دانلود مقاله خواص نالاستیکی انوتیوپ‌ ها

تغییر شکل نانوتیوپ‌ها ، به خصوص در نانوتیوپ‌های کربن تک دیواره ؛ به شدت الاستیک می‌باشد ، الاستیک بودن یکی دیگر از خواص کاربردی بسیار مناسب نانوتیوپ‌ها به شمار می رود .برای مثال اگر از این مواد در ساخت یک اتومبیل استفاده شود آنگاه پس از تصادف تمامی کمانش‌ها و تاب خوردگی‌ها باز شده و ماده هیچ گونه اثری از صدمه دیدن را از خود نشان نخواهد داد .

از دیگر کاربردهای این مواد می‌توان به ساختمان‌های ضد زلزله و المان‌هایی برای ساخت پل‌ها اشاره نمود .

البته مشکلات و مسایل بسیاری وجود دارد که باید تحقیقات زیادی صورت گیرد تا بر این مشکلات غلبه شود .

کاربرد در نانوتکنولوژی : نانوتیوپ‌هایی که دارای انتهای باز باشند می‌توانند به داخل سلول نفوذ کرده و مواد شیمیایی داخل آن را بررسی نمایند و یا میتوانند به عنوان پیپت‌هایی بسیار کوچک عمل کرده و مولکو‌ل‌ها را به داخل سلول بفرستند.

مدلسازی‌های کامپیوتری نشان می‌دهند که مولکول آب می‌تواند به سرعت وارد نانوتیوپی با قطر هشت نانومتر شده و طول آن را طی کند .

بعلاوه مدلسازی‌های کامپیوتری انجام شده برای تعداد دیگری از مولکول‌های آلی نشان دهنده این نکته است که آنها نیز می‌توانند با سرعتی معادل با سرعت آب در طول نانوتیوپ حرکت نمایند .

با استفاده از این خاصیت غیر عادی نانوتیوپ‌های کربن ، می‌توان از آنها در کاربردهای پزشکی مانند تزریق دارو به صورت بسیار هدفمند ، بهره گرفت .

به علت حساسیت بالای نانوتیوپ‌ها و اندازه آنها می‌توان از این مواد به عنوان سنسور استفاده کرد .

مقاومت الکتریکی نانوتیوپ‌های نیمه رسانا به شدت با تغییر محیط اطراف آنها تغییر می‌کند که از این امر برای ساخت سنسور‌های حساس استفاده می‌شود .

مشکلی که وجود دارد و باید در کاربردها به آن توجه داشت این است که نانوتیوپ‌ها نسبت به بسیاری از ترکیبات شیمیایی مانند اکسیژن و آب حساس بوده و ممکن است قادر نباشند که یک ماده شیمیایی و یا گاز را از دیگر مواد تشخیص دهند .

سوزن دستگاههای اسکن‌ کننده برای توسعه نانوتکنولوژی بسیار با اهمیت هستند زیرا این دستگاهها شکل سطح را مشخص می‌کنند .بنابراین باید سوزن آنها بسیار تیز باشد و پس از مصرف مکرر دچار سایش نگردد.

امروزه نانوتیوپ‌های منفرد که به تیرهای یک سر درگیر سیلیکنی متصل هستند در میکروسکوپ‌های نیروی اتمی متداول استفاده می‌شوند .

نمونه‌ای از این سوزن‌های ساخته شده از نانوتیوپ‌ کربن در شکل 5-55 نشان داده شده است .

همچنین این نانوتیوپ‌ها علاوه بر اینکه دارای میزان تیزی بالایی می‌باشند در مقابل خسارات مکانیکی نیز مقاوم‌اند و تصاویر با کیفیت بالایی را فراهم می‌آورند .

به عنوان مثال یک سوزن میکروسکوپ ساخته شده از نانوتیوپ می‌تواند مسیر یک DNA را دنبال نموده و مواد شیمیایی به کار رفته را تشخیص دهد .

