ای بر نانوفناوری

فناوری نانو واژه­ای است کلی که به تمام فناوری­های پیشرفته در عرصه کار با مقیاس نانو اطلاق می­شود. نانو، کلمه­ای یونانی است و به معنی کوتوله که در ریاضیات معادل ، یعنی یک میلیاردم است ودر فناوری نانو ابعادی در حدود 1 تا nm 100 را شامل می­شود. علم و فناوری نانو، هنر وتوانایی به دست گرفتن کنترل ماده در ابعاد نانو و علم دستکاری و بازچینی اتم­ها برای ساخت مواد و ابزارها در مقیاس نانو متر است.  در این فناوری ساخت ابزار و اشیا در اندازه­های اتمی است و ملکول به ملکول توسط رباتهای برنامه­ریزی شده در مقیاس نانومتریک انجام می­شود. در این فناوری خواص جدیدی از مواد متاثر از غلبه خواص کوانتومی بر خواص کلاسیک به کار برده می­شود. نانو فناوری در واقع رویکرد جدیدی در تمام عرصه­هاست ویک علم فرا رشته­ای است که تمام علوم را در بر می­گیرد و می­توان گفت نقطه اتصال علوم در آینده می­باشد. در بیان اهمیت این فناوری گفته می­شود که بخشی از آینده نیست بلکه تمام آینده است.

استفاده از فناوری نانو ناخواسته به چند صد سال پیش بر می­گردد. جام لیکورگوس که در موزه بریتانیا در لندن نگهداری می­شود یک نمونه استفاده از این فناوری در گذشته است که به قرن چهارم بعد از میلاد برمی­گردد. نکته جالب در این جام این است که تابش نور از بیرون به جام، آن را سبز رنگ کرده  و با تابش نور از درون آن به رنگ قرمز در می­آید. مطالعات میکروسکوپی پرده از راز این جام برداشته ومعلوم شده است که در درون شیشه این جام، ذرات نانو از جنس طلا و نقره قرار دارد و ذرات نانو، خواصی متفاوت از ذرات غیر نانو بروز دهند.

پیشرفت فناوری نانو با اختراع میکروسکوپهای الکترونی وارد فاز جدیدی شد. در سال 1931 دانشمند آلمانی ماکس­نات و ارنست روسک اولین نوع از این میکروسکوپ­ها را اختراع کردند. واروین مولر پروفسور فیزیک دانشگاه ایالت پن با اختراع میکروسکوپ الکترونی با زمینه یونی، اولین فرد در تاریخ بود که اتم­ها را به صورت منحصر به فرد و ترتیب آن­ها در یک سطح مشاهده نمود.

بعد از این سال فعالیت در عرصه نانو رشد چشمگیری را شروع کرد. در سال 1980 در مرکز تحقیقاتی IBM در سوییس تکنیکی ابداع شد که تصویر اتم را بزرگ می­کرد. در 1990 برای اولین بار دانشمندان اتم­ها را حرکت دادند و با اتم­ها اولین جمله را نوشتند. با فناوری نانو انسان اکنون می­تواند جهان ماده را آن­طور که خودش می­خواهد بسازد. تنها کافی است مواد پایه­ای جهان ماده را یک بار دیگر اتم به اتم و ملکول به ملکول کنار هم بچیند.به قول هرست استومر برنده جایزه نوبل: “ظهور نانو تکنولوژی می­تواند به بشر تسلط لازم برای کنترل بی­سابقه و کم­نظیر بر جهان ماده را بدهد.”

1-1-1- کاربرد فناوری نانو

برای فناوری نانو در بسیاری از زمینه­ها از جمله صنعت، پزشکی، کشاورزی، دوام­پذیری منابع، هوافضا، امنیت ملی، صنعت الکترونیک و غیره، کاربرد دارد.

فناوری نانو با دارا بودن ویژگی­های منحصربه­فرد خود، قابلیت­های فراوانی در عرصه­های مختلف ایجاد کرده­ که نمونه­هایی در زیر ذکر می­شود.

ترکیب سه حوزه فناوری اطلاعات، نانو و زیست­شناسی ملکولی منجر به ایجاد رشته الکترونیک ملکولی شده که در آن با استفاده از ملکول DNA می­توان سیم­های پردازشگر بیولوژیکی تهیه کرد و از ژن­های مستقر بر DNA برای انتقال و ذخیره اطلاعات استفاده نمود.

