سمینار نانوتکنولوژی و کاربرد آن در فرایندهای شیمی و الکتروشیمی
فایل بصورت PDF
چکیده:
نانوتکنولوژی عبارتی است که برای مطالعه و بهره برداری از اجسام کوچک که ابعاد آنها فقط در حد چند ملکول و اتم است به کار می رود. دلیل اینکه این موضوع، مهم و جذاب است، آنست که وقتی مواد به سمت اندازه های خیلی کوچک پیش بروند، به طوری که طول آنها در حد چند دهگان یا صدگان از تعداد اتم ها شود، دیگر آن رفتاری که ما برای اجسام بزرگتر انتظار داریم را از خود نشان نمی دهد و آن شروع به نشان دادن خواص جدید و منحصر به فردی از قبیل خواص نوری، مغناطیسی، الکتریکی، شیمیایی، بیوتکنولوژی و… می کند.
در قرن حاضر ما تغییرات عمده ای را در میدان علوم و تکنولوژی داشتیم. از زمانی که ترانزیستورها در نیم قرن پیش اختراع شده اند، الکترونیک به طور گسترده در زندگی ما وارد شده است و اکنون به عنوان یکی از صنایع کلیدی همچنان در حال رشد است. یک تکنولوژی پایا به عنوان یک نیاز عمیق پدیدار گشته است مانند مشاهدات دینامیکی و استاتیکی و دستکاری مواد و تشکیل مواد در سطح ملکولی و یا اتمی، یا بررسی انفرادی اتم ها و ملکول ها. این تکنولوژی رادیکالی ممکن است به صورت تکنولوژی اتمی نامیده شود که در واژگان پذیرفته شده برابر با نانو تکنولوژی می باشد. نه تنها در الکترونیک بلکه همپنین در صنعت شیمیایی و بیوتکنولوژی، با ملاحظه توسعه کاتالیست های جدید، رمزگشایی و دستکاری ژن ها، تکنولوژی دستکاری اتم ها و ملکول ها به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند.
مقدمه
نانو تکنولوژی به صورت یک فرض علمی در سال 1959 به وسیله ریچارد فیمن که برنده جایزه نوبل شد مطرح گردید.
نانو، کلمه ای است که ریشه یونانی دارد و برای اجسام بسیار ریز به کار می رود. یک نانومتر یک بیلیونیم از متر می باشد. برای تصور چنین اندازه ای می توان اینطور گفت که اگر ده اتم هیدروژن در یک خط قرار بگیرند حدود یک نانومتر قطر خواهند داشت. و یا به صورت دیگر: اگر جهان را در اندازه توپ تنیس در نظر بگیریم، یک توپ تنیس واقعی در اندازه یک نانومتر است. ولاند پروفسور نانوتکنولوژی در لابراتور علوم نانومقیاسی در دانشگاه کمبرج در مورد نانو تکنولوژی چنین گفت:
نانوتکنولوژی موضوعی است برای فهم اینکه وقتی ذرات در ابعاد نانومتر مورد بررسی قرار می گیرند، چگونه خواص شان به طور شگفت انگیزی تغییر می کند. در واقع نانو تکنولوژی مربوط می شود به هر کاربردی از علم که با عناصری که اندازه شان بین 100 نانومتر و 0/1 نانومتر سروکار دارد که در واقع یک اندازه بحرانی برای اهداف نهایی کاربردی می باشد.
البته تعاریف دیگری را نیز می توان برای آن در نظر گرفت:
– نانو تکنولوژی یک انقلابی است که این توانایی را برای تشخیص، دستکاری و تولید مواد بر مبنای مقیاس نانو ارائه می کند.
– نانو تکنولوژی یک علم تکاملی است که از فرایندهای در حال پیشرفت کوچک سازی پدید شده است.
– هنر دستکاری مواد روی مقیاس های بسیار کوچک برای ساختن کارهای میکروسکوپی.