نانو تکنولوژی ،‌انسان و محیط زیست مزایای نانوتکنولوژی : با توجه به مطالبی که در فصول قبلی مورد بحث قرار گرفت ملاحظه می‌نماییم که نانوتکنولوژی در تمام جنبه‌های مختلف زندگی انسان تاثیر گذار بوده و اغلب این اثرات به صورت محسوس و غیرمحسوب قابل مطالعه ، بررسی و تحلیل می‌باشد و بطور کلی می‌توان گفت که زندگی اجتماعی انسان و توسعه همه جانبه آن وابستگی شدیدی به موضوع نانوتکنولوژی داشته ، و اغلب این وابستگی‌ها نتیجه اثرات مثبت و سازنده‌ای است که نانوتکنولوژی در زمینه‌های مختلف زندگی انسان از جمله مسایل اقتصادی ، زیست محیطی ، پزشکی ، تغذیه ، صنایع ،منسوجات و بطور کلی سیستم‌ها و ابزار آلات و ملزومات روزمره از خود نشان داده است .

نمونه‌هایی از این اثرات مثبت در قالب کاهش مصرف مواد اولیه و هزینه‌های تولید ،‌کاهش آلودگی محیط زیست ، طراحی و ساخت وسایل و ابزارهای دقیق در مهندسی پزشکی ، رساندن دز مناسب دارو به سلولهای بیمار ، تقویت و تعدیل مواد مناسب در تغذیه روزمره ، افزایش کارآیی و عمر قطعات صنعتی و بهبود کیفیت و تنوع کارآیی مواد و منسوجات مورد نیاز زندگی انسان و هزاران مورد دیگر را می‌توان نام برد .

در این خصوص در فصول قبلی در زمینه مزایای نانوتکنولوژی مباحثی مطرح و مسایل بیشتری در کتب و مقالات منتشر شده توسط دیگر نویسندگان ] 5-1[ بیان شده است که اهم آنها به شرح ذیل است .

ذرات نانومتری می‌توانند به راحتی وارد سلول‌ها شوند ، بر این اساس داروهای جدیدی را نیز می‌توان تولید نمود .

جالب‌ترین کاربردی که این مواد در زمینه محیط زیست و همچنین در زمینه انرژی دارند ، پیل‌های سوختی می‌باشد که کاربردهای صنعتی زیادی دارند .

از جمله تحقیقاتی که در حال انجام است می‌توان به تحقیقات در زمینه بکارگیری نانوتیوپ‌های کربن به عنوان ذخیره کننده هیدروژن در این پیل‌ها اشاره نمود .

این پیل‌ها قادر خواهند بود تا حتی اتومبیل‌ها را نیز به حرکت در آورند در حالی که تنها ماده خروجی این گونه اتومبیل‌ها آب می باشد.

شماتیکی از این پیلها در شکل 6-1 نشان داده شده است .

مهندسی سطح در ساخت پیل‌های سوختی یک امر بسیار مهم بوده ، که در آن خواص سطح خارجی و ساختار حفره‌ها تاثیر زیادی بر روی کارایی آنها دارند .

در این پیل‌ها هیدروژن به عنوان سوخت اصلی به کار برده می‌شود و می‌توان آن را از هیدروکربن‌ها و با استفاده از بهینه سازی توسط کاتالیزر که عموماً در داخل یک راکتور که به صورت مستقیم به پیل سوختی متصل است ، تولید نمود .

استفاده از صفحات و سطوح ساخته شده موجب خواهد شد تا فرآیندهای کاتالیزری بکار رفته بهبود یافته وبازده افزایش یابد ، بگونه‌ای که بتوان پیل‌های سوختی با اندازه‌های کوچکتر را تولید نمود .

این پیل‌ها می‌توانند به عنوان منابع انرژی الکتریکی به طور وسیعی بکار گرفته شوند.

در نهایت نیز می‌توان هیدروژن را از مواد غیر از هیدروکربن‌شها تهیه کرد که این امر موضوع تحقیقات روز می‌باشد .

امروزه از نانوتکنولوژی برای ساخت مکمل‌های سوختی نیز استفاده می‌شود به عنوان مثال در زمینه افزودن ذرات نانومتری اکسید سدیم به سوخت دیزل برای صرفه جویی بیشتر در سوخت با استفاده از کاهش مصرف سوخت در طی زمان ، تحقیاتی در دست انجام است .

کاربرد دیگر مواد نانومتری ، ساخت دستگاههای تولید کننده انرژی الکتریکی بوسیله انرژی نوری است .

هدف نهایی در این زمینه تولید سلول‌های خورشیدی با کارایی بالا ، ارزان و در صورت امکان انعطاف پذیر ، از پلاستیک‌ها می‌باشد .

پیش بینی می‌شود که این تکنولوژی در سال 2020 جایگاه مطلوبی را بدست آورد .

