مفاهیم فناوری نانو و نانو تکنولوژی در ایران

فناوری نانو و نانو تکنولوژی

فهرست مطالب

عنوان                                                                                     صفحه

چکیده…………………………………………………………………………..1

فصل دوم: مفاهیم نانو فناوری یا فناوری نانو    7

2-1- تعریف نانو         8

2-2- مقیاس نانو          8

2-3- تعریف فناوری نانو          8

2-4- چرا نانو فناوری؟  9

2-5- تاریخچه فناوری نانو        10

2-6- تقویم توسعه فناوری نانو   13

2-7- وضعیت جهانی نانو فناوری          16

2-8- ماهیت و ساختار فناوری نانو         18

2-9- اهمیت و ضرورت فناوری نانو       19

2-9-1- ضرورت اولویت دادن به توسعه فناوری نانو در ایران       20

2-10- آینده توسعه فناوری نانو  20

2-10-1- فناوری های قابل دسترس در کوتاه مدت          21

2-10-2- فناوری های قابل دسترس در میان مدت           21

2-10-3- فناوری های قابل دسترس در بلند مدت 21

فصل سوم : نانو در معماری        22

3-1- نانو .ذرات 23

3-1-1- منابع نانو ذرات 23

3-2- فولرین های کربنی           24

3-2-1- باکی بال         24

3-2-2- نانو لوله های کربنی      24

3-2-2-1-انواع نانو لوله         25

3-3- نانو معماری        26

3-3-1- فناوری نانو در معماری  26

3-4-تاثیرات مواد و مصالح بر معماری     27

3-5-تولید بتن هایی با کارایی بالاتر        28

3-5-1-نانو سیلیکا استحکام بتن را افزایش می دهد         29

3-5-2-بتن خود ترمیم کننده ترک          30

3-5-3-بتن های خود تمیز شونده و آلاینده زدا    30

3-6-خواص و کاربرد نانو ذرات آهن      30

3-6-1-مزایا و ویژگی های نانو ذرات آهن         31

3-6-2-روش های تولید نانو پودر آهن    32

3-6-3-افزایش استحکام فولاد با استفاده از فناوری نانو     32

3-6-4-افزایش مقاومت به خوردگی فولاد با استفاده از نانو فناوری 33

3-6-5-افزایش مقاومت دربرابر خوردگی با نانو لوله های کربنی     33

3-7-گچ،آجر و سیمان متاثر از فناوری نانو          34

3-8- کاشی و سرامیک خود تمیز شونده   35

3-8-1- سرامیک خود ترمیم گر  35

3-9-افزایش ماندگاری چوب با استفاده از فناوری نانو      36

3-10-کاربردهای فناوری نانو در صنعت شیشه     37

3-10-1-شیشه های خود تمیز شونده      37

3-10-2-برخی مزایا و ویژگی های شیشه های خود تمیز شونده    38

3-10-3-شیشه های رنگی حاوی نانو ذرات        39

3-10-4-شیشه های نانو متخلخل 39

3-10-5-شیشه های ذخیره کننده انرژی   40

3-11-نانوپوشش های هوشمند   41

3-11-1- نانوپوشش های هوشمند تمیز شونده     42

3-11-2- نانو پوشش های هوشمند ت صفیه کننده هوا     42

3-11-3-تولید پوشش های ضد مه با استفاده از نانو ذرات 43

3-11-4- پوشش های ضد نقش وضد نوشتار(ضد دیوار نویسی)    43

3-12- دستگاه تصفیه کننده هوای اتاق     46

3-13- آئروژل ها         47

3-14- نانوژل   47

3-15-ساخت سلول های خورشیدی سه بعدی با استفاده از نانو لوله های کربنی      48

فصل چهارم:تحلیل وبررسی نمونه های مشابه       50

4-1- عملکردهای مهم مراکز تحقیقاتی    51

4-2-مرکز تحقیقات نانو فناوری دافیلدهال دانشگاه کرنل    52

4-3-مرکز تحقیقات نانو فناوری بیرک دانشگاه پرودو در ایندیانا     54

