برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۹/۱۷ تا ۱۳۹۷/۰۹/۲۳

آمار مقاله
  • بازدید کل ۹,۱۶۷
  • بازدید این ماه ۵۱۷
  • بازدید امروز ۲۲
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۲۲۷
  • قبول شدگان ۱۹۱
  • شرکت کنندگان یکتا ۱۱۵
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۸۰
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

مقالات منتخب ماهنامه نانو

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

فناوری نانو، فناوری پاک

افزایش نگرانی از تغییرات جوی ناشی از آلاینده‌های کربنی محصولات ساخت بشر، دولت‌ها را بر آن داشته تا روش‌هایی برای کاهش یا حداقل ثابت نگه‌داشتن سطح این آلاینده‌ها بیابند. دولت انگلیس برای نخستین بار، از برنامه‌هایی برای ایجاد برخی تعهدات قانونی خبر داده است که با اجرای آن آلاینده‌های کربنی تا سال 2050 به میزان 60 درصد کاهش خواهد یافت. اتحادیه اروپا نیز با کاهش 20 درصدی این آلاینده‌ها تا سال 2020 موافقت کرده است. در این میان، فناوری نانو در حال تبدیل شدن به ابزار اصلی مقابله با تغییرات آب و هوایی است. تمام شش فناوری مورد اشاره در این گزارش یا هم اکنون و یا حداکثر تا دو سال آینده در دسترس بوده و برخی از آن‌ها نیز یک دهه است که بی سر و صدا به صنعت راه یافته‌اند. عایق کاری بهتر ساختمان‌ها با استفاده از آئروژل؛ کاهش 30 درصدی آلاینده‌های کربنی حاصل از لوازم خانگی؛ کاربرد مواد سبک‌تر و مستحکم‌تر در خودروها، اتوبوس‌ها و هواپیماها، نمونه‌هایی از کاربرد‌های کنونی این فناوری است. هم اکنون پیشرفت‌های پیل‌های سوختی و خودروهای چندگانه سوز، بزرگ‌ترین خودروسازان را قادر به ساخت وسایل نقلیه مشتری‌پسند و با آلایندگی اندک ساخته است. این گزارش در واقع درآمدی بر فناوری‌های کلیدی مورد استفاده، تاثیر آن‌ها بر انتشار آلاینده‌ها و میزان دسترسی به آن‌ها و نقش آفرینان کلیدی در هر کدام از آن‌هاست.
1. آئروژل‌ها
1.1. آئروژل چیست؟
این ماده که غالبا با عنوان دود یخ زده از آن یاد می‌شود، سبک‌ترین ماده ساخت بشر است. وزن آن دو برابر وزن هوا، و از مخلوط هوا (99/5-90 درصد) و سیلیکا تشکیل شده است. در فرایند ساخت آن، حفره‌های بسیار ریزی به اندازه 5 تا 150 ناتومتر در درون ساختار ماده شکل گرفته و باعث می‌شود تا این ماده به عایقی جالب توجه (دو تا هشت بار بهتر از عایق‌های فایبر گلاس یا فوم‌های پلیمری) تبدیل شود.
اگر چه سابقه کشف این ماده به سال 1931 باز می‌گردد؛ اما تقریبا تا اوایل دهه 1980 که به عنوان آشکارسازی مفید در فیزیک ذرات شناخته شد، هیچ توجهی به آن نشده بود. این ماده به شیوه‌ای مطمئن، در اواسط دهه 90 ساخته شده، چرا که آئروژل‌های خالص فوق‌العاده شکننده‌اند و فراوری آن‌ها زمان زیادی می‌برد.

