تحقیق نانو

دانلود پایان نامه

 متن کامل در سایت تخصصی دانلود پایان نامه های کارشناسی ارشد  :www.arshadha.ir

 

                                                                                                                                              فصل اول

                                                                                     مقدمه

 

 

 

 

 

 

 

 

1-1- آشنایی اجمالی با فناوری نانو

در سال 1959 در سخنرانی گردهمایی انجمن فیزیک آمریکا، ریچارد فینمن1 ، (برنده جایزه نوبل فیزیک)، در گفتگویی به نام ” در آن زیرها جای بسیار زیادی هست”بینش ژرفی از آینده پیش رو نهاد. این گفتگو نشانگر آغاز چیزی بود که فناوری نانو خوانده می شود[ 1 ]. این فناوری با دستکاری در ماده در اندازه های نانو متر، یک هزار میلیونیم متر، سرو کار دارد و می دانیم که اندازه اتم ها چند دهم نانو متر است. پس در واقع فناوری نانو، توانایی کار کردن در مقیاس اتمی و مولکولی است و شاخه های از علم است که در آن ابعادی در حدود یک دهم تا چند صد نانو متر نقش کلیدی ایفا می کند[2و3]. به وسیله این فناوری امکان تولید مواد با کنترل ساختار آنها در ابعاد اتمی و مولکولی فراهم می گردد [4]. تعریف فینمن از فناوری نانو توسط اریک درکسلر2 گسترش داه شد. او که نخستین درجه دکتری درفناوری نانو را در سال 1991 از دانشگاه MIT دریافت کرد، در نگرشش به فناوری نانو پیشرفت کلیدی لازم برای به واقعیت پیوستن آرزوهایش را توانایی ساخت” سامانه ای که خودش را سر هم می کند”می داند[5]. اگر فناوری نانو به این پایه از پیشرفت برسد درکسلر به جهان بدون گرسنگی، کمبود انرژی و بیماری دست خواهد یافت. شاید این تعاریف صرفا رویایی به نظر آید، اما به هر حال آینده ایست که تلاش در راستای رسیدن به آن همچنان ادامه دارد.

 

1-1-1-  برخی اهداف فناوری نانو

همانطور که اشاره شد فناوری نانو توانمندی تولید مواد، ابزار و سیستم های جدید با در دست گرفتن کنترل در سطوح مولکولی و اتمی  است. در واقع این فناوری یک رشته جدید نیست  بلکه رویکردی جدید در تمام رشته هاست. در همین راستا برخی اهداف فناوری نانو عبارتند از :

توسعه فناوری و تحقیقات در سطوح اتمی، مولکولی و یا ماکرو مولکولی در اندازه های 1 تا 100 نانو متر،  خلق و استفاده از ساختار ها و ابزارهایی که به خاطر اندازه کوچکشان ، خواص و عملکرد جدیدی دارند و نهایتاتوانایی کنترل یا دستکاری در سطوح اتمی.

 

1-1-2-  اهمیت نانو ابعاد

دلایل زیادی برای اهمیت نانو ابعاد وجود دارد که بعضی از آنها عبارتند از اینکه اولاً خصوصیات مواد در اندازه های نانو متری دچار تغییراتی می شود و با طراحی مواد نانو متری تغییر در خصوصیات ماکروسکوپی و میکروسکوپی ماده مانند رنگ ، خواص مغناطیسی ، دمای ذوب و … بدون تغییر ترکیب شیمیایی آن ممکن میشود.  ثانیا ترکیبات نانو متری دارای نسبت سطح به حجم بسیار زیادی هستند ، لذا استفاده از آنها در مواد کامپوزیتی ، دارو رسانی در بدن و ذخیره انرژی به شکل شیمیایی ، ( مانند گاز طبیعی و هیدرژن) ، بسیار ایده ال خواهد بود و در آخر اینکه  سیستم های ماکروسکوپی ساخته شده از نانو ساختارها می توانند چگالی بسیار بیشتری نسبت به مواد ساخته شده از میکرو ساختارها داشته باشند و همچنین هدایت الکتریکی بهتری دارند. با استفاده از برهمکنش نانو ساختارها مفاهیم جدیدی در ابزارهای الکترونیکی، مانند مدارهای کوچکتر و سریعتر، کارایی بسیار پیشرفته تر و مصرف انرژی بسیار کمتر پدید می آید[6].