4-4-آزمایشگاه ملی بروکهان(مرکز نانو مواد کاربردی، نیویورک)     56

4-5- مرکز تحقیقات نانو فناوری مارکوس 57

فصل پنجم: اصول ، استانداردها،ضوابط طراحی وبرنامه فیزیکی   58

5-1- فعالیت های ایران در حوزه استاندارد سازی فناوری نانو       59

5-1-1- استانداردهای ملی ایران  59

5-2- سایر فعالیت های جهانی استانداردسازی فناوری نانو 60

– کمیته E56 مؤسسه استاندارد ASTM  60

– کمیته IEC/TC113  60

– کمیته استانداردسازی فناوری نانو (CEN/TC352)      61

– انجمن فناوری نانو مؤسسه IEEE       61

– کمیته ملی فناوری نانو انگلستان (NTI/1)       62

– کمیته استاندارد فناوری نانو کره جنوبی  62

– کمیته ملی استاندارد نانو چین (SAC/TC279) 62

– هیأت استانداردهای فناوری نانو مؤسسه استاندارد آمریکا (ANSI-NSP) 62

– کمیته استاندارد نانو آلمان        62

5-3- درخت فناوری نانو          63

5-4-استانداردها و ضوابط در طراحی آزمایشگاه   70

5-4-1-مدول طراحی آزمایشگاه و فضاهای جانبی آن       70

5-4-2- مدول آزمایشگاه          70

5-5- برنامه فیزیکی       71

فهرست منابع فارسی

فهرست منابع غیرفارسی

چکیده انگلیسی

تعریف نانو

کلمه نانو در زبان یونانی به معنای کوتوله است و معنی آن حاصل تقسیم یک بر هزار میلیون است! واحد اندازه گیری در این مقیاس را نانومتر (nm) می گویند که برابر با یک میلیونیوم متر است. برای ملموس تر شدن مفهوم آن بد نیست یادآور شویم که ضخامت تار موی انسان تقریباً 75000 نانومتر است. نکته ظریف اینجا است که طول 10 اتم هیدروژن در کنار هم معادل یک نانومتر می شود.

مقیاس نانو

عبارت نانو از نانومتر مشتق شده است . مقیاس طولی به این کوچکی برای مواد و مصالح ، به دلایل گوناگون بسیار مهم است ، چرا که تاثیرات زیادی بر ویژگی ها و رفتار مکانیکی ، حرارتی ، الکتریکی ، مغاطیسی ، اپتیکی و زیبایی شناسی آنها دارد .

بدون شک اگر این پرسش را مطرح کنیم که « کوچکترین ذره ی ماده چیست ؟ » ، بیشتر مردم پاسخ خواهند داد : « اتم » اتم ها ، قطری ، در حدود یک دهم نانومتر دارند . خود اتم ها از ذرات ریزتری ساخته می شوند که با آنها آشناییم ، یعنی الکترونها ، پروتن ها و نوترون ها . این ذرات به مراتب کوچکترند ، یعنی دارای قطری حدود یک فمتومترهستند . اگر بخواهیم از این ریزتر شویم ، باید به ابعاد و اندازه ها ، از منظر مکانیک کوانتومی نگاه کرده و فازی شدن  ابعاد و اندازه ها  ، تعریف را سخت خواهد کرد . از این رو، باید کار شکستن ذرات را در همین جا متوقف کنیم .

 تعریف فناوری نانو

تعریف فناوی نانو با توجه به ماهیت و زمینه های گسترده فعالیت آن ، در عین سادگی ، بسیار دشوار است . شاید بتوان گفت هنوز تعریف کاملی که تمام خصوصیات این پدیده را بیان کند ، وجود ندارد . با وجود این در اینجا به چند تعریف مفید و کاربردی اشاره می کنیم .

فناوری نانو یعنی بررسی مواد در ابعاد اتمی یا مولکولی و یا بررسی مواد در مقیاس یک میلیاردیوم آن . این ساده ترین و عامیانه ترین تعریفی است که می توان از فناوری نانو ارائه داد . می دانیم که یک نانومتر ده به توان منفی نه یا یک میلیاردیوم متر است . این عدد یک هشتاد هزارم قطر موی انسان و یا ده برابر قطر یک اتم هیدروزن است .

