یکی از جذاب‌ترین جنبه‌های نانوتکنولوژی، مقیاس فوق‌العاده کوچکی است که در آن نانومهندسی و ساخت نانو اتفاق می‌افتد. این مثال را در نظر بگیرید: اولین ترانزیستور در حال کار که توسط جان باردین، والتر براتین و ویلیام شاکلی از آزمایشگاه‌های بل در سال 1947 ساخته شد، تقریباً 1 سانتی‌متر عرض داشت. امروزه چگالی ترانزیستور منطقی از ۱۰۰ میلیون ترانزیستور در هر میلی متر مربع فراتر رفته است. این بدان معناست که همان سطح ترانزیستور اصلی Bell Labs اکنون می تواند حاوی بیش از 10 میلیارد ترانزیستور باشد!
یکی از پیشرفت های صنعت نانو، پوشش نانو نمای سهند شیمی می باشد.این ماده با کمک تکنولوژی نانو باعث آبگریز شدن نمای ساختمان می شود.شیمیدانان و زیست شناسان در تمام طول عمر با نانوذرات طبیعی سروکار داشته اند. به مولکول ها یا ویروس ها فکر کنید. سم شناسان با نانوذراتی که حاصل زندگی مدرن انسان هستند مانند ذرات کربن موجود در اگزوز موتورهای احتراقی سروکار داشته اند. تولیدکنندگان تایر بدون آگاهی از آن، از نانوذرات (کربن سیاه) برای بهبود عملکرد تایرها در اوایل دهه 1920 استفاده کردند.
هنرمندان قرون وسطی از نانوذرات طلا (ناخودآگاه) برای دستیابی به رنگ‌های قرمز روشن در پنجره‌های کلیسا استفاده می‌کردند. حتی ممکن است بگویید که ما توسط نانومواد احاطه شده و از آنها ساخته شده‌ایم – در نهایت اتم‌ها و مولکول‌ها اشیایی در مقیاس نانو هستند. پس چرا در حال حاضر این همه ابهام در مورد "نانو" وجود دارد؟
تلاش مداوم برای کوچک سازی منجر به ابزارهایی مانند میکروسکوپ نیروی اتمی و میکروسکوپ تونلی روبشی شده است. همراه با فرآیندهای تصفیه شده مانند لیتوگرافی پرتو الکترونی، این ابزار به محققان اجازه می دهد تا به طور عمدی نانوساختارها را دستکاری و تولید کنند. کاری که قبلا نمی توانستند انجام دهند.
نانومواد مهندسی شده، چه از طریق یک رویکرد از بالا به پایین (یک ماده انبوه از نظر اندازه به الگوهای نانومقیاس کاهش می یابد) یا یک رویکرد از پایین به بالا (ساختارهای بزرگتر ساخته می شوند یا اتم به اتم یا مولکول به مولکول ساخته می شوند)، فراتر از یک گام بعدی در کوچک سازی آنها یک سد اندازه را شکسته اند که در زیر آن کمی سازی انرژی برای الکترون ها در جامدات مرتبط می شود.
به اصطلاح اثر اندازه کوانتومی، فیزیک خواص الکترون را در جامدات با کاهش بزرگ در اندازه ذرات توصیف می کند. این اثر با رفتن از ابعاد ماکرو به ابعاد خرد وارد عمل نمی شود. با این حال، زمانی که به محدوده اندازه نانومتری کمتر برسد، غالب می‌شود. مواد کاهش یافته به مقیاس نانو می توانند به طور ناگهانی خواص بسیار متفاوتی در مقایسه با آنچه در مقیاس ماکرو نشان می دهند نشان دهند.
به عنوان مثال، مواد مات شفاف می شوند (مس). مواد بی اثر تبدیل به کاتالیزور می شوند (پلاتین)؛ مواد پایدار قابل احتراق می شوند (آلومینیوم)؛ جامدات در دمای اتاق به مایع تبدیل می شوند (طلا). عایق ها تبدیل به هادی (سیلیکون) می شوند.
دومین جنبه مهم مقیاس نانو این است که هرچه یک نانوذره کوچکتر شود، سطح نسبی آن بزرگتر می شود. ساختار الکترونیکی آن به طرز چشمگیری تغییر می کند. هر دو اثر منجر به بهبود فعالیت کاتالیزوری تا حد زیادی می شود، اما همچنین می تواند منجر به واکنش شیمیایی تهاجمی شود.
چشم انداز جذابی که فناوری نانو به مهندسان و محققان ارائه می دهد از این پدیده های کوانتومی و سطحی منحصر به فرد ناشی می شود که ماده در مقیاس نانو به نمایش می گذارد و مواد جدید و کاربردهای انقلابی را ممکن می کند.
بسیار شگفت انگیز است که چقدر از تحقیقات مرتبط با فناوری نانو از طرح های طبیعت الهام گرفته شده است. در حقیقت، طبیعت مملو از نمونه هایی از شاهکارهای پیچیده معماری نانوسکوپی است. چه رنگ های ساختاری باشد. چسبندگی؛ استحکام متخلخل؛ یا ناوبری و جابجایی باکتری ها - آنها زیربنای عملکردهای اساسی انواع اشکال حیات، از باکتری ها تا توت ها، زنبورها تا نهنگ ها هستند.