– کارهای بسیار بزرگ با ابزار خیلی کوچک.
در سال 1981 با اختراع «میکروسکوپی تونل زنی» دانشمندان قادر به دیدن مقیاس های نانو از ذرات بودند ولی از دهه 90 به بعد نانو تکنولوژی به طور گسترده تحت بهره برداری های صنعتی قرار گرفت.
نانو تکنولوژی یکی از علومی است که مرزهای کشف نشده بسیار زیادی دارد. به عنوان یک نتیجه، تعدادی از اصول جدید عملکردهای ذرات نانو، هنوز به طور کامل فهمیده نشده است یا نتوانسته شده که اندازه گیری شوند و یا جانشینی برای آنها پیدا نشده است و قبل از اینکه نانو تکنولوژی بتواند به طور کامل مورد بهره برداری قرار گیرد باید این موانع برطرف شود. به هرحال پیشرفت های سریع خیلی زیادی در مورد این مقوله در دهه اخیر به دست آمده است. اکنون با افزایش اساسی در سرمایه گذاری جهانی روی این موضوع، ما انتظار داریم که این سرعت پیشرفت به شتاب خود ادامه دهد.
پروژه تحت عنوان تکنولوژی اتم بدین طریق در محاسبات سال 1992 برای مشاهده این نیازها و تحت سرپرستی کمیته MITI برنامه R&D ملی برای برنامه 10 ساله با بودجه 250 میلیون دلار در کشور ژاپن سازماندهی شد.
آنچه که امروزه تحت عنوان نانوتکنولوژی مطرح است، آشنا شدن و کنترل کردن بسیاری از پدیده ها در ابعاد اتمی و آنگسترو می باشد که مسیری مشکل با آینده ای روشن و نتایجی بس شگفت انگیز است.
سمینار بررسی کاربردهای نانوتکنولوژی در صنایع بالادستی نفت
فایل بصورت PDF
چکیده
نانوتکنولوژی به مواد و سیستمهایی مربوط میشود که ساختار و اجزای آن به دلیل ابعاد نانومتری، خواص، پدیده های فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی، رفتار جدیدی را نشان میدهند. مواد دارای اندازه ذره نانومقیاس در حوزهای بین اثرات کوانتومی اتمیها و مولکولها و خواص توده قرار میگیرند. با توانایی ساخت و کنترل ساختار نانو ذرات میتوان خواص حاصل را تغییر داده و خواصم طلوب را در مواد طراحی کرد. در این مجال با توضیح فرآیندهای صنایع بالادستی نفت، رسم شماتیک فرآیندها، پتانسیل های آتی نانوتکنولوژی بررسی شده است.
طبق گزارشات بین المللی دهه آینده دهه چالش انرژی خواهد بود و کشور ما نیز یکی از بزرگترین تولید کنندگان نفت، می باشد. در این مجال سعی شده است که تأثیرات نانوتکنولوژی بر صنایع بالادستی نفت به همراه توضیح کامل فرآیند آورده شود شاید کشور ما با اعمال این تکنولوژی بر این بخشاز صنعت بتواند راهگشای این چالش بزرگ در دهه آینده باشد.
مقدمه
نانوتکنولوژی، توانمندی تولید مواد، ابزارها و سیستمهای جدید با در دست گرفتن کنترل در سطوح مولکولی و اتمی و استفاده از خواصی است که در آن سطوح حاضر میشود. از همین تعریف ساده برمی آید که نانوتکنولوژی یک رشته جدید نیست، بلکه رویکردی جدید در تمام رشته هاست. فناوری نانو هنوز در مراحل اولیه رشد خویش میباشد. گرچه هم اکنون برخی از محصولات این فناوری در بازار موجود است، ولی این دانش بایستی قبل از تجاری شدن هم از جنبه های تکنولوژیکی و هم از جنبه های علمی پیشرفت نماید.
