دانلود مقاله فناوری نانو

بخشی از مقاله

مقدمه
فناوري نانو نقطه تلاقي اصول مهندسي، فيزيك، زيست شناسي، پزشكي و شيمي است و به عنوان ابزاري براي كاربرد اين علوم وغني سازي آنها درجهت ساخت عناصر كاملا جديد عمل مي كند. فناوري نانو منجر به انقلاب فناوري در هزاره جديد خواهد شد و كاربردهاي آن پتانسيل زيادي دارد كه جهان را تحت تاثير قرار خواهد داد، از كالاهاي مصرفي گرفته تا الكترونيك، اطلاعات، زيست فناوري، صنايع هوا فضا، محيط زيست و پزشكي.

تمام بخش هاي اقتصادي نيز بطور عمده با فناوري نانو در ارتباط مي باشند. در آمريكا، اروپا، استراليا، و ژاپن، تحقيقات مختلفي توسط دولت وبخش خصوصي به منظور افزايش تحقيقات و پيشرفت در فناوري نانو صورت گرفته و در اين زمينه صدها ميليون دلار سرمايه گذاري شده است. تحقيق و توسعه در فناوري نانو براي تغيير در روش طراحي، تحليل و ساخت بسياري از توليدات مهندسي لازم است بنابراين براي استفاده از تمام ظرفيت هاي فناوري نانو براي كمك به جامعه لازم نيست نيروي كار مورد نياز براي تحقيق، توسعه و ساخت فراهم باشد و اين موضوع نيازمد آموزش دانشجوياني با دانش وتخصص لازم توسط دانشگاه هاست.

ازسوي ديگر در حالي كه دولت ها وبسياري از كسب و كارهاي سراسر جهان به خوبي از اثرات بالقوه فناوري نانو باخبرند، هنوز اكثريت مردم و كسب و كارها درك نكرده اند كه فناوري نانو چيست و چرا مهم است.
عمده مشكلات در نحوه اطلاع رساني اين موضوع كاملا فني(كه توسط متخصصين دانشگاهي توسعه يافته است) به عامه مردم است به منظور ارتقاي درك فناوري نانو، دولتها و شركت ها بايد تلاش بيشتري را براي مرتبط كردن آنچه در آزمايشگاه هايشان رخ مي دهدف به زندگي واقعي شهروندان معمولي صورت دهند. بر خلاف فناوري اطلاعات،كه محصولاتشان را مي توانستيد در جيب گذاشته و با آنها به اينترنت متصل شده يا ايميل بفرستيد، فناوري نانو به عنوان يك فناوري بنيادين خيلي كمتر ملموس مي باشد.

هنوز هم اين تلقي عمومي وجود دارد كه فناوري نانو علمي مربوط به آينده و روبات هاي كوچك است. در حالي كه فاصله اي عميق بين صورت گرفته از فناوري نانو و واقعيت كاربردي نانو علم در فرآيند صنعتي وتجاري وجود دارد. و اين چيزي است كه علاوه بر متخصصين هر رشته، عامه مردم نيز بايد از آن آگاه باشند.

حركت جهاني به سمت فناوري نانو
در سال 2004، 51 كشور در برنامه هاي تحقيق و توسعه فناوري نانو سرمايه گذاري كرده اند. كل هزينه هاي تحقيق وتوسعه در جهان حدود 12 ميليارد دلار آمريكا مي شود. عمده ترين زمينه تحقيقات در پروژه هاي امنيتي و دفاعي مي باشد.
سايت hkc22.com گزارش هايي را از بازارهاي جهاني فناوري نانو در 3 سال منتشر كرده است و هر 6 ماه گزارشي تكميلي در اين زمينه ارائه مي كند. آخرين نتايج نشان مي دهد كه در بخش خصوصي و دولتي ميزان سرمايه گذاري 25 درصد افزايش داشته است و كل سرمايه گذاري انجام شده رقمي معادل 12 ميليارد دلار آمريكا برآورد مي شود.

حدود 4000 پروژه تحقيقاتي درحال انجام اند كه تقريبا 40 درصد آنها در شركت ها و موسسات تحقيقاتي مشترك است. بيشترين افزايش نرخ سرمايه گذاري در زمينه هاي امنيتي، دفاعي و نظامي بوده است.

