد.

کاربردهای نانوفناوری

در حقيقت کاربرد فناوري نانو از کاربرد عناصر پايه نشأت مي‌گيرد. هر کدام از اين عناصر پايه، ويژگي‌هاي خاصي دارند که استفاده از آنها در زمينه‌هاي مختلف، موجب ايجاد خواص جالبي مي‌گردد. مثلاً از جمله کاربردهاي نانوذرات مي‌توان به دارورساني هدفمند و ساده، بانداژهاي بي‌نياز از تجديد، شناسايي زود هنگام و بي‌ضرر سلول‌هاي سرطاني، و تجزيه آلاينده‌هاي محيط زيست اشاره کرد. همچنين نانولوله‌هاي کربني داراي کاربردهاي متنوعي مي‌باشند که موارد زير را مي‌توان ذکر کرد:

• تصوير برداري زيستي دقيق

• حسگرهاي شيميايي و زيستي قابل اطمينان و داراي عمر طولاني

• شناسايي و جداسازي كاملاً اختصاصي DNA

• ژن‌درماني كه از طريق انتقال ژن به درون سلول توسط نانولوله‌ها صورت مي‌پذيرد.

• از بين بردن باكتري‌هااينها تنها مواردي از کاربردهاي بسيار زيادي هستند که براي عناصر پايه قابل تصور مي‌باشند.

کاربرد اين عناصر پايه در صنايع مختلف، در درخت ديگري به نام «درخت صنعت» آورده شده است که با مراجعه به گروه مطالعاتي آينده‌انديشي، بخش درخت صنعت، مي‌توانيد آن را مشاهده کنيد.در نهايت «درخت فناوري نانو» معرفي مي‌گردد که فناوري نانو را به شکل يک زنجيره از رويکرد ساخت عناصر پايه تا کاربرد آنها، در يک درخت چهار سطحي نمايش مي‌دهد. با مراجعه به گروه مطالعاتي آينده‌انديشي، بخش درخت فناوري، مي‌توانيد آن را مشاهده کنيد.

منبع: ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

» ادامه مطلب

نانوچندسازه‌هاي مقاوم در برابر شعله

نانوچندسازه‌هاي مقاوم در برابر شعله

مقدمه

نانوچندسازه‌ها در عرصه تأخيراندازهاي شعله پيشرفت‌هاي جديدي را باعث شده‌اند، به‌خصوص زماني‌که بخواهيم مقدار زيادي از اين مواد را در يک بسپار استفاده کنيم. نانوچندسازه‌ها نسبت به فرمول‌بندي‌هاي سابق نتايج بهتري در زمينه تأخيراندازهاي شعله از خود نشان داده‌اند. به طور کلي يك چندسازه از دو فاز مجزا به نام ماتريس که اغلب بسپار است و فاز تقويت کننده تشکيل شده که اين دو فاز در اتصال با‌ هم بوده و خواص چندسازه حاصل از هريک از اجزاي آن بالاتر است. ساختار و خواص چندسازه‌ها به مقدار زيادي به ريخت‌شناسي فازهاي تشکيل دهنده و خواص فصل‌مشترک آنها بستگي دارد. نانوچندسازه‌ها نيز مشابه همين خواص را دارا هستند ولي با اين تفاوت که اجزاي آن به صورت نانومتري درهم آميخته شده‌اند، در حالي که در چندسازه‌هاي معمولي اختلاط در حد ميکرومتر تا ميليمتر است. برهمين اساس نانوچندسازه‌ها نسبت به چندسازه‌هاي معمولي خواص فوق‌العاده‌اي را دارا هستند.

