نانوتکنولوژی

فناوری نانو

نانو فناوری یا نانوتکنولوژی، درک و کنترل ماده در مقیاس نانو، در ابعاد بین 1 تا 100 نانومتر است، جایی که پدیده‌های منحصر به فرد کاربردهای جدیدی را قادر می‌سازند.هر نانومتر 10 به توان 9- متر می‌باشد. در واقع نانو تکنولوژی علم بکارگیری خواص جدیدی از مواد و سیستم‌هایی در این ابعاد است. به طور کلی فناوری‌های نانو به طیف گسترده‌ای از تحقیقات و کاربردها اشاره دارد که ویژگی مشترک همه آن‌ها “اندازه” است.

در مقیاس نانو  تمام ویژگی‌های فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی تک تک اتم‌ها و مولکول‌ها با خواص کل ماده متفاوت است. فناوری نانو این قدرت را دارد که بسیاری از مواد و تجهیزات را با ویژگی‌های منحصر به فرد تولید کند. نانو یک پیشوند علمی است و به معنی یک میلیاردیم متر است، 1 nm یک میلیاردیم متر است (مانند اندازه یک تیله نسبت به کره زمین). در این قلمرو، اتم‌ها و ذرات رفتاری غیر متعارف را از خود به نمایش می‌گذارند.

دانشمندان و محققان در تلاشند با استفاده از نانوتکنولوژی، دستگاه‌ها و تجهیزاتی را بسازند که قابلیت‌های شگفت‌انگیزی داشته باشد، متخصصان با کار بر روی چگونگی حرکت اتم‌ها و نوع قرار گرفتن آن‌ها در کنار یکدیگر به ترکیبات و کیفیت مقاوم‌تری از مواد دست می‌یابند و از این رو کمک شایانی به چرخه اقتصاد خواهد شد. 

اندازه ذرات در فناوری نانو بسیار مهم است زیرا که ابعاد ماده در خصوصیات آن بسیار موثر است. به عنوان مثال اندازه‌گیری طول پیوندهای کربن- کربن یا فاصله میان دو اتم 12-15 nm است، یا قطر یک مولکول DNA دو رشته‌ای، 2 nm است. به دلیل تنوع کاربردهای بالقوه (از جمله صنعتی، پزشکی، نظامی و …) دولت‎‌ها  سرمایه‌گذاری بالایی در تحقیقات فناوری نانو کرده‌اند.

تاریخچه

در حدود ۴۰۰ سال پیش از میلاد مسیح، دموکریتوس فیلسوف یونانی، برای اولین بار واژه اتم را که در زبان یونانی به معنی غیر قابل بُرش است، برای توصیف ذرات سازنده مواد به کار برد. فناوری نانو، مربوط به موج چهارم انقلاب صنعتی، پدیده‌ای عظیم می‌باشد که در تمامی گرایش‌های علمی راه یافته‌است تا جایی که در یک دهه‌ی آینده برتری فرآیند‌ها، وابسته به این تحول خواهد بود.

اولین ایده‌های مربوط به علوم و فناوری نانو، توسط فاینمن در 29 دسامبر سال 1959 بیان شد. فاینمن در ابتدا مقاله‌ای درباره قابلیت‌های فناوری نانو در آینده نوشت و در یک نشست علمی این ایده را در سخنرانی با عنوان “فضاهای بسیاری در سطوح پایین وجود دارد” مطرح کرد. در سال 1965 تولید نانو ذرات فلزی در آزمایشگاه آغاز شد و کلمه نانو فناوری برای نخستین بار در سال 1986 در کتاب “موتورهای آفرینش در عصر جدید” استفاده شد.

شیشه‌گران قرون وسطایی از نخستین نانوفناورانی بودند که با افزودن نانوذرات طلا سبب تغییر رنگ در شیشه‌های کلیساها شدند. نانو در گذشته فیزیک اتمی نامیده می‌شد، و بعد از کاربردی شدن آن، نام نانو را به خود گرفت،  به همین دلیل نانو یک علم جدید نیست.

مقیاس نانو به افتخار آقای فاینمن :

مقیاس نانو

بخش جذاب مقیاس نانو مربوط به خواص مواد  می‌باشد، دانشمندان نشان می‌دهند که خواص مواد در مقیاس نانو تفاوتی اساسی با مقیاس ماکرو دارد. یعنی اگر ذرات یک ماده خاص را در حد چند نانومتر کوچک‌تر کنیم (بین 1 تا 100 نانومتر)، ویژگی‌ها و رفتارهای متفاوتی با ذرات بزرگ اولیه خواهند داشت.