آلبرت فرانکس یکی از پیشگامان توسعه ی کاربردهای صنعتی فناوری نانو معتقد است : فناوری نانو بخشی از علم و فناوری است که از ابعاد کوچکترین ارقام با معنی در محدوده ی 0.1 تا 100 نانومتر در آن نقش اساسی ایفا می کنند .

با توجه به این تعریف فناوری نانو توصیف همه جانبه ی فعالیتها و تلاشهایی است که با دست بردن به اساسی ترین جزء ماده ( اتم ها ) ، باعث می شود تا به خواص خارق العاده ای از آن دست یابیم ؛ چرا که اگر مواد به کوچکترین ابعادشان ( اتم ها یا ملکول ها ) شکسته شوند ، می توانیم خصوصیات بنیادیشان را تغییر دهیم و آنها را به ماده ای تبدیل کنیم که در حالت عادی تهیه و تولید آنها به هیچ عنوان امکان پذیر نیست .

حال با این توضیح ، مفهوم تعریف اول نیز مشخص تر می شود ؛ به این معنی که هر فعالیتی در مقیاس نانو را نمی توان نان  فناوری نامید ؛ بلکه فناوری نانو به آن دسته از فعالیتهایی اطلاق می شود که با دست بردن در نحوه چینش اتم های مقیاس نانو مرتبط هستند .

با این توضیحات فناوری نانو دانشی است که به دنبال دست یابی به روشها ، فنون ، مواد و ابزارهای مورد نیازی است تا بتواند چنین تحولاتی را در موارد مختلف ایجاد کند ، به عبارت بهتر فناوری نانو نگرش جدید به انواع رشته های علمی است و تمام عرصه های مختلف علم و فناوری را دربر می گیرد .

چرا نانو فناوری ؟

تصور کنید که اعضای بدن انسان را به اجزای بنیادین آن تفکیک کنیم ، پس از آن قادر خ.اهیم بود که مقادیر قابل توجهی از گازها ، یعنی هیدروژن ، اکسیژن و نیتروژن ، حجم قابل توجهی از کربن و کلسیم ، ذرات ریزی از فلزات مانند آهن ، منیزیم و روی و میزان اندکی از دیگر عناصر شیمیایی را گرد آوریم . مجموع بهای این مواد و ذرات به دست آمده ، از قیمت یک جفت کفش مرغوب ، کمتر است . اما آیا ارزش انسان این قدر کم است ؟ به طور قطع ، پاسخ منفی است .

آرایش این اجزا و عناصر و چیدمان و روش تلفیق شدن آن ها با یکدیگر ، به قسمی است که با انسان موجودیت بخشیده و او را قادر می کند تا بتواند صحبت کند ، فکر کند ، بخورد و بیاشامد و تولید مثل کند . با توجه به مثال یاد شده این پرسش اساسی مطرح می شود : چه می شود اگر ما مسیر طبیعت را دنبال کرده و هر چه را می خواهیم ، اتم به اتم و مولکول به مولکول بسازیم ؟

رویکرد کلی در دنیای مواد و مصالح ، به ویژه سرامیک ها ، بر این استوار است که بتوان پودرهای ریزتری تولید کرد که در فراروی نهایی و هم جوشی با فناوری نانو ، راه هایی را بر متخصصان عرضه کرده که بتوانند ابزارها را کوچک تر ، ارزان تر ، سبک تر و سریع تر بسازند و کارها را هوشمندانه تر انجام دهند .

فناوری نانو کمک می کند تا این ابزارها و مواد جدید ، هم مواد اولیه ی کمتری مصرف کنند و هم انرژی کمتر . نانو فناوری ، دانشمندان عرصه های مختلف را واداشته تا از محصولات ساده ، به سمت محصولات پیچیده حرکت کنند که نمونه ی بارز آن را می توان در پیشرفت های صنعت ساخت تلفن های همراه مشاهده کرد که در چندسال اخیر ، به طرز شگفت آوری پیش رفته است . این تلفن های کوچک و کوچکتر شده و در عین حال هوشمندتر ، سریع تر و ارزان تر می شوند .

