فناوری های هم گرا و مواد نوترکیب

فناوری های هم گرا

با توجه به پیشرفت های صورت گرفته در فناوری های مختلف، دانشمندان از ابتدای قرن 21میلادی بر این موضوع تاکید داشتند که در جهت متحد ساختن علوم مختلف حرکت کنند. متحد ساختن علوم مختلف منجر به تولید محصولات جدید و توسعه هر یک از فناوری ها کمک خواهد کرد. یکی از مثال های ترکیب فناوری ها استف��ده از خودروهای الکتریکی خودران می باشد که به صرفه جویی حامل های انرژی و کاهش آلودگی محیط زیست کمک می کند. از طرفی از خطاهای انسانی مثل خواب آلودگی و سرعت غیرمجاز که منجر به تصادفات و مرگ و میر بسیاری از انسان ها میشود، جلوگیری کند.

هم گرایی علوم در صورتی که به همراه توجه کافی به مسائل اخلاقی و نیازهای جامعه باشد، می تواند پیشرفت های شگرفی را در توانایی های انسان، بازده صنایع ملی و کیفیت زندگی مردم ایجاد کند. علمی که اساس آن برپایه علوم هم گرا بنا شده باشد و از موادی در مقیاس نانو استفاده کند مکتب جدیدی برای تولید دانش، نوآوری و یکپارچگی فناوری به وجود می آورد. ترکیب «فناوری های نوین هم گرا» به ادغام چهار فناوری نانو، زیست فناوری، اطلاعات و علوم شناختی اشاره دارد که هر کدام از این چهار فناوری با سرعت زیادی در حال رشد و توسعه هستند.

همانطور که می دانیم، اتم های تشکیل دهنده یک ماده، ابعادی کوچک تر از یک نانومتر دارند که از قرار گرفتن اتم های یکسان و متفاوت کنار هم، یون ها، مولکول ها و جامدات کوالانسی به وجود می آید که خواص این ماده با هم فرق می کند. اگر ما بتوانیم به ساختار کریستالی فلزات دسترسی داشته باشیم، قادر خواهیم بود نحوه چیدمان اتم هارا تغییر داده و خواص جدیدی ��رای آن ماده به وجود بیاوریم.

«علم نانو» مطالعه ذرات و مواد در ابعاد اتمی، مولکولی و ماکرومولکولی است، زیرا کارکردن در این مقیاس منجر به تغییر شدید خواص ماده می شود.

به طور کلی دو عامل اصلی اثرات سطحی و اثرات کوانتومی باعث می شوند مواد با ابعاد نانو، رفتاری متفاوت از مواد با ابعاد بزرگ تر از خود نشان دهند.

اثرات سطحی

هر قدر ماده ای کوچک تر شود، تعداد اتم هایی که در سطح قرار می گیرند بیشتر می شود و با بیشتر شدن اتم های روی سطح، نسبت به اتم های درون ساختار یک ماده، واکنش پذیری آن ماده افزایش می یابد.

افزایش واکنش پذیری با کاهش اندازه ذرات، به این دلیل است که اتم هایی که در داخل هستند، به دلیل عدد همسایگی بیشتر (تعداد اتم های اطراف آن بیشتر است)، ظرفیتشان کامل است و تمایلی به انجام واکنش ندارند، اما اتم هایی که در سطح هستند به دلیل اینکه با تعداد اتم های کمتری در ارتباط اند ممکن است تعدادی پیوند ناقص یا کامل نشده داشته باشند، بنابراین واکنش پذیری آنها نسبت به اتم های داخل ماده بیشتر است.

ابعاد مواد نانو

هرگاه حداقل یک بعد از ابعاد ماده بین 1 تا 100 نانومتر باشد، به آن ماده «نانویی» گفته می شود. سه نوع نانوذره براساس تعداد بعد در ابعاد نانو وجود دارد. در صورتی که هیچ کدام از ابعاد، خارج  از محدوده مشخص شده نباشد نانو ذره صفر بعدی یا ذرات نانویی می باشد

تغییر خواص در ابعاد نانو

از جمله خواص فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی مواد که بر اثر کوچک شدن ذرات تا ابعاد نانو تحت تاثیر قرار می گیرد عبارت اند از:

تغییر رنگ

تا به حال به این فکر کرده بودید که فلزاتی مثل طلا و نقره را به رنگ های آبی و قرمز ببینیم؟ اگر این اتفاق بیفتد چه تنوع زیادی در ساخت زیورآلات و وسایل تزئینی خواهیم داشت. این اتفاق زمانی قابل تصور است که طلا را به ابعاد نانویی درآوریم. اگر شما یک انگشتر طلا را به تکه های ریز تقسیم کنید باز هم به رنگ اولیه خود، زرد یا سفید است؛ در حالی که اگر همین کار را با ابزارهای مشخص انجام داده و به ابعاد نانومتری برسید تغییر رنگ را مشاهده خواهید کرد. ابعاد و شکل هندسی نانوذرات بر روی رنگ طلا تاثیرگذار خواهد بود.

