نانوتکنولوژی و افزایش بازده موتورها

29 می 2003- محققین   دانشگاه کالیفرنیا در سانتاکروز (UCSC)  در رأس یک
برنامه  همکاری به منظور  توسعه فناوری   جدیدی جهت افزایش    بازده 
موتور های  احتراق  داخلی قرار دارند.  این فناوری   قرار است   حرارت  
خروجی از موتور  را به جریان  الکتریکی  تبدیل نماید.

این پروژه از مهندسی نانومتری  مواد ، جهت تبدیل مستقیم انرژی  حرارتی  
به انرژی الکتریکی  استفاده خواهد نمود.  بودجه پروژه فوق تحت   یک
امتیاز   پنج  ساله   با مبلغ بیش از 2/1  میلیون دلار   در سال    توسط
دفتر  تحقیقات  نیروی دریایی   آمری˜ا تأمین   می شود.  این مبلغ  بین هفت 
مؤسسه   تقسیم    خواهد شد.

دکتر عــلی شکــوری


دکتر علی شکوری،  دانشیار  مهندسی الکترونیک   دانشگاه  فوق و محقق  اصلی
این پروژه  اظهار  داشت: " تمر˜ز نیروی دریایی، روی   کشتی های الکتریکی 
است، اما این پروژه   برای اتومبیل های  الکتریکی   و هر وسیله  نقلیه
ای  که به الکتریسته  نیاز داشته باشد مفید خواهد بود."

بازده موتور اتومبیل  بسیار پایین است،  به طور ی  که فقط  یک سوم 
انرژی      تولید ی در موتور    برای پیش   بردن اتومبیل   مصرف و
مابقی  انرژی،  موجب    گرم شدن  موتور   و پیدایش   مشکلات   عدیده ای 
می گردد. پیدایش  راهی برای    تبدیل    بخشی از این حرارت  به انرژی
ال˜تری˜ی، موجب    کاهش سوخت  مصرفی اتومبیل ها خواهد گردید.

دکتر شکوری بیان داشت: "سیستم های  فعلی  تبدیل  حرارت  به الکتریسته ˜ه
مبتنی   بر توربین  هستند، سنگین ، پر سر و صدا  و همچنین   کم بازده  می
باشند. آنچه    ما بر روی  آن کار می کنیم، هیچ  بخش متحرکی  نخواهد  داشت
."

  تیمی که دکتر شکوری   سرپرستی  آن را بر عهده  دارد، قصد دارد  با
استفاده   از ظرفیت   مواد لایه   نازک، انرژی  حرارتی   خروجی را به
صورت   جریان الکتریسته  درآورد.  آنها امیدوارند  بتوانند  بازده   این
تبدیل  را به 20 درصد  برسانند.

محققین  مدتی است که اصول   علمی این  تبدیل   را موسوم به "اثر سیبک[2]"
و "گسیل  ترمیو نیک"[3]  می شناسند؛  هرگاه یک طرف ماده ای  داغ تر از 
طرف دیگر  باشد، الکترو ن های   سمت داغ تر، سریعتر  حرکت  می کنند.  در
این فرآیند    برخی از   این الکترو ن ها  به سمت ناحیه  سرد حرکت  کرده و
جریان الکتریسیته    به وجود  می آورند.

اما تلاش های قبلی  جهت  استفاده  از این اصـل   در تولید جریان ، به 
اختلاف دما ی بسیار بالای  بین دو طرف ماده احتیاج داشته، کارآیی  آنها
حداکثر  به 6 درصد   رسیده بود.

  تیم دکتر شکوری قصد دارد  با اصول  متحول  کننده  نانوتکنولوژی ، این
موضوع   را تغییر دهد. وی می گوید: "توانایی   مهندسی مواد در مقیاس 
نانو متری ، مزیت   بسیار بزرگی  است.  سه خاصیت  کلیدی،  یک ماده را
قادر به تبدیل   حرارت به انرژی  می سازند .   اول اینکه  آن ماده  باید
قادر به انتقال آسان  الکترو ن های داغ به سطح سرد  خود باشد. این خاصیت 
با نام هدایت الکتریکی  شناخته  می شود. دوم اینکه  تا زمانی که الکترو ن
ها  در جهت  شیب دمایی  حرکت می کنند،  ماده باید بتواند  به صورت
عایق   حرارتی   باقی بماند.  و نهایتاً، الکترون های داغ  باید راحت تر از
الکترو ن های   سرد    حرکت  کنند. با برقراری  گپ  خلاء  ضعیفی    بین
طرف   سرد و گرم   ماده  می توان   به چنین   هدفی  رسید، یعنی   الکترو ن
های  داغ   بدون اینکه    حرارت   را منتقل کنند، از طرف داغ   به طرف
سردحرارت ˜نند.  "