1.1.1. چگونگی کاهش انتشار آلاینده‌ها با استفاده از آئروژل 
این نکته که آئروژل‌های جدید شفاف (البته کمی نیلی رنگ)، کم وزن و محکم هستند و خاصیت عایق کاری بسیار خوبی دارند، آن‌ها را به جایگزینی جالب توجه و مناسب برای شیشه در کاربرد‌های معماری، مانند پنجره‌های سقفی و پوشش بام‌ها، مطرح کرده است. در این روش که ساده‌تر نیز هست، به جای پوشاندن بام ساختمان با پانل‌های خورشیدی و تولید انرژی از آن‌ها، نور خورشید به داخل راه یافته، از گرمای آن استفاده می‌شود؛ ضمن آن که به این ترتیب نیاز به روشنایی مصنوعی هم کاهش می‌یابد. از نانوژل‌ها همچنین می‌توان برای افزایش بازدهی انرژی، در شیشه‌های لعابی معمولی استفاده نمود.
عایق کاری خطوط انتقال گاز طبیعی مایع، نمونه‌ای از کاربرد جاری آئروژل هاست؛ این گاز محصور در خشکی است و مایع‌کردن و انتقال آن مستلزم حجم زیادی از سردسازی و عایق کاری است. در این روش به دلیل عایق کاری، انرژی کمتری برای مایع نگه‌داشتن گاز مصرف می‌شود؛ به عبارت دیگر با این کار مقدار عایق مصرفی کمتر و در نتیجه لایه عایق نازک‌تر می‌شود؛ به این ترتیب می‌توان مقدار گازی را که با کشتی‌ها حمل می‌شود، افزایش داد.

filereader.php?p1=main_399487010b014e7a9

2. پیل‌های خورشیدی فیلم نازک 
1.2. پیل‌های خورشیدی فیلم نازک چیست؟
در فناوری‌های کنونی، پیل‌های خورشیدی مبتنی بر سیلیکون هستند و به روشی مشابه تراشه‌های رایانه‌ای تولید می‌شوند؛ در نتیجه نسبتا گران و شکننده هستند. به همین دلیل پس از سه سال توسعه، هنوز این فناوری‌ها نتوانسته‌اند جایگزین منبع اصلی تامین انرژی شوند. با این حال، استفاده از پیل‌های خورشیدی از نوع فیلم نازک آلی یا پلاستیکی با توجه به استفاده از مواد ارزان (عمدتا مبتنی بر نانوذرات و پلیمرها)، نوید بخش به نظر می‌رسد.

2.2. چگونه این پیل‌ها به کاهش آلاینده‌ها کمک می‌کند؟
به غیر از مسئله بازدهی، بزرگ‌ترین مانع کاربرد گسترده انرژی خورشیدی، هزینه بالای آن است. از سال 2004 قیمت سیلیکون پلی کریستال 500 درصد افزایش داشته و پیش‌بینی می‌شود این روند طی سال‌های آینده ادامه داشته باشد، لذا اقتصاد پیل‌های خورشیدی سیلیکونی به شدت شکننده به نظر می‌رسد. از سوی دیگر پیل‌های خورشیدی از نوع فیلم نازک آلی، روی یک زیرلایه پلیمری (که تولید و فراوری آن ارزان است) تولید می‌شوند.
استفاده از لایه انعطاف‌پذیر به این معنی است که می‌توان این پیل‌ها را طی فرایند فراوری لوله‌ای (که بیشتر شبیه چاپ روزنامه است تا یک کارخانه نیمه‌رسانای با خلا فوق‌العاده بالا) تولید نموده، هزینه تولید را به میزان بسیار قابل توجهی کاهش داد. در این روش، فراوری این پیل‌ها در یک مرحله جدا و متوالی می‌شود و با توجه به انعطاف‌پذیری این پیل‌ها، می‌توان در مواردی که امکان استفاده از پانل‌های خورشیدی سیلیکونی وجود ندارد (مثلا اتومبیل‌ها) آن‌ها را به کار برد.
بازدهی چنین پیل‌هایی مشابه و یا حتی بیشتر از فناوری‌های موجود است (در برخی انواع آن، طبق آنچه پیش‌بینی‌شده، تا 30 درصد بیشتر است) و با توجه به سرمایه گذاری‌های انبوه در فناوری‌های نانو و انرژی‌های تجدیدپذیر، توسعه آن بسیار مورد توجه قرار گرفته است. با این وجود قبل از آن که انرژی خورشیدی به راه‌حلی فراگیر تبدیل شود، باید راهی برای رفع برخی مشکلات مربوط به ذخیره و تبدیل انرژی یافت. اینکه بتوانیم لامپی را فقط هنگام روز و تابش خورشید روشن کنیم، کمک چندانی به جهان در حال توسعه کنونی نخواهد کرد.