نانوتکنولوژی را باید به عنوان مقولهای بلندمدت نگاه کرد که حداقل نیمه اول قرن بیست و یکم را به طور مداوم تحت تأثیر قرار خواهد داد. کشورهای مختلف، در آموزش و پروش نانو به عنوان فعالیت بلندمدت سرمایهگذاری نمودهاند و برای دستیابی به دستاورهای نزدیک مدت نیز پژوهشهای متعددی در حوزههایی چون نانو مواد، نانوالکترونیکو مانند آن در دست انجام است. از ویژگیهای نانوتکنولوژی میتوان به موارد زیر اشاره نمود:
نانوتکنولوژی، یکتکنولوژی عام است که در بسیاری از تکنولوژیهای دیگر کاربرد داشته و بعضی از آنها را متحول میکند.
اثرات نانوتکنولوژی بر امنیت و دفاع
اثرات نانوتکنولوژی بر حفظ محیط زیست
نانوتکنولوژی تمام دستاوردهای گذشته بشر را که در مواد تحقق یافته است، متحول میسازد؛ در واقع تحول نانوتکنولوژی ظرف چند دهه به اندازه تحولات چند قرن خواهد بود.
نانوتکنولوژی رقیب سایر تکنولوژیها نیست بلکه مکمل و پایه آنهاست.
کاربردهای نانوتکنولوژی همه جا همراه با هزینه کمتر، دوام و عمر بیشتر، مصرف انرژی پایین تر، هزینه نگهداری کمتر و خواص بهتر است.
رویکرد جدید و اولویت بسیاری از تکنولوژیهای جدید نیز در مقیاس نانو بوده و حتی پاسخگوی چالشهای مطرح آن نمیباشد، به عنوان مثال دو چالش عمده پیل سوختی، یعنی ذخیره ایمن هیدروژن و عدم استفاده از مواد گران با نانوتکنولوژی حل خواهد شد.
مجموعه عملیاتی که از اکتشاف تا قبل از پالایشگاه در زمینه ی تولید و استخراج نفت انجام می گیرد، صنایع بالادستی گفته میشود. این عملیات شامل اکتشاف، حفاری، بهره برداری و مدیریت مخازن میشود. در اکتشاف ابتدا یک انفجار انجام می شود، سپس بازتابشهای صوتی توسط ژئوفون ها ثبت می شود. از تحلیل این بازتابشها و بر پایه تفاوت سرعت حرکت صوت در لایه های مختلف، ساختار لایه ها و نوع سیال درون آنها مشخص میشود. بدین ترتیب ساختارهایی که می توانند احتمالا حاوی نفت و گاز باشند مشخص می شوند. با حفاری زمین تا عمق مورد نظر که در ایران معمولا بین 1500 تا 3500 متر است، فرضیه های اکتشافی نهایی میگردد. در صورتیکه مخزن موردنظر حاوی نفت و گاز باشد، چاه حفر شده برای تولید نفت آماده میشود که شامل نصب یکسری ابزارها درون چاه تا سطح زمین و خط لوله از سطح زمین تا قبل از پالایشگاه است. سپس تا حدامکان درون یک مخزن چاههای دیگری که چاههای توسعه ای گفته میشود، حفر میشوند.
نهایتا تعداد چاهها، نرخ بهره برداری از هر کدام، استراتژی تولید در آینده و تکنیکهای لازم می بایست برای حداکثر کردن برداشت از مخزن باحداقل هزینه ها مدیریت شود که در مقوله ی مدیریت مخازن میگنجند.