خواص نانوچندسازه‌ها

از جمله رايجترين نانوچندسازه‌ها، ساختارهاي بسپار- لايه هاي سيليکاتي است. برتري اين نوع چندسازه نسبت به بسپار معمولي يا پرشده در موارد زير است:

• وزن کم

• مدول و استحکام زياد

• کاهش نفوذپذيري در مقابل گازها

• افزايش مقاومت به حلال

• افزايش مقاومت حرارتي

اين چندسازه‌ها نسبت به چندسازه‌هاي حاوي الياف بلند تک جهته خواص مکانيکي بالاتري دارند، زيرا پركننده سيليکاتي عمل تقويت را در بيش از يک جهت انجام مي‌دهد. هم‌چنين اين مواد به خاطر مقياس طولي کوچکشان نسبت به طول موج نور مرئي، معمولا به صورت شفاف هستند. اين مواد پايداري حرارتي خوبي داشته و پارامتر خودخاموش‌شوندگي آنها نيز بسيار خوب است. در نانوچندسازه‌هاي سيليکاتي که به صورت لايه لايه در بسپار توزيع شده‌اند، با حجم کمتري از تقويت‌کننده مي‌توان به خواصي معادل بسپارهاي پرشده با پركننده يا الياف دست يافت. اين مواد را مي‌توان مانند بسپارهاي پرشده معمولي يا چندسازه‌ها فرايند کرد. هم‌چنین از اين مواد مي‌توان در توليد فيلم و الياف به استفاده کرد[1]. در زمينه نانوچندسازه‌هاي داراي خاصيت ضد شعله موسسه‌ي ملي استاندارد و فناوري آمريکا تحقيقاتي را انجام داده است. اين تحقيقات در مورد نانوچندسازه‌هاي سيليکاتي بسپارهاي زير صورت گرفته است:

• پلي پروپيلن پيوندخورده با انيدريک مالئيک

• پلي استايرين

• نايلون 6

• نايلون 12

• وينيل استر

• اپوکسي

روش مطالعه خاصيت آتش‌گيري نانوچندسازه‌هاي حاصل استفاده از دستگاه Cone Calorimetry مي‌باشد. تحقيقات نشان دادند که سازوكار کاهش آتش‌گيري در اين مواد همان سازوكار معمولي بوده و پارامترهاي زير بر اين خاصيت اثر مي‌گذارند:

• نوع لايه‌هاي سيليکات

• ميزان پراکنش

• فرايند تخريب

آزمون گرماسنجي مخروطي (Cone Calorimetry) نشان مي دهد که ميزان اوج و سرعت گرماي متوسط آزاد شده (HRR) در نانوچندسازه‌ها به ميزان قابل ملاحظه‌اي کاهش مي‌يابد. در حالي‌که مقدار خاکستر باقي‌مانده با کسر سيليکاي باقي مانده، خيلي افزايش نمي‌يابد، پارامترهاي زير بدون تغيير باقي مي‌مانند:

• گرماي ويژه احتراق (Hc)

• مساحت ناحيه سوخته (SEA)

• ميزان CO توليد شده

برهمين اساس محققان معتقدند که بهبود خاصيت ضد احتراق نانوچندسازه‌ها در اختلاف ناشي از فرايند تجزيه فاز متراکم است نه در اثر فاز گازي. به منظور مقايسه محققان خاصيت ضد احتراق پلي‌استايرن حاوي دکابرمودي فنيل اکسيد (DBDPO) و Sb2O3 که در فاز گازي عمل مي‌کند را بررسي کرده‌اند. اين مواد گرماي احتراق پايين‌تري داشته و ميزان CO بيشتري توليد مي‌کنند. آناليزهايXRD و TEM روي خاکستر اين مواد نيز همان سازوكار مواد معمولي را در مورد ضد شعله شدن نشان مي‌دهند. سازوكار تأخير در شعله ور شدن نانوچندسازه‌ها بر اساس نظريه Gilman سازوكار تأخير در شعله ورشدن اين مواد به اين صورت است که خاکستر حاصل از کربني شدن لايه سيليکاتي روي سطح را پوشانده و از تجزيه بيشتر نانوچندسازه جلوگيري مي کند. Gilman و همکارانش تأثير ساختار نانوچندسازه روي آتش‌گيري را نيز مورد بررسي قرار دادند[2]. نتايج اين تحقيقات روي نانوچندسازه پلي استايرين- سيليکا نشان داد که تنها ساختار لايه‌باز‌شده‌ي اين نوع چندسازه خاصيت ضد شعله از خود نشان مي‌دهد در حالي‌که در مورد نانوچندسازه‌هاي اپوکسي و وينيل‌استر ساختار ميان‌افزوده (Intercalated) داراي خاصيت ضدشعله است. هم‌چنين نتايج نشان مي‌دهند که شرايط فرايند روي خاصيت ضدشعله بودن نانوچندسازه‌هاي پلي‌استايرين تأثير مي‌گذارد. وقتي که اين نانوچندسازه از طريق اختلاط مذاب (در اکستروژن و دماي °C170 و تحت جو نيتروژن يا خلأ) و يا به روش حلالي (تولوئن) تهيه مي‌شود، خاصيت ضد شعله دارد. اما اگر دماي اکستروژن حين فرايند بالا باشد يا تحت جو هوا باشد، بهبودي در خاصيت ضدشعله بودن مشاهده نمي‌شود. Zu و Wilkie نانوچندسازه‌هاي متعددي از پلي استايرن با كاني‌رسي آلي‌دوست و با ترکيب درصدهاي مختلف تهيه نمودند [3]. روش تهيه اين نانوچندسازه‌ها بسپارش توده‌اي بود. نانوچندسازه‌هاي تهيه شده به ميزان زيادي از نظر پايداري حرارتي افزايش نشان دادند، به طوري‌که حتي در ترکيب درصد 0.1 براي كاني‌رسي، ميزان حداكثر حرارت آزاد شده در آزمون‌هاي TGA و گرماسنجي مخروطي حدود %40 کاهش نشان مي‌دهد. اما ميزان خاکستر توليد شده در آزمون‌هاي ذکر شده بهبودي پيدا نکرد. Lomakin و Ruban رفتار سوختن نانوچندسازه‌هاي با ساختار ميان‌افزوده تعدادي از بسپارها را مورد بررسي قرار دادند[4] که عبارتند از:

