سرشناسه: شفیعی، محمد هادی، 1385-

عنوان و نام پدیدآور: نقش نانو در بهبود زندگی/گردآورندگان محمد هادی شفیعی، مهدی شیخ امیری.

مشخصات نشر: اصفهان: انتشارات امیر فدک، 1398.

مشخصات ظاهری: 70ص.

شابک: 978-622-6521-65-9

وضعیت فهرست نویسی: فیپا

موضوع: نانوتکنولوژی

موضوع: Nanotechnology

موضوع: نانوتکنولوژی -- کاربردهای صنعتی

موضوع: Nanotechnology -- Industrial applications

شناسه افزوده: شیخ امیری، مهدی، 1384-

رده بندی کنگره: T174/ش7ن7 1398

رده بندی دیویی: 620/5

شماره کتابشناسی ملی: 5553040

ص: 2

نقش نانو در بهبود زندگی

گردآورندگان:

محمد هادی شفیعی

دانش آموز پایه ی هفتم دبیرستان دکتر محمدشفیعی

مهدی شیخ امیری

دانش آموز پایه ی هفتم دبیرستان دکتر محمدشفیعی

ص: 3

انتشارات امیر فدک: اصفهان- خیابان هشت بهشت غربی نبش تقاطع ملک ساختمان فدک

تلفن: 32730360-031 - همراه: 09133135694 کد پستی: 43151-81546

Fadak.mansori@gmail.com

نقش نانو در بهبود زندگی

محمد هادی شفیعی 85- مهدی شیخ امیری 84

آماده سازی: انتشارات امیرفدک

مدیر مسئول: دکتر محمدرضا محمد شفیعی

مدیر تولید: سید محمدرضا منصوری تهرانی

مدیر فنی: صالحیان - مظفری

ویراستار ادبی: جوهریان

ویراستار علمی: مظفری- نادر سلطانی- آرمان رضائی

صفحه آرا: عابدی- کاویانی

طراح جلد: کاویانی

● لیتوگرافی: طاها ● چاپ: ملت ● صحافی: ملت

● چاپ اول: 1397 ● تعداد:1000 ● قیمت: 40000 تومان

© حق چاپ: 1397، انتشارات امیر فدک

شابک: 9-65-6521-622-978 ISBN: 978-622-6521-65-9

هر گونه استفاده از مطالب اين کتاب اعم از بازنويسي، خلاصه سازي، نقل مطالب آموزشي، برداشت به صورت دست نويس، کپي، تکثير و هر گونه چاپ سنتي و ديجيتال، استفاده به صورت کتاب الکترونيکي، لوح فشرده، قرار دادن مطالب بر روي اينترنت و وبسايت ها و هر گونه شبکه ي کامپيوتري ديگر و به طور کل هر گونه استفاده ي اشخاص حقيقي و حقوقي در جهت منافع مادي و معنوي خود، بدون اجازه ي کتبي ناشر ممنوع و بر اساس بند 5 ماده ي 23 قانون حمايت از حقوق مؤلفان و مصنفان و قوانين مربوط به جرايم رايانه اي کشور قابل پيگيري در محاکم قضايي است.

ص: 4

مانند «میکروسکوپ اتمی» و «میکروسکوپ تونلی پیمایشی» استفاده می شود تا فرایند دستکاری و ایجاد پدیده ها و خصوصیات جدید در اشیاء نانویی ظهور یابند.

خنک و در زمستان گرم).

تصور کنید لباسی داشته باشید که نیازی به اتو نداشته باشد با آن احساس گرما یا سرما در تابستان و زمستان نکنید. ضد رطوبت و ضد عرق باشد.

9) شیشه های خود تمیز شونده و جاذب حرارت مثلا آسمان خراش های بلند از شیشه هایی ساخته می شوند که نیازی به تمیزکردن در تمام شرایط آب و هوایی ندارد همیشه براق و جاذب حرارت هستند.

10) نانو در علوم دامی و کشاورزی.

11) نانو در صنایع غذایی از جمله (نگهداری، بهبود طعم و رنگ، سلامت، بسته بندی، تولید غذا و صنایع غذایی).

12) نانو پزشکی شامل: (نانو ربات های هوشمند، هدف گیری و ارسال دارو سلول های آسیبدیده در بدن، تولید بافت های مصنوعی سازگار با بدن، تولید سیستم های هوشمند برای شناسایی بیماری ها، درمان بعضی بیماری های صعب العلاج مثل هپاتیت و سرطان، مراقبت های بهداشتی و...).

13) طراحی تراشه های رایانه ای.

14) تولید نانو لوله های کربنی که از مس رساناتر، از فولاد سخت تر و از آلومینیوم سبک تر.

15) نانو در حمل و نقل، کامپیوتر، ارتباطات، الکترونیک، انرژی، محیط زیست و امنیت ملی.

تصویر

ص: 11

تصویر

مصرف بنزین به همراه داشته باشد. همچنین انتظار می رود تغییرات عمده ای در فناوری روشنایی در 10 سال آینده رخ دهد.

می توان نیمه هادی های مورد استفاده در دیودهای نورانی را به مقدار زیاد در ابعاد نانو تولید کرد. در آمریکا، تقریباً 20٪ کل برق تولیدی صرف روشنایی می شود. مطابق پیش بینی ها در 10 تا 100 سال آینده پیشرفت هایی از این دست می تواند مصرف جهانی را بیش از 10٪ کاهش دهد که 100 میلیارد دلار در سال صرفه جویی و 200 میلیون تن کاهش انتشار کربن را به همراه خواهد داشت.