دکتر شکوری   و برخی از   اعضای  تیم فوق، قبلاً  بر روی پروژه مشابهی  
اما با هدف متفاوت  کار کرده بودند (خن˜ سازی) ؛  آنها  هم اکنون  در حال
بهبود یک ابزار خنک کنندة  نانو متری  هستند که  می تواند به  صورت لایه
ای  نازک بر روی تراشه رایانه ب˜ار رود. جریان ال˜تریسیته در تراشه ها 
موجب   برقراری اختلاف دما  بین لایه های  این ابزار  شده و حرارت   را از
تراشه  خارج می سازد.

ابزاری که  در موتور اتومبیل    به کار خواهد رفت، دقیقاً  بر عکس این 
فرآیند   عمل می کند; از اختلاف دما بین موتور  و محیط اطراف برای تولید
جریان الکتریکی  استفاده می کند.

دکتر شکوری می گوید: "در این پروژه   از مواد حالت جامد  و گپ خلاء جهت
بهبود  جریان الکترو ن های داغ بهره    گرفته می شود."

  این تیم تحقیقاتی   به پنج  زیرگروه   تقسیم شده است، که هرکدام بخشی از
کار ، مثلاً مدل سازی  نظری، ساخت   یا آزمایش   مواد و ساخت سیستم کامل
را بر عهده  دارد. آزمایشگاه  دکتر شکوری نیز  طراحی   و آنالیز 
سیستم   و همچنین   مدیریت   انجام پروژه را  بر عهده دارد.

هفت مؤسسه  فعال در این پروژه  عبارتند از: دانشگاه کالیفرنیا   در
سانتاکروز، دانشگاه هاروارد ، مؤسسه   فناوری    ماساچوست، دانشگاه
ایالتی کارولینای  شمالی، دانشگاه  پوردو،  دانشگاه  کالیفرنیا  در برکلی
و دانشگاه کالیفرنیا در باربارا

تقلید از پوست دلفین در نگهداری بدنة کشتی‌ها

-اکتبر2002-کارن ‌وولی، استاد شیمی دانشگاه واشینگتن، شکل و ساختار پوست دلفین و چگونگی جلوگیری از چسبیدن موجودات دریایی به پوست دلفین را مورد توجه قرار داده است. این مشاهدات با تحقیقات وی درباره راههای دخالت در فعل و انفعالات سیستمهای زیستی و مواد مصنوعی و نیز طراحی گروههای فعال‌کننده که پیوند بین خود را ارتقاء یا کاهش می‌دهند هماهنگ است.

وی در حال پرورش گروهی از پوشش‌های ضد تخریب غیرسمی است که ممکن است روزی مانع اتصال موجودات دریایی مانند انبرکها، کرمهای لوله‌ای و هاگها به بدنه کشتی‌ها شود.

وی بیان کرد: "اساساً اگر دریابیم که چگونه این مواد گوناگون در سطح مولکولی فعل و انفعال انجام می‌دهند می‌توانیم این فعل و انفعالات را قطع و وصل کنیم. ما می‌خواهیم این فعل و انفعالات را با استفاده از نانوذرات فعال کنیم و با استفاده از پوشش‌های ضدتخریب، فعالیت آنها را متوقف سازیم." تخریب یکی از بزرگترین مشکلات نیروی دریایی ایالات متحده و همچنین صنعت تجارت دریایی است. موجودات ریز دریایی، پروتئین چسبنده‌ای از خود ترشح می‌کنند و با گذشت زمان با افزایش زنگ‌زدگی فلزات موجب تخریب فیزیکی آنها می‌شوند. با این همه، بزرگترین مشکل تأثیر آنها روی ظاهرکشتی است، بطوریکه رشد بی‌رویه روی بدنه کشتی، اصطکاک و مقاومت را افزایش می‌دهد و منجر به افزایش مصرف انرژی می‌شود. البته اثر زیانبار آنها بیش از این نتایج اقتصادی است؛ کشتی‌های با راندمان کم، مقدار بیشتری از گازهای گلخانه‌ای (مانند دی‌اکسیدکربن و گوگرد و اکسید نیتروژن) را منتشر می‌سازند و موجب باران‌های اسیدی می‌شوند.

رمز موفقیت عوامل ضدتخریب وولی در توپوگرافی سه بعدی آنها است که موجب ایجاد سطوح هیدرودینامیک طبیعی مشابه پوست دلفین می‌گردد. دانشمندان با بکار بردن میکروسکوپ الکترونی قوی دریافتند که پوست دلفین، با وجود نرمی، دارای ناهمواریهایی با ابعاد نانومتری است. این ناهمواریها آنقدر بزرگ نیستند که مانع حرکت در آب بشوند بلکه آنقدر کوچکند که شیارهای کمی برای اتصالات موجودات ریز دریایی باقی می‌گذارند.

وولی ابراز داشت: "تا مدت‌ها، فعالیتهای ضدتخریب منوط به ساخت سطوح بسیار صاف بود." وی ادامه داد: "اینگونه تصور می‌شد که اگر سطوح خیلی صاف باشند و سطح انرژی کمی داشته باشند موجودات ریز نمی‌توانند به آنها متصل شوند".

وی بیان کرد: "درحقیقت این موضوع کاملاً اشتباه است." و پروژه ضد تخریب وی کاملاً خلاف این امر می‌باشد. تخریب بحث جدیدی نیست و سالها این مشکل با بکاربردن پوشش‌های حاوی قلع و مس رفع می‌شده است که باعث کاهش اتصال آبزیان می‌شود. این در حالی است که مس و قلع در آب شسته می‌شود و محیط را آلوده می‌سازد.

وی از طریق سازمان تحقیقات نیروی دریایی که سالها در زمینه فلوروپلی‌مرها (مثل تفلون و دیگر پلیمرهای نچسب) و سایر سطوح با چسبندگی کم تحقیق کرده است، از این مشکل آگاه شد و نظریه ترکیب دو پلیمر ناسازگار– یک فلوروپلیمر چند شاخه و پلی‌ا‌تیلن گلیکول خطی– و فراهم آوردن امکان پراکندگی فازی در نواحی مشخص برای آنها را ارائه داد؛ یعنی یکی از آنها بتواند در دیگری پراکنده شود. این ترکیب طی یک فرآیند شیمیایی موسوم به اتصال عرضی[11] بصورت جامد درمی‌آید. بنابراین یک پوشش ناهمگن با ابعاد نانو ایجاد می‌شود که از پستی بلندیهای بسیار تشکیل‌شده و ساختار آن از سخت تا نرم واز آبدوست تا آبگریز متغیر می‌باشد.

نکته مهم در پیچیدگی این سطح است که به سختی به موجودات دریایی فرصت اتصال می‌دهد. فرضیه وولی این است که اگر ساختار سطوح پوشش‌دهنده در یک نظام هم‌اندازه ایجاد شود مانند پروتئین ترشح‌شده، آنگاه پروتئین نخواهد توانست به آن متصل شود.

هنگامی که سطح پلیمر آماده می‌شود، مانند دسته‌ای از کوههای میکروسکوپی است ولی با قرار گرفتن زیر آب دریای مصنوعی، کل سطح متورم می‌شود یک ساختار واژگون را تولید می‌کند.

وولی می‌گوید: "این بسیار جالب است زیرا معنی آن این است که ما می‌توانیم اندازه ساختارهای سطح را هماهنگ کنیم و مشخص کنیم که آیا این نظریه درست است، یعنی آیا اندازه ساختارهای سطح بر اتصال موجودات دریایی اثر می‌گذارد یا خیر؟

جستجو در سایت هیجدهمین نمایشگاه بین المللی کتاب تهران(http://tibf.co.ir)،لیست کتابهایی را که مستقیما مرتبط با فناوری نانو  مرتبط هستند.
برای دریافت این لیست کلیک کنید.

بهره‌گیری ایرانیان قدیم از فناوری نانو

ایرانیان در قرن‌های چهارم تا هفتم هجری از نانوذرات نقره و مس برای تزیین سفال‌های خود استفاده می‌کرده‌اند.
محققانی از کشور ایتالیا به همراه مهندس فرح شکوهی، مهندس پروین اولیایی، دکتر جواد رهیقی و دکتر محمد لامهی رشتی از سازمان انرژی اتمی کشورمان، نتایج تحقیقات صورت‌گرفته بر روی لعاب‌های استفاده‌شده بر روی سفال‌های ایرانی قرن‌های 4 تا 7 هجری را به صورت مقاله‌ای در مجلة Applied Physics A منتشر کرده‌اند.
Appl. Phys. A, 79,2004, 257-261
طبق نتایج این تحقیق، وجود نانوذرات نقره و مس در لعاب مورد استفاده در تزئینات سفالی قرون 4 تا 7 هجری موجب پیدایش اثرات کروماتیکی مختلفی در این سفالینه‌ها شده است.
تصاویر TEM ارائه‌شده در این مقاله، حاکی از پخش‌شدن نانوذرات هم‌اندازه نقره با قطر حدود 20 نانومتر در پایة شیشه‌ای لعاب روی سفال‌هاست.