نتيجه گيري
فناوري نانو فرصت هاي سرمايه گذاري فراواني را بوجود خواهد آورد. بواسطه فوايد اقتصادي و تكنولوژيكي بالقوه اي كه اين فناوري ايجاد خواهد كرد بخش هاي مختلف جامعه جهاني خواهان بهره برداري مناسب از آن براي پيشرفت خود در جنبه هاي گوناگون هستند. در نتيجه كشورها براي فرصتهاي شغلي ايجاد شده در
آينده اي نزديك به نيروي كاري فعالي و آموزش ديده در زمينه فناوري نانو نياز خواهند داشت. اين امر جامعه علمي را با چالش هايي مواجه خواهد كرد. چالش واقعي آموزش دادن واقعيت هاي فناوري نانو به جوامع تجاري وعموم مردم است. ساختار برنامه هاي آموزشي فعلي دانشگاه هاي دنيا براي آموزش فناوري نانو مناسب نيست. از اينرو لازم است برنامه هاي آموزشي دانشگاه ها متناسب با نياز به گسترش اين فناوري تغيير داده واصلاح شود.

عموم مردم نياز دارند به نحو ساده اي دريابند، كه فناوري نانو يك فناوري سطح بالا است و همچون هر فناوري ديگري داراي خطرات و مزايايي است. اين فناوري ها در زمان هاي مختلف به بلوغ خواهند رسيد و لازم است روشن شود كه اين خطرات و مزايا كداميك هم اكنون رخ دادن است و كدام مورد در زماني در آينده رخ خواهد داد.

عمده مسئوليت اين آموزش دهي بر عهده دولت هها و كسب و كارهاست. كه نيازمند آموزش دادن نيروهاي فعال مي باشند. به محض اين كه همه ما در مورد واقعيات فناوري نانو اطلاع كافي پيدا كنيم، همه ما براي حصول داراز مدت اكثر اين منافع فراوان وگاها انقلابي آماده خواهيم شد.
عواملي كه حركت به سمت اهداف بلند مدت فناوري نانو در فاصله زماني كمتر از 20 سال را ميسر مي سازد عبارتند از:
ايجاد مراكز فناوري نانو چند رشته اي در داشنگاه ها، دوره هاي ليسانس، فوق ليسانس و دكتراي متمركز بر روي فناوري نانو و برنامه ها و گروه هاي تحقيقاتي چند رشته اي در دانشگاه ها.سخن آخر آنكه فناوري ما را مجبور به تعريف دوباره مفاهيم (آموزش، متخصص و مهندس) خواهد نمود و براي اين تعريف مجدد لاز م است تغييري اساسي در سيستم آموزشي دانشگاه ها و مدارس ما بوجود آيد. دولت، صنايع و دانشگاه ها نيز بايد در آموزش دانشجويان در زمينه فناوري نانو به همديگر همكاري نمايند.

زمينه هاي اصلي توسعه نانوتكنولوژي در روسيه:
نتايج علمي موثر تر مي توانند در زمينه هاي مختلف زير بدست آيند:

در ايجاد سطوح سخت و چند لايه اي توسط طيف الكتروني داده شده و كليه خصوصيات الكتريكي، اپتيكي، مغناطيسي و غيره، طراحي آنها در برري سطح اتم (بطور مثال توسط بخش Engineering و عملكرد امواج Engineering) و استفاده از تكنولوژيهاي مدرن سطح بالا (انواع مدلهاي ملكولي- دسته اي و ملكولي- شيمايي، اپي تاكسي، ليتوگرافي الكتروني، متدهاي تكنولوژيكي ميكروسكوپي تونلي) كه در نتيجه از نظر اصولي به دستگاههاي و تجهيزاتي دست پيدا مي كند كه براي تحقيقات و كاربردهاي مختلف از جمله در زمينه: ماوراء شكبه اي، گودالهاي كوانتمي، نقطه ها و نخ ها، اتصالات كوانتمي، كلاسترهاي اتمي، كريستالهاي فوتوني و ساختارهاي گردش تونلي بكار گرفته مي شود.