یک هارد دیسک با ابعاد یک کارت اعتباری می شود. ساخت تراشه ها در اندازه های فوق العاده کوچک به عنوان مثال در اندازه های 32 تا 90 نانومتر، تولید دیسک های نوری 100 گیگابایتی در اندازه های کوچک نیز می باشد.

سازندگان تجهیزات الکترونیکی علاقه بسیاری به کوچک کردن ابعاد و بالا بردن قدرت محاسبات این تجهیزات دارند. ولی این امر با استفاده از فن آوری های معمولی تقریبا به مرز نهایی خود نزدیک شده است. اما فناوری نانو راه دیگری را پیش پا گذاشته و می توان گفت دنیای الکترونیک را دگرگون ساخته است. با استفاده از این فن آوری نسل جدیدی از رایانه ها به نام رایانه کوانتومی به بازار خواهد آمد که تقریبا 1000 برابر رایانه های امروزی قدرت خواهد داشت! با استفاده از این رایانه ها سرعت دستیابی به اطلاعات صدها برابر شده و طبعا برتری اطلاعاتی با دارندگان این تجهیزات خواهد بود.

تصویر

که قابلیت ایجاد تحول در نحوه زندگی انسان خواهد داشت. به همین ترتیب می توان کاربردهای بسیاری را در سایر شاخه های علوم و فناوری برای فناوری نانو نام برد.

سوخت، کاهش تولید آلاینده ها و هزاران منفعت دیگر که به خاطر کاهش آلودگی عاید بشر خواهد شد. هم اکنون با استفاده از این فناوری لاستیک هایی ساخته می شود که با دارا بودن درصدی از خاک رس مقاومت به سایش بسیار بالایی داشته و عمری چند برابر لاستیک های معمولی دارند.

ساخت موادی در مقیاس نانو می توان تجهیزاتی سبک تر، مقاوم تر و محکم تر از محصولات امروزی تولید نمود. شرکت نانوتکنولوژی "جی پی" در هنگ کنگ یکی از پیشگامان توسعه کربید سیلیکون یک پودر سرامیکی در ابعاد نانو می باشد. با استفاده از این پودرها می توان مواد بسیار سختی تولید نمود. این شرکت در حال حاضر مشغول مطالعه و تحقیق بر روی سایر مواد مرکب می باشد و معتقد است که می توان با نانوکریستال ها تجهیزات حفاری با دوام تر و مستحکم تری تولید کرد. همچنین متخصصان این شرکت یک سیال جدید حاوی ذرات و نانوپودرهای بسیار ریز تولید نموده اند که به طور قابل توجهی سرعت حفاری را بهبود می بخشد. این مخلوط آسیب های وارده به دیواره مخزن در چاه را حذف نموده و قابلیت استخراج نفت را افزایش می بخشد.

شرکت های استخراج کنندة نفت در تهیه اطلاعات لازم و حساس جهت استخراج کامل و مؤثر نفت از مخازن با برخی مشکلات مواجه می باشند.

در حال حاضر محققان در آزمایشگاه فوتونیک دانشگاه صنعتی ویرجینیا درحال توسعه یک سری سنسورهای قابل اعتماد و ارزان از فیبرهای نوری جهت اندازه گیری فشار، دما، جریان نفت و امواج آکوستیک در چاه های نفت می باشند. این سنسورها به علت مزایایی نظیر اندازة کوچک ایمنی در قبال تداخل الکترومغناطیسی قابلیت کارآیی در فشار و دمای بالا و همچنین محیط های دشوار مورد توجه بسیار قرار گرفته اند. از همه مهم تر این که امکان جایگزینی و تعویض این سنسورها بدون دخالت در فرآیند تولید نفت و باهزینة مناسب فراهم می باشد. در حال حاضر عمل جایگزینی و تعویض سنسورهای قدیمی در چاه های نفت میلیون ها دلار هزینه در پی دارد.

سنسورهای جدید از نظر تولید بسیار مقرون به صرفه بوده و اندازه گیری های دقیق تری ارائه می دهند. انتظار می رود که تکنولوژی این سنسورها تولید نفت را با ارائه اندازه گیری های دقیق و قابل اعتماد و کاهش ریسک های همراه با اکتشاف و حفاری نفت بهبود بخشد. همچنین سنسورهای جدید به علت برخی کاربردهای ویژه نظیر استخراج دریایی و افقی نفت، جایی که به کاربستن سنسورهای قدیمی در چنین شرایطی بسیار مشکل می باشد، از توجه ویژه ای برخوردارند.

از عوامل کلیدی در صنعت خودرو می توان به موارد زیر اشاره کرد:

الف) کاهش آلایندگی و مصرف سوخت.

ب) بازیافت.

ج) ایمنی.

د) بهبود عملکرد و افزایش کارایی موتور.

ه) زیبایی گرایی.