خرید متن کامل این پایان نامه در سایت nefo.ir

در ساختارهای نانو، نظیر نانو ذره­ها و نانو لایه­ها، نسبت سطح به حجم، بسیار بالا است. بنابراین اجزای ایده­آلی برای استفاده در مواد کامپوزیت، واکنش­های شیمیایی، انتقال دارو و ذخیره به شمار می­روند. کاتالیزورهای نانویی بازده واکنش­های شیمیایی و احتراق را افزایش و از طرفی مواد زائد و آلودگی را کاهش می­دهند. سرامیک­های نانو ساختاری از سرامیک­های ساخته­شده در مقیاس میکرون، سخت­تر و محکم­ترند. با استفاده از این فناوری می­توان داروها را به همان نقطه هدف در بدن رساند، بدون آنکه دیگر اجزای بدن را درگیر کند. بنابراین اثر دارو بیشتر وعوارض ناشی از آن بسیار کاهش می­یابد. همچنین بیش از نیمی از داروها در مقیاس میکرون در آب قابل حل نیستند، در حالیکه این امر در مقیاس نانو امکان­پذیر بوده و شانس یافتن داروهای جدید با کارآیی بیشتر وجود خواهد داشت.

2-1-1- تئوری های مختلف اثرات اندازه

یکی از مشکلات موجود در دنیای نانو، تغییر خواص ماده می­باشد. در واقع رفتارهایی که در مقیاس نانو مشاهده می­گردند، بر اساس رفتارهای مشاهده شده در ابعاد ماکرو قابل پیش­بینی نیستند. تغییرات مهم رفتاری عمدتاَ ناشی از اثرات کوانتومی کاهش ابعاد (Quantnm Size Effect) و به علت نزدیکی اندازه ذرات به مقیاس طولی میانگین می­باشد. به عبارت دیگر نقص تئوری شکل­پذیری کلاسیک، عدم توانایی در تعیین اثر اندازه بر رفتار مکانیکی ساختارهابا مقیاس میکرون و زیر میکرون است. نقص size-free در تئوری الاستیسیته کلاسیک در درک پدیده­های زیر میکرون لزوم ارائه تئوری­های سازگار در این بعد از ماده را نمایان می­سازد. نیاز به اعمال اثر اندازه در مدل­های ساختاری در مقیاس میکرو و نانو، موجب ظهور تعدادی از تئوری­های مختلف شده که عبارتند از:پیوستگی در رده­های بالاتر  با  در نظر گرفتن اثر اندازه شد .

تئوری­های غیر موضعی ارینگن، گرادیان کرنشی، تنش کوپل، تنش کوپل اصلاح شدهو تنش سطحی. در واقع اثر اندازه در این تئوری­ها به صورت ثوابت ظاهر می­شوند. برای مثال تئوری غیر موضعی ارینگن دارای دو ثابت aو می­باشد که به ترتیب طول اولیه پیوند و ثابت ماده هستند. این تئوری به طور گسترده برای بررسی اثر اندازه در ساختارهای نانولوله­ها استفاده می­شود. تئوری گرادیان کرنشی دارای سه پارامتر مقیاس کوچک طول می­باشد که در روابط با  و  و  نشان می­دهند، در حالیکهتنش کوپل اصلاح شده دارای یک پارامتر مقیاس کوچک طول می­باشد و زیر مجموعه تئوری گرادیان کرنشی به حساب آورده می­شود.بر اساس تئوری مذکور ذرات ماده بر اثر نیرو علاوه بر جابه­جایی دارای چرخش حول خود نیز می­شوند که این در مواد مقیاس ماکرو مشاهده نمی­شود.

2-1- تیر پیچیده شده

تیرهای پیچیده شده به دلیل اهمیت آنها در کاربردهای مهندسی، تحقیقات گسترده­ای را معطوف خود ساخته است. برخی از کاربردهای رایج آن در صنعت را می­توان به استفاده آنها در ملخ­های بالگرد و هواپیما، توربین­های باد، دندانه چرخ دنده ودر بیو مکانیک می­توان به استخوان انسان به علت شباهت آن به این نوع تیر­ها اشاره نمود. تیغه­های استفاده شده در کمپرسور، پمپ­ توربین­  و موتور­های جت شکل(1-1)، را می­توان نمونه بارز این نوع تیرها برشمرد. ابزارهای برشی شیاردار با زوایای مارپیچی، همچون مته­ها شکل(1-2)، انتهای فرزهای برشیشکل(1-3) و انواع قلاویزهای مارپیچی شکل (1-4)، از نمونه­های دیگر پرکاربرد این نوع تیرها هستند.