(Nanostructre)
در ليتو گرافي ماوراي بنفش حدنهايي، بر اساس استفاده از طول موج برابر با 13.5 نانومتر كه مي توان باعث ايجاد يك سيستم حسابگر نانوالكتروني با ظرفيت بسيار بالا شد و وارد جهان دقتهاي اتمي گردد.
در پايه و اساي ميكروالكترومكانيك پيوستگي ميكروطراحي هاي سطحي در تكنولوژي ميكروالكتروني مورد استفاده قرار مي گيرد، اين پيوستگي با طراحي ظرفيتي و بكارگيري نانو ماد جديد، تاثيرات فيزيكي،LIGA تكنولوژي بر اساس پرتوهاي سينكروتوني همراه است. پرتوهاي سينكروتوني به نوبه خود باعث دسترسي به ساخت ميكروموتورها، ميكروپمپها براي بكارگيري در ميكورفلويدبكها، ميكرواپتيكها مي شود و همچنين در سنسورهاي بسيار حساس با كميتهاي فيزيكي مختلف از جمله: فشار، سرعت، درجه حرارت بكار گرفته مي شوند و همچنين مي توانند باعث ساخت دستگاههاي نهفته درخود وضد ويروس و ضد التهابي موثر
پودرهاي نانويي با انرژي سطحي بالا از جمله مغناطيس، براي سختي آلياژها، ساخت المنتهاي حافظه اي صوتي- تصويري، افزودنيها به كودهاي شيميايي، علوفه جات، مايعات مغناطيسي و رنگها

نانو مواد پليمري و مواد غشايي براي سيستمهاي مغناطيسي واپتيكي غير خطي، سنسورهاي گازي، بيوسنسورها و غشاهاي كمپوزيتي با لايه هاي فراوان.
پليمرهاي پوشاننده براي پوششهاي حفاظتي غير فعالي، آنتي فراكشش، انتخابي و روشنايي دهنده.
نانو ساختراهاي پليمري براي صفحه هاي انعطاف پذير
صفحه سگنتوالكتريكي دو بعدي دستگاههاي حافظه داري كه به انرژي بستگي ندارند.
نانو مواد كريستالي مايع براي نمايشگرههاي اطلاعاتي قوي
دور نماي استفاده از نانو تكنولوژي
در ماشين سازي:

افزايش اثر ابزار آلات برنده (برش دهنده) و پرداخت كاري به كمك امولسيونها و پوششهاي مخصوص بكارگيري وسيع طراحيهاي نانو تكنولوژيكي در مدرن سازي دستگاههاي با دقت بالا، متدهاي اندازه گيري موضعي با استفاده از نانو تكنولوژي باعث تامين تسهيل جهت برش با ابزار آلات مي شوند، كه اين برش بر اساس اندازه گيري اپتيكي سطح پرداخت كاري شده قطعه و سطح پرداخت كننده ابزار برش دهنده در پروسه تكنولوژيكي انجام مي شود.
براي مثال اين روش امكان كاهش خطاي پرداخت كاري را از 40 ميكرومتر تا صدها نانومتر با يك دستگاه روسي به قيمت 1200 دلار را فراهم مي سازد و هزينه مدرن سازي آن بيش از 3000دلار نخواهد بود قيمت همين دستگاه در كشورهاي اروپايي از 300 تا 500 هزار دلار مي باشند.
استفاده از نانو مواد با پرداخت كاري دقيق و بازسازي سطوح را مي توان به ميزان بالاي (15 تا 4 برابر) در حمل ونقل اتومبيل وهمچنين كاهش هزينه ههاي بهره برداري ( از جمله هزينه سوخت)، بهبود كليه پارامترهاي فني (كاهش صدا، دفع مواد زيان آور) فراهم كرد و موفقيتهاي بسياري را هم در بازارهاي داخلي و هم خارجي بدست آورد.