بازارهای بخش های فناوری نانو در صنعت خودرو مطابق تحقیقات انجام شده به صورت ذیل می باشد:

تولید و ذخیره انرژی پیل های سوختی، پیل های خورشیدی، کاتالیزورهای گازوئیلی و بنزینی، ذخیره سازی انرژی مواد نانوساختار، نانوکامپوزیت، نانوذرات، نانوساختارهای سبکوزن، مواد مقاوم در برابر آتش و حرارت، افزایش استحکام و بهبود پایداری رنگ ها و پوشش های نانوساختار و هوشمند، خود تمیز شونده ها، مقاومت به خراش، عملکرد نوری پوشش ها، مواد قابل برنامه ریز حسگرها و نمایش گرهای دقیق، نمایشگرهای حرکت، نمایشگرهای فشار، نمایشگرهای شیب، سیستم های بیومتریک، حسگرهای جوی نانوالکترونیک، مدیریت هوشمند موتور، سیستم روشنایی، الکترونیک در دمای بالا، کنترل امنیت، باطری های با طول عمر طولانی مواد و پوشش ها، پوشش های نانوکامپوزیتی با اصطکاک پائین، پوشش های نانوکامپوزیتی مقاوم به سایش، پوشش های مقاوم به حرارت کاربردهای زیستی، تجهیزات بهداشتی، سیستم های امداد، طراحی زیستی تولید، اندازه گیری و کنترل اداوات، ابزار و ماشین ها، اتوماسیون محیط زیست، فناوری زیست محیطی، بازیافت، سوخت ابزارهای نانو و فناوری های متقارب در صنعت خودرو، فناوری بر اساس نانو لوله های کربنی، مدل سازی و شبیه سازی، نانوحسگرها و محرک ها اسپینترونیک و نانومغناطیس.

هنگامی که ریچارد اسملی برندة جایزة نوبل، بالک مینسترفلورسنس را در سال 1985 در دانشگاه رایس کشف نمود، انتظار اندکی داشت که تحقیق او بتواند صنعت نفت را متأثر سازد. سازمان انرژی آمریکا (DOE) سرمایه گذاری خود را در قسمت فناوری نانو با 62 درصد افزایش داد تا مطالعات لازم در زمینة موادی با نام های باکیبال ها و باکیتیوب ها استوانه های کربنی صورت گیرد. نانولوله های کربنی با وزنی در حدود وزن فولاد، صد برابر مستحکم تر از آن بوده، دارای رسانش الکتریکی معادل با مس و رسانی گرمایی هم ارز با الماس می باشند. نانوفیلترها می توانند به جداسازی مواد در میدان های نفتی کمک کنند و کاتالیست های نانو می توانند تأثیر چندین میلیارد دلاری در فرآیند پالایش به دنبال داشته باشند.

از سایر مزایای نانولوله های کربنی می توان به کاربرد آن ها در تکنولوژی اطلاعات نظیر ساخت پوشش های مقاوم در مقابل تداخل های الکترومغناطیسی، صفحه های نمایش مسطح، مواد مرکب جدید و تجهیزات الکترونیکی با کارآیی زیاد اشاره نمود. بسیاری از محققان و سیاستمداران جهان معتقدند که علم نانو می تواند تحولات اساسی در صنعت جهانی ایجاد نماید صنعت نفت نیز از پیشرفت این تکنولوژی بهره مند خواهد گشت.

علم نانو می تواند به بهبود تولید نفت و گاز با تسهیل جدایش نفت وگاز در داخل مخزن کمک نماید. این کار با درک بهتر فرآیندها در سطوح مولکولی امکان پذیر می باشد. با توجه به این که نانو مربوط به ابعادی در حدود متر می باشد، نانوتکنولوژی به مفهوم ساخت مواد و ساختارهای جدید توسط مولکول ها و اتم ها در این مقیاس می باشد.

خوشبختانه کاربردهای عملی نانو در صنعت نفت جایگاه ویژه ای دارند. نانوتکنولوژی دیدگاه های جدید جهت استخراج بهبودیافتة نفت فراهم کرده است. این تکنولوژی به جدایش موثرتر نفت و آب کمک می کند. با افزودن موادی در مقیاس نانو به مخزن می توان نفت بیشتری آزاد نمود. همچنین می توان با گسترش تکنیک های اندازه گیری توسط سنسورهای کوچک، اطلاعات بهتری دربارة مخزن به دست آورد.

می باشد، به طوری که آلودگی های ایجاد شده تحت تابش اشعة ماوراء بنفش به طور قابل توجهی از بین می روند، تا این که سنسورها بتوانند حساسیت اصلی خود نسبت به هیدروژن را حفظ نماید.

تحقیقات انجام گرفته در این زمینه حاکی از آن است که نانوتیوب های تیتانیا دارای یک مقاومت الکتریکی برگشت پذیر می باشند، به طوری که اگر هزار قطعه از آنها در مقابل یک میلیون اتم هیدروژن قرار بگیرند، مقاومت الکتریکی آن در حدود یک صد میلیون درصد افزایش می یابد. سنسورهای هیدروژن به طور گستردهای در صنایع شیمیایی، نفت و نیمه رساناها مورد استفاده قرار می گیرند. از آن ها جهت شناسایی انواع خاصی از باکتری های عفونتزا استفاده می گردد. به هرحال محیط هایی نظیر تأسیسات و پالایشگاه های نفتی که سنسورهای هیدروژن از کاربردهای ویژهای برخوردار می باشند، می توانند بسیار آلوده و کثیف باشند این سنسورهای هیدروژن نانوتیوب های تیتانیا هستند که توسط یک لایة غیرپیوست های از پالادیم پوشانده شده اند.