در این زمینه یکی از راهکارهای ارائه شده مشابه سازی و تقلید از سیستم‌ های زیستی می‌باشد این امر می‌تواند موجب افزایش نیروگاه‌های خورشیدی و به تبع آن کاهش نیروگاه‌های با سوخت فسیلی گردد که این امر خود تاثیر فراوانی در کاهش آلودگی محیط زیست خواهد داشت .

نمونه‌ای از صفحات سلول خورشیدی در شکل 6-2 نشان داده شده است .

از دیگر کاربردهای نانوتکنولوژی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد : استفاده از نانوکامپوزیت‌ها به عنوان یک ماده پوشش دهنده در اتومبیل‌ها که می‌توانند به عنوان جایگزین مناسبی برای پوشش‌های پایه کروم فعلی به کار برده شود .

تولید سنسورهای تشخیص دهنده آلودگی با دقت بالا و سرعتی تا 100 برابر سنسورهای موجود که قادرند وجود مواد شیمیایی را تاحد نانولیتر در پس آب‌ها تشخیص دهند .

استفاده از نانوکامپوزیت‌های پایه خاک رس بجای بکار بردن فلز و آلومینیوم در پانل‌های اتومبیل می‌تواند باعث کاهش مصرف سوخت شده و در نتیجه آلاینده‌ها را کاهش خواهد داد .

نانوتکنولوژی موجب افزایش تولیدات کشاورزی شده و امکان فیلتر کردن آب و جداسازی نمک از آن را به صورت اقتصادی‌تر فراهم خواهد آورد ، نیاز به مواد کمیاب و در نتیجه آلودگی ناشی از فرایند تولید این مواد را کاهش می‌دهد .

پیش بینی می‌شود که در 10 تا 15 سال آینده پیشرفت‌های ناشی از نانوتکنولوژی در زمینه لوازم تولید نور می‌تواند مصرف انرژی در جهان را تا 10% کاهش دهد که این امر به معنی کاهش 100 میلیارد دلاری در هزینه‌های تولید انرژی و نیز کاهش تولید کربن تا 200 میلیون تن در سال می‌باشد .

مطابق گزارش‌های ارائه شده تخمین زده می‌شود که حدود 20% انرژی مصرفی صرف روشنایی می‌گردد.

نقاط کوانتومی فسفر که با استفاده از نانوتکنولوژی تولید می‌شوند امکان تولید دیودهای نوری با روشنایی بیشتر را به صورت اقتصادی تر فراهم می‌سازند .

دیودهای نوری تولید شده با این روش تا سال 2025 می‌توانند انرژی لازم برای روشنایی را تا بیش از 50%‌ کاهش دهند .

این مقدار دو برابر بهینه‌تر از استفاده از دیودهای نوری فلورسان متداول می باشد .

مقایسه بین دیودهای ساخته شده بوسیله نانوتکنولوژی و دیودهای معمولی را می‌توان در شکل 6-3 انجام داد .

میزان انرژی که بدین وسیله صرفه جویی می‌شود تقریباً برابر انرژی است که پنجاه راکتور اتمی در طی یک سال تولید می‌کنند .

شاید بتوان جالب‌ترین بخش از نانوتکنولوژی را خودآرایی دانست که در آن مولکولها در کنار یکدیگر قرار گرفته و به صورت خودکار شروع به ساخت قطعه مورد نظر می‌کنند .

در صورتی که از این روش برای ساخت قطعات استفاده شود دیگر نیازی به احداث کارخانه‌های بزرگ که انرژی زیادی را مصرف می‌کنند و همچنین آلودگی زیادی نیز دارند نخواهند بود .

در این زمینه مهمترین تهدید، این است که نتوان فرآیند تولید را کنترل نمود که در این صورت ذرات به شکل گسترده‌ای به خود آرایی ادامه می‌دهند و حالتی بسیار نامطلوب پیش می آید که به آن "لجن خاکستری " گفته می‌شود .

یکی از مواردی که نانوتکنولوژی بسیار مورد توجه قرار گرفته است ، تکنولوژی سبز می‌باشد که آلودگی‌ها و انتشار مواد مضر تولیدی را به حداقل می‌رساند .

در حالت اید‌ه آل ،‌ نانوتکنولوژی حفاظت از طبیعت را به میزان زیادی با ایجاد روشی برای کاهش مواد سمی شیمیایی به صورت اقتصادی ،‌ افزایش می‌دهد .