پیرامون فناوری نانو و حوزه ی عملکرد آن ، از منظر دانش های مختلف ، تفسیرهای متفاوتی ارائه شده است ، اما در این کتاب که صنعت ساختمان را مطمح نظر دارد ، کانون توجه بر مهندسی مواد ، خلق هدفمند مواد جدید ، اصلاح و بهبود ویژگی های برخی مواد و مصالح موجود و ساخت و اصلاح ماشینی و مکانیکی مواد مهندسی در مقیاس نانو متمرکز شده است.

وضعیت جهانی نانو تکنولوژی

نانو تکنولوژی و درک قابلیت های عظیم این فناوری متحول کننده ، موجب سازماندهی و تدوین برنامه های ملی فراوانی در بسیاری از کشورهای جهان شده است . تدوین این برنامهها عمدتاً به منظور بهره گیری هر چه بیشتر قابلیت های نانو تکنولوژی و عقب ماندن کشورها از مسیر تحولات سریع و دستاوردهای رو به رشد این فناوری صورت پذیرفته است .

میزان توجه کشورها به نانو تکنولوژی به حد بالا بوده است که رقم سرمایه گذاری جهانی در این عرصه از 800 میلیون دلار در سال 2000 به بیش از سه میلیارد دلار 2003 رسیده است .میزان سرمایه گذاری مستقیم دولت ها در زمینه نانو تکنولوژی نشان از اهمیت بالای این فناوری دارد : در سال 1997 ، سرمایه گذاری دولتها در این زمینه 430 میلیون دلار بوده و در سال 2002 این رقم به 2 میلیارد و 200 میلیون دلار افزایش یافته است و از این عدد کشور آمریکا 604 میلیون دلار را به خود اختصاص داده است و 450 میلیون دلار به کل اروپا و 650 میلیون دلار به ژاپن و مبلغ باقیمانده به مجموعه کشورهای دیگر اختصاص دارد .

در سال 2003 ، چهار میلیارد دلار سرمایه گذاری در زمینه ی نانو تکنولوژی انجام شده است که سه میلیارد آن را بخش دولتی و یک میلیارد را بخش خصوصی تامین کرده است .

از سال 1990 به یعد نظریه های نانو تکنولوژی مطرح شدند و روند رو به رشد ملایمی داشته اند و از سال 1994 نانو تکنولوژی بیشتر در بعد تولید دانش فعال شد و در سالهای اخیر بحث محصولات به شکل جدی مطرح شده است .

در سال 2002 در آمریکا برنامه ی پیشگامی نانو تکنولوژی تدوین شد و ساماندهی برنامه تحقیقاتی ، تخصیص تمرکز اعتبارات برای فعالیتهای نانو تکنولوژی و راه اندازی چندین آزمایشگاه ملی در این زمینه صورت گرفته است .

در ایران نیز رویکرد تازه ای در ارتباط با نانو تکنولوژی مطرح شده است . اما با توجه به محدودیتهای موجود ( دلایلی نظیر رکود اقتصادی و عدم تطبیق ما با استانداردهای جهانی ) این روند به کندی طی می شود . تشکیل کمیته های راهبردی نانو در وزارتخانه های مختلف ، تشکیل نهادهای خودجوش دانشجویی ، تدوین برنامه های اموزشی در زمینه ی نانو و اطلاع رسانی عمومی و فراگیر در این رابطه از جمله اقداماتی است که تاکنون در زمینه ی نانو تکنولوژی در کشور انجام شده است . همچنین اختصاص بودجه ویژه جهت نانو تکنولوژی و راه اندازی آزمایشگاههای ملی درز دستور کار قرار دارد .