محققان این سنسورها را به مواد مختلفی نظیر اسید استریک (یک نوع اسید چرب) دود سیگار و روغن های مختلفی آلوده نمودند و سپس مشاهده کردند که تمام این آلوده کننده ها در اثر خاصیت فوتوکاتالیستی نانوتیوب ها از بین می روند. حد نهایی آلودگی ها زمانی بود که دانشمندان این سنسورها را در روغن های مختلفی غوطه ور ساخته و سنسورها توانستند خواص خود را بازیابند. محققان سنسورها را در دمای اتاق به مقدار هزار قطعه در مقابل یک میلیون اتم هیدروژن در معرض این گاز قرار دادند و مشاهده نمودند. که در طرح های اولیة سنسور مقاومت الکتریکی آن به میزان 175000 درصد تغییر میکند. سپس سنسورها را توسط لایه ای به ضخامت چندین میکرون از روغن موتور پوشاندند تا به طور کلی حساسیت آن ها نسبت به هیدروژن از بین برود. سپس این سنسورها را در هوای عادی به مدت 10 ساعت در معرض نور ماوراء بنفش قرار دادند و پس از یک ساعت مشاهده نمودند که سنسورها مقدار قابل توجهی از حساسیت خود را بدست آورده و پس از گذشت 10 ساعت تقریباً به طور کامل به وضعیت عادی خود بازگشتند.

علی رغم قابلیت بازگشتی بسیار مناسب این سنسورها، نمی توانند پس از آلودگی به انواع خاصی از آلوده کننده ها حساسیت خود را بازیابند برای مثال روغن WQ -40

ص: 24

به علت دارابودن مقداری نمک خاصیت فوتوکاتالسیتی نانوتیوب ها را تا حد زیادی از بین می برد.

با افزودن مقدار اندکی از فلزات مختلف نظیر قلع، طلا، نقره، مس و نایوبیم، یک گروه متنوعی از سنسورهای شیمیایی به دست می آیند. این فلزات خاصیت فوتوکاتالیستی نانوتیوب های تیتانیا را تغییر می دهند. به هرحال سنسورها در یک محیط غیرقابل کنترل در دنیای واقعی توسط مواد گوناگونی نظیر بخارهای آلی فرار دودة کربن و بخارهای نفت و همچنین گرد و غبار آلوده می گردند. قابلیت خودپاک کنندگی این سنسورها طول عمر آن ها را افزایش و از همه مهم تر خطای آن ها را کاهش می دهد.

کاربردهای ویژه نظیر استخراج دریایی و افقی نفت، جایی که به کاربستن سنسورهای قدیمی در چنین شرایطی بسیار مشکل می باشد، از توجه ویژه ای برخوردارند.

گرفته می شود که فرصت های قابل توجهی در نانوالکترونیک وجود دارد. به گونه ای که در سال 2006 نانوحافظه ها به تنهایی 1/ 3 میلیارد دلار سودآوری خواهند داشت.

همان گونه که در بالا توضیح داده شد، این امر هم اکنون در قالب روش های جدید برای تکمیل CMOSها آغاز شده است. این گزارش نشان می دهد که سازندگان نیمه هادی ها از هم اکنون باید به فکر طرح ریزی برای به کارگرفتن نانوتکنولوژی در تولیدات خود باشند. در غیر این صورت باید از دست دادن تولیدات بزرگ آینده را بپذیرند، که البته پذیرفتن این ریسک بسیار دور از ذهن به نظر می رسد.

تصویر

نوعی ظروف به نام ظروف نانو را به وجود بیاورند که فساد مواد غذایی را به تاخیر خواهد انداخت.

نانوذرات نقره، بهبود یافته اند به وسیله شرکت سول وارد بازار شده است که این ذرات نقره از رشد باکترى ها و قارچ ها جلوگیرى کرده و بدین وسیله از چرب شدن و بدبوشدن پا جلوگیرى مى کنند.

تصویر

فناوری نانو با ساخت موادی با عملکرد بسیار بالا می تواند ابزاری بسیار مهم برای پیشرفت زمینه های زیادی از جمله موارد زیر باشد:

1) تغییر محصولات چوبی از منبع محور به دانش محور.

2) پیشرفت های غیرمنتظره واقعی در عملکرد مواد زیستی ساخته شده از منابع چوب.

3) تغییر رویکرد از محصولات چوبی حجیم به مواد جدید بیوکامپوزیتی مناسب.

نانوتکنولوژی از زوایای زیادی مانند تولید ماده اولیه، ایجاد کاربردهایی جدید برای محصولات چوب و کاغذ، تولید نسل های جدیدی از مواد اولیه و محصولات لیگنوسلولزی می تواند صنایع چوب وکاغذ را متحول کرده و سبب جایگزینی مواد غیر تجدیدشونده مانند آهن، پلاستیک و سرامیک با محصولات جدید لیگنوسلولزی شود.

تصویر

و در این حوزه سعی در پیشتازی از دیگر کشورها دارند. اهداف کلی استفاده از نانوفناوری در صنایع لیگنوسلولزی شامل موارد زیر است:

1) توسعه پایدار: استفاده پایدار از منابه لیگنوسلولزی، ایجاد ارزش افزوده به مواد اولیه لیگنوسلولزی، ایجاد ارزش افزوده به ضایعات صنایع چوب و کاغذ، بهبود کارایی و راندمان، کاهش آلودگی های محیط زیست

2) رقابت: ایجاد تکنولوژی تولید هوشمند که سبب ذخیره منابع می شود، برآورده کردن نیاز مشتری و کسب بازار بیشتر، کاهش هزینه های تولید.