نانوبیوتکنولوژی کاربرد نانوتکنولوژی در زمینه های بیولوژیکی است. شیمیدانان، فیزیکدانان و زیست شناسان هر کدام نانوتکنولوژی را شاخه ای از موضوع خود می دانند و همکاری هایی که هر کدام به طور مساوی در آن مشارکت دارند، مشترک است. یک نتیجه، حوزه ترکیبی نانوبیوتکنولوژی است که از مواد اولیه بیولوژیکی، اصول طراحی بیولوژیکی استفاده می کند یا کاربردهای بیولوژیکی یا پزشکی دارد.
در حالی که بیوتکنولوژی با فرآیندهای متابولیکی و سایر فرآیندهای فیزیولوژیکی موضوعات بیولوژیکی از جمله میکروارگانیسم‌ها سر و کار دارد، در ترکیب با نانوتکنولوژی، نانوبیوتکنولوژی می‌تواند نقشی حیاتی در توسعه و اجرای بسیاری از ابزارهای مفید در مطالعه حیات ایفا کند. اگرچه ادغام نانومواد با زیست شناسی منجر به توسعه دستگاه های تشخیصی، مواد کنتراست، ابزارهای تحلیلی، درمان و وسایل انتقال دارو شده است، تحقیقات بیونانوتکنولوژی هنوز در مراحل ابتدایی است.
واژه نانوالکترونیک به استفاده از فناوری نانو در قطعات الکترونیکی اشاره دارد. اندازه این اجزا اغلب تنها چند نانومتر است. با این حال، هرچه قطعات الکترونیکی کوچکتر شوند، ساخت آنها سخت تر می شود.
نانوالکترونیک مجموعه متنوعی از دستگاه‌ها و مواد را پوشش می‌دهد، با ویژگی مشترک آنها آنقدر کوچک هستند که اثرات فیزیکی خواص مواد را در مقیاس نانو تغییر می‌دهد – فعل و انفعالات بین اتمی و خواص مکانیکی کوانتومی نقش مهمی در عملکرد این دستگاه‌ها دارند. در مقیاس نانو، پدیده‌های جدید بر آن‌هایی که در جهان کلان تأثیر دارند، اولویت دارند. اثرات کوانتومی مانند تونل زنی و اختلال اتمی بر ویژگی های این دستگاه های نانومقیاس غالب است.
اصطلاح نانوپوشش به لایه‌های نازک در مقیاس نانو (یعنی با ضخامت چند ده تا چند صد نانومتر) اطلاق می‌شود که به منظور ایجاد یا بهبود عملکردهای یک ماده مانند حفاظت در برابر خوردگی، حفاظت از آب و یخ، کاهش اصطکاک بر روی سطوح اعمال می‌شود. خواص ضد رسوب و ضد باکتری، خود تمیز شوندگی، مقاومت در برابر حرارت و تشعشع و مدیریت حرارتی.
نانوپوشش‌ها مزایای قابل‌توجهی را برای کاربردها در صنایع هوافضا، دفاعی، پزشکی، دریایی و نفت ارائه می‌کنند و تولیدکنندگان را به استفاده از پوشش‌های چند منظوره در محصولات خود سوق داده است.
تحقیقات نانوپلاسمونیک بر پدیده های نوری در مجاورت سطوح فلزی در مقیاس نانو متمرکز است. در نانوپلاسمونیک، محققان نور در مقیاس نانو را زیر حد پراش (که معمولاً نصف عرض طول موج نوری است که برای مشاهده نمونه استفاده می‌شود) با تبدیل فوتون‌های آزاد به نوسانات چگالی بار موضعی - به اصطلاح پلاسمون‌های سطحی - روی نوسان متمرکز می‌کنند. نانوساختارهای فلزی، که به عنوان آنالوگ در مقیاس نانو آنتن‌های رادیویی عمل می‌کنند و معمولاً با استفاده از مفاهیم تئوری آنتن طراحی می‌شوند.
واژه نانوحسگر به وضوح تعریف نشده است. بیشتر تعاریف به دستگاه حسگری اشاره دارد که حداقل یکی از ابعاد آن کوچکتر از 100 نانومتر باشد و به منظور جمع آوری اطلاعات در مقیاس نانو و انتقال آن به داده ها برای تجزیه و تحلیل باشد.
اندازه نانوحسگرها لزوماً به مقیاس نانو کاهش نمی‌یابد، اما می‌توانند دستگاه‌های بزرگ‌تری باشند که از خواص منحصربه‌فرد نانومواد برای شناسایی و اندازه‌گیری رویدادها در مقیاس نانو استفاده کنند. به عنوان مثال، در فلزات نجیب مانند نقره یا طلا، نانوساختارهایی با اندازه کوچکتر از طول موج دو بروگل برای الکترون ها منجر به جذب شدید در ناحیه مرئی/نزدیک به UV می شود که در طیف مواد حجیم وجود ندارد.
نانوحسگرها برای تشخیص گازها، متغیرهای شیمیایی و بیوشیمیایی و همچنین متغیرهای فیزیکی و تشخیص تشعشعات الکترومغناطیسی توسعه یافته‌اند.
اگر تا به حال فکر کرده اید که نانوتکنولوژی ما را به کجا خواهد برد، به کاربردهای بالقوه در زمینه مواد غذایی کاربردی با مهندسی مولکول های بیولوژیکی به سمت عملکردهایی بسیار متفاوت از عملکردهایی که در طبیعت دارند، نگاه نکنید، و یک حوزه کاملاً جدید از تحقیق و توسعه را باز کنید. البته، به نظر می‌رسد هیچ محدودیتی برای آنچه که فن‌آوران مواد غذایی آماده انجام آن با مواد غذایی ما هستند وجود ندارد و فناوری نانو مجموعه‌ای کاملاً جدید از ابزارها را برای رفتن به افراط‌های جدید در اختیار آنها قرار می‌دهد.
نانوتکنولوژی فرصتی را برای پلتفرم‌های حسگر جایگزین برای جداسازی و تشخیص سریع، حساس، قابل اعتماد و ساده E. coli و سایر پاتوژن‌ها ارائه می‌دهد. تکنیک‌های آشکارسازی با فناوری نانو شامل تشخیص با لومینسانس با استفاده از نقاط کوانتومی است. رزونانس پلاسمون سطح موضعی نانوذرات فلزی. افزایش فلورسانس؛ نانوذرات تثبیت شده با رنگ یا مولکول گزارشگر رامان نانوذرات فلزی را تثبیت کرده است.
فناوری‌های نانو پتانسیل افزایش بهره‌وری انرژی در تمام شاخه‌های صنعت و اهرم اقتصادی تولید انرژی تجدیدپذیر را از طریق راه‌حل‌های فن‌آوری جدید و فناوری‌های تولید بهینه فراهم می‌کنند. نوآوری‌های نانوتکنولوژی می‌تواند بر هر بخش از زنجیره ارزش افزوده در بخش انرژی تأثیر بگذارد: منابع انرژی. تبدیل انرژی؛ توزیع انرژی؛ ذخیره انرژی؛ و مصرف انرژی
ثابت شده است که گرافن برای انواع مختلف باتری ها - جریان اکسیداسیون و کاهش، فلز-هوا، لیتیوم-گوگرد، لیتیوم-فلز و مهمتر از آن باتری های لیتیوم-یون مفید است. از آنجایی که گرافن را می توان از نظر شیمیایی به اشکال مختلف برای الکترودهای مثبت و منفی پردازش کرد، این امر امکان ساخت باتری های تمام گرافنی با چگالی انرژی فوق العاده بالا را فراهم می کند.
در آینده نزدیک، استفاده از نانومواد در مبلمان ممکن است منجر به کاهش نیاز به چسب و منسوجات کاربردی شود. انتظار داشته باشید که مبلمان "هوشمند" را ببینید - مبلمانی که وقتی سرد است خودش را گرم می کند. هنگامی که خورشید به شدت می تابد، مات می شود. تغییر رنگ بر اساس تقاضا؛ عملکردهای اصلی بدن را اندازه گیری می کند. دارای پوشش های آنتی باکتریال است که در تماس یا پوشش های خود ترمیم شونده برای ترمیم خراش ها و آسیب های جزئی فعال می شوند. وسایل الکترونیکی تعبیه شده است که به عنوان مثال به شما سیگنال می دهد که مواد غذایی شما تمام شود. یا شامل آلیاژهای حافظه دار است که شکل آنها را تغییر می دهد.
نانوتکنولوژی نقش مهمی در ماموریت‌های فضایی آینده خواهد داشت. نانوحسگرها، مواد با کارایی بالا به طرز چشمگیری بهبود یافته یا سیستم های پیشرانه بسیار کارآمد تنها چند نمونه هستند.
کاربردهای نانوتکنولوژی و نانومواد را می توان در بسیاری از محصولات آرایشی و بهداشتی از جمله مرطوب کننده ها، محصولات مراقبت از مو، آرایش و ضد آفتاب یافت.
بخش خودرو یکی از مصرف کنندگان عمده فناوری های مواد است – و فناوری نانو وعده بهبود عملکرد فناوری های موجود را به میزان قابل توجهی می دهد. کاربردها از موجود - کیفیت رنگ، سلول‌های سوختی، باتری‌ها، لاستیک‌های مقاوم در برابر سایش، مواد سبک‌تر اما قوی‌تر، لایه‌های ضد تابش فوق‌العاده نازک برای پنجره‌ها و آینه‌ها - تا بدنه‌های آینده‌نگر - جمع‌آوری انرژی، رنگ کاملاً خود ترمیم‌شونده را شامل می‌شود. رنگ های قابل تغییر، پوست تغییر شکل دهنده.
در این مقاله به بررسی کاربردهای مختلف نانوتکنولوژی پرداختیم. امید است مورد استقبال شما قرار گرفته باشد.
در آیدت،
فایل‌های
خود را به فروش بگذارید و یا
مقالات‌تان
را منتشر کنید👋
پاسخ ها