از جمله این مواد می‌توان به سموم تجمع کننده زیستی پایدار ، آلوده‌کننده‌های خطرناک هوا و ترکیبات آلی فعال اشاره کرد .

مواد نانو در ساخت سنسورها هم از اهمیت ویژه‌ای برخوردار می‌باشد .

محافظت از سلامت انسان و اکوسیستم ،‌نیاز به در اختیار داشتن سنسورهای دقیقی می‌باشد که بتوانند آلودگی را در حد مولکولی تشخیص دهند .

در صورت در اختیار داشتن سنسورهایی با دقت بالاتر و و نیز قیمت کمتر و حساس‌تر می‌توان بهبود بالایی در کنترل پروسه ، مونیتور کردن اکوسیستم و تصمیم گیری در زمینه‌های محیط ‌زیست بدست آورد .

امروزه دستگاههای تشخیصی که بتوانند اطلاعات را به صورت همزمان ارایه کنند و یا قادر باشند تا آلودگی در حد مولکولی را نیز تشخیص دهند به طور عمده مورد توجه می‌باشند .

در خصوص نمونه‌هایی از کاربرد نانوتکنولوژی در محیط زیست می‌توان به مواردی از قبیل نانوسنسورها اشاره کرد که قادرند تا آلودگی‌ها و نیز عوامل بیماری زای‌ خاص در محیط را تشخیص دهند.

این سنسورها قادرند تا اندازه‌گیری‌هایی را به صورت پیوسته در منطقه وسیعی انجام دهند و نیز به تراشه‌های نانو متصل شوند و به صورت پیوسته و همزمان به عمل نمایش دادن بپردازند .

از دیگر زمینه‌های مهم ، ساخت سنسورهایی است که بتوان از آنها در نمایش دادن و مانیتور کردن و یا کنترل فرآیند برای ردیابی آلودگی و یا کمینه کردن میزان آلودگی و تاثیر آن بر محیط استفاده کرد .

ازجمله سنسورهایی که امروزه بر روی آنها کار شده و تحقیقات بر روی آنها همچنان ادامه دارد می‌توان به سنسورهای تشخیص آلودگی ناشی از مواد آلی در هوا و آب ، دیوکسین ،‌ PAH و مواد بیماری‌زای زیستی اشاره کرد .

از دیگر کاربردها می‌توان به مونیتور کردن کیفیت آب و بررسی نحوه اندرکنش آلودگی‌های موجود در محیط مانند آیروسول‌ها و ذرات کوچک یا سطوح ذرات اشاره کرد .

به عنوان مثال دانشمندان در پردو اولین تراشه زیستی پروتیین را ساخته‌اند که دارای گروه‌های عملگر پروتیینی بسیار خاصی می‌باشند و قادرند تا کوچکترین میزان تجمع ماده هدف را نیز تشخیص دهند .

نمونه‌ای از میکروتراشه‌های ساخته شده توسط نانوتکنولوژی در شکل 6-4 نشان داده شده است .

بعلاوه از ذرات نانو در ساخت کاتالیزرها جهت کاهش دمای مورد نیاز واکنش نیز می‌توان استفاده کرد .

از جمله دیگر مزایای نانوتکنولوژی ، می‌توان به کاهش نیاز به فلزات نجیب ، در استفاده به عنوان کاتالیزر جهت کاهش آلودگی هوا اشاره نمود .

در شکل 6-5 یک شماتیک از هیدروژنیزه کردن پروپن بر روی اکسید منگنز تقویت شده با Ir4 نشان داده شده است .

ابتدا پروپن به خوشه‌‌ها پیوند می‌خورد و سپس هیدروژنیزه شده و 1- پروپیل و یا 2- پروپیل را تولید خواهد کرد که پس از هیدروژنیزه شدن و پروپان تولید می‌کنند .

در شکل 6-6 نیز نموداری نشان داده شده است که در آن چگونگی از بین رفتن تمام کربن‌های آلی با استفاده از ذرات نانومتری نشان داده شده و با روش سونالیز مقایسه شده است .

از دیگر موادی که توسط نانوتکنولوژی تولید می‌شوند ، نانوکامپوزیت‌ها هستند نانوکامپوزیت‌ها نیز موادی هستند که اثرات قابل ملاحظه‌ای در محیط زیست از خود نشان می‌دهند .

برخی