3) ایجاد تحول: تولید نسل جدیدی از محصولات چوبی و فیبری، ایجاد فرایندهای زیستی متنوع در چوب، تولید محصولات متنوع و بادوام.

ص: 31

حفاظت در برابر آتش.

چوب و کامپوزیت های چوبی به ویژه در موارد مصرف در محیط باز اغلب در معرض تهاجم عوامل مخرب بیولوژیک مانند لکه های آبی، کپک ها و قارچ ها قرار می گیرند. اصلاح سطح چوب با استفاده از نانوذرات سیلیکا امکان ورود و تکثیر باکتری ها و قارچ ها را به طور چشم گیری کاهش می دهد. ذرات نانو توانایی آزادسازی مداوم آفت کش ها و قارچ کش ها را در یک ساختار پلیمری دارند. در این روش ها قارچ کش ها و آفت کش ها به صورت کپسول هایی درون روکش قرار داده می شوند. در این روش ساختارهای میکرو، حفره ای ساخته شده از نانوذرات دیاکسید تیتانیوم نقش بسیار کلیدی در ساز و کارهای آزادسازی مرحله ای به عهده دارند. پوشش های دارای این ذرات در برابر نفوذ و تکثیر جلبک ها نفوذ ناپذیرند.

تصویر

صنعت کاغذ، صنعتی سرمایه بر است و زمان لازم برای به کارگیری فرآیندهای جدید در آن عموماً بسیار زیاد است. نقش مواد کاغذی اساسا استحکام بخشیدن به بسته بندی و در درجه دوم ایجاد ظاهری زیبا برای آن است. روکش بسته بندی های استاندارد کاغذی را می توان با استفاده از ترکیب فناوری های مختلفی مانند لایه لایه سازی، اکستروژن، متالیزاسیون و روکش دهی انتشاری به دست آورد. در صورت استفاده از نانو کامپوزیت های پایه رسی در غشاها و روکش ها خواص محافظتی بسیار مطلوب و پیشرفت های به دست می آید. در حال حاضر چندین فن آوری برای ایجاد ویژگی های جدید در محصولات کاغذی مانند، تعبیه انواع مختلف آشکارسازها بر روی محصولات کاغذی با استفاده از فن آوری های چاپ مدرن به همراه جوهرهای

ص: 34

ویژه و پلیمرهای رسانا در حال بررسی است. همچنین ذرات نانو موجب بهبود قابلیت آبگیری و ماندگاری کاغذ می شود. نانو پوشش ها موجب افزایش مقاومت کاغذ در برابر آتش می شود.

کمبود منابع جنگلی و چوبی در کشور ما حقیقتی تلخ و انکارناپذیر است. بنابراین در تولید محصولات چوبی باید توجه کرد که این محصولات دارای حداقل ماده اولیه چوبی و در عین حال از کارایی بالا برخورد باشد. با توجه به اینکه استفاده از فناوری های جدید در این زمینه می تواند بسیار کمک کند، بنابراین استفاده از فناوری های روز از جمله نانوتکنولوژی بسیار حیاتی است. فناوری نانو موجب کاهش چشمگیر در مقدار مصرف مواد اولیه و انرژی شده و باعث ورود کالاهایی با ارزش افزوده و کیفیت بهتر و قیمت کمتر به بازار می شود.

غذایی را به دسته های زیر تقسیم بندی نمود:

محصولاتی که در آینده ی نزدیک شاهد ظهور آن ها خواهیم بود، کاربردهای آینده ی فناوری نانو در تولید، فرآوری، نگهدارنده ها، بهبود رنگ و طعم، لوازم بهداشتی، ایمنی و بسته بندی تصور می شود که در زیر به برخی از آن ها اشاره می شود:

آدامس تمیزکننده ی دندان.

قاشق چنگال خود تمیز شونده (آلودگی های سطح با کمک فن آوری نانو تجزیه و از بین می روند که این مسئله هم اکنون در حال استفاده در زمینه ی شیشه های صنعتی است).

نوشیدنی های قابل برنامه ریزی (با ایجاد رنگ و طعم و ویژگی های دلخواه).

استفاده از نانوکپسولاسیون برای تولید طعم و بوی دلخواه در غذا.

نانو پوشش هایی که طول عمر غذاها را بسیار بیشتر از قبل افزایش می دهند.

بسته بندی هایی که اکسیژن را جذب و با این کار طول عمر مواد غذایی را افزایش می دهند.

کاهش چربی و نمک در غذاهای فراوری شده (شرکت Unilever معتقد است که می تواند درصد چربی بستنی را از 15 درصد به 1 درصد کاهش دهد).

توسعه ی حسگرهای نانو مقیاس برای ردگیری سموم و باکتری ها در فرایندها یا عرصه های غذایی (از نانوحسگرها و نانو تراشه ها به عنوان نانوفیلترها استفاده خواهد شد).

حمل دارو و مکمل های غذایی به وسیله ی غذاها با رنگ و طعم دلخواه.

تولید دارو در قالب غذا و شکلات برای تسهیل استفاده و افزایش کارایی داروهای در قالب غذا.

نانو مواد اضافه شده به فیلم های PVC می توانند از تخریب به وسیله اشعه ی ماورای بنفش جلوگیری نمایند.

ص: 40

جذب آب، بافت، جرم، مساحت سطح و غلظت می شود).

13- بررسی نحوه ی پایداری گرمایی، مکانیکی و PH مواد نانو مقیاس.

محصولات نانو در حال حاضر نقش جانبی ای در ساخت وساز بازی می کنند و این نوآوری برای موفقیت در بخش تجاری نیاز به گذشت زمان دارد.

یکی از دلایل عدم رواج محصولات ساختمانی که برپایه نانوتکنولوژی هستند قیمت بالای آن هاست. در حال حاضر، مواد نانو و به عبارتی محصولات نانو هنوز هم به طور قابل توجهی گران تر از سایر گزینه های محصولات دارای تکنولوژی است و از آن جایی که مصالح ساختمانی معمولا در مقادیر زیاد استفاده می شوند، با در نظرگرفتن کل حجم یک ساختمان یا سازه، یک تفاوت قیمتی کوچک می تواند در هزینه کل تاثیر قابل توجهی بگذارد. علاوه بر این، عملکرد فنی محصولات جدید باید ابتدا اثبات شود. به طور معمول طول عمر مفید ساختمان در محدوده 20 تا 30 سال محاسبه می شود. در نتیجه هنوز یک تجربه عملی دراز مدت با بسیاری از محصولات نانو وجود ندارد و اطلاعات کمی درباره عملکرد محصولات در درازمدت در دست است بنابراین، صنعت ساخت و ساز به محصولاتی که کارایی آن ها اثبات شده است مانند مصالح معمول، تکیه می کند. همچنین وضعیت دانش ما درباره فرآورده ها و محصولات صنعت نانو، امکانات و عملکردشان در صنعت ساخت وساز در حال حاضر بسیار محدود است. یک نظرسنجی که در سال 2009 انجام شده است نشان می دهد که اکثریت پاسخ دهندگان (75%) از چگونگی کارایی محصولات ساختمانی نانو در صنعت اروپا آگاه نبودند و افرادی که آشنایی نسبی داشتند این شناخت را از برچسب های اجباری که در محصولات تجاری جهت بازاریابی و فروش بهتر استفاده می شود، به دست آورده بودند. کاربرد نانو اغلب به این معنا که مادهای به نام نانو در مصالح استفاده شده است نیست در حالی که مواد نانو ممکن است در مقادیر زیادی از مواد موجود درگیر باشند. کلمه نانو صرفا به ساختارهایی که در محدوده اندازه نانو هستند، اشاره می کند، مانند اندازه منافذ یک ماده خاص، یا اندازه ساختار ملات یک ماده. البته استفاده از فناوری نانو در طراحی و تبلیغات محصولات در سال های اخیر کاهش یافته است و دلیل آن پتانسیل آسیب رسانی به محیط زیست یا خطرات آن برای سلامتی انسان است و به الگوی خرید محتاط تری از طریق رسانه ها تبدیل شده است.

محصولات ساختمانی که با فناوری نانو ساخته می شوند.

لیست محصولات ساختمانی که در آن ها از فناوری نانو استفاده شده است شامل

ص: 44

محصولات سیمانی (ملات، سیمان، تایل های سقف)، رنگ ها، روغن های جلادهنده و دیگر محصولات طراحی شده در پوشش سطح است. محصولات نانو در صنعت ساخت در حال حاضر در چهار بخش متمرکز هستند.

مصالح سیمانی ساخته شده با فناوری نانو.

عایق صوتی و حرارتی یا تنظیم کننده دما.

پوشش سطح برای بهبود عملکرد مصالح مختلف.

محصولات نانوتکنولوژی حفاظت کننده در مقابل آتش.

استفاده از فناوری نانو در ساخت بتن

ساخت بتن با کارایی بسیار بالا به وسیله نانوتکنولوژی

تصویر

بتن یک نوع سنگ مصنوعی ساخته شده از سیمان، سنگدانه (شن، ماسه، آهک) و آب است. سالانه بیش از ده میلیارد تن بتن در سرتاسر جهان تولید می شود، می توان گفت ساخت این ماده در این مقیاس، تاکنون بزرگ ترین ساخته دست بشر در صنعت ساختمان است. قدرت بتن را می توان به مواد سوزنی شکلی (کلسیم سیلیکات هیدرات) در ساختارش نسبت داد که طی فرایند سخت شدن بتن به یکدیگر می چسبند. از میکروسکوپ های الکترونی برای به تصویرکشیدن و مطالعه ساختارهای به مقیاس نانو شامل تجزیه و تحلیل بین ساختار مواد نانو و ویژگی های آن استفاده می شود. استفاده از فناوری نانو باعث ایجاد یک بهینه سازی هدفمند در مصالح ساختمانی برای یک ویژگی خاص می شود. در چند سال اخیر این موضوع به پیشرفت های جدید و بهبود

ص: 45

مواد منجر شده است.