filereader.php?p1=main_efdb0e1acdbc9a9d2

3. سوخت‌های کاتالیزوری
1.3. سوخت‌های کاتالیزوری چیست؟
وجود کاتالیزور در این سوخت‌ها، باعث بیشتر شدن بازدهی احتراق آن‌ها در موتور و در نتیجه صرفه‌جویی در مصرف سوخت و کاهش آلایندگی می‌شود. 
افزودن نانو موادی از قبیل اکسید سریم به سوخت، احتراق آن را آسان‌تر و مدت زمان مصرف را بیشتر می‌کند. استفاده از ذرات کاتالیزوری چند نانومتری، بازدهی سوخت را به شدت افزایش می‌دهد، زیرا در این حالت، بیشتر ماده فعال سوخت به جای آن که داخل ذره باشد، روی سطح آن قرار گرفته است. میزان کاتالیزور مورد استفاده در سوخت دیزلی، به نسبت حدود پنج بخش در میلیون است.

2.3. چگونگی کاهش آلایندگی با این کاتالیزورها
آزمایش‌هایی که شرکت انگلیسی Oxonica در درازمدت انجام داده، حاکی از بهبود بازده سوخت تا ده درصد و کاهش انتشار دوده تا 15 درصد است که در واقع همان کاهش میزان کربن ورودی و خروجی است.
احتراق در موتورهای دیزلی، پس از فشرده شدن سوخت در داخل سیلندر، انجام می‌شود. پخش شدن سوخت محتوی کاتالیزور، موجب کاهش نیروی وارد شده در شروع احتراق می‌شوند؛ زمانی که پیستون همچنان به داخل سیلندر فشار می‌آورد و در واقع موتور دیزلی به نوعی با خود درگیر شده است. در ادامه چرخه، وقتی که این ذرات به دلیل گرما و فشار حاصل از احتراق، نقشه کاتالیزوری خودر را از دست می‌دهند، ذرات اکسید سریم، مقداری از اکسیژن خود را آزاد کرده و موجب احتراق سوخت‌های باقیمانده می‌شوند.
انتظار می‌رود با توجه به قراردادی که اخیرا Oxonica با شرکت Petrol Ofici A.S. (بزرگ‌ترین توزیع کننده سوخت ترکیه) امضا کرده، انتشار CO2 به اندازه 200 هزار تن بر سال کاهش یابد. اعمال همین فناوری در صنایع خصوصی اتومبیل‌سازی آمریکا می‌تواند انتشار این آلاینده را 30 میلیون تن دیگر کاهش دهد.

filereader.php?p1=main_2aa12d34ed6b43839

4. پیل‌های سوختی 
1.4. پیل سوختی چیست؟
پیل سوختی ابزاری است که در آن، انرژی شیمیایی طی یک واکنش الکتروشیمیایی بین هیدروژن (H2) و اکسیژن (O2)، مستقیما به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. این کار در واقع عکس فرآیند الکترولیز است که در آن با استفاده از انرژی الکتریکی، آب را به هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌کنیم. شرکت هوندا، یک سیستم پاک و قابل اجرا ساخته است که در صورت تامین هم‌زمان هیدروژن و اکسیژن، می‌تواند پیوسته انرژی الکتریکی و آب تولید کند، به طوری که هیچ گونه CO2 یا آلاینده مضر دیگری همراه آن منتشر نشود.
در یک پیل سوختی نیز همانند هر باتری دیگر، از انرژی شیمیایی ذخیره شده برای تولید برق استفاده می‌شود؛ اما برخلاف باتری‌ها، سیستم ذخیره انرژی آن از مولد برق جداست. در این سیستم، بر خلاف ظرفیت محدوده ذخیره انرژی درونی باتری‌ها، الکتروسیته از یک منبع سوخت خارجی تامین می‌شود.
یک پیل سوختی معمولا به مقادیر زیادی تجهیزات کنترلی جانبی مانند پمپ‌های سوخت، سیستم‌های خنک‌کننده، مخازن سوخت و سیستم بازگشتی و چرخشی نیاز دارد و کاربرد آن‌ها در ابزار‌های قابل حمل و نقل غیر ممکن می‌شود. اما پیشرفت‌های جدید مانند پیل سوختی کوچک متانول مستقیم (DMFC)، می‌تواند به حذف تعداد قابل توجهی از این سیستم‌های خارجی منجر شود.