 

1-1-3- تفاوت فناوری نانو با دیگر فناوری ها

در فناوری نانو تنها کوچک بودن اندازه مد نظر نیست بلکه زمانی که اندازه مواد در این مقیاس قرار می گیرد، خصوصیات ذاتی آنها از جمله رنگ، استحکام، مقاومت در برابر خوردگی و … تغییر می یابد. در واقع اگر بخواهیم تفاوت این فناوری را با فناوری های دیگر بیان نماییم می توانیم وجود عناصر پایه را به عنوان یک معیار ذکر کنیم. عناصر پایه در حقیقت همان عناصر نانو مقیاسی هستند که خواص آنها در اندازه نانو با خواصشان در اندازه های بزرگتر فرق می کند و به سه دسته کلی تفسیم می شوند. اولین و مهمترین عنصر پایه درنانو فناوری ، نانو ذره است. منظور از نانو ذره ، ذراتی با ابعادی در حدود 1 تا 100 نانو متر در هر سه بعد می باشد. نانو ذرات می توانند به شکل های گوناگونی وجود داشته باشند مانند نانو ذرات فلزی، سرامیکی و … . دومین عنصر پایه نانو لوله های کربنی است که سال 1991 توسط دانشمندان ژاپنی کشف شد و در حقیقت لوله هایی از جنس گرافیت می باشند. این نانو لوله ها دارای اشکال و اندازه های مختلفی هستند و می توانند تک دیواره یا چند دیواره باشند. این لوله ها خواص بسیار جالبی دارند که منجر به ایجادکاربرد های قابل توجهی از آنها می شود. سومین عنصر پایه نانو کپسول است. همانطور که از اسم آن مشخص است  کپسول هایی هستند که قطر نانو متری دارند و می توان مواد مورد نظر را درون آنها قرار داد و کپسوله کرد. پس از آشنایی با مفاهیم فناوری نانو و اهداف آن  به معرفی شاخه های مختلف این فناوری می پردازیم.

 

1-1-4- شاخه های فناوری نانو

فناوری نانو منحصر به یک رشته خاص نیست بلکه رشته ای میان رشته ایست یعنی به علوم مختلف وابسته است و با استفاده از پیشرفت های علوم مختلف می توان به پیشرفت های فناوری نانو دست یافت. بنا بر این کاربرد های متفاوتی را می توان برای این فناوری متصور شد.  برخی محققین فناوری نانو این حوزه را به سه رشته تقسیم می کنند که در ادامه به شرح آنها می پردازیم:

الف- نانو فناوری مرطوب

این شاخه به مطالعه سیستم های زنده ای می پردازد که اساسا در محیط های آبی وجود دارند. در این شاخه ساختمان مواد ژنتیکی ، غشا ها و سایر ترکیبات سلولی در مقیاس نانو متر مورد مطالعه قرار می گیرند. پژوهشگران موفق شده اند ساختارهای زیستی فراوانی تولید کنند که بتوان نحوه عملکرد آنها را در مقیاس نانو کنترل کرد. این شاخه در برگیرنده علوم پزشکی ، دارویی و به طور کلی علوم و روش های مرتبط با زیست فناوری است[6].

ب- نانو فناوری خشک

این شاخه ، از علوم پایه مانند شیمی و فیزیک مشتق می شود و به مطالعه ساختارهای مواد از قبیل کربن، سیلیکون و مواد غیر آلی و فلزی می پردازد. نکته قابل توجه این است که الکترون های آزاد که در فناوری مرطوب موجب انجام واکنش ها می شوند ، در فناوری خشک خصوصیات فیزیکی ماده را پدید می آورند. در نانو فناوری خشک کاربرد مواد نانو مقیاس در الکترونیک ، مغناطیس و ابزارهای نوری مورد مطالعه قرار می گیرد. برای مثال از جمله این ابزار طراحی و ساختن میکروسکوپ هایی است که بتوان با استفاده از آنها مواد را در ابعاد نانو متر مورد مطالعه قرار داد[6].

 

ج- نانو فناوری محاسباتی

در بسیاری از مواقع ابزار آزمایشگاهی موجود برای انجام برخی آزمایش های نانو متری مناسب نیستند و لذا در مواردی این چنین ، از رایانه ها برای شبیه سازی فرآیند ها و واکنش های اتم ها و مولکول ها استفاده می شود. شناختی که به وسیله محاسبه به دست می آید ، باعث می شود که زمان لازم برای پیشرفت نانو فناوری خشک به طور محسوسی کاهش یابد و البته تاثیر مهمی در نانو فناوری مرطوب نیز خواهد داشت[6].

اکنون ممکن است این سوال مطرح شود که محققان شاخه های مختلف فناوری نانوچگونه به اهداف خود دست می یابند ؟ به عبارت دیگر تولید محصولات در فناوری نانو چگونه صورت می گیرد؟ در ادامه مختصری در  مورد روش تولید محصولات در فناوری نانو توضیح می دهیم.