مواد چسبنده در مقیاس نانو که به بتن افزوده می شود خواص جدید در کارایی، قدرت و ماندگاری آن ایجاد می کنند. اضافه کردن ذرات سیلیکون دی اکسید در مقیاس نانو حفره های بتن را پر می کند و سبب سخت تر و متراکم تر شدن آن می شود. همچنین بتن با عملکرد بالا شامل الیاف فولادی می شود، که خاصیت کششی بتن را بهبود می بخشد. این نوع بتن مقاومت فشاری بیشتر از فولاد را نیز داراست. پلیمرهای افزوده شده به عنوان مثال رزین های مصنوعی به روانی و گیرش بتن کمک می کند. که در بتن های خود متراکم استفاده می شود. جرم مخصوص و قدرت بالای این نوع بتن سبب شده است از آن در سازه هایی مانند پل ها استفاده شود.

دوره های طولانی حائز اهمیت است. به عنوان مثال رنگ سفید بتن در کلیسای جابلی رم ساخته شده در سال 2003 نشان دهنده مقابله با اثرات خاک طی سالیان گذشته بوده است. یک امکان دیگر محصولات بتنی کاتالیست، تصفیه هوا است. در مناطق شهری، سطح بالای نیتروژن اکساید ناشی از تردد وسایل نقلیه یک مشکل اساسی است. محصولات بتنی به کار رفته در بام و سنگ فرش ها با خاصیت فوتوکاتالیستی طراحی شده اند تا از طریق تبدیل نیتروژن اکساید هوای اطراف به نیترات سبب بهبود کیفیت هوا شود. یک امکان باالقوه دیگر در این بتن ها استفاده در دیوارهای کاهش دهنده صدا یا سطوح جاده ها است که از نظر اقتصادی مقرون به صرفه می باشد.

تصویر

به طور سنتی، تحقیق و توسعه در زمینه نانوفیلرها یعنی فیلرهایی با حداقل یک بعد در محدوده 1 تا 100 نانومتر و یا حتی در دامنه وسیع تر 1 تا 400 نانومتر، مورد توجه بسیاری از محققین قرار گرفته است. در حال حاضر، پیشرفت ها در زمینه نانوفیلرها موارد تجاری شده و یا بخش هایی که هنوز در مرحله تحقیق و بررسی عملی است برای کاربردهای پایانه تر کاغذسازی، عمدتاً می توان شامل نانو مواد معدنی موجود که به طور تجاری در دسترس است (مثل رنگدانه دی اکسید تیتانیم) باشد که با ویژگی های مطلوب ویژه به طور مستقیم به ترکیب خمیر کاغذ قبل از تشکیل نوار تر کاغذ اضافه می شود و هدف آن دستیابی به ویژگی های کاغذ عالی مثل پراکنش نور مطلوب برای ماتی و روشنی کاغذ است. اگر چه نانو کربنات کلسیم تحت شرایط مشخص به دلیل ضریب شکست نور بسیار کم کلسیت (در مقایسه با دی اکسید تیتانیم) پراکنش نور ضعیفی دارد، اما استفاده از نانوکربنات کلسیم تجاری به لحاظ مصرف و شرایط عملیاتی، عملی است.

فناوری ذرات نانو برای شیمی پایانه تر، اساساً علم مونومرهای سیلیکاست که به صورت توده در می آیند. اولین نسل آن ها، ترکیب ذرات نانوآنیونی (سیلیکاس کلوئیدی) و نشاسته ها کاتیونی، امروزه هنوز هم مورد استفاده قرار می گیرد. در اوایل دهۀ 1190، نسل جدیدی از ذرات نانو که ساختار سیلیکاسل در آن ها تکامل یافته بود و قابلیت استفاده در ترکیب به همراه پلی اکریل آمیدهای سنتزی را داشتند معرفی شد. این پیشرفت، بهبود قابل توجهی ورای فناوری های قدیمی تر بود. زیرا ذرات نانو با پلیاکریل آمیدهای سنتزی پیوند بهتری حاصل کرده بودند. گوی های سیلیس، پیوندهای قوی کوالانسی سیلوکسان ایجاد می کنند که تحت تاثیر نیروهای برشی در ماشین کاغذسازی شکسته نخواهد شد. با وجود این ویژگی های اصلاح شده، آن ها فقط روی کاغذهای نرم و تمیزتر و طبقه مقوا و موثر است و برای آن دسته از کاغذهایی که در پایانه تر از هدایت بالایی برخوردارند مناسب نیست. کاغذسازها برای بهبود آبگیری و حفظ نرمه ها در ماشین کاغذ از سیلیس کلوئیدی و محصولات مرتبط با آن، سالانه در تولید بالغ بر 10 میلیون تن کاغذ و مقوا استفاده می کنند. نوع دوم افزودنی های صنعتی مورد استفاده در ترکیب با پلیمرهای کاتیونی برای بهبود نگهداری و زه کشی، مونتموریلونیت های قلیایی هستند که اصطلاحاً «رس واکشیدگی» نامیده می شوند و به طور معمول به عنوان بنتونیت یا اسمکتایت شناخته می شوند. در مقایسه باسیستم های میکرو که در آن ها از ذرات سیلیس کلوئیدی استفاده می شود، نمونه هایی از کاربردهای جدید نانو ذرات، رنگدانه کائولین است که به عنوان یک عامل پوشش دهنده سطحی و بهبوددهنده سفتی کاغذ است. پرکننده های با اندازه نانو به دلیل داشتن وزن پایه کمتر می توانند جایگزین الیاف در کاغذسازی شوند. این ترکیبات در حقیقت نانو ذراتی هستند که باعث تقویت و بهبود ویژگی های چاپ پذیری کاغذ و مقوا می شوند. استفاده از مقادیر بیشتری از پرکننده و نانوذرات به عنوان کمک نگهدارنده مناسب برای ماشین های با سرعت بالا است که باعث افزایش بهره وری و بازده می شود.