تغییر شفافیت

شفافیت، میزان توانایی هر ماده در عبور نور مرئی از خود را مشخص می کند. هرچه میزان عبور نور بیشتر باشد ماده شفاف تر خواهد بود. با توجه به خصوصیات هر ماده، آن ماده می تواند مقداری از نور را از خود عبور داده، بقیه آن را جذب کند یا بازتاب دهد. اکسید روی تیتانیوم از مواد بسیار مفید برای جذب نور فرابنفش و تولید کرم های ضدآفتاب می باشند. این مواد نور مرئی را بازتاب داده، به رنگ سفید دیده می شوند که این مسئله برای بسیاری از مصرف کنندگان کرم های ضدآفتاب ناخوشایند است. حال اگر از نانوذرات اکسید روی و تیتانیوم استفاده شود، به دلیل اینکه طول موج بازتابیده شده از این مواد از طول موج نور مرئی (400-700 نانومتر) کمتر می باشد نور مرئی را عبور می دهند و دیگر روی پوست سفید دیده نمی شوند.

جهت اخذ دیپلم رسمی می توانید از مهارت های این رشته استفاده کنید.

مشاوره رایگان

تغییر خواص مکانیکی

خواص مکانیکی مواد نیز تابع اندازه ذرات است به طوری که با کوچک تر شدن اندازه ذرات، خواص مکانیکی آنها مثل سختی، خستگی، استحکام کششی، مقاوت به ضربه و... تغییر می کند. در ادامه به دو مورد اشاره شده است:

سختی:

هرچه مقاومت ماده در برابر خراش و نفوذ اجسام دیگر بیشتر باشد، آن ماده سخت تر خواهد بود. در خودروها، مقاومت رنگ در برابر خراش، همیشه مورد توجه بوده به طوری که بارها دیده شده خراشی کوچک بر سطح خودرو و تماس آن با رطوبت منجر به پوسیدن و زنگ زدن بدنه ماشین شده است. نانو رنگ ها و نانو پوشش هایی که در صنایع خودروسازی استفاده شده، نسبت به خراش، سه برابر رنگ های معمولی مقاومت دارند و علاوه بر آن، شفاف تر نیز هستند.

خستگی:

برای درک خستگی، یک سیم فلزی را تصور کنید. برای پاره کردن آن چه می کنید؟ آیا آن را می کشید؟ برای پاره کردن سیم فلزی باید چند بار آن را به سمت بالا و پایین خم کرد. در واقع، باید جهت نیرو را در هر مرحله عوض کرد. به نیروهایی که به دلیل تغییر جهت، باعث شکست در ماده می شوند «خستگی» می گویند. بسیاری از سوانحی که در قطعات صنعتی و ماشین آلات اتفاق می افتد به دلیل خستگی در فلزات است که باعث شکست آن قطعه می شود. خواص خستگی با ریزدانه شدن ماده در ابعاد نانو و کاهش عیوب سطحی بهبود می یابد.

خوردگی:

در فلزات اتم ها در حوزه هایی منظم به نام «دانه» قرار گرفته اند. اگر سه دانه با هم برخورد کنند، به آن محدوده مشترک بین سه دانه «مرز دانه» می گویند. اتم هایی که در مرز قرار دارند، متعلق به هیچ دانه ای نیستند. در نتیجه با اتم های کناری خود تعداد پیوند کمتری برقرار می کنند. وقتی ماده خورنده در پوشش نفوذ می کند، با اتم های مرز دانه پیوند تشکیل می دهد و مواد جدیدی درست می کند. مثلا وقتی آب در آهن نفوذ می کند، زنگ آهن درست می کند که از نظر ترکیب، هم با آب و هم با آهن فرق دارد، به این ترتیب، باعث خوردگی می شود.

خواص مغناطیسی:

یکی از تغییرات خواص جالب و بسیار کاربردی که در ابعاد نانویی به وجود می آید، ایجاد خاصیت مغناطیسی در بسیاری از موادی است که در ابعاد معمولی آن خاصیت را ندارند، نانوذرات اکسید آلومنیوم، طلا و غیره جزء این مواد می باشند.

از خاصیت مغناطیسی بعضی نانوذرات در پزشکی و دارورسانی استفاده می شود. استفاده از نانوذرات مغناطیسی باعث انتقال هدفمند دارو میشود که دارو با کنترل میدان مغناطیسی خارجی، بعد از وارد شدن به بدن، در محل بیماری آزاد می شود.

تغییر واکنش پذیری:

موادی در طبیعت وجود دارند که وقتی  در معرض هوای آزاد قرار می گیرند، به دلیل واکنش پذیری بالا آتش می گیرند.

موادی مثل طلا و اکسید آلومینیوم در حالت معمولی در معرض هوای آزاد هیچ واکنشی ندارند ولی تغییر آنها به ابعاد نانویی موجب افزایش سطح تماس این ذرات با محیط اطراف شده و منجر به واکنش پذیری می شود.

این واکنش پذیری آن قدر زیاد است که نانوذرات اکسید آلومینیوم به عنوان سوخت موشک و نانوذرات طلا به عنوان کاتالیزور مورد استفاده قرار می گیرند.

میتوانید برای دریافت اطلاعات بیشتر جهت اخذ دیپلم کامپیوتر به صفحه دیپلم کامپیوتر مراجعه کنید.