وبلاگ شیمی - زندگی - سلامت wellcome to my weblog

تفاوت اصلی فناوری نانو با فناوری‌های دیگر در مقیاس مواد و ساختارهایی است که در این فناوری مورد استفاده قرار می‌گیرند. البته تنها کوچک بودن اندازه مد نظر نیست؛ بلکه زمانی که اندازه مواد دراین مقیاس قرار می‌گیرد، خصوصیات ذاتی آنها از جمله رنگ، استحکام، مقاومت خوردگی و ... تغییر می‌یابد. در حقیقت اگر بخواهیم تفاوت این فناوری را با فناوری‌های دیگر به صورت قابل ارزیابی بیان نماییم، می‌توانیم وجود "عناصر پایه" را به عنوان یک معیار ذکر کنیم. عناصر پایه در حقیقت همان عناصر نانومقیاسی هستند که خواص آنها در حالت نانومقیاس با خواص‌شان در مقیاس بزرگتر فرق می‌کند.

اولین و مهمترین عنصر پایه، نانوذره است. منظور از نانوذره، همانگونه که از نام آن مشخص است، ذراتی با ابعاد نانومتری در هر سه بعد می‌باشد. نانوذرات می‌توانند از مواد مختلفی تشکیل شوند، مانند نانوذرات فلزی، سرامیکی، ... .

دومین عنصر پایه، نانوکپسول است. همان طوری که از اسم آن مشخص است، کپسول‌های هستند که قطر نانومتری دارند و می‌توان مواد مورد نظر را درون آنها قرار داد و کپسوله کرد. سال‌هاست که نانوکپسول‌ها در طبیعت تولید می‌شوند؛ مولکول‌های موسوم به فسفولیپیدها که یک سر آنها آبگریز و سر دیگر آنها آبدوست است، وقتی در محیط آبی قرار می‌گیرند، خود به خود کپسول‌هایی را تشکیل می‌دهند که قسمت‌های آبگریز مولکول در درون آنها واقع می‌شود و از تماس با آب محافظت می‌شود. حالت برعکس نیز قابل تصور است.

عنصر پایه بعدی نانولوله کربنی است. این عنصر پایه در سال 1991 در شرکت NEC کشف شدند و در حقیقت لوله‌هایی از گرافیت می‌باشند. اگر صفحات گرافیت را پیچیده و به شکل لوله در بیاوریم، به نانولوله‌های کربنی می‌رسیم. این نانولوله‌ها دارای اشکال و اندازه‌های مختلفی هستند و می‌توانند تک دیواره یا چند دیواره باشند. این لوله‌ها خواص بسیار جالبی دارند که منجر به ایجاد کاربردهای جالب توجهی از آنها می‌شود.

• درباره نانولوله های کربنی بیشتر بدانیم
• درباره نانوذرات بیشتر بدانیم
• درباره نانو سیمها بیشتر بدانیم.
• درباره نانو کپسولها بیشتر بدانیم.
• درباره فولرین بیشتر بدانیم

نانوپزشکی

لابد شما هم مثل من فیلم‌های تخیلی بسیاری را دیده‌اید که در آن انسانی به درون بافت‌های انسان دیگر سفر می‌کرد و از کنار گلبول‌ها و پلاکت‌ها و دیگر اجزای خون عبور می‌نمود. اما امروزه این رویا نیز، در کنار دیگر رویاهای ِ دور انسان، به واقعیت تبدیل شده است. با نانوسیستم‌ها و نانوروبات‌ها خیلی راحت می‌توان به درون بدن رفت، و بافت یا سلول موردنظر را ترمیم کرد.

نانو حتی بر روش‌های درمان بیماری‌ها و دارورسانی نیز اثرات مطلوبی گذارده است. در درمان و دارورسانی دو موضوع مورد توجه قرار می‌گیرد:

1) محافظت دارو تا رسیدن به اندام هدف: در مسیری که دارو تا رسیدن به اندام هدف طی می‌کند، ممکن است به عنوان یک جسم خارجی شناخته شده، و توسط سیستم ایمنی بدن از گردش خون حذف شود و بنابراین، به طور کامل به اندام هدف نرسد.

2) کاهش عوارض جانبی دارو بر اندام‌های دیگر: اغلب داروها سمی بوده و ممکن است به اندام‌های دیگر آسیب برسانند.

در روش‌های نوین و با کمک فناوری نانو، سعی بر این شده است که دارو مستقیماً و منحصراً به اندام هدف رفته و موجب تخریب بافت‌های دیگر بدن نگردد. در این روش‌ها، که بسیار متنوع نیز هست، دارو را توسط نانوذراتی کپسوله می‌کنند تا از آن، حین عبور از بدن محافظت کنند. و برای این‌که دارو تنها قابل شناسایی برای سلول یا اندام هدف باشد، و به دیگر اندام‌ها آسیبی نرساند، آن را به گیرنده‌هایی مجهز می‌سازند که تنها توسط اندام هدف قابل‌جذب باشد.