گزارش کارآموزی نانوتکنولوژی و کاربرد آن درکشاورزی در 25 صفحه ورد قابل ویرایش
فناوری نانوچیست ؟
نانوتکنولوژی فناوری است که از کنش ها و واکنش هایی که در سطح اتم اتفاق می افتد منشا گرفته و فناوری جدیدیست که تمام علوم را در خواهد نوردید ، به تعبیر دقیق تر نانوتکنولوژی انقلابی جدید برای همه علوم در آینده است . این تکنولوژی قادر به بهبود روش های ارزیابی ، مدیریت و کاهش خطرات برای محیط زیست بوده و فرصت های را برای تولید محصولات جدید فراهم خواهد ساخت . نانوتکنولوژی در واقع مهندسی در سطح اتم و یا گرو.هی از اتم ها می باشد . از همین تعریف ساده بر می آید که نانوتکنولوژی یک رشته جدید نیست ، بلکه رویکرد جدیدی در تمام رشته هاست .
بنابراین علم نانوتکنولوژی توانمندی تولید مواد ، ابزارها و سیستم های جدید برای در دست گرفتن کنترل در سطح مولکولی و اتمی ، با استفاده از خواصی که در آن سطوح ظاهر می شوند را دارد .
البته باید در نظر داشت که ممکن است اصول و قواعد معمولی علم شیمی و فیزیک در سطوح فوق به دو دلیل قابل اعتماد نباشد .
1- خواص ذرات کوچک یک ماده با خواص توده های بزرگ تر آن می تواند متفاوت باشد .
2- نسبت سطح به حجم در ذرات بسیار بالا می رود ، و از آنجا که خصوصیات در سطوح اتمی بسیار متفاوت می باشد این امر باعث تغییر خصوصیات مواد به شکل غیر قابل پیش بینی می شود .
بعنوان مثال وقتی نقره به ذرات بسیار کوچکتر تبدیل می شود ، به صورت ماده ضد میکروب عمل می کند در حالیکه در این شرایط ذرات طلا رنگ های متنوعی را از خود منعکس می کنند .
در آینده نه چندان دور علم نانوتکنولوژی بشر را قادر خواهد کرد تا ماشین هایی را بسازد که توانایی محاسبه ،حرکت ، احساس محیط اطراف و حتی بازسازی خود را داشته باشند . از این رو برای نانوتکنولوژی کاربردهایی را در حوزه های مختلف از غذا ، دارو ، تشخیص پزشکی و بیوتکنولوژی تا الکترونیک ، کامپیوتر ، ارتباطات ، حمل و نقل ، انرژی محیط زیست ، مواد ، هوا فضا و امنیت ملی بر شمرده اند . سازه های نانو می توانند باعث انقلابی در علوم و در تمام سطوح، بخصوص در علم کامپیوتر ، پزشکی و بهداشت ، بیوتکنولوژی و کشاورزی گردند . بنابراین کاربردهای وسیع این عرصه به همراه پیامدهای اجتماعی ، سیاسی و حقوقی آن ، این فن آوری را به عنوان یک زمینه فرا رشته ای و فرابخشی مطرح نموده است . با این وجود چالش های در پیش روی این علم عبارت است از توانایی تولید ، بکار گیری و اندازه گیری موادی که در حد یک الی 100 نانومتر می باشند . باید در نظر داشت که هر نانو برابر است با یک هشت هزارم قطر موی انسان که تقریبا معادل قطر یک اتم اکسیژن می باشد .
1-1نانوتکنولوژی
نانوتکنولوژی،توانمندی تولید و ساخت مواد، ابزار و سیستمهای جدید در مقیاس اتمی و ملکولی و در ابعاد نانومتری میباشد ]1[. محدوده ابعادی مورد بحث در نانوتکنولوژی 1 تا 100 نانومتر است ، یعنی حداقل یکی از ابعاد بایستی کمتر از 100 نانومتر باشد.به طور خلاصه، نانوتکنولوژی شامل دستکاریمواد در ابعاداتمی یا مولکولی با هدف طراحی موادی سبکتر،محکمتر، ارزانتر،تمیزتر وبا دقت ابعادی بالاتر میباشد]2[.