از فناوری نانو به عنوان ” رنسانس فناوری ” و ” روان کننده جریان سرمایه گذاری ” یاد می شود . ورود محصولات متکی بر این فناوری جهشی بس عظیم در رفاه و کیفیت زندگی و توانائی های دفاعی و زیست محیطی به همراه خواهد داشت و موجب بروز جابجائی های بزرگ اقتصادی خواهد شد . هم اکنون بخش های دولتی و خصوصی کشورهی مختلف جهان شامل ژاپن ، آمریکا ، اتحادیه اروپا ، چین ، هند ، تایوان ، کره جنوبی ، استرالیا ، اسرائیل و روسیه در رقابتی تنگاتنگ بر سر کسب پیشتازی جهانی در لااقل یک حوزه از این فناوری به سر میبرند .

هم اکنون روی هم رفته حدود 30 کشور دنیا در زمینه فناوری نانو دارای ” برنامه ملی ” یا در حال تدوین آن هستند ، و طی پنج سال گذشته بودجه تحقیق و توسعه در امر فناوری نانو را به 5/3 برابر افزایش داده اند . کشورهای ژاپن و آمریکا نیز فناوری نانو را اولین اولویت کشور خود در زمینه فناوری اعلام کرده اند .

 ماهیت و ساختار فناوری نانو

ساختار علمی فناوری نانواز دستکاری اتم ها یا مولکول های مواد شکل گرفته است . از طرفی ، تولید محصولات نیز به اتم ها وابسته است و خصوصیات آنها به چگونگی نظم بین اتم هایشـان بستگی دارد . مثلاً اگر بتـوان اتم های درون یک معدن زغال سنگ را بازآرایی کرد ، می توان الماس به دست آورد ؛ اگر می شد اتم های موجود در شن را بازآرایی کنیم ( و به آن عناصر را اضافه کنیم ) تراشه های کامپیوتری تولید می شوند و اگر امکان پذیر بود اتم های موجود در گرد و غبار و آب و هوا را بازارایی کرد ، می توانستیم سیب زمینی داشته باشیم !

نوع دیگر رویکردهای فناوری نانو کشف ساختارهای اسپین مولکول است که به فهم و درک قابل توجهی از نقل و انتقالات قابل کنترل در ترازهای مولکولی مواد مختلف منجر می شود . هر یک از دو رویکرد فوق ( اتمی و مولکولی ) کاربردهای وسیعی در قلمرو پزشکی ، شیمی ، فیزیک ، الکترونیک و فناوری اطلاعات بر عهده دارند .

در توصیف فعالیت های نانو دو دیدگاه عمده وجود دارد :

• پایین به بالا bottom-up
• بالا به پایین top-down

در روش اول ، ساختن محصول به صورتی است که چینش اتم ها را از مقیاس پایین و ابتدایی شروع کرده و در نهایت ، به محصول مورد نظر می رسیم . مثالی برای این روش اهرم مصر است .  که باید دید کلی ، از پایین چینش خشت ها آغاز شده و در نهایت شکل کلی به دست می آورید .

اما روش دوم شبیه به فرآیند کنده کاری است ؛ به گونه ای که با کاستن اضافات یک جسم ، به محصول مورد نظر می رسیم . مثال این روش می تواند ساختن یک سیب از یک جسم مکعبی باشد ، به این صورت که با برداشتن قسمت های بالای جسم ، آنقدر پیش می رویم تا شکل سیب  به دست آید .

از دو دیدگاه فوق ، روش پایین به بالا ، امکان عملی بیشتری دارد ؛ در نتیجه پیشرفت بیشتری نسبت به روش دیگر پیدا کرده است ؛ چرا که برای کار کردن در مقیاس اتمی و مولکولی باید از وسایل به خصوصی استفاده کرد و چینش اتم ها و مولکول ها از ابتدا ، با توجه به وسایلی که در اختیار داریم ، ساده تر است . این امر شبیه به کاری است که در بدن نیز رخ می دهد . در سلولهای ما ریبوزومها ،DNA (deoxyribo nucleic acid) را در RNA (ribo nucleic acid) کپی می کنند  و آنگاه اسیدهای آمینه ی صحیح را جمع آوری می کنند تا پروتئین هایی که طبیعت فیزیک ما را می سازد ، خلق کنند .

جهت مشاهده نمونه های دیگر از ادبیات ، پیشینه تحقیق و مبانی نظری پایان نامه های معماری کلیک کنید.