 در یک مثال موردی، محققان اسید فولیک را بر روی نانوذرات مغناطیسی قرار داده‌ و به درون سلول‌های سرطانی فرستاده‌ند. سپس با ایجاد یک میدان مغناطیسی قوی، موجب نوسان شدید این نانوذرات شدند. حرارت حاصل از این نوسانات، سبب داغ شدن و بالا رفتن دمای سلول تا بیش از 43 درجه سانتی‌گراد، و در نهایت، مرگ سلول خواهد شد.

نانو در خودرویی که سوار می‌شویم

همانند کشور ما در دیگر نقاط جهان نیز، بحث کاهش مصرف سوخت و بهینه‌سازی مصرف انرژی مطرح است. از جمله راه‌کارهای موثر دراین زمینه، کاهش وزن بدنه و تجهیزات خودرو به وسیله نانوکامپوزیت‌هایی‌ست که وزن کمتر و استحکام بیشتری دارند. کاهش وزن خودروها، سوخت مصرفی آن را نیز کاهش خواهد داد.

به هنگام ریزش باران و برف، آثار آلودگی بر شیشه‌ها و آینه‌ها، دید راننده را دچار مشکل می‌کند و همان‌طور که می‌دانید بیش‌ترین آمار تصادفات نیز مربوط به روزهای بارانی و برفی است. با به‌کارگیری سطوح خودتمیزشونده در شیشه‌ها و اینه‌های خودرو می‌توان این مشکل را به آسانی قابل‌حل نمود.

ساخت لاستیک‌هایی حاوی نانوذرات کربنی که موجب افزایش طول عمر و مقاومت لاستیک در مقابل سایش خواهد شد، جلوگیری از تابش فرابنفش به وسیله ساخت شیشه‌های حاوی نانوذرات جاذب نور فرابنفش، که موجب محافظت پوست سرنشینان خودرو در مقابل این اشعه خواهدشد، نیز از دیگر کاربردهای فناوری نانو در این حوزه می‌باشد.

مثال‌های بالا تنها موارد کوچکی از حضور نانو در زندگی‌ روزانه‌مان بود. در ساختمان سازی: (ساخت سازه‌های مقاوم‌ و سبک‌تر در برابر زلزله، شیشه‌های خودتمیزشونده، پنجره‌های بدون نیاز به پرده، عایق‌های حراراتی و کاهش اتلاف انرژی)، در لوازم آرایشی و بهداشتی: (کرم‌های ضد آفتاب حاوی نانوذرات که محافظی مطمئن در برابر آفتاب‌سوختگی و پیری پوست هستند، خمیردندان‌هایی با محافظ‌های مخصوص برای مینای دندان) در فناوری اطلاعات (ساخت حافظه‌های کوچک‌تر با قابلیت ذخیره بیش‌تر، پردازنده‌هایی با سرعت بسیار بالا) و در هر جای دیگری که انسان حضور دارد، نانو نیز در کنار آن زندگی می‌کند.

 همان طور که می دانیم فناوری نانو دربسیاری از زمینه ها به طور گسترده وارد شده است. این بار می خواهیم در زمینه ی باتری ها ورود این فناوری رابررسی کنیم.

تأثیر کوتاه مدت عمده فناوری نانو بر فناوری باتری، از به کارگیری نانوذرات حاصل خواهد شد. آنها بدون تأثیرگذاری فوق العاده بر ظرفیت کل، سرعت شارژ و تخلیه را بهبود می بخشند، نکته ای که در هنگام مقایسه آنها با پیل های سوختی باید به خاطر داشت! با این حال تحقیقات انجام شده روی استفاده از نانولوله ها به جای گرافیت در الکترودها بیانگر توانایی آنها دردو برابر کردن ظرفیت باتری (و حتی بیشتر) است.