همچنین عوامل آهاردهی کاغذ که برای مقاومت کاغذ به جذب رطوبت اضافه می شوند دارای چنین ویژگی هایی هستند. در مقیاس تجاری، ابعاد اولیه مواد افزودنی سیلیس کلوئیدی عمدتا در محدوده 1-5 نانومتر قرار دارد. با توجه به این که این ذرات در مقیاس نانو و تقریباً کروی شکلند، سطح ویژه ان ها زیاد و حدود 500-3000 متر

ص: 49

مربع بر گرم است. در حقیقت سطح ویژه این ذرات حدود 1000 برابر بیشتر از سطح ویژه سایر مواد جامد تشکیل دهنده کاغذ است. سطح ویژه الیاف کاملاً واکشیده از خمیر کاغذ چوب در حالت مرطوب در حدود 200 متر مربع بر گرم است. اما این مقدار در مقایسه با سطح ویژه ذرات نانو کلوئید سیلیس تجاری مورد استفاده در بهبود ماندگاری و آبگیری، اختلاف زیادی دارد. سطح سیلیس می تواند اسیدی باشد، یعنی این پروتون های جدا شده از گروه های سیلانول از کنار یک بار منفی، محل برخورد را ترک می کنند. این عمل باعث افزایش دانسیته شارژ سطحی و افزایش PH می شود. ساختار ترکیبات سیلیس کلوئیدی نیز می تواند متفاوت باشد. اگر یک کلوئید سیلیسی صرفاً به شکل پراکنده به دوغاب خمیر یا الیاف تیمار نشده افزوده شود، تاثیر خاصی نخواهد داشت یعنی این که الیاف نه انباشته می شوند و نه پراکنده و هیچ تغییری در سرعت خروج آب از خمیر کاغذی روی توری دیده نمی شود.

تصویر

کیلومتر الیاف 100 نانومتری تولید کرد. بنابراین به راحتی می توان به اهمیت استفاده از نانو الیاف در کاربردهای مختلف اشاره کرد. با توجه به آن که نانو الیاف ها طی این سال ها به شدت رشد داشته، بهتر است قبل از معرفی چنین محصولاتی به بازار احتیاط بیشتری کرد.

امروزه نانو الیاف به واسطه تخلخل بسیار بالا، سبکی و مهم تر از همه سطح ویژه فوق العاده بالا، در حوزه های مختلف کاربرد دارد. روش های تولید نانو الیاف متنوع است که از مهم ترین این روش ها می توان به کشش، جداسازی الیاف چند جزئی، جدایش فازی و خود هم آرایی ماکرومولکول ها اشاره کرد. با این حال فرایندهای مبتنی برالکتروریسی، به رغم سادگی فرایند و تجهیزات مورد نیاز، مقرون به صرفه ترین و کارآمدترین روش تولید نانو الیاف بوده است. فرایندهای الکتروریسی از لحاظ سرعت، تنوع، پیوستگی، سادگی، هزینه و امکان تجاری سازی، بر سایر روش های عنوان شده ارجحیت دارند. در این فرایند، محلول یا مذاب پلیمری در یک میدان الکتریکی با ولتاژ بالا قرار می گیرد و به واسطه بار القا شده، نیروی الکترواستاتیکی بر محلول یا مذاب وارد می شود که برخلاف نیروی کشش سطحی، محلول یا مذاب است. زمانی که نیروی الکترواستاتیکی بیشتر از نیروی کشش سطحی محلول یا مذاب شود نانو الیاف شکل می گیرد. نانو الیاف ها می توانند به طور مستقیم یا غیرمستقیم به عنوان فاز پرکننده یا تقویت کننده در ساخت کاغذ یا کامپوزیت ها کاربرد داشته باشند.

روش هایی از هیدرولیز اسیدی تهیه کرد. ارزش متوسط اندازه کریستالین در حدود 100 نانومتر است. نانو کریستالین سلولز، توسط حذف شیمیایی سلولز بی نظم آن به اندازه نانو به دست می آید. سلولز، از طریق فرایند هموژنیزاسیون، به ذراتی کوچک تبدیل شده و در فشار بالا به نانو کریستال ها تبدیل می شود. از آن جا که این ذرات بسیار کوچک هستند، آن ها را در اندازه های نانومتری اندازه گیری می کنند. نتیجه، ماده ای سفید رنگ و چسبناک است که به اجزای کوچکتر تبدیل می شود تا جایی که این ذرات با پلاستیک تحت فشار بالا مخلوط می شوند و ریسمان یا روبانی را تولید می کنند.

رشد ترکیبی ناخالص سالانه این بخش در 5 سال آینده 1/3 درصد خواهد بود.

تصویر

مواد کاغذی اساسا استحکام بخشیدن به بسته بندی و در درجه دوم ایجاد ظاهری زیبا برای آن است. استفاده از فناوری نانو در صنایع کاغذ، کارآمدی و کارایی فرایندهای تولید محصولات و هرچه که به توسعه پایدار و حیات این صنعت منجر می شود را بهبود می بخشد.

ص: 54