تحقیق مقاله کاربرد نانو تکنولوژی در برق

مقدمه

زمانی که قرن بیستم آغاز شد، افراد معمولی بسیار سخت می‌توانستند درک کنند که خودروها و هواپیماها چگونه کار می‌کنند. بهره‌گیری از انرژی اتمی فقط در حد تئوری وجود داشت و شاید اکنون نیز برای عده‌ای در ابتدای قرن بیست و یکم بسیار سخت باشد که باور کنند بشر روبوتهای میکروسکوپی خواهد ساخت و خط مونتاژ میکروسکوپی داشته باشد. تولید چنین محصولات خارق‌العاده‌ای حاصل بخشی از دانش بشری است که به آن نانوتکنولوژی می‌گویند. بحث نانوتکنولوژی یکی از رایج‌ترین مباحث در مجامع علمی دنیاست و کشورهایی که نتوانند در این فن‌آوری موقعیت مناسبی بدست آورند، در آینده در بسیاری زمینه‌ها از گردونه رقابت اقتصادی خارج می‌شوند چرا که از جمله مهمترین شاخصه‌های قابلیت اقتصادی در آینده، توانایی خروج موفقیت‌آمیز از بحران انرژی است و از نانوتکنولوژی به منزله سلاحی جدید برای مقابله با این بحران یاد می‌شود.

امروزه از طرفی به دلیل کاهش یافتن منابع اولیه انرژی‌های فسیلی در دنیا و از طرف دیگر به دلیل ایجاد آلودگی‌های شدید زیست‌محیطی در اثر افزایش مصرف این منابع، توجه خاصی به منابع جدید تامین انرژی مانند انرژی‌های خورشیدی، بادی و … می شود. اما استفاده از این منابع مستلزم دستیابی به تکنولوژی تبدیل‌کننده این پتانسیل‌ها به انرژی‌های الکتریکی، مکانیکی و … است. (مثل پیلهای سوختی، سلهای خورشیدی و …)

از سوی دیگر، نانو تکنولوژی، به سبب بهبود کیفی ابزارها، مصرف کمتر مواد اولیه، مصرف کمتر انرژی، کاهش تولید مواد زائد و افزایش سرعت تولید در کشورهای پیشرفته به عنوان مهمترین روش تولید و ساخت این ابزارها، مطرح است. همچنین به کمک این فناوری گامهای موثری در جهت کاهش آلودگی زیست‌محیطی [1]حاصل از سوختهای فسیلی، برداشته شده است. از این رو از مهمترین بسترهای بکارگیری نانوتکنولوژی در ساخت و تولید مبدلهای انرژی‌های نو (مثل سلهای خورشیدی و پیلهای سوختی)، کاهش آلاینده‌های زیست‌محیطی نیروگاههای گازسوز (با استفاده از کاتالیست‌های احتراق) و افزایش راندمان این نیروگاهها (با بکارگیری نانوپوششها و نانومگنت‌ها) است.

فن آوری نانو چیست؟

فناوری‌نانو واژه‌ای است کلی که به تمام فناوری‌های پیشرفته در عرصه کار با مقیاس نانو اطلاق می‌شود. معمولاً منظور از مقیاس نانوابعادی در حدود 1nm تا 100nm می‌باشد. (1 نانومتر یک میلیاردیم متر است).

اولین جرقه فناوری نانو (البته در آن زمان هنوز به این نام شناخته نشده بود) در سال 1959 زده شد. در این سال ریچارد فاینمن طی یک سخنرانی با عنوان «فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد» ایده فناوری نانو را مطرح ساخت. وی این نظریه را ارائه داد که در آینده‌ای نزدیک می‌توانیم مولکول‌ها و اتم‌ها را به صورت مسقیم دستکاری کنیم.

