ریپورتر
21st November 2008, 10:18 AM
گوی های نیكلی در ابعاد نانو می توانند به اقتصاد هیدروژنی توان تازه ای ببخشند و خودروهای هیدروژنی را پربا زده تر سازند. كره شكل شگفت انگیزی است. كمترین مساحت سطحی را كه در میزان معینی می توان به دست آورد، به یقین یك كره خواهد بود. این خاصیت جالب هندسی هنگامی كه می خواهیم به همراه بنزین، میزانی ماده در فضایی محدود داشته باشیم، به كار ما می آید. اما همیشه با این ویژگی سروكار نداریم. گاه به افزایش میزان تماس نیازداریم. به حداكثررساندن میزان تماس برای افزایش كارآیی كاتالیست ها ضرورت دارد.
برای به دست آوردن سطحی بزرگ، تولیدكنندگان گاهی مجبور به ساختن شمایل های پیچیده و به هم تابیده از راه های دشوار تولیدی می شوند. جالب توجه است كه یك كره در بیشتر این موارد كار مورد نظر را انجام می دهد. اگر شما با مقیاس ۱۰۰۰ حجم یك كره را كاهش دهید، سطح آن كره تنها با مقیاس ۱۰۰ كاهش خواهد یافت. «كره ها را به حد كافی كوچك بسازید تا حتی فلزات خیلی معمولی و فراوان در اطراف ما كارهای عجیبی را برای شما انجام دهند». این یكی از نویدهایی است كه ذرات در مقیاس نانو به ما می دهند. ذرات بسیار ریز مواد خواصی دارند كه همان مواد در مقیاس بزرگ تر آن خواص را ندارند. ذرات در مقیاس نانو كه نخستین تحول تجاری در نانو تكنولوژی هستند، امروزه در گستره وسیعی از محصولات از رنگ تاتوپ تنیس یافت می شوند.
اما ذرات در مقیاس نانو بیشترین تاثیرشان در كاتالیست ها و واكنش گرها است. این فلزات در مقیاس نانو هم اكنون به درون سوخت خودروها و مهمات راه یافته اند و این احتمال كه بتوانند با قیمتی ارزان جانشین پلاتین در پیل های سوختی شوند، زیاد است. كاتالیست ها (كاتالیزورها) واكنش های شیمیایی را سریع تر می سازند، بدون این كه خودشان در میان واكنش مصرف شوند. برای كاربردهای بسیاری پلاتین به عنوان كاتالیست بهترین انتخاب خواهد بود. پلاتین در كانورتورهای كاتالكتیكی خودروها و در پالایش گاه های نفت به كار گرفته می شود. پلاتین آن قدر نایاب و گرانبها است كه نسبت كیلو به كیلوی آن از طلا گران تر درمی آید.
این موضوع برای به كارگیری كاتالیست ها در بسیاری پروژه ها عاملی بازدارنده به شمارمی آید. یكی ازچالش های اصلی در پایین آوردن بهای پیل های سوختی همین نیازمندی به كاتالیست های پلاتینی است. لایه نازك پلاتینی كه در پهنای غشایی این پیل ها گسترانیده شده است، پروتون های اتم هیدروژن را از الكترون ها جدا می كند.
تاكنون بهترین كاتالیست پلاتین بوده است، اما موارد دیگری نیز می توانند كاری مشابه انجام دهند. لیتیم، نیكل و مس نیز می توانند در بسیاری واكنش های مشابه به عنوان كاتالیست استفاده شوند.
یكی از راه های افزایش خاصیت كاتالكتیكی مواد، افزایش میزان تماس آنها با عناصر واكنش است. با نگاهی سریع به ارتباط میان حجم و سطح یك كره به راه حل جالب توجهی می رسیم. كاتالیست های پودری با قطرهای بسیار ریز بسازید، هرچه ریزتر بهتر و هم اكنون ما امكان ساخت این كره ها را در مقیاس نانو یافته ایم.
از دهه ۳۰ میلادی محققان كوداك ذراتی چند برابر نانومتر برای فیلم های عكاسی می ساختند. دیگر پژوهشگران در دهه ۷۰ میلادی موادی در مقیاس نانو تولید كردند. روشی كه این محققان از آن استفاده می كردند، روش چگالیدن فاز گازی بود. امروزه از فرآیندهای متفاوتی برای تولید مواد نانومتری در سراسر جهان استفاده می شود. این فرآیندها شامل ته نشست بخار شیمیایی، ته نشست فیزیكی بخار، پرتاب راكتیو مایع، تجزیه شیمیایی با لیزر، تبدیل با اسپری تفنگ پلاسما، آلیاژهای مكانیكی و فرآیندهای مرتبط، آسیاب كردن و solgel می شوند.
بسیاری از مفسران هم عقیده اند كه ساخت ذرات در مقیاس نانو، نخستین تحول عظیم در زمینه نانو تكنولوژی بوده است. شركت كوانتوم راسفر در كوستامسا كالیفرنیا پتانسیل قوی را در این بخش احساس كرد و به تحقیقات جدیدی روی آورد. بسیاری از فرآیندهایی كه شركت های دیگر برای ساخت ذرات در مقیاس نانو به كار می برند، بسیار گران قیمت ا ند یا به تجهیزات پیچیده وكاركنان ماهر و تعمیرات و نگهداری مداوم نیاز دارند. به علاوه، اندازه و شكل ذرات تولید شده با این فرآیندها در بهترین حالت ناپیوسته و ناهمگون هستند.
كوانتوم راسفیر، اكنون یكی از تولیدكنندگان پیشرو در زمینه ذرات نانومتری و پودرهای فلزی نانو متری كه شامل ذرات نانویی پودرنیكل با كیفیت بالا نیز می شود، راهی برای استفاده مناسب از روش چگالیدن فاز گازی یافته است كه خود یكی ازنخستین فناوری های تولید ذرات نانویی بوده است و با این روش فرآیندی پیوسته و تمام خودكار را برای تولید پودرهای فلزی به كار می گیرد. مفتول فلزی به درون محفظه خلأ خورانده می شود و روی كامپوزیت های بین فلزی كه با الكتریسیته تا دماهای بالایی گرم می شوند، ذوب می شود.
فلز تبخیر می شود و بخار با گاز بی اثر خنك می شود، سپس به صورت ذراتی از مایع چگالیده می شود كه با جامد شدن این ذرات، گوی های نانویی خواهیم داشت. سپس اكسیژن به جریان گازافزون می شود تا پوسته ای اكسیده شده گوی ها را در برگیرد.
ذرات نانو جمع آوری می شوند و در ظرف هایی كه از گاز بی اثر پر شده اند، ذخیره و بسته بندی می شوند. بنا به میزان افزودنی ها به فلز، فشار محفظه، دما و جریان گاز خواص ذرات تغییر می كند. برای مثال، تكنسین ها می توانند اندازه ذرات نانویی را با كنترل جریان لایه ای منطقه اطراف محدوده مغشوش بخارفلز تعیین كنند. این فرآیند پایین به بالا تكنیك ها را قادر می سازد تا پیش از فرونشاندن گاز، قطر مورد نظرشان را به دست آورند.
نتیجه توزیع یكنواخت و كنترل اندازه ذرات خواهد بود و با به كارگیری جریان لایه ای