 

1-1-5- روش های ساخت در فناوری نانو

اصولا در فناوری نانو دو روش برای ساخت محصولات نانو مقیاس وجود دارد که عبارتند از :  روش پایین به بالا و روش بالا به پایین. منظور از روش  پایین به بالا ، چینش اتم به اتم یا مولکول به مولکول از یک ماده کنار هم به طور دلخواه جهت ایجاد و ساخت مواد جدید نانو متری است . در این روش که خود شامل شیوه های مختلف تولید است ، مواد جدید با چینش اتمی خاص و منحصر به فرد می توانند ساخته شوند در روش بالا به پایین برای رسیدن به نانو مواد ، باید ذرات و ترکیبات بزرگتر ماده را با استفاده از روش های متداول خرد کردن در چند مرحله به مواد در مقیاس نانو متری تبدیل کنیم[6].

در ادامه در راستای معرفی فناوری نانو به شرح برخی جنبه های کاربردی آن می پردازیم.

 

1-2- کاربرد های فناوری نانو

در حال حاضر فناوری نانو به عنوان یک فناوری قدرتمند نوین مورد توجه همگانی قرار گرفته است . همانگونه که اشاره شد این فناوری شاخه های مختلفی دارد و دارای کاربردهای گوناگونی در زمینه علوم پزشکی  [ 7] ، شیمی و مهندسی شیمی [ 8 ] ، مصرف انرژی و دارو سازی [9 ] ، صنایع هسته ای ، دفاعی و الکترونیک [ 10، 11،12] ، محیط زیست [13] و … می باشد. بخشی از کاربرد های فناوری نانو به شرح زیر می باشد :

 

1-2-1- آب ، انرژی و محیط زیست

بیشترین تاثیر فناوری نانو در ارتباط با ذخیره سازی انرژی و بهبود شرایط تولید آن می باشد. به عنوان مثال شرکت های تولید مواد شیمیایی ، مواد پلیمری غنی شده با نانو ذراتی را ساخته اند که می تواند جایگزین قطعات فلزی بدنه اتومبیل ها شود.  این فناوری می تواند منجر به تغییرات قابل توجهی در استفاده از منابع طبیعی و آب شود. به عنوان مثال مهمترین کاربرد نانو فناوری در این زمیبه تصفیه پساب و فاضلاب ها می باشد و از این طریق موجب کاهش آلودگی و حل مشکلات زیست محیطی می شود.  به طور کلی این فناوری امکان بازیافت و استفاده مجدد از مواد ، انرژی و آب را فراهم می آورد.

 

 1-2-2- امنیت ملی

برخی کاربرد های دفاعی و نظامی این فناوری عبارتند از : تولید مواد محافظ جدید در برابر مواد شیمیایی جنگی، تسلط اطلاعاتی از نانو الکترونیک پیشرفته و استفاده بیشتر از اتوماسیون و رباتیک پیشرفته که منجر به جبران کاهش نیروی انسانی نظامی و همچنین کاهش خطر برای سربازان می شود. در واقع کاربرد های دراز مدت فناوری نانو در زمینه های دیگر پشتیبانی کننده امنیت ملی است.

 

 1-2-3- پزشکی

فناوری نانو می تواند در تمام مراحل پیشگیری ، تشخیص و درمان بیماری نقش اساسی داشته باشد.  به عنوان مثال می توان با کمک این فناوری ،  نانو مواد سنتزی آلی و معدنی را برای اعمال نقش تشخیصی درون سلول ها وارد نمود.  همچنین این فناوری قادر به طراحی مسیرهایی برای رهایش دارو می باشد به طوری که منجر به افزایش حیرت انگیز توان درمانی دارو ها می شود.

 

  1-2-4- تولید مواد و محصولات صنعتی

محققین قادر به ایجاد ساختارهایی از مواد خواهند شد که در طبیعت نبوده و شیمی مرسوم نیز قادر به تولیدشان نیست. کاربرد مواد نانو ساختار به دلیل اینکه دارای وزن کمتر، استحکام بیشتر مکانیکی ، شیمیایی و حرارتی موجب کاهش هزینه عمر کاری از طریق کاهش دفعات نقص فنی و در کل صرفه جویی اقتصادی می شود.

 

1-2-5 – صنایع الکترونیک

با استفاده از این فناوری می توان ذخیره سازی اطلاعات را در مقیاس فوق العاده کوچک انجام داد و ظرفیت ذخیره سازی اطلاعات را در حد هزار برابر یا بیشتر افزایش داد. این امر نهایتا به ساخت ابزارهای ابر محاسباتی در اندازه های بسیار کوچک مثلا به اندازه یک ساعت مچی می شود. چنانچه ظرفیت نهایی ذخیره اطلاعات به حدود یک ترابیت در هر اینچ مربع برسد ، این امر موجب می شود که ذخیره سازی 50 عدد DVD  در یک هارد دیسک با ابعاد یک کارت اعتباری امکانپذیر شود.

از مباحثی که تا کنون شرح داده شد ، مشخص است که نانو فناوری در تمامی عرصه های علوم کاربرد دارد و استفاده های مفید و ارزشمندی از آن می شود. از طرفی همانطور که در کلیه مباحث ذکر شده نیز واضح است ، یکی از اهداف اصلی نانو فناوری کاهش اتلاف انرژی می باشد. در این راستا یکی از مباحث نوینی که در دهه اخیر بسیار مورد توجه محققان قرار گرفته است ، سیالات حاوی نانو ذرات و خواص آنها می باشد. همانگونه که قبلا هم توضیح داده شد نانو ذرات اولین عنصر پایه در فناوری نانو هستند و به دلیل دارا بودن خواصی از قبیل بزرگ بودن پارامتر” نسبت سطح به حجم” که منجر به تغییرات شگرفی در سایر خصوصیات آنها می شود، بسیار مورد توجه هستند. از طرفی هنگامی که نانو ذرات در یک سیال معلق سازی می شوند موجب تغییر خواص سیال نیز می گردند. به چنین سیالاتی اصطلاحا نانوسیال1 گفته می شود. امروزه از نانو سیالات در صنایع گوناگون از قبیل حمل و نقل ، سامانه های تهویه مطبوع ، سامانه های گرمایشی و سرمایشی و سایر تجهیزات صنعتی استفاده می شود[ 14 ]. در واقع می توان گفت مهمترین کاربرد نانو سیالات در زمینه انتقال حرارت و هدایت گرمایی می باشد زیرا هدایت گرمایی سیالات حاوی نانو ذرات جامد فلزی و یا اکسید فلزی بسیار بیشتر از هدایت گرمایی سیال پایه می باشد. از طرفی یکی دیگر از خواص اساسی  سیال که در اثر تعلیق  نانو ذرات به شدت تغیر می کند ویسکوزیته آن می باشد. از آنجا که اساس این تحقیق استفاده از فناوری نانو در کاهش اتلاف انرژی است  ، کمیت مهمی که در این راستا به آن می پردازیم ، ویسکوزیته نانو سیالات می باشد. بررسی هایی که تا کنون در این مورد صورت گرفته است نشان داده اند که افزودن نانو ذرات به یک سیال موجب افزایش ویسکوزیته آن می شود.  همانطور که اشاره شد یکی از اهداف اصلی تهیه نانو سیالات ، استفاده از آنها در سامانه های خنک کننده می باشد. واضح است در مواردی که نیاز به جریان در آوردن نانو سیال می باشد، افزایش انرژی مصرفی جهت پمپاژ نانو سیال ، به دلیل افزایش ویسکوزیته آن ، خود معضلی در جهت اتلاف انرژی می باشد. بنا براین هدف ابن پایان نامه مطالعه ویسکوزیته نانو سیالات و عوامل موثر بر آن به منظور ارائه راه حلی جهت حل این معضل و استفاده بهینه از نانو سیالات می باشد. در این راستا به منظور تهیه نانو سیالات و انجام مطالعات بر آنها از نانو ذرات اکسید تیتانیم به دلیل خواص و کاربرد های ویژه ای که دارند ، استفاده شد. برخی از خواص این نانو ذرات عبارتند از اینکه به عنوان ماده کاملا بی خطر و ایمن  شناخته شده است  و عموما نانو ذرات اکسید فلزی نظیر اکسید تیتانیم دارای پایداری شیمیایی مناسبی هستند . این ماده در تصفیه و فیلتراسیون آب و گازها به ویژه هوا ، گندزدایی، رنگ زدایی ، ساخت سرامیک های ویژه ، از بین بردن سلول های سرطانی ، ساخت فتوکاتالیست ها ، تولید لوازم آرایشی و بهداشتی وتهیه پوشش های محافظ در مقابل اشعه ماورا بنفش مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین از سیالاتی مانند اتیلن و پروپیلن گلیکول که دارای فرمول مولکولیC2H6O2 و O2 C3H8 هستند و به دلیل دارا بودن خواصی از قبیل داشتن نقطه جوش بالا ، پایداری شیمیایی، دارا بودن کمترین اثر سمی و آتشگیر نبودن مصارف صنعتی زیادی دارند به عنوان سیال پایه استفاده شد.

از آنجا که عمده مباحث این پایان نامه به ویسکوزیته مرتبط است ، لذا لازم است که در بخش بعدی ابتدا توضیحاتی در مورد  ویسکوزیته آورده شود. در ادامه به تفضیل راجع به نانو سیالات ، روش های تهیه آنها ، عوامل موثر بر پایداری و ویسکوزیته آنها بحث می کنیم. سپس روش و دستگاه اندازه گیری ویسکوزیته نانو سیالات را مورد بررسی قرار خواهیم داد. در پایان به بررسی آزمایش های انجام شده در این تحقیق و تفسیر نتایج حاصل خواهیم پرداخت.

1– Richard Feynman

2– Erick Drexler

1– Nanofluid

Leave a comment