واژه فناوری نانو اولین بار توسط نوریوتاینگوچی استاد دانشگاه علوم توکیو در سال 1974 بر زبانها جاری شد. او این واژه را برای توصیف ساخت مواد (وسایل) دقیقی که تلورانس ابعادی آنها در حد نانومتر می‌باشد، به کار برد. در سال 1986 این واژه توسط کی اریک درکسلر در کتابی تحت عنوان : «موتور آفرینش: آغاز دوران فناوری‌نانو»بازآفرینی و تعریف مجدد شد. وی این واژه را به شکل عمیق‌تری در رساله دکترای خود مورد بررسی قرار داده و بعدها آنرا در کتابی تحت عنوان «نانوسیستم‌ها ماشین‌های مولکولی چگونگی ساخت و محاسبات آنها» توسعه داد.1

تفاوت اصلی فناوری نانو با فناوری‌های دیگر در مقیاس مواد و ساختارهایی است که در این فناوری مورد استفاده قرار می‌گیرند. البته تنها کوچک بودن اندازه مد نظر نیست؛ بلکه زمانی که اندازه مواد دراین مقیاس قرار می‌گیرد، خصوصیات ذاتی آنها از جمله رنگ، استحکام، مقاومت خوردگی و ... تغییر می‌یابد. در حقیقت اگر بخواهیم تفاوت این فناوری را با فناوری‌های دیگر به صورت قابل ارزیابی بیان نماییم، می‌توانیم وجود "عناصر پایه" را به عنوان یک معیار ذکر کنیم. عناصر پایه در حقیقت همان عناصر نانومقیاسی هستند که خواص آنها در حالت نانومقیاس با خواص‌شان در مقیاس بزرگتر فرق می‌کند.

اولین و مهمترین عنصر پایه، نانو ذره است. منظور از نانوذره، همانگونه که از نام آن مشخص است، ذراتی با ابعاد نانومتری در هر سه بعد می‌باشد. نانوذرات می‌توانند از مواد مختلفی تشکیل شوند، مانند نانوذرات فلزی، سرامیکی، ... .

دومین عنصر پایه، نانوکپسول است. همان طوری که از اسم آن مشخص است، کپسول‌های هستند که قطر نانومتری دارند و می‌توان مواد مورد نظر را درون آنها قرار داد و کپسوله کرد. سال‌هاست که نانوکپسول‌ها در طبیعت تولید می‌شوند؛ مولکول‌های موسوم به فسفولیپیدها که یک سر آنها آبگریز و سر دیگر آنها آبدوست است، وقتی در محیط آبی قرار می‌گیرند، خود به خود کپسول‌هایی را تشکیل می‌دهند که قسمت‌های آبگریز مولکول در درون آنها واقع می‌شود و از تماس با آب محافظت می‌شود. حالت برعکس نیز قابل تصور است.

عنصر پایه بعدی نانو لوله کربنی است. این عنصر پایه در سال 1991 در شرکت NEC کشف شدند و در حقیقت لوله‌هایی از گرافیت می‌باشند. اگر صفحات گرافیت را پیچیده و به شکل لوله در بیاوریم، به نانولوله‌های کربنی می‌رسیم. این نانولوله‌ها دارای اشکال و اندازه‌های مختلفی هستند و می‌توانند تک دیواره یا چند دیواره باشند. این لوله‌ها خواص بسیار جالبی دارند که منجر به ایجاد کاربردهای جالب توجهی از آنها می‌شود.

در حقیقت کاربرد فناوری نانو از کاربرد عناصر پایه نشأت می‌گیرد. هر کدام از این عناصر پایه، ویژگی‌های خاصی دارند که استفاده از آنها در زمینه‌های مختلف، موجب ایجاد خواص جالبی می‌گردد. مثلاً از جمله کاربردهای نانوذرات می‌توان به دارورسانی هدفمند و ساده، بانداژهای بی‌نیاز از تجدید، شناسایی زود هنگام و بی‌ضرر سلول‌های سرطانی، و تجزیه آلاینده‌های محیط زیست اشاره کرد. همچنین نانولوله‌های کربنی دارای کاربردهای متنوعی می‌باشند که موارد زیر را می‌توان ذکر کرد:

• تصویر برداری زیستی دقیق

• حسگرهای شیمیایی و زیستی قابل اطمینان و دارای عمر طولانی

• شناسایی و جداسازی کاملاً اختصاصی DNA

• ژن‌درمانی که از طریق انتقال ژن به درون سلول توسط نانولوله‌ها صورت می‌پذیرد.

• از بین بردن باکتری‌ها[2]

اینها تنها مواردی از کاربردهای بسیار زیادی هستند که برای عناصر پایه قابل تصور می‌باشند. کاربرد این عناصر پایه در صنایع مختلف، در درخت دیگری به نام «درخت صنعت» آورده شده است که با مراجعه به گروه مطالعاتی آینده‌اندیشی، بخش درخت صنعت، می‌توانید آن را مشاهده کنید.