بطور کلی دو نوع باتری قابل شارژ که از فناوری نانو در ساختار آن استفاده شده است وبیشتر تحقیقات نیز بر روی این دو گروه است اول باتری های بر پایه لیتیم است برای مثال باتری های یون -لیتیم، دوم باتری های بر پایه هیدریدهای فلزی است . محققان ثابت کرده اند که استفاده از مواد نا نوبلوری و نانولوله ها در این دو نوع باتری باعث افزایش چشمگیری در طول عمر،دانسته جریان و سرعت شارژ شدن آنها شده است . نانولوله ها به عنوان جایگزینی مناسب برای گرافیت معمولی در ساختار الکترود گرافیت -لیتیم در نظر گرفته شده اند . به دلیل کوچک بودن ساختار نانولوله سطح مفید تماس آنها با لیتیم بیشتر از گرانیت معمولی است به طوری که ظرفیت یک لایه نانولوله د ر آزمایشگاه به 640 آمپرساعت به کیلوگرم رسیده است . با استفاده از فناوری نانودر ساخت باتری ها در ابتدا میزان شارژ مجدد آنها 10 برابر شد که اکنون با توسعه این فناوری باتری های کنو نی تا 100 برابر باتری های قبلی (بدون استفاده از فناوری نانو ) قابلیت شارژ مجدد ر ادارند.

البته باتریهای قابل شارژ بازاری پابرجا دارد- مثل بازار رو به رشد تأمین انرژی وسایل الکترونیکی قابل حمل. سالهاست که عد های منتظر رخنه آنها به بازار خودروسازی اند، اما پیشرفت های اندکی که در این زمینه رخ داده است. پیشرفت در مسایل حاشیه ای ممکن است این مسأله را تغییر دهد. با این حال، از آنجایی که پیل سوختی- به دلایلی از جمله دانسیته انرژی بالاتر- مشتری های باتری ها در بخش وسایل الکترونیکی قابل حمل را به خود جلب کرده است، این امکان وجود دارد که آنها این کار را در بازارهای دیگر نیز انجام دهند.

استفاده از نانو مواد در باتری های لیتیومی

مواد نانوساختار به دلیل سطح تماس زیاد، تخلخل و. . . بسیار مورد توجه صنعت باتری‌های لیتیومی قرار گرفته‌اند. این مشخصات امکان انجام واکنش‌های فعال جدید، کاهش مسیر انتقال یون‌های لیتیوم، کاهش سرعت جریان سطح ویژه و بهبود پایداری و ظرفیت ویژه باتری‌های جدید را فراهم کرده است. علاوه بر این، مواد نانوکامپوزیتی که برای مسیرهای هادی الکترونی طراحی می‌شوند، می‌توانند مقاومت داخلی باتری‌های لیتیومی را کاهش داده، سبب افزایش ظرفیت ویژه، حتی در سرعت جریان‌های شارژ/ تخلیه بالا شوند.

نانومواد به طور گسترده در علوم زیستی، فناوری اطلاعات، محیط زیست و دیگر زمینه‌های مرتبط استفاده گسترده‌ای دارند. درواقع نانو مواد در باطری های لیتیومی به واسطه الکترودها از توانایی بهبود یافتن تراکم انرژی و قدرت برخوردارند. اخیراً مواد نانوساختار توجه پژوهشگران برای کاربرد در تجهیزات ذخیره انرژی به خصوص در انواعی که سرعت جریان شارژ و تخلیه بالایی دارند، مثل باتری‌های لیتیومی، جلب کرده‌اند. توسعه تجهیزات ذخیره انرژی با توان و دانستیه انرژی بالاتر، کلید موفقیت وسایل نقلیه الکتریکی و الکتریکی هیبریدی (EV وHEV) است و انتظار می‌رود جایگزین حداقل بخشی از وسایل نقلیه امروزی شده، مشکلات آلودگی هوا و تغییرات اقلیمی را رفع کند. این فناوری‌های ذخیره انرژی متکی به علوم مواد جدید هستند که به عنوان نمونه می‌توان از توسعه الکترودهایی نام برد که قابلیت شارژ و تخلیه در سرعت جریان بالا را دارند.

باتری‌های لیتیومی قابل شارژ شامل یک الکترود مثبت (کاتد)، الکترولیت حاوی یون‌های لیتیوم و یک الکترود منفی (آند) هستند  . جنس الکترودهای مثبت و منفی اغلب باتری‌های تجاری لیتیومی به‌ترتیب از LiCoO2 و گرافیت است که هر دو به عنوان جایگاه‌های تبادل یون‌های لیتیوم عمل می‌کنند. در حین فرایند شارژ کردن باتری، یون‌های لیتیوم از الکترود LiCoO2 جدا، همزمان به وسیله الکترودگرافیت جذب شده و با گرفتن الکترون‌ بار کلی را خنثی نگه می‌دارند. در حین فرایند تخلیه باتری، یون‌های لیتیوم از الکترود منفی خارج و در همان زمان بر روی الکترد مثبت جای می‌گیرند.