2.4. پیل سوختی چگونه آلاینده‌ها را کاهش می‌دهد؟
پیل‌های سوختی بسیار پر بازده‌تر از فناوری‌های احتراقی است و هم اکنون دانشمندان به منظور تامین برق خودرو‌های شخصی، ساختمان‌های تجاری، خانه‌ها و حتی دستگاه‌های کوچکی مانند رایانه‌های لپتاپ در حال توسعه آن هستند. البته در این میان، اتومبیل‌ها مصرف‌کننده اصلی به شمار می‌روند و شرکت‌های عمده خودروسازی، برترین سرمایه‌گذاران تحقیق و توسعه در این زمینه هستند. استفاده از پیل سوختی در خودرو‌ها مستلزم ایجاد زیر ساخت‌های ایستگاهی برای تامین هیدروژن خودروها خواهد بود.

filereader.php?p1=main_c597dbc88e8dcddea

5. ابرخازن‌ها
1.5. ابرخازن چیست؟
در خازن‌ها معمولا برای ذخیره بار از فاصله فیزیکی بین دو الکترود استفاده می‌شود. این خازن‌ها، انرژی را روی سطوح فیلم پلاستیکی که دارای ذرات فلزی و یا سطح الکترودهای فلزی هستند، ذخیره می‌کنند؛ بنابراین ظرفیت خازن تابعی از محیط دی الکتریک و مساحت سطح هم‌پوشان آن است. 
ابر خازن‌ها ابزارهایی الکتریکی هستند که به واسطه کاربرد نانومواد، سطح ویژه آن‌ها افزایش یافته، می‌توانند چگالی انرژی بیشتری را در مدت زمان کوتاهی در خود ذخیره نمایند. چگالی انرژی قابل ذخیره در این ابرخازن‌ها صد برابر خازن‌هایی است که فویل دی الکتریک دارند و چگالی توان آن‌ها هم ده برابر باتری‌های معمولی است؛ به همین دلیل می‌توان از آن‌ها در دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل، خودرو‌های برقی و ذخیره انرژی تولید شده از منابع تجدیدپذیر مانند باد و خورشید، استفاده نمود.

2.5. ا برخازن چگونه موجب کاهش آلاینده‌ها می‌شود؟
ابرخازن‌ها به گستره وسیعی از کاربردهای الکترونیکی و مهندسی که در آن‌ها به تعداد زیادی پالس انرژی سریع مورد نیاز است، راه یافته‌اند. وجود این ابر خازن‌ها منجر به تولید مولدهای انرژی کم هزینه و سبک می‌شود که می‌توان از آن‌ها در کاربرد‌های مختلف از ابزار‌های مولد برق و الکترونیک تلفن همراه گرفته تا خودرو‌های چندگانه سوز و برقی و یا خودروهایی که با پیل سوختی کار می‌کنند، به جای باتری‌های اسید – سربی و حتی یون لیتیومی استفاده کرد. از این ابر خازن‌ها می‌توان در خودرو‌های پیل سوختی یا چندگانه سوز برقی (که برای شروع به کار نیاز به جریان برق زیاد و سریعی دارند و نمی توان آن را با باتری‌های معمولی تامین کرد) و ذخیره سریع انرژی تولید شده با سیستم ترمز خودرو استفاده نمود. اگر بخواهیم با فناوری‌های موجود باتری‌هایی بسازیم که بتواند جواب‌گوی این حجم زیاد از مصرف برق باشد و در مقابل پالس‌های توان بالا هم از دوام کافی برخوردار باشد، فضای نسبتا زیادی اشغال می‌شود و مدت عمر آن هم کمتر از دو سال خواهد بود؛ اما ابر خازن‌ها به دلیل چرخه عمر زیادتری که دارند برای این منظور مناسب‌تر هستند.

filereader.php?p1=main_d04ccdb03137646ee

6. مواد نانو کامپوزیتی 
1.6. نانو کامپوزیت چیست؟
این مواد پلیمرهایی هستند که به منظور تغییر خواص ماده توده، مقداری از مواد دیگری مانند نانوذرات، و نانوالیاف کربنی به آن‌ها اضافه شده است. 
نانوکامپوزیت‌ها از قدیمی‌ترین کاربرد‌های فناوری نانو است که از دهه 1990 از آن‌ها در بخش حمل و نقل استفاده شده است. اکنون دانشمندان در نظر دارند تا به جای فولاد از آن‌ها در قطعات متعددی که تعداد آن‌ها هر روز بیشتر می‌شود، استفاده نمایند.