• پلی وینیل الکل

• پلي استايرن

• نايلون6

آنها مشاهده کردند که تري فنيل فسفين (TPP) که خود يک ماده ضد شعله قوي است، در حضور مواد کائولني ميان‌افزوده به صورت فعال‌تري عمل مي‌کند. TPP در فاز گازي با آزاد کردن راديکال P° عمل مي کند. اما وقتي که در نانوچندسازه، زنجيرهاي بسپار بين لابه‌هاي آن قرار مي‌گيرد، سازوكار تأخير در آتش‌گيري به فاز متراکم منتقل مي‌شود. تشکيل خاکستر حين احتراق بسپار خود دليلي است بر واکنش‌هاي شبکه‌اي شدن و آروماتيك‌شوي که به طور طبيعي در نانوچندسازه‌هاي پلي استايرن و TPP با ساختار ميان‌افزوده رخ مي‌دهند. خواص احتراقي چند نانوچندسازه حاوي بسپارهاي مختلف و کائولن در جدول 2 نشان داده شده است. Okada از خاکستر حاصل از سوختن نانوچندسازه نايلون6 به عنوان يک عامل کربني شدن در فرمول‌بندي يک ترکيب پف‌دهنده استفاده کرد (اين ترکيبات داراي سه جزء اسيد، کربن و عامل پف‌دهنده است)[5]. اين فرمول‌بندي علاوه بر افزايش خواص مکانيکي تركيباتEVA، خاصيت ضد‌شعله آن را نيز افزايش مي‌دهد. طبق نظريه وي، كاني‌رسي موجب افزايش پايداري حرارتي ساختار فسفوکربن در خاکستر و بنابراين افزايش خاصيت ضدشعله آن مي‌شود. لايه‌هاي سيليکاتي نيز به صورت يک سد در مقابل حرارت عمل مي‌کنند. بعضي اوقات نيز نانوچندسازه‌هاي سيليکاتي با ساير مواد تأخير‌انداز شعله به منظور بهبود خواص مکانيکي بسپار آميخته مي‌شوند. يک نمونه از اين نوع نانوچندسازه‌ها را شرکت جنرال الکتريک در مورد پلي‌بوتيلن‌ترفتالات استفاده کرده است. Okada تأثير سيليکات‌هاي اصلاح شده با مواد آلي را در ترکيب با تعدادي از مواد تأخيرانداز شعله و اکسيدهاي فلزي روي پلي‌اتيلن را بررسي کرده است. همانطور که در جدول 3 مشاهده مي‌شود بيشينه‌ي مشاهده شده در ميزان حرارت آزاد شده در آزمون گرماسنجي مخروطي در پلي اتيلن حاوي phr10 خاک رس حدود %50 پايين تر از پلي‌اتيلن پرنشده است. در صورتي که مقدار مشابه از ترکيب DBDPO، Sb2O3 و پلي‌فسفات‌آمونيم تأثير زيادي روي بيشينه‌ي حرارت آزاد شده نمي‌گذارد. اما اگر %5 پلي فسفات يا فنيل فسفات آمونيم به پلي‌اتيلن حاوي %10 كاني‌رسي اضافه شود، ميزان بيشينه‌ي حرارت آزاد شده حين سوختن به مقدار 30 و 20 درصد کاهش خواهد يافت. علاوه بر اين خواص مکانيکي اين آميزه در مقايسه با پلي اتيلن حاوي phr15 مواد تأخيرانداز شعله از نظر کرنش در نقطه شکست تغييري نمي‌کند. نتيجه‌گيري نتايج حاصل از تحقيقات صورت گرفته روي خواص ضدشعله چند نوع نانوچندسازه نشان مي‌دهند كه تأثير مواد ضدشعله در نانوچندسازه‌ها بر خواص آتش‌گيري بسپار بيشتر از حالت معمولي بوده و در تركيب درصد پايين‌تري از مواد مي‌توان به خواص ضدشعله بالاتري نسبت به چندسازه‌هاي معمولي دست يافت، بدون اينكه كاهشي در خواص بسپار حاصل شود. استفاده از نانوچندسازه‌هاي سيليكاتي نه تنها خواص ضد شعله بسپار را به ميزان بيشتري نسبت به مواد تأخيرانداز تجارتي افزايش مي‌دهد بلكه خواص مكانيكي آن را نيز افزايش مي‌دهد. همچنين لايه‌هاي سيليكاتي حتي در دماهاي بالا نيز به صورت غيرفعال باقي مانده و مانند يك عايق حرارتي در مقابل شعله عمل مي‌كند. منابع

1- A R Horrocks and D Price; Fire retardant materials, 2001

2- Gilman J W, Jackson C L, Morgan A B, Harris R, Manias E, Giannelis E P,Wuthenow M, Hilton D and Phillips S, ‘Flammability properties of polymerlayered-silicate (clay) nanocomposites’ Flame Retardants 2000, London, Interscience,2000.

3- Zhu J and Wilkie C, ‘Thermal and fire studies on polystyrene–clay nanocomposites’, Polymer International, 2000, Vol 10

4- Lomakin S M, Usachev S V, Koverzanova E V, Ruban L V, Kalinina I G and Zaikov G E, ‘An investigation of thermal degradation of polymer flame retardant additives: triphenylphosphine and modified/intercalated trimethylphosphine’, 10th annual conf. Recent Advances in the Fire Retardancy of Polymeric Materials, Business Communication Co, Norwalk, USA, 1999.

5- Kojima Y, Usuki A, Kawasumi M, Okada A, Kurauchi T and Kamigaito O,‘Synthesis of nylon 6–clay hybrid by montmorillonite intercalated with ecaprolactam’,J. Polym. Sci. Part A: Polym. Chem., 1993, Vol 31

مهندس سید محمدرضا پرن

دانشگاه صنعتی امیرکبیر

منبع: مجله بسپار

» ادامه مطلب