در الكترونيك و اوپتوالكترونيك:
گسترش امكانات سيستم هاي راديو- راداري با استفاده از شبكه هاي آنتن با ترانزيستورهاي كم صدا بر اساس نانو ساختارها و خطوط ارتباطاي رشته اي- اپيتيكي با قدرت عبوري بالا با استفاده از فتو گيرنده ها وليزرهاي تزريقي در ساختارها با نقاط كوانتومي ساخت ليزرهاي تزريقي قوي، مقرون به صرفه بر اساس نانو ساختار براي انتقال ليزرهاي مقاوم، در سيستمهاي فمتو ثانيه اي مورد استفاده قرار مي گيرند.
در انفورماتيك:
افزايش چند برابر ظرفيت سيستمهاي انتقال، پرداخت كاري و حفاظ اطلاعات و همچنين طراحي و شيميايي را ظرف مدت 5 تا 6 ماه تا دستيابي كامل به وضعيت ميكروفلوري خالص خاك، پاكسازي نمود.

تجزيه و تحليل تجربه جهاني در تشكيل برنامه هاي ملي ومنطقه اي در زمينه هاي علمي- فني گواهي بر نياز بروز مسائل كليدي در طراحي نانو مواد ونانو تكنولوژي در روسيه مي باشد.

مساله اول:
تشكيل مجموعه اي، مصرف كنندگان آن بتوانند بالاترين كار آيي را از بكارگيري دستاوردهاي پيشرفته بدست آورند مصرف جامعه را ابتدا بايد مشخص و سپس در جهت رشد وتوسعه نانو تكنولوژي كه بتوانند بر اقتصاد، توليد، بهداشت، اكولوژي، آموزش، دفاع وامنيت تاثير گذار باشد، را شكل داد.
مساله دوم:
افزايش كارآيي استفاده از ماتريال ونانو تكنولوژي در مرحله اول قيمت ماتريالهاي معمولي خواهد بود، اما كارآيي بالاي استفاده از آنها سود قابل توجهي به همراه خواهد داشت به همين دليل نياز به سرمايه گذاري دراز مدت در بخش علمي تحقيقاتي- تجربي ساختماني در زمينه نانومتريال ونانو تكنولوژي با انتخاب راههاي علمي سازي برنامه مربوط به آن مي باشد. دولت علاقمند توسعه سريع اين برنامه مي باشد به همين دليل دولت بايد مسئوليت تامين هزينه هاي اصلي براي تحقيقات پايه اي و كاربردي ايجاد فن آوري را بعهده گيرد.

مساله سوم:
طراحي تكنولوژي صنعتي جديد براي بدست آوردن نانو مواد كه امكان در اولويت بودن روسيه را در علم و توليد مي دهد.
مساله چهارم:
تامين ورود از ميكرو تكنولوژي به نانو تكنولوژي و اتمام طراحيهاي نانو تكنولوژي تا توليد صنعتي مخصوصا در بخش الكترونيك وانفورماتيك.
مساله پنجم:
توسعه گسترده تحقيقات پايه اي در تمام بخشهاي علمي- فني كه با توسعه نانوتكنولوژي در ارتباطات مي باشند.
مساله ششم:
ايجاد زير بناهاي تحقيقاتي از جمله:
ايجاد مراكز استفاده گروهي با تجهيزات تكنولوژي و تشخيص منحصر بود
اشباع سازمانهاي توليدي، باتجهيزات و دستگاه ها وابزار آلات پيشرفته جهت پيشبرد دستگاه ها و ابزار آلات پيشرفته جهت پيشبرد كارهاي مربوط به نانوتكنولوي
تامين دستيابي كادر فني به منابع سينكروتروني ونوتروني (هم روسي و هم خارجي)
طراحي مترولوژي مخصوص واستاندارد دولتي در بخش نانوتكنولوژي

توسعه فيزيكي وتجهيزاتي
روشهايي براي تشخيص مناسب در نانو مواد بر پايه ميكروسكوپ هاي الكترونيك قوي
روشهاي راديولوژيكي بسيار حساس با استفاده از اشعه سينكروتروني، استفاده از ميكروسكوپ الكتروني براي آناليز شيمايي
فعاليتهاي توسعه نانوتكنولوژي مي توانند به صورت زير هماهنگ شوند:
در مراحل اول (شروع از سال 2005) گنجاندن برنامه تحقيقات طراحي توسعه علم و فن در بخشهايي كه الويتهاي بيشتري در تركيب برنامه هاي علمي- فني كلي فدرايتودارند. از سال 2003 تا 2006، تشكيل بخشي اختصاصي در مورد توسعه فعاليتهاي مه مربوط به ايجاد واستفاده از نانوتكنولوژي مي باشد كه در آن منابع معنوي، سرمايه اي، ماتريالي- فني نهفته شده اند.