2.6. نانوکامپوزیت‌ها چگونه موجب کاهش آلاینده‌ها می‌شوند؟
ساده‌ترین راه برای کاهش آلایندگی خودروها، کاستن از وزن آن‌هاست؛ زیرا مصرف سوخت، رابطه مستقیمی با وزن خودرو دارد و استفاده از مواد سبک‌تری مثل نانوکامپوزیت‌ها به جای فولاد، باعث صرفه‌جویی عظیم مصرف سوخت در همه چیز، از خودروها تا هواپیماها، می‌شود. 
کامپوزیت‌ها صددرصد بدنه هواپیمای بوئینگ 787 و 50 درصد از تمام مواد هواپیما را شامل می‌شوند. این مواد علاوه بر استحکام و سبکی در بسیاری موارد حتی از آلومینیم و فولاد ارزان‌تر نیز هستند و با توجه به آن که در ساخت آن‌ها مقدار کمتری میخ پرچ نیاز است، زمان تولید تا چهار برابر کاهش می‌یابد.

filereader.php?p1=main_4d8afdb967e80ddac

صنعت خودرو هم به دنبال آن است تا در ساخت قطعات خارجی خودرو‌ها مانند سپرها و قالب گیری بدنه از این کامپوزیت‌ها استفاده نماید.
توسعه کامپوزیت‌های رسانا، که با اضافه شدن مقدار اندکی از نانولوله‌ها و نانوالیاف کربنی به دست آمده‌اند را شاید بتوان بیشترین تاثیر به شمار آورد. این کار، موجب شده تا بتوان از این کامپوزیت‌ها در کاربرد‌های مختلف، از مخازن سوخت گرفته تا قطعات موتور استفاده کرد و دیگر نگران خطر جرقه‌های الکتروستاتیکی که در مواد سابق غیر فلزی وجود داشت، نباشیم. از مواد نانوکامپوزیتی در کاربرد‌هایی مانند صنایع غذایی و بسته‌بندی نیز می‌توان استفاده کرد. کاربرد این مواد عالی در جلوگیری از نفوذ اکسیژن است و باعث می‌شود تا محصولات غذایی را بتوان در بسته‌های پلاستیکی برای مدت طولانی نگهداری کرد.

منابـــع و مراجــــع

Cientifica Ltd , Nanotechcleantech , March 2007 www.Cientifica.com

نظرات و سوالات

نظرات

0 0

حمید شیبانی - ‏۱۳۹۷/۰۵/۱۳

مطالب جالب وکاربردی بود با تشکر

0 0

حمیدرضا انصاری - ‏۱۳۹۶/۰۱/۲۷

سلام

اشتباهی در کلید سوالات این مقاله وجود دارد



- کدام یک از پیل های خورشیدی کار آمد و نوید بخش به نظر می رسد و علت آن چیست ؟



پیل های خورشیدی سیلیکونی- چون بازده بالایی دارند.

پیل های خورشیدی سیلیکونی –چون سخت و بادوام تر بوده و باز دهی بالایی دارند .

پیل های خورشیدی از نوع فیلم نازک آلی –چون باز دهی بالایی دارند.

پیل های خورشیدی از نوع فیلم نازک آلی – چون هزینه تولید پایینی دارند.

در پاسخ تشریحی به این شکل آماده است:

"ستفاده از پیل های خورشیدی از نوع فیلم نازک آلی یا پلاستیکی با توجه به استفاده از مواد ارزان نوید بخش به نظر می رسد. "

ولی در هنگام تصحیح سوال گزینه ی " پیل های خورشیدی از نوع فیلم نازک آلی –چون باز دهی بالایی دارند."درست در نظر گرفته شده است!!!

لطفا رسیدگی کنید

پاسخ مسئول سایت :
با سلام و تشکر از دقت نظر شما
گزینه اصلاح شد.
موفق باشید.