1-2تاریخچه نانو تکنولوژی
در آغاز قرن بیست و یک دانشمندان تمرکز خود را برروی فنآوری نوینی معطوف کردند که به عقیده عدهای نه تنها قسمتی از آینده بشری بلکه تمامی آینده بشر را متحول خواهد ساخت. نانوتکنولوژیبرای اولین بار حدود 40 سال پیش مطرحشد.ریچارد فاینمن[1] دانشمند کوانتوم نظری(برنده جایزه نوبل فیزیک در سال1965، ملقب به پدر علم فناوری نانو) در سال 1959 در همایش جامعه فیزیک آمریکا در نطق مشهورش تحت عنوان "فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد" اولین جرقههای رویکرد به سمت فنآوری نانو را روشن نمود.در سالهای بعد نانوتکنولوژی مراحل تکوینی زیر را طی نمود:
سال 1972: فتوکاتالیز آب توسط نور فرابنفش با استفاده از فتوآند تیتانیم دیاکسید، تحت نام "اثر هوندا-فوجی شیماً گزارش و موجب ارتقاء مفهوم فتوالکتروشیمی از تئوری به عمل شد [3].
سال 1974: برای اولین بار واژه فناوری نانو توسط "نورید تانیگوچی" بر زبانها جاری شد.
دهه 1980: تعریف فوق به طور وسیعتر توسط "دکتر درکسلر" مورد بررسی قرار گرفت. IBM دستگاهی اختراع کرد که به کمک آن میتوانست اتمها را تک تک جابهجا کند. فناوری نانو و نانوعلوم در اوایل دهه 1980 با تولد علم کلاستر و اختراع میکروسکوپ تونلی پیمایشی آغاز به کار کرد.
سال 1985: کشف ساختار جدیدی از کربن C60 صورت گرفت. این توسعه سبب کشف "فلورین" در سال 1986 و نانولولههای کربنی در مدت چند سال بعد شد.
سال 1986: واژه نانوفناوری توسط کی اریک درکسلر در کتابی تحت عنوان "موتور آفرینش: آغاز دوران فناورینانو" بازآفرینی و تعریف مجدد شد ]4[.
سال1993: اولین نقاط کوانتومیبا کیفیت بالا تولید شد.
سال 1997: اولین نانوترانزیستور ساخته شد.
سال2000: اولین موتور DNAساخته شد.
سال 2001: یک مدل آزمایشگاهی سلول سوختی با استفاده از نانولوله ساخته شد.
سال 2002: لباسهای ضدلک و نانو سلولهای خورشیدی تولید گردید.
نانوتکنولوژی به مفهوم جدی آن پس از فراز و نشیب فراوان تقریباً از سال 2000 به بعد از حالت تخیل علمی خارج شد. البته بسیاری از افراد، شروع عرصه نانوتکنولوژی را در سالهای 2006-2001 میدانند. در آینده، نانوتکنولوژی به سمت حل مشکلات جاری در ارتباط با انرژی، پزشکی، زیست محیطی و ساخت و ساز به پیش میرود.
1-3انواع نانومواد
نانومواد به روشهای گوناگونی طبقهبندی میشوند.طبقهبندی بر اساس ابعاد کلیترین نوع طبقهبندی برای مواد نانومتری به شمار میرود ]2[.
1-3-1 براساس بعد
یکی از سیماهای مورد توجه علوم در مقیاس نانو تغییر وابسته به اندازه و شکل در خواص ماده است. براین اساس، تلاشهای سیستماتیک جهت درک پارامترهای متنوعی که به طور مستقیم خواص ذاتی مواد در این مقیاس را تحت تأثیر قرار میدهند انجام شده است [5-11]. در این میان، معلوم شده است که شکل نقش مهمی در تعیین خواص نانومواد ایفا میکند [13و12]. طبقهبندی نانومواد بر اساس ابعاد به قرار زیر است، شکل )1-1(: