مرجع آموزش نانو

uraniburg · 24 شهریور، ۱۳۹۱

فناوری نانو در واقع استفاده و تولید ماده در مقیاس ریز مولکولی است که در این ابعاد اتم ها و مولکول ها به شکلی متفاوت از ابعاد بزرگتر عمل می کنند و گستره ای از کاربردهای جالب و شگفت انگیز را فراهم می کنند می توان اصطلاح ((فناوری مولکولی )) را برای فناوری نانو استفاده کرد چرا که ابعاد نانو ابعاد کارایی مولکول هاست.

به عنوان مثال تار موی انسان 50000 نانو متر است و یک مولکول گلوکز کمتر از 1 نانومتر . جالب است که مولکول گلوکز می تواند انرژی فعالیت های متابولیکی را تامین کند .

در واقع نانو فناوری شناخت و کنترل ماده در ابعاد نزدیک به 1-100 نانومتر است ابعادی که در آن پدیده های منحصر به فرد کاربردهای جدیدی پیدا می منند.

Click here to view the original image of 540x265px.

مقیاس های مهم : متر ---------> میلیمتر----------> میکرومتر ---------> نانومتر

Click here to view the original image of 540x260px.

برای دیدن ابعاد نانومتر از میکروسکوپ های الکترونی که بر اساس شتابدهی پر انرژی الکترونها ساختارهای نانومتری را نشان میدهند استفاده می شود. برخی میکروسکوپ ها دستکاری و لمس این ابعاد را با تیغه ای که در نوک آن چند اتم وجود دارد ممکن می سازند.

Click here to view the original image of 540x264px.

مثال هایی برای درک ابعاد نانو:

طولی که نور در خلا در بازه ی زمانی 1/29974957 ثانیه طی می کند یک متر است و یک نانومتر 9 - ^ 10متر می باشد .

یک نانومتر برابر قطر 10 اتم هیدروژن یا 5 اتم سیلسیوم است .

یک نانومتر یک میلیاردیم متر است .

یک گلبول قرمز دارای عزض تقریبی هفت هزار نانو متر است .

یک مولکول آب دارای قطری حدود 1 نانو متر است .

اندازه مولکول پروتئین ها بین 1 تا 20 نانومتر است .

Click here to view the original image of 540x265px.

اگه بخوایم از مثال سیب و گلابی! استفاده کنیم میشه گفت اتما و مولکولای مواد پیرامون ما بدون هیچ نظم و ترتیبی روی هم ریخته ان مثه آجرایی که یه کامیون خالی کرده و وقتی یه ماده با فناوری نانو ساخته بشه کاری که روی اون ماده انجام شده اینه که به اتمها و مولکولهاش نظم و ترتیب داده شده مثه وقتی که از اون آجرا یه دیوار بسازیم ...!

Click here to view the original image of 540x279px.

uraniburg · 24 شهریور، ۱۳۹۱

برای درک بهتر ابعاد نانو :

Click here to view the original image of 720x540px.

Click here to view the original image of 561x340px.

Click here to view the original image of 700x293px.

Click here to view the original image of 792x612px.

Click here to view the original image of 728x563px.

uraniburg · 24 شهریور، ۱۳۹۱

ماکرو - میکرو - نانو ساختار

شکل یک جسم، وظیفه و عملکرد آن را منعکس می کند. چنانچه تفاوت شکل یک ظرف با شکل یک تیغه منجر به تفاوت در کارایی و کاربرد این دو می شود. چیزی که باعث تفاوت در رفتار این دو ماده می شود ساختاری است که با چشم قابل مشاهده است. به چنبن ساختاری ماکروساختار اطلاق می شود.

ماده خواص دیگری هم در ابعاد حجیم دارد که بسیاری از آنها قابل اندازه گیری هستند اما مشاهده نمی شوند. این خواص در محدوده ساختاری به نام میکرو ایجاد می شوند. میکروساختار در مقیاسی بین میلیمتر و میکرومتر قرار دارد.

در ابعاد زیر میکرومتری با سساختارهای متشکل از صدها و هزاران اتم روبروو هستیم که نانوساختار ماده شناخته می شوند. ساختاری متشکل از اتمها که به مراتب در سطحی بنیادی تری از ماکرو و میکروساختار ها قرار دارد. در نانوساختار، نوع

اتمها، موقعیت و تعداد و نحوه آرایش آنها مورد توجه قرار میگیرد.

اگر اتمهای متفاوتی ساختار کریستال را بسازند، سطوح بیرونی در این کریستال شامل چند نوع اتم هستند. به دلیل قطع پیوند این اتمها, سطح ماده دارای ابری از الکترونها است که در اوربیتالهای الکترونی در سطح بیرونی ماده هستند. این الکترون ها فعالیت و واکنش پذیری را زیاد خواهند کرد. سطوح خارجی، قلب بسیاری از فرایندهای شیمیایی مانند فعالیتهای کاتالیستی و

خوردگی هستند که نقش مهمی در کار بسیاری از ابزارهای الکترونیکی و شیمیایی ایفا میکنند.

Click here to view the original image of 907x414px.

Click here to view the original image of 688x314px.

چنانچه اشاره شد نانوساختار یک ماده ساختار آن در مقیاس اتمی است. از نگاهی دقیق نانوذرات و نانوساختارها، ساختارهایی هستند که به اندازه کافی کوچک هستند که خصوصیات فیزیکی و شیمیایی آنها، تفاوتهایی آشکارا با خصوصیات قبلی و معمولشان در حالت حجیم دارد.

در الکترونیک نوارهای پهن انرژی در مواد جامد گسسته شده و به حالت مجزا تبدیل می شود و پدیده های کوانتومی را رقم می زند.

در مورد تاثیرات حرارتی، مرز تغییر در حدود kT است که k ثابت بولتزمن و تقریباً معادل

^21-

10×4 ژول است. T دما برحسب کلوین است. در مورد اثرهای نوری(اپتیک)، رفتار غیرکلاسیک وقتی مشاهده می شود که ابعاد جسم به کمتر از اندازه طول موج نور مرئی (در

^7-

10×5 متر) می رسد. برای ذراتی مانند الکترونها مقیاس در محدوده اصل عدم قطعیت هایزنبرگ (

^8-

10×3 متر) است. این حوزه ها که در آنها تغییرات به وضوح دیده می شود. بخشی از میکروالکترونیک و الکترونیک نوری هستند. از زمانی که ابعاد مدارهای میکروالکترونیک کاهش یافته است، نانوساختارها ظهور بیشتری کرده اند.

لایه نازکی از جامد حجیم خواصی دارد که در جهت عمود مشابه خصوصیات یک تک اتم است. لایه نازکی از یک نیمه هادی که بین لایه نیمه هادی دیگری محصور شده یک چاه کوانتومی نامیده می شود. در این ساختار الکترونها محدود به دو صفحه شده اند و این دو حصار مانع حرکت الکترون در بعد سوم می شوند. لذا از دیدگاه میکروالکترونیک به چاههای کوانتومی نانوساختار دو بعدی اطلاق میشود( در آنها الکترون در دو بعد آزاد به حرکت است).

ساختارهایی که در دو بعد نانومتری هستند، سیمهای کوانتومی نامیده می شوند. در این ساختارها، جامد نیمه هادی الکترون را بین دو بعد محدود می کند. از نگاه میکروالکترونیک این سیمها هادی های تک بعدی هستند (الکترون در آنها مجاز به حرکت در یک بعد است). خوشه ای از اتمها (یک ذره نانومتری) ساختاری داردکه وابسته به خصوصیات تک تک اتم ها است. الکترونها در این ساختار در محل مشخصی از فضا محصورند. به این ساختارها نقطه کوانتومی اطلاق می شود. این ساختارها با استفاده از روشهای استاندارد صنعت نیمه هادی ها ساخته می شوند. فولرین، گرافن و نانولوله های کربنی سه ساختار با این سه وضعیت هستند.

Click here to view the original image of 692x326px.

Click here to view the original image of 688x324px.

فولرینها مولکولهای کروی از اتم کربن هستند که با پیوند محکم کووالانسی به هم متصل شده اند. باکی-بال(C60 یا باک مینیسترفولرین) ساده ترین نوع فولرین است. باکی بال شبیه به توپ فوتبال است که اضلاع 5 و 6 ضلعی دارد که در گوشه همه آنها یک اتم کربن مشاهده می شود. فولرین ها خواص الکترونیکی نقاط کوانتومی را دارند. نانولوله ها نیز مثل صفحات گرافیتی می مانند که به صورت صفحه درآمده است. نانولوله ها رفتار سیمهای کوانتومی را نشان می دهند.

کریستالهای فوتونیکی آرایش متناوب اشیای دی الکتریک هستند که برای امواج الکترومغناطیسی فواصل ممنوعه ای را ایجاد می کنند. خیلی از آنها بر اساس ساختار یک کریستال فوتونیک طبیعی شکل گرفته اند. برای مثال جواهرات و سنگهای قیمتی با نام اُپَل شامل بخشهای سرامیکی کروی هستند که قطری معادل طول موج نور دارند و این باعث تلالو رنگهای مختلف از سنگ می شود.

Click here to view the original image of 776x466px.

Click here to view the original image of 688x413px.

نانوساختارها در هر سطحی وجود دارند و در ساخت بسیاری از نانوساختارها می توان از موجودات طبیعت الگو گرفت. تار عنکبوت معمولی (در بین تمام عنکبوتها و انواع تار آنها) ماده ای پلیمری با خواص برجسته است که اگر خواسته باشیم خوب توصیف کنیم به مانند یک تور ماهیگیری می ماند که توان و قدرت مهار کردن یک موشک بالستیک را دارد. این خصوصیات ناشی از نانوساختار و ساختار خاص نانومتری رشته تار است که شامل نواحی کریستالی و غیر کریستالی آمیخته در هم است. بسیاری از ساخته های طبیعی نانوساختار دارند و ویژگی های خاص آنها بسیاری از دانشمندان فناوری نانو و فناوری بیو (فناوری زیستی) را به تکاپو انداخته است. چنانچه ریچارد فاینمن اشاره می کند: "طبیعت با ابزار زنده ای کار می کند که می توان از آن برای توسعه ساختارهای کوچک استفاده نمود".

تا کنون با 1400 رویکرد شناخته شده از خصوصیات و پدیده های مربوط به موجودات مختلف در خلقت کپی برداری شده است.

uraniburg · 24 شهریور، ۱۳۹۱

به افتخار باکمینستر فولر، سازندهٔ گنبد ژئودزیک نام این ماده‌ی شیمیایی را فولرن گذاشتند

Click here to view the original image of 590x300px.

باکمینستر فولر

Click here to view the original image of 600x858px.

Click here to view the original image of 580x379px.

Click here to view the original image of 500x333px.

انواع فولرن :

توپ باکی

: که کوچکترین آن‌ها C

_۲۰

و متداول‌ترین آن‌ها C

_۶۰

است.
نانو‌لوله‌ها

: لوله‌های توخالی بسیار کوچک که عملکردی عالی در صنعت الکترونیک دارند.
مگالوله‌ها

نانو لوله ها همون شکل کشیده شده ی باکی بال هستن

Click here to view the original image of 773x762px.

Click here to view the original image of 728x718px.

Click here to view the original image of 560x447px.

Click here to view the original image of 500x375px.

Click here to view the original image of 600x556px.

uraniburg · 24 شهریور، ۱۳۹۱

نانو ساختارهای زیستی در خلقت

فناوری میکرو و نانو در خلقت را نانوبیونیک اطلاق می کنند. بيونيك كه به آن بيومتريك يا مهندسي خلاق زيستي هم مي‌گويند كاربرد ساز و کارهای زیستی موجود در طبيعت در چرخه طراحی و مهندسي و فناوري‌هاي مدرن است. در حقیقت بیونیک آموختن فنون مهندسی از خلقت است. به این حوزه از دانش، الهام از طبیعت گفته شده است. این علم ساختارهای طبیعی را به همراه قابلیتهای ویژه آنها رصد کرده و سعی به استفاده از آن در طراحی های مهندسی دارد. تاکنون در حوزه های مواد، البسه، معماری، انرژی، هوافضا و نور و ... از طبیعت استفاده شده است. کلمه طبیعت(Nature) را کسانی استفاده می کنند که قائل نیستند، همه موجودات و هستی خالقی مدبر دارند، لذا برای تاکید بر این موضوع جایز است جای این کلمه از واژه خلقت استفاده شود.

رویکرد الهام از خلقت با سرعت پیش می رود و همچنان ناشناخته های بیشتری از ساختمان بدن موجودات وجود دارد که برای مهندسی ساختارهای مشابه مفید است. بخشی از این تلاش ها برای ساخت تجهیزاتی است که بتوانند انرژی زیادی را تولید و ذخیره کنند. سلول های خورشیدی و پـیلهای سـوختی و باتری ها فناوری های جدیدی هستند که انرژی برق را با ساز و کاری شبیه به بخشی از ساز و کار برگها در فرایند فوتوسنتز، تامین یا ذخیره می کنند. ویژگی خود تميز شوندگي که از خلقت الهام گرفته شده است، در حقیقت ایجاد سطحی ویژه است که تمایلی به جذب ذرات کثیف ندارد. خصـوصیـت خـود تمیزشوندگی برگ نیلوفر آبی به خاطر برجستگی های نانومتری روی برآمدگیهای میکرونی است که خصوصیت آبگریز به آنها میدهد. لباس، بتن و شیشه از این خصوصیت برای دفع آب و روغن استفاده کرده اند. در اینجا آنچه تغییر میکند رفتار قطره آب آلوده با سطح یا کشش سطحی بین این دو است.