در مرحله اول با توجه به ابعاد مسئله در زمينه توسعه تحقيقات پايه اي به فعاليتهاي كاربردي تكنولوژيكي وايحاد زير بناي نو آوري، برنامه واحدي را در سطح فدرالي از 2006 تا 010 طراحي نمود كه شامل برنامه هايي باشد كه توسط ارگانها زير مجموعه ها وديگر بخش هاي دولتي تحت عنواتن نانوتكنولوژي عملي گردد.
و تحقيقات كاربرديوبكارگيري پايه اي، طراحي ها وتحقيقات كاربردي وبكارگيري وهماهنگي توليد باشد وهمچنين مواردي كه ارتباط با آموزش و جذب كادر متخصص دارد. آماده سازي و به تاييد رساندن اين برنامه مي توانست از سال 2004 شروع ونسخه نهايي تا سال 2005 معرفي گردد.
ترتيب هماهنگي هاي پيشنهادي و اجراء فعاليتهاي مشروط به اين است كه، امروزه توسعه نانوتكنولوژي به عنوان يك جهت علمي- فني در بسياري از موارد هنوز در مرحله تشخيص و اكتشاف مي باشد و يافتن راههاي ممكنه براي اجراي علمي آن تحت بررسي است و نياز به دستيابي به نتايج عملي با كاربرد بالا نيز هست، به همين دليل نياز فعالانه دولت در اين پروژه و روشهاي و حمايتهاي آن مي توانند بسيار مثمر ثمر باشد. نتايج اجرايي برنامه ملي، بايد باعث مجهز شدن بخشهاي تخصصي صنعتي بر اساس بكارگيري گسترده انوتكنولوژي گيرد.

براي طراحي واجراي عملي كليه موارد ذكر شده، هماهنگي ارگانهاي دولتي براي حل مسائل مربوط توسط علوم و اقتصاد روسيه نياز به ايجاد يك هيات بين سازماني و بين اداري در زمينهن نانوتكنولوژي مي باشد در تركيب اين هيئت بخشهاي مربوط آن بايد محققين و متخصصين آكادمي علوم وصنعت، ارگانهاي اجرايي دولتي فدرال ونمايندگان بخشهاي تجاري حضور داشته باشند.
موارد اشاره شده به آن ميز گردي به نام نانوتكنولوژي در 20 متاه مي 2004 در چارچوب نمايشگاه تكنولوژيهاي پيشرفته قرن 21، مطرح شد، كه وزارت علوم و آموزش عالي فدراسيون روسيه هماهنگ كننده آن بود.

روش هاي تهيه نانوپودرهاي سراميكي
مقدمه
بي شك رويكرد جديد به مقوله نانو و خواص فوق العاده اي كه در ابعاد نانومتري به دست مي آيد انقلابي شگرف در علم مهندسي مواد و به خصوص دانش سراميك را سبب شده است. با توجه به اينكه فرآيند توليد سراميك هاي مهندسي و سازه اي همواره متكي بر استفاده از مواد اوليه اي با درجه خلوص وهمگني بالا و پودري داراي اندازه و توزيع اندازه دانه مناسب است ونيزبا در نظر گرفتن خواص منحصر به فرد نانوپودرها پرداختن به روش هاي توليد نانوپودرهاي سراميكي ضروري به نظر مي رسد. همان گونه كه مواد نانومتري كاربردهاي مختلفي دارند، روش هاي سنتز مختلفي نيز براي اين مواد ابداع و به كار گرفته شده است. در اين مقاله تلاش شده است تا تعدادي از روش هاي مطرح در زمينه سنتز مواد نانومقياس مورد بحث و بررسي قرار گيرد

مواد نانومقياس را مي توان از دو روش سنتز از بالا و سنتز از پايين تهيه كرد. اين بدين معناست كه مي توان يك ساختار نانو مقياس را با جمع كردن و چيدن اتم ها و يا با شكستن و خردايش ذرات درشت تر تهيه كرد (شكل 1). بنابراين براي سنتز مواد نامقياس نياز به تلفيق روش هاي فيزيكي و شيميايي مختلفي است.
روش هاي توليد مواد نانوساختاري
روش هاي مختلفي براي رسيدن به مواد نانو ساختاري وجود دارد كه اين روش ها از لحاظ ترموديناميكي، به صورت تعادلي و غير تعادلي امكان تهيه چنين ساختارهايي را به محققان داده است.
خردايش مكانيكي يك روش مرسوم ومثال واضحي از تكنيك بالا به پايين در سنتز مواد نانوساختاري است كه بر خلاف روش پايين به بالا مواد از خوشه هاي اتمي اوليه تشكيل نشده و تنها از طريق خرد شدن، و تغيير فرم پلاستيك شديد اين مواد تهيه مي شوند. به دليل سهولت تجهيزات نسبتا ارزان قيمت (در مقياس آزمايشگاهي) و قابليت سنتز اكثر مواد، اين روش كاربرد فراواني يافته است. در عين حال مي توان اين روش را به سادگي براي توليد در مقياس صنعتي به كار گرفت. عمده محدوديت هاي اين روش، آلودگي ناشي از محيط و اتمسفر آسياب و نيز متراكم شدن و آلگومره شدن ذرات در حين آسياب است.
در اين فرايند معمولا از آسياب هاي ماهواره اي با انرژي بالا، استفاده مي شود. نانوذرات بر اساس تنش هاي برشي وارده بر ذرات توليد مي شوند. انرژي دستگاه از طريق گلوله هاي آسياب به ذرات وارد مي شود (شكل 2) ميزان انرژي به سرعت لغزش، اندازه و تعداد گلوله ها، نسبت وزني گلوله به پودر، زمان آسياب واتمسفر آسياب بستگي دارد.

به طور مثال بيان شده كه آسياب واتمسفر آسياب بستگي دراد به طور مثال بيان شده كه آسياب در محيط مايعات سرمازا، سبب افزايش تردي پودر مي شود. از سوي ديگر از اكسيد شدن ذرات حساس به اكسيداسيون بايد جلوگيري شود، به همين منظور توليد برخي مواد به خصوص مواد غير اكسيدي در اتمسفر خاصي صورت مي پذيرد. در صورتي كه انرژي به ميزان كافي وجود داشته باشد، مي توان كامپوزيت همگني از اجزاء مختلف را در ابعاد نانومتري تهيه كرد. بر اساس انرژي آسياب ونيز ترموديناميك واكنش هاي رخ داده مواد به صورت بلوري ويا آمورف و تك فاز و يا چند فاز سنتز مي شوند. در اين روش براي خردايش از مواد داراي سختي بالا (شكل 3) مانند AL2O3 و ZrP2 به عنوان گلوله استفاده مي شود]1[

2- سنتز به روش شيمي تر
سنتز شيميايي مواد نانومتري مي تواند به دو طريقه سنتز بالا به پايين وسنتز پايين به بالا انجام گيرد. به عنوان مثال اچ كردن تك بلورها در يك محلول مناسب و يا سنتز سيليكون به روش اچ الكتروشيميايي از روشهاي بالا به پايين مي باشند. تكنيك هاي سل-ژل و رسوب از فاز مايع كه در آنها مي توان با يك ماده آغازين مناسب به تركيب نانوساختاري مورد نظر دست يافت از روش هاي پايين به بالا به حساب مي آيند. در ادامه برخي از روش هاي مطرح از اين گروه، معرفي مي شود.
2-1 سل = ژل
فرايند سل- ژل متداولترين روش شيميايي براي توليد مواد نانومتري است. در اين فرايند يك شبكه غير آلي به صورت يك سوسپانسيون كلوئيدي (سل) تهيه شده و در نهايت طي فرايند تشكيل ژل، فاز مايع از آن خارج مي شود. ماده آغازين اين روش فلزات حاوي ليگاندهاي فعالي ويا ذرات كلوئيدي اكسيدي پخش شده در محيط آب و يا اسيد رقيق مي باشد. با كنترل فرايند تبديل سل به ژل مي توان اندازه و شكل ذرات را كنترل كرد و درنهايت با كلسيناسيون ژل، مي توان اكسيد ماده مورد نظر را توليد كرد.