به عنوان مثال نانوذرات نقره با تغییر شکل هندسی، تغییر رنگ می‌دهند و خاصیت اولیه خودشان را ندارند. شفافیت، یک  خاصیت فیزیکی است و نشان دهنده میزان توانایی یک ماده در عبور نور مرئی از خود است. مواد مختلف بر اساس عملکردشان در برابر تابش نور، می‌توانند کاربردهای فراوانی داشته باشند. ZnO (اکسید روی) و TiO₂  (اکسید تیتانیوم)، نور فرابنفش را کاملا جذب می‌کنند و نور مرئی را بازتاب می‌دهند.

این مواد به رنگ سفید هستند و در تولید ضدآفتاب‌ها استفاده می شوند. اما سفیدی کرم بر روی پوست ظاهر خوبی ندارد و این مشکل را می‌توان با کوچکتر کردن اندازه ذرات این مواد حل کرد. نانو ذرات اکسید روی و تیتانیوم علاوه بر جذب کامل فرابنفش، کاملا  شفاف بوده و خاصیت سفیدی کرم‌های ضدآفتاب بعد از استفاده روی پوست را ندارند. زیرا اندازه این نانوذرات کوچکتر از طول موج مرئی در بازه nm 400-700 است و در نتیجه توانایی بازتاب نور مرئی را ندارند.

تمایل یک ماده برای واکنش با سایر مواد، از جمله مهم‌ترین خواص شیمیایی می‌باشد. واکنش پذیری مواد در مقیاس نانو افزایش چشمگیری می‌یابد. به عنوان مثال: استفاده از نانوذرات طلا به عنوان کاتالیزور یا استفاده از نانو ذرات آلومینیوم به عنوان سوخت موشک (زیرا نانو ذرات آلومینیوم در هوا آتش می گیرند و در نتیجه می‌توان از آن‌ها به عنوان سوخت موشک استفاده کرد).

مقیاس نانو بسیاری از خواص فیزیکی مانند نقطه ذوب، خواص الکتریکی ،مکانیکی و هزاران خواص شیمیایی دیگر را تغییر می‌دهد. به نظر می‌رسد بدون در نظر گرفتن اندازه ذرات یک ماده، نمی‌توانیم خواص آن را شناسایی کنیم در نتیجه برخی دانشمندان پیشنهاد داده‌اند که یک بعد دیگر به جدول مندلیف اضافه گردد. به این معنی که برای مشخص کردن ویژگی‌های یک عنصر علاوه بر دانستن نام عنصر و جایگاه آن در جدول، لازم است مشخص کنیم که خواص عنصر را در چه ابعادی می خواهیم.

اهمیت مقیاس نانو

• میزان سطح اشغال شده به ازای واحد حجم در نانو مواد بیشتر از میزان سطح اشغال شده به وسیله ساختارها با اندازه میکرونی در همان حجم است. (عاملی مهم و مطلوب برای استفاده در نانوکامپوزیت، فعالیت کاتالیزوری، دارو رسانی و …)
• با طراحی مواد در مقیاس نانو، تغییر خواص میکروسکوپی آن ماده نظیر ظرفیت بار، دمای ذوب و… امکان‌پذیر می شود
• اندازه ذرات سهم مهمی در معالجه دارند، در رسانش دارو و تصویربرداری. (درمان سرطان)

فناوری نانو شامل دو تعریف نانو پدید (Nano- enabled) یا نانو بهبود  (Nano- enhanced) می شود.

بطور کلی کالای فناوری نانو شامل یکی از موارد زیر می‌شود:

• نانو ماده تولید شده یا نانو ماده مهندسی شده
• محصول میانی بهبود یافته با نانو یا پدیدار شده با نانو
• محصول نهایی بهبود یافته با نانو یا پدیدار شده با نانو

زمینه های مختلف مطالعه نانوفناوری

• مواد: شامل تولید نانو مواد که دانشمندان آن را به 2 بخش دیدگاه بالا به پائین و دیدگاه پائین به بالا طبقه بندی کرده‌اند. در دیدگاه بالا به پائین مواد با فرایندهای مکانیکی، فیزیکی و شیمیایی آنقدر خرد می‌شوند که در مقیاس نانو قرار می‌گیرند و در دیدگاه پائین به بالا با کنار هم قراردادن اتم‌ها، نانوساختارهای هدفدار با خواص فیزیکی و شیمیایی جدید ایجاد می‌شوند. البته از نانوساختارها می توان میکروساختارهای پیچیده‌تر با خواص متفاوت تولید کرد.

• ابزارها: از ابزارهای فناوری نانو برای توسعه فرایند، توسعه محصول و در تحقیقات و در صنعت داروسازی و پزشکی استفاده می‌شود.

توسعه فرآیند: در حال حاضر چندین ابزار فناوری نانو وجود دارند که برای توسعه فرآیند قابل استفاده هستند. اصطلاح توسعه فرآیند به ساخت داروها، واسطه‌های دارویی و توسعه ابزارهای اندازه‌گیری برای تشخیص اطلاق می‌شود.

توسعه محصول: اصطلاح توسعه محصول شامل اکتشافات دارویی و توسعه ابزارهای تشخیص است. به عنوان مثال یکی از شناخته‌شده‌ترین این ابزارها ، فرصت تبدیل داروهای کم محلول در آب به محصولات محلول در آب از طریق ساخت نانوداروها می باشد.

شاخه های پژوهشی نانوفناوری

• نانو فناوری مرطوب شامل کار از توده‌های کوچک تا بزرگ است، این فرآیند به محیط آبی نیاز دارد که فرآیند در آن انجام شود. نانوتکنولوژی مرطوب اولین ناحیه‌ای است که در آن چیزی مانند نانو مونتاژ کننده می‌تواند به نتایج اقتصادی برسد، نانو فناوری مرطوب سیستم‌های زنده و زیست محیطی را مورد مطالعه قرار می‌دهد و با تمام علوم مرتبط با حیات در ارتباط است
• نانوفناوری خشک این شاخه از نانوفناوری برگرفته از علوم پایه فیزیک و شیمی است و کاربرد مواد نانویی در الکترونیک، مغناطیس و ابزارهای نوری، ساختارهای کربنی، سیلیکونی، مواد غیرآلی، فلزی و غیره را بررسی می‌کند.
• نانوفناوری محاسباتی این شاخه از نانوفناوری به مطالعه مدل‌سازی و شبیه‌سازی نانوساختارها، فرآیندها و واکنش‌های اتم‌ها و مولکول‌ها می‌پردازد و سبب کاهش زمان پیشرفت نانوفناوری خشک از طریق نانومحاسبات می‌شود که تاثیر آن بر نانو فناوری مرطوب نیز غیر قابل انکار است، زیرا زمان طولانی لازم است تا نانو فناوری مرطوب به صورت کاربردی در آید.

نانوتکنولوژی و ارتباط آن با رشته های دیگر

نانوفناوری در کلیه علوم پزشکی، علوم مواد، صنایع دفاع، پتروشیمی، الکترونیک، کامپیوترهای کوانتومی و … باعث شده که تحقیقات و پیشرفت در زمینه نانو به عنوان یک چالش اصلی علمی و صنعتی پیش روی جهانیان باشد.

محصولات نانوتکنولوژی از سیستم‌های زیستی تبعیت می‌کنند. محصولات نانو، کاربرد چشمگیری در زیست پزشکی دارند. علم فیزیک (توابع موج و کشف نیروهای اتمی)، علم شیمی (روش‌های پیوند مولکول‌ها با همدیگر) در نانوتکنولوژی نیز تعریف می‌شوند.

فردی که با دنیای نانو در ارتباط است باید علم و اطلاعات وسیعی در حوزه فیزیک، شیمی، زیست شناسی، اصول مهندسی طراحی فرآیند و … داشته باشد تا در هنگام نیاز بتواند از ترکیب تمام این موارد برای یک نتیجه عالی استفاده کند.

نانو تکنولوژی و کشاورزی

در حال حاضر چالش‌های بسیار زیادی در بخش کشاورزی وجود دارد. مانند  تغییرات آب و هوا، شهر نشینی، مصرف منابع طبیعی و مشکلات زیست محیطی مانند رها کردن آفت‌کش‌ها ،کودها و … اما علم نانو در این زمینه به کمک کشاورزان و دانشمندان می‌آید.

کشاورزی و تولید مواد اولیه در کشورهای در حال توسعه، بنیان اقتصاد و تولید ملی آن کشور می باشد. با کمک این علم، امکان تولید کودها و مواد شیمیایی سازگار با محیط زیست که برای تغدیه گیاه یا حفظ آن در برابر حشرات کاربرد دارد وجود دارد.

برخی از  مهم ترین تحولات نوین نانو تکنولوژی در کشاورزی

• بهبود طعم غذاها
• تامین ریزمغذی‌ها
• مدیریت آفات حشرات
• نانو علف‌کش‌ها
• نانو قارچ‌کش‌ها
• کاهش استفاده از علف کش‌ها و آفت‌کش‌ها
• ارتقاء ژنتیکی گیاهان و حیوانات
• تولید ترکیبات شیمیایی سازگار با محیط زیست
• کاهش آلودگی و پساب‌ها
• افزایش عملکرد گیاهان گلخانه‌ای ، مزرعه‌ای و ….

نانو تکنولوژی و هوافضا

برخی از مشکلات هوا و فضا مانند مشکلات حمل سوخت از زمین، فرستادن فضاپیما به مناطق دور از خورشید و … وجود دارد که مواد و ابزارآلات نانوساختاری امیدی برای حل این موارد به وجود آورده است. با استفاده از تولید نانو (Nano fabrication) می‌توان به طراحی و تولید مواد با وزن سبک و مقاوم در برابر حرارت، مخصوصا برای هواپیماها، راکت‌ها، ایستگاه‌های فضایی و … دست یافت.

نانوتکنولوژی و صنعت الکترونیک

منظور از نانوالکترونیک، استفاده از فناوری نانو بر روی قطعات الکترونیکی است. هدف نانوالکترونیک، بهبود عملکرد دستگاه‌های الکترونیکی بر روی صفحه نمایش و مصرف برق است. نانوالکترونیک یک حوزه چندرشته ای است که از فیزیک کوانتومی، تجزیه و تحلیل دستگاه، ادغام سیستم و تحلیل مدار تشکیل شده است. به عنوان مثال ساخت تراشه های در اندازه های 32 تا 90 nm  یا تولید دیسک های نوری 100 گیگابایتی و …  از مزایای این علم می باشد.

زیست فناوری و نانو

اصطلاحات نانوبیوتکنولوژی و بیونانوتکنولوژی به ترکیب ایده‌ها، تکنیک‌ها و علوم زیست شناسی و فناوری نانو اشاره دارد. به طور خاص فناوری نانو به کاربرد اشیاء در مقیاس نانو برای بیوتکنولوژی اشاره دارد، در حالی که فناوری بیونانوتکنولوژی به استفاده از اجزای بیولوژیکی در فناوری نانو اشاره دارد. برجسته ترین تقاطع فناوری نانو و زیست شناسی در زمینه  نانوپزشکی است.

از آنجا که بسیاری از فرایند های بیولوژیکی در بدن انسان در سطح سلولی اتفاق می افتد، اندازه کوچک نانو مواد به آن‌ها اجازه می دهد که به عنوان ابزاری استفاده شوند که به راحتی در بدن گردش کرده و مستقیما با محیط‌های بین سلولی و حتی درون سلولی در تعامل باشند. تاریخچه زیست فناوری به 6000 سال قبل از میلاد باز می گردد، زیست فناوری به معنای استفاده مستقیم یا غیرمستقیم از موجودات زنده یا بخش هایی از ساختار آن ها به شکل طبیعی یا تغییر شکل یافته برای خدمت به بشریت است.

کشف آنزیم‌های خاص و بکارگیری فنون جدید مهندسی ژنتیک مانند فناوری DNA نوترکیب در قرن بیستم با این علم، جهانی شد. یکی از مهمترین دلایل پیشرفت زیست فناوری اختراع میکروسکوپ الکترونی بوده است. با استفاده از میکروسکوپ برای اولین بار در سال 1945 اجزای مختلف سلولی و ورود به دنیای میکروارگانیسم‌ها برای بشر گشوده شد.

نانوتکنولوژی و شیمی

یکی از شاخه‌های نانوتکنولوژی، دانش شیمی است که به شیمی مواد، در مقیاس نانومتر می‌پردازد. به عنوان دو مثال برجسته از کاربردهای نانوشیمی، می‌توان به روش‌های کاتالیز و فیلتراسیون (تصفیه) اشاره کرد. ترکیب مواد مختلف، محصولاتی جدید با ویژگی‌های منحصر به فرد تولید می‌کند. بنا بر این توصیف، شیمی با دانش نانو ارتباط بسیار نزدیکی دارد.در نتیجه همه ترکیبات شیمیایی می‌توانند توسط نانوتکنولوژی توضیح داده شوند.

نانوذرات می‌توانند به عنوان كاتاليز در سلول‌های سوختی، مبدل‌های کاتالیک و ابزارهای کاتالیز نوری استفاده شوند. نانو شیمی در تصفیه فاضلاب‌ها، تصفیه هوا، دستگاه‌های ذخیره سازی انرژی و … بسیار پرکاربرد است. استفاده از نانوذرات مغناطیسی روشی کارآمد و موثر برای زدودن آلاینده‌های فلزی سنگین از فاضلاب‌ها به کمک جداسازی است با استفاده از نانوذرات، بازده جذب آلاینده‌ها افزایش یافته و نسبت به روش‌های سنتی تصفیه، مقرون به صرفه می‌باشد.

کاربرد های نانو تکنولوژی

با استفاده از نانوتکنولوژی دانشمندان قادر به تولید ساختارهایی از مواد خواهند شد که در طبیعت یافت نمی شوند و علم شیمی مرسوم نیز قادر به تولید آن‌ها نبوده است.

همان طور که در شکل بالا مشخص است برخی از  کاربردهای نانوتکنولوژی عبارتند از :                   

• زیست پزشکی و رسانش دارو
• کشاورزی و صنایع غذایی
• صنایع آرایشی و رنگ‌ها
• بیوتکنولوژی
• پارچه و منسوجات
• صنایع الکترونیک
• متالوژی و مواد
• صنایع دفاعی و امنیت
• مهندسی نور
• ارتباطات
• ذخیره انرژی و …

برخی ازکاربردهای نانوتکنولوژی سبز

• آب و تصفیه فاضلاب
• انرژی و محیط زیست
• کشاورزی و بیوتکنولوژی
• دارو و درمان
• منسوجات
• حفظ غذا 

برخی از مزایای نانو ساختارها عبارتند از

• تولید مواد سبک تر، قوی تر، رسانای الکتریکی بهتر و قابل برنامه ریزی
• کاهش دفعات نقص فنی در نتیجه کاهش هزینه عمر کاری
• ساخت ابزارهایی نوین بر پایه اصول و معماری های جدید و …

تعدادی از شاخه‌های  استفاده از علم نانو

• انرژی
• جراحی
• لوازم الکترونیکی
• درمان بیماری ها
• دارو
• منسوجات
• مواد زائد و قابل دفع
• حمل و نقل
• اندام های مصنوعی
• ربات ها
• پلاستیک ها
• سنسورها
• اپوکسی ها
• فلزات  و …

استفاده از مواد در مقیاس نانو درکاربردهای روزانه

• افزودنی‌های پارچه‌ها و منسوجات در مقیاس نانو می‌تواند از آن ها در برابر چین و چروک، لکه ها و رشد باکتری‌ها محافظت کند. همچنین در تولید پارچه‌ها و منسوجات هوشمند قابل شست و شو و بادوام نقش دارد.
• استفاده از فیلم‌های شفاف در مقیاس نانو، بر روی عینک، نمایشگر کامپیوتر، دوربین، پنجره‌ها و سایر سطوح، می‌تواند آن‌ها را ضد آب، ضد بازتاب، خود تمیز شونده، مقاوم در برابر اشعه  فرابنفش یا مادون قرمز، ضد مه، ضد میکروب، مقاوم در برابر خراش و یا رسانای الکتریک کند.
• سبک شدن خودروها، کامیون‌ها، هواپیماها و کشتی‌ها و به طور کلی وسایل حمل و نقل منجر به صرفه جویی قابل توجهی در سوخت می‌شود.
• افزودنی‌ها در مقیاس نانو، در مواد کامپوزیت پلیمری، مانند راکت تنیس، دوچرخه، کلاه ایمنی موتورسیکلت، قطعات خودرو، چمدان و … مورد استفاده قرار می‌گیرند
• ورقه‌های نانو لوله کربنی در حال حاضر برای استفاده در خودروهای هوایی نسل بعدی تولید می‌شوند.

نانوتکنولوژی و کاربرد‌های انرژی

فناوری نانو به دنبال یافتن کاربردهای نوین در منابع انرژی سنتی است. از این رو رویکردهای جدیدی را جایگزین می‌کند و از این طریق به افزایش تقاضای انرژی در جهان کمک شایانی می‌نماید. دانشمندان به دنبال راه‌هایی برای ایجاد منابع انرژی پاک، مقرون به صرفه و تجدیدپذیر، همراه با کاهش مصرف انرژی و کاهش آسیب محیط زیست هستند.

• فناوری نانو در مسیر بهبود کارایی تولید سوخت از مواد خام نفتی از طریق کاتالیزگر است.
• از طریق احتراق با راندمان بالاتر و کاهش اصطکاک باعث کاهش مصرف سوخت در وسایل نقلیه و نیروگاه‌ها می شود.
• فناوری نانو برای استخراج نفت و گاز، از طریق دریچه‌های بالابر گاز با فناوری نانو در عملیت دریایی یا استفاده از نانوذرات برای تشخیص شکستگی‌های میکروسکوپی خط لوله نفت در چاه‌های زیرزمینی استفاده می‌شود.
• از فناوری نانو برای تولید برق از صفحات خورشیدی استفاده می‌شود و در آینده نوید انرژی ارزان قیمت را می‌دهد. سلول‌های خورشیدی با ساختار نانو، ارزان‌تر و نصب آسان‌تری دارند، و می‌توانند به جای صفحات مجزا در رول‌های انعطاف‌پذیر نیز ساخته شوند.
• محققان در حال توسعه سیم‌های حاوی نانولوله‌های کربنی هستند که باعث کاهش قدرت انتقال خواهند شد
• فناوری نانو برای توسعه انواع جدیدی از باطری‌ها استفاده می‌شود که کارآمدتر هستند، و سریع تر شارژ می‌شوند، وزن کمتری داشته، چگالی توان بالاتری دارند و بار الکتریکی بیشتری را نگه می‌دارند
• اپوکسی های حاوی نانولوله‌های کربنی، برای ساخت تیغه‌های آسیاب بادی، بلندتر، قوی تر و سبک‌تر از تیغه‌های دیگر استفاده می‌شوند تا میزان الکتریسیته تولیدی را افزایش دهند

این ها فقط بخشی از موارد کاربرد نانوتکنولوژی و انرژی است.

مزایای حمل ونقل در آینده

فناوری نانو نوید توسعه تولید مواد چند منظوره را می‌دهد که به ساخت و نگهداری وسایل نقلیه سبک‌تر، ایمن‌تر، هوشمندتر و کارآمدتر مانند هواپیماها، فضاپیماها و کشتی‌ها کمک می کند. علاوه بر این فناوری نانو ابزارهای مختلفی را برای استفاده از زیرساخت‌های حمل و نقل ارائه می‌دهد.

مواد مهندسی نانو در محصولات خودرو شامل قطعات ساختاری نانوکامپوزیت‌های پلیمری است. سیستم‌های باطری قابل شارژ قوی، مواد ترموالکتریک برای کنترل دما، لاستیک‌های مقاوم در برابر نورد کمتر، سنسورها و وسایل الکتریکی با بازده بالا و هزینه کم، پنل‌های خورشیدی هوشمند فیلم نازک و … همگی حاصل پیشرفت نانوفناوری می‌باشد.

مهندسی نانوآلومینیوم، فولاد، آسفالت ، بتن و سایر مصالح سیمانی و فرم‌های بازیافتی آن‌ها نوید بخش بهبود عملکرد، انعطاف‌پذیری، و کاهش هزینه آن‌هاست.

نانوتکنولوژی و مصالح ساختمانی

فناوری نانو  و افزودن نانوذرات می‌تواند به بهبود استحکام و دوام مصالح ساختمانی شامل سیمان، فولاد، چوب و شیشه کمک کند. نانومواد هزینه بالایی در مقایسه با مصالح معمولی دارند، اما با بهبود فناوری‌های تولید، هزینه‌های استفاده از فناوری نانو در ساخت و ساز در طول زمان کاهش یافته است.

فناوری نانو با ارتقاء عملکرد مصالح، نقش بسزایی در بالا بردن عمر سازه و ذخیره انرژی ایفا می‌کند. امروزه به دلیل کمبود منابع انرژی خصوصا در حوزه ساختمان سازی ذخیره انرژی اهمیت بسیار زیادی دارد. نانولوله‌های کربنی، نانوذرات سیلیکون، نقره، مس، دی اکسید تیتانیوم و اکسید آهن در تولید مصالح ساختمانی نقش دارند.

نانو لوله های کربنی

باعث افزایش مقاومت مکانیکی سیمان و مقاومت در برابر سایش و خوردگی می‌شوند. و در اثر افزودن به سرامیک خواص مکانیکی و حرارتی آن را بالا می‌برند. نانولوله های کربنی به 2 دسته تک جداره ( در آرایش گرافیتی این نانو ذرات فقط از یک دیواره کربنی استفاده شده ) و چند جداره (این نانوذرات در راستای طول خود از 2 یا چند صفحه گرافیتی تشکیل شده اند) تقسیم می‌شوند

نانوذرات سیلیکون

 در اثر افزودن این نانو ذرات به بتن، مقاومت مکانیکی بتن  افزایش یافته و در برابر خوردگی ناشی از اسید مقاوم می شود. افزودن آن به سرامیک باعث افزایش میزان انتقال نور شده و خاصیت ضد حریق ایجاد می کند. در شیشه نیز، در ساختار شیشه‌های ضد حریق یک لایه نازک مانند فیلم بین دو صفحه شیشه قرارگرفته و مقاومت حرارتی را بالا می‌برد.

نانوذرات نقره

در رنگ‌ها و پوشش‌ها استفاده شده و مانع فعالیت قارچی و باکتریایی می‌گردد. اگر این نانوذرات بر روی نمای ساختمان استفاده شوند، نما در برابر آلودگی و رشد میکروب‌ها محافظت می‌شود.

نانو ذرات مس ‌

در اثر افزودن به استیل، آن را در برابر  زنگ زدگی محافظت کرده، و باعث افزایش انعطاف پذیری آن می‌شود.

نانوذرات دی اکسید تیتانیوم                                                                                  

در اثر افزودن این نانوذرات به بتن، سرعت هیدراسیون آن افزایش یافته و در برابر آلودگی و باکتری محافظت می‌شود. همچنین این ذرات از طریق واکنش‌های فوتوکاتالیستی می‌توانند آلاینده‌ها را تمیز کنند، به همین دلیل از آن‌ها در ساخت شیشه‌ها استفاده می‌گردد که باعث می شود شیشه‌ها ضد لک و غبار شده و آلودگی بر روی آن‌ها باقی نماند.

نانوذرات اکسید آهن

باعث افزایش قدرت تراکم بتن شده و دوام آن در برابر فرسایش افزایش می‌یابد.

نانوتکنولوژی و محیط زیست

تاثیر نانوتکنولوژی بر محیط زیست می‌تواند دارای ابعاد مختلفی باشد. برای مثال می‌تواند منجر به افزایش راندمان دفع آلودگی زیست محیطی و کاهش هزینه عملیاتی گردد.

کاربردها

• حوزه پایش آلاینده‌های محیط زیست (با جمع آوری داده‌های مربوط به آلودگی هر منطقه، نوع آلودگی و میزان گسترش آلودگی را نشان می‌دهد)
• حوزه رفع آلاینده‌های محیط زیست (مانند تصفیه پساب صنایع، شهرها و …)

مزایا

• کاهش مصرف انرژی
• کاهش انتشار و تولید مواد زائد
• کاهش گازهای گلخانه‌ای
• افزایش دوام مواد در برابر تنش‌های مکانیکی یا هوازدگی در نتیجه افزایش طول عمر آن‌ها
• پوشش‌های مقاوم در برابر آب و خاک
• موادعایق جدید برای بهبود بهره‌وری انرژی در ساختمان‌ها
• نانومواد بر اساس خواص کاتالیزوری خاص خود به منظور افزایش انرژی و بهره‌وری منابع استفاده می‌شوند
• جایگزین مواد شیمیایی مشکل ساز محیطی

نانو کامپوزیت‌ها

یکی از مهمترین مزایای نانوذرات، مخصوصا نانولوله‌ها در ساخت کامپوزیت می‌باشد. دو یا چند جزء جداگانه با هم ترکیب می‌شوند تا در نهایت بهترین ویژگی هر جزء ارائه شود. تنوع قابلیت‌ها در نانوکامپوزیت‌ها، علاوه بر خواص نوری، خواص مکانیکی، الکتریکی و مغناطیسی بسیار خوبی نیز پدید می‌آورد. یکی از بخش‌های جذاب در این حوزه، استفاده از الیاف و نانولوله‌های چندجداره کربنی در پلیمرها است.

کاربرد مواد نانوکامپوزیت

• موادالکتریکی
• صنعت خودرو
• بسته بندی
• صنعت هواپیمایی
• حسگرها
• محرک ها و …      

نانو حسگرها، سنسورهای شیمیایی یا مکانیکی هستند که می‌توانند برای تشخیص وجود گونه‌های شیمیایی و نانو ذرات یا نظارت بر پارامترهای فیزیکی مانند دما در مقیاس نانو استفاده شوند. و آن‌ها را به سیگنال‌هایی که قابل تجزیه و تحلیل باشد تبدیل می کنند.

روش‌های مختلف ایجاد نانوحسگرها

• لیتوگرافی از بالا به پائین
• مونتاژ از پائین به بالا
• مونتاژ مولکولی

کاربردها

• استفاده در برنامه های تشخیص پزشکی
• استفاده در صنایع دفاعی و نظامی، غذا و محیط زیست و مراقبت های بهداشتی
• حسگرهای مبتنی بر نانو مواد به دلیل ساختارشان، حساسیت و ویژگی های متعددی نسبت به حسگرهای ساخته شده به روش سنتی دارند
• نانوحسگرها به طور بالقوه با نانوالکتریک ادغام می شوند تا قابلیت پردازش بومی را به نانوحسگر اضافه کنند
• مزایای قابل توجهی در هزینه و زمان پاسخگویی دارند
• در مقایسه با روش های سنتی مثل کروماتوگرافی و طیف سنجی، گزارش لحظه ای ارائه می دهند بر خلاف روش های سنتی که ممکن است ماه ها و سال ها طول بکشد.
• اندازه کوچک آن ها می تواند ضربات گسترده از واحد های حسگر، در یک دستگاه کوچک را فعال کند
• عملکرد آن ها “بدون برچسب” است، یعنی نیازی به برچسب های فلورسنت یا رادیواکتیو در آنالیت ها را ندارند.
• در شرایط محیطی به راحتی و با هزینه کم قابل ساخت هستند.

نانولوله‌های کربنی (CNTs)

لوله هایی از کربن هستند که قطر آن ها معمولا بر حسب نانومتر اندازه گیری می شود. نانولوله های کربنی به 2 دسته نانولوله های کربنی تک جداره (SWCNTs)(single wall carbon nanotubes)

و نانولوله های کربنی چند جداره (MWCNTs) (Multi wall carbon nanotubes) تقسیم می شوند.

نانولوله های کربنی تک جداره

• دارای قطر محدود، حدود 1 نانومتر هستند
• یکی از آلوتروپ های کربن است که بین قفس فولرن و گرافن تخت قرار دارد
• در این سازه، شرایط مرزی دوره ای بر طول بردار جمع شده اعمال می شود تا یک شبکه ی مارپیچی از اتم های کربن بدون درز پیوند خورده روی سطح سیلندر ایجاد شود

نانولوله های کربنی چندجداره

از نانولوله های کربنی تک جداره ی تو در تو تشکیل می شوند که در اثر برهمکنش های واندروالس در یک ساختار حلقه مانند به هم وصل شده اند. در حالی که نانولوله های ترکیبات دیگر وجود دارند، بیشتر تحقیقات بر روی کربن متمرکز شده است. طول نانولوله کربنی تولید شده با روش های متداول تولید، اغلب گزارش نمی شود، اما معمولا بسیار بیشتر از قطر آن است. بنابراین طول نانولوله های کربنی، بی نهایت فرض می شود.

علاوه بر این اکثر آن ها کایرال هستند، به این معنی که لوله و تصویر آینه ای آن را نمی توان روی هم قرار داد. گروه خاصی از نانولوله های کربنی تک جداره آکایرال، فلزی هستند ، با این حال این خواص الکتریکی به این بستگی ندارد که شبکه شش ضلعی به چه جهتی غلتیده شود و از این رو برای لوله و تصویر آینه ای آن یکسان است.

کاربردهای نانولوله های کربنی

• می توانند به درمان سرطان کمک کنند (تومور ها را در افراد مبتلا به سرطان سینه و کلیه کاملا از بین می برند)
• نانولوله های چندجداره به تومورها تزریق می شوند و با نوع خاصی از لیزر همراه با تابش مادون قرمز نزدیک درمان می شوند. (نانولوله ها در واکنش به لیزر ارتعاش و سپس گرما تولید می کنند، هنگامی که تومور به اندازه کافی گرم شد، سلول های آن شروع به مرگ می کنند)
• در درمان بیماری های قلبی و عروقی و پاکسازی عروق خونی بسیار موثرند (پلاک های موجود در رگ های خونی را بدون از بین بردن بافت سالم پاک می کنند)
• رسانایی الکتریکی قابل توجهی از خود نشان می دهند در حالی که نانولوله های دیگر نیمه هادی هستند
• دارای استحکام کششی فوق العاده می باشند
• هدایت حرارتی بالا به دلیل ساختار نانو و قدرت پیوند های بین اتم های کربن است
• از لحاظ شیمیایی می توان آن ها را اصلاح کرد

امید است که این ویژگی ها در بسیاری از زمینه های فناوری مانند الکترونیک، اپتیک، مواد کامپوزیت، فناوری نانو و سایر کاربرد های علم مواد ارزشمند باشد.

گردآوری و ترجمه: واحد تولید محتوای گروه صنعتی مکرر

منابع:

• Drexler, K. Eric (1986). Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. Doubleday. ISBN 978-0-385-19973-5
• Drexler, K. Eric (1992). Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation. New York: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-57547-4
• https://www.nature.com/articles/nnano.2008.25
• https://www.nanowerk.com/what-are
• https://www.amazon.in/N-WET-Rain-Water-Repellent-Coating/dp/B07SSLTY6Q
• https://www.intechopen.com/chapters/68970
• https://www.nano.gov/you/nanotechnology-benefits
• https://www.azonano.com
• https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201000743
• concepts of Nanochemistry. Germany: Wiley VCH. pp. 4–7. ISBN
• https://slideplayer.com/slide/5810196
• https://www.nano.gov/you/nanotechnology-benefits
• https://www.nanowerk.com/nanotechnology-in-construction-industry.php
• https://www.frontiersin.org/research-topics/4921/environmental-impact-of-nanotechnology-analyzing-the-present-for-building-the-future
• https://www.intechopen.com/chapters/72636
• https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/nanosensor
• https://www.nature.com/subjects/nanosensors
• Medical Nanotechnology: Science, Innovation, and Opportunity 
• https://www.nanowerk.com/nanotechnology/introduction/introduction_to_nanotechnology_22.php