شکل2- خـود تمیزشوندگی برگ نیلوفر آبی

رنگ بدون رنگدانه، طرحی است که محققان علم مواد در حوزه فوتونیک به دنبال آن هستند. بال پروانه نانوساختاری دارد که منجر به انعکاس طول موج رنگهای مختلف بین 400 تا 700 نانومتر می گردد. برخی پروانه ها رنگی هستند، حتی اگر در بال آنها هیچ رنگی نباشد). این رنگ به خاطر نانوساختار سطح بالها ایجاد شده است. ابعاد این ساختار در محدوده نور مرئی و نزدیک به ابعاد نانومتری (1 تا 100 نانومتر) می باشد، این امر به پراکنش رنگهای متفاوت منجر می شود. توجه به خلقت نشان می دهد که ساختار پیچیده بدن حیوانات و تنه گیاهان می تواند منشا، خلق محصولاتی گردد که بشر به طور موثر از آنها استفاده کند.

شکل3- ساخت رنگ بدون رنگدانه

در پای نوعی مارمولک به نام گِکو نانوساختارهایی وجود دارد که تعداشان به حدود 500000000 نانوموی منعطف می رسد. آنها باید از نظر تئوری 2 کیلوگرم وزن داشته باشند، این ساختارها در هر پنجه پای مارمولک، به آن کمک می کنند که روی دیوار راه برود.

شکل4 - چسبندگی پای گکو

کاهش اصطکاک و سایش در تماس شن و دندانه های نانومتری در فلس های ماهی شنزار باعث می شود که بتواند در مدت نیم ثانیه زیر شن پنهان شود.

شکل5- ماهی شنزار

سطوح برآمده آبدوست و برجستگیهای نانومتری بال سوسک سیاه به عنوان سطوح پست در پوست باعث جمع آوری

بهینه رطوبت می شوند.

شکل6 - برجستگیهای نانومتری بال سوسک سیاه

کاهش اغتشاش در کانال های میکرومتری پولک ه با خطوط پست و بلند نانومتری باعث افزایش سرعت عمل ه می شود. لباس های شناگران المپیک با الهام از همین شیارهای نانومتری ساخته شده است. این لباس باعث افزایش کارایی و رکورد شناگران شده است. ساخت چنین لباسی با تلاش محققین ناسا با الهام از خلقت نشان دهنده شیوه های نوینی در نوآوری در تحقیقات دانشمندان نانو است. نانوشیارهای روی پای آبدزدک باعث حرکت راحت حشره روی آب می شود.

شکل7- خطوط پست و بلند نانومتری در کانال های میکرومتری پولک ه

شکل8- نانوشیارهای روی پای آبدزدک

هر ماده خواصی دارد که مورد توجه فناوری است، چینی و ظروف چینی(خانواده سرامیکها)، یکی از این دسته مواد هستند. در حوزه های مختلف از ساختمان تا الکترونیک، کاربردهایی وجود دارد که افزایش دما تا 1000 و 1500 درجه سانتیگراد وجود دارد. برخی از کانیهای سخت

زمین

این دما را تحمل می کنند، صدف ها در بردارنده چنین موادی هستند. صدفها، چینی های طبیعی هستند که دمای شکل گیری آنها 4 درجه سانتیگراد بوده است. ایلهان آکسای دانشمند ترک این موضوع را مورد بررسی دقیق قرار داده است. ساختار ریز آبالون ( نام این صدف)خیلی جالب است. آبالون ها بسیار محکم هستند. استحکام این صدف ها دو برابر پیشرفته ترین سرامیک های حال حاضر است. دانشمند امریکایی به نام کالرین تالر این موضوع را بررسی کرده است. با بزرگنمایی 300000 برابر به کمک میکروسکوپ الکترونی پویشی، تصویری از ساختار ریز این صدف به نمایش رسید که نشان می داد ساختار آبالون شبیه یک دیوار آجری است. آجرهایی از کربنات کلسیم که به کمک ملاتی از پروتئین ها در کنار هم هستند. علیرغم ساختار بسیار شکننده کربنات کلسیم صدف بسیار محکم بوده و شکنندگی بسیار کمی دارد. این به خاطر ساختار ورق ورق آن است. اکسیدها طبیعتی سخت دارند. آلیاژهای آلومینیومی بورون کربید از این الگو استفاده کرده اند. این مواد در یک تانک آمریکایی استفاده شده اند. از نحوه شکستن یک کوزه به عنوان یک ماده از کانیهای طبیعی فراموش نخواهید کرد که اکثر مواد سرامیکی ساخت بشر بسیار شکننده هستند. اما در زره تانک مواد ترکیبی جدیدی مورد استفاده قرار گرفته است که می توانند این مشکل را رفع کند. مانند آبالون علاوه بر مواد سرامیکی معمول مواد دیگری با پوشش همراه شده که مانع شکستن و خرد شدن ساختمان ماده می شود. ترک برداشتن و شکستن به خاطر آن است که مواد نمی توانند انرژی ناگهانی برخورد را گرفته یا جذب کنند.

شکل9- تانکی با بدنه کامپوزیتی

ساختار نانومتری آبالون قبلاً با تلفیق مواد آهکی و پروتئینها این کار را انجام داده است. با الهام از این خصوصیت صدف دانشمندان با ترکیب الیاف ساخت بشر و پلیمرها مواد کامپوزیت(چند سازه ها) جدیدی ساخته اند.

شکل 10- صدف دریایی یا آبالون (Abalone) که جزء کریستالهای فوتونیک هم است.

صدف دریایی یک موجود دریایی است. پوسته های محکم و رنگین صدف که در درجه حرارتهای بسیار بالا هیچ آسیبی نمی بیند و یک ساختمان مورد توجه برای محققان بوده است به خاطر آن است که این ساختمان شبیه به دیواری است که آجرهایی از سنگ(مواد معدنی و سرامیکی) و ملاتی از پروتئینها دارد.

فایبرگلاس یا الیاف شیشه از الیاف پر مصرف است که با ترکیب دیگر مواد مورد استفاده قرار می گیرد. ماشینهای فرمول یک، قایقها، هواپیماها و سفینه ها ساختار مشابهی در خلقت دارند. پوست تمساح از نمونه ساختارهای

محکم و ضخیم

خلقت است. این ساختار دارای الیافی است که در بین مواد پروتئینی دیگر قرار گرفته اند.

Click here to view the original image of 426x309px.

uraniburg · 24 شهریور، ۱۳۹۱

Abalone

Click here to view the original image of 1280x960px.

Click here to view the original image of 728x546px.

Click here to view the original image of 640x480px.

Click here to view the original image of 490x403px.

uraniburg · 24 شهریور، ۱۳۹۱

مثال هایی از بیونیک:

شرکت مرسدس بنز (Mercedes-Benz) اقدام به طراحی خودرویی بیونیک با الگوبرداری از شکل نوعی ماهی کوچک گرمسیری نموده است

Click here to view the original image of 500x333px.

Click here to view the original image of 500x363px.

Click here to view the original image of 500x379px.

Click here to view the original image of 500x333px.

Click here to view the original image of 456x500px.

Click here to view the original image of 500x400px.

عکس چند ساختمون که با ایده گرفتن از طبیعت ساخته شدن:

Click here to view the original image of 508x669px.

Click here to view the original image of 508x328px.

Click here to view the original image of 508x368px.

Click here to view the original image of 508x508px.

Click here to view the original image of 508x531px.

Click here to view the original image of 500x360px.

Click here to view the original image of 550x412px.

uraniburg · 24 شهریور، ۱۳۹۱

بیونیک؛ سرچشمه فناوری در طبیعت

Click here to view the original image of 681x383px.

پدر

انسان همواره به جهان زنده پیرامون خود نگریسته و در فن‌آوری از آن الهام گرفته است. به جرأت می‌توان لئوناردو داوینچی را پدر "بیونیک" دانست؛ چرا که پرواز پرندگان الهام‌بخش طرح‌های ماشین‌های پرنده او بوده است. واژه "بیونیک" نخستین بار در سال ۱۹۶۰ میلادی توسط جک ای.استیل (Jack E. Steele) آمریکایی در یک کنفرانس جهانی به کار برده شد. تعریف وی از بیونیک بسیار ساده بود: بیونیک علم به کارگیری سیستم‌های زنده‌ی طبیعت برای حل مسائل فنی است.