در نهایت «درخت فناوری نانو» معرفی می‌گردد که فناوری نانو را به شکل یک زنجیره از رویکرد ساخت عناصر پایه تا کاربرد آنها، در یک درخت چهار سطحی نمایش می‌دهد. با مراجعه به گروه مطالعاتی آینده‌اندیشی، بخش درخت فناوری، می‌توانید آن را مشاهده کنید.

دکتر ریچارد فیلیپس فاینمن در 11 می سال 1918 در منهتن نیویورک چشم به جهان گشود. فاینمن در طول سال‌های تحصیلش بر روی ریاضیات و علوم بسیار مطالعه می‌کرد زیرا پدرش می‌خواست که او یک معلم فیزیک شود. وی همچنین برای آزمایش در زمینه الکتریسیته یک آزمایشگاه در خانه‌اش برپا کرد. فاینمن از نمادهای ریاضیاتی خودش برای توابع استفاده می‌کرد.

بعدها در طول زندگیش هنگامی که به گروه تحقیق حادثه انفجار شاتل چنجر پیوست و دو کتاب خاطراتش را که پرفروش‌ترین کتاب‌ها شدند، منتشر کرد به چهره برجسته‌ای تبدیل شد.

پروفسور فاینمن عضو انجمن فیزیک آمریکا، انجمن آمریکایی علوم پیشرفته و آکادمی ملی علوم بود. او همچنین در سال 1965 به عنوان عضو خارجی انجمن سلطنتی انگلستان انتخاب شد.

در سال1959 ایشان مقاله‌ای را درباره قابلیت‌های فناوری نانو در آینده منتشر ساخت. فاینمن درآن سال در یک مهمانی شام که توسط انجمن فیزیک آمریکا برگزار شده بود، سخنرانی کرد و ایده فناوری نانو را برای عموم مردم آشکار ساخت.

عنوان سخنرانی وی این بود «فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد» باوجود موقعیت‌هایی که توسط بسیاری تا آن زمان کسب‌شده بود، ریچارد. پی. فاینمن را به عنوان پایه گذار این علم می‌شناسند.

سخنرانی او شامل این مطلب بود که می‌توان تمام دایره‌المعارف بریتانیکا را بر روی یک سنجاق نگارش کرد. یعنی ابعاد آن را به اندازه 25000/1 ابعاد واقعیش کوچک کرد. او همچنین از دوتایی‌کردن اتم‌ها برای کاهش ابعاد کامپیوترها سخن گفت (در آن زمان ابعاد کامپیوترها بسیار بزرگتر از ابعاد کنونی بودند اما او احتمال می‌داد که ابعاد آنها را بتوان حتی از ابعاد کامپیوترهای کنونی نیز کوچکتر کرد) او همچنین در آن سخنرانی توسعه بیشتر فناوری نانو را پیش‌بینی نمود. وی در پایان سخنرانیش 1000 دلار برای اختراع اولین الکتروموتوری که ابعادش حداکثر 64/1اینچ مکعب باشد، پیشنهاد داد. جایزه‌ای که برای اولین کسی که بتواند ابعاد یک صفحه کتاب را به اندازه ابعاد اصلیش کوچک کند، تعیین کرد. ابعاد این صفحه کتاب می‌بایست به اندازه‌ای باشد که بتوان آن را به کمک یک میکروسکوپ الکترونی خواند. این ایده‌ها در سال‌های 1960 و 1985 تحقق یافتند و جایزه‌های آنها نیز پرداخت شد.

پیشرفتهای حاصله در زمینه نانوتکنولوژی (متالورژی)

تکنولوژی مواد، یک تکنولوژی بنیانی در زمینه فن‌آوری اطلاعات، حفاظت محیط زیست، بهینه سازی مصرف و تولید انرژی است. از سوی دیگر نانوتکنولوژی قابلیت بالایی در اصلاح خواص مواد مورد مصرف و ابداع کاربردهای جدید برای مواد با کنترل ریزساختار آنها در ابعاد بسیار بسیار ریز دارد و از این رو می‌توان ظهور آن را یک انقلاب بزرگ در ‎‎آغاز قرن بیست‌و یکم دانست