این فرایند الکتروشیمیایی، یک واکنش اکسید- احیای حالت جامد است که طی آن، انتقال الکتروشیمیایی بار بین یون‌های متحرک و ساختار یک جامد هادی یون و الکترون‌ صورت می‌گیرد. معمولاً حالت مطلوب آن است که مقدار انرژی ذخیره شده در واحد جرم یا حجم باتری تا حد ممکن بالا باشد. برای مقایسه محتوای انرژی باتری‌های لیتیومی، از پارامتر دانستیه ویژه انرژی ( Wh/Kg) و دانستیه انرژی (Wh/l ) استفاده می‌شود؛ در حالی که قابلیت سرعت، برحسب دانستیه ویژه توان ( Wh/Kg) و دانستیه توان (Wh/Kg ) بیان می‌شود. به طور کلی مزایای بالقوه الکترودهای نانوساختار را می‌توان به شرح زیر خلاصه کرد:

1. واکنش‌های جدید که امکان انجام آنها با مواد توده‌ای وجود ندارد؛

2. سطح تماس زیاد الکترود- الکترولیت که منجر به سرعت بیشتر شارژ و تخلیه می‌شود؛

3. مسیر انتقال کوتاه‌تر الکترون‌ها و یون‌های لیتیوم (که امکان عمل در هدایت پایین یون‌های لیتیوم و الکترون‌ها یا در توان‌های بالاتر را فراهم می‌کند) .

به طور کلی فرایند شارژ- تخلیه شامل یک واکنش اکسید- احیاست که در آن انتقال یون‌های لیتیوم و الکترون‌ها مخصوصاً در شارژ یا تخلیه‌های سریع نقش مهمی دارند. مواد نانوساختار می‌توانند مسیر انتقال یون‌ها و الکترون‌ها را کوتاه کنند. در مقابل، الکترودهای باتری‌های تجاری اغلب از مواد میکرونی مثلاً پودرهای حاوی ذرات میکرونی با سطح ویژه کم  تشکیل شده‌اند. از لحاظ نفوذ، این مواد میکرونی به‌دلیل طولانی بودن مسیر انتقال یون‌های لیتیوم و کم بودن سطح تماس بین الکترود و الکترولیت برای فرایندهای شارژ – تخلیه سریع مناسب نیستند.

نفوذ یون‌های لیتیوم به دلیل ماهیت فاز الکترولیت، سطح مشترک مایع- جامد، و پیچ و خم مسیر نفوذ یک پدیده پیچیده است و لازم است که اندازه ذرات مورد توجه قرار گیرد. اگر فقط به کل فرایند توجه کنیم و فرض کنیم که ضریب نفوذ تنها به این عوامل وابسته است، می‌توان طول نفوذ را با استفاده از رابطه تعیین کرد که D و T به ترتیب ضریب نفوذ و زمان هستند. ظرفیت ویژه باتری (Q) به وسیله رابطه Q=IT به دست می‌آید که I دانسیته جریان ویژه شارژ- تخلیه در واحدA/Kg یاMa/g است. در ظرفیت ثابت، افزایش I منجر به کاهش سریع (T) می‌شود. بنابراین، ظرفیت ویژه مؤثر به نسبت حجم

 (r3- (r-L) 3) /r3 بستگی دارد که r شعاع ذرات فعال است. برای رسیدن به حداکثر ظرفیت ویژه، طول نفوذ مورد نیاز (L) باید از (r) بزرگ‌تر باشد. ذراتی با اندازه r2 باید حدود دو نانومتر باشند. این موضوع نشان می‌دهد که مواد الکترودی نانوساختار برای تبدیل و ذخیره دانستیه انرژی و توان بالا ضروری‌اند.

برای اصلاح عملکرد شارژ- تخلیه با سرعت جریان بالا، مسیر انتقال الکترون نیز باید تا حد ممکن کوتاه باشد. از معمولاً کربن دوده به عنوان یک ماده هادی کمکی در باتری‌های لیتیومی استفاده می‌شد. ولی مشکلاتی نظیر سطح تماس، آلودگی سطح و. . . در فرآیند اختلاط مکانیکی مواد هادی کمکی و مواد فعال الکترود وجود داشت؛ بنابراین کاهش مقاومت از طریق کوتاه کردن مسیر انتقال الکترون در فرایند شارژ- تخلیه هنوز مطرح است.

مواد فعال نانوبلوری سنتز شده بر روی نانولوله‌های کربنی نیز برای باتری‌های لیتیومی پرسرعت مورد بررسی قرار گرفته‌اند و رفتار شارژ- تخلیه اصلاح شده‌ای را در دانسیته جریان بالا نشان داده‌اند.

با وجود این، سنتز مواد فعال نانوساختار بر روی نانولوله‌ها و نانوسیم‌های هادی هنوز یکی از امیدبخش‌ترین زمینه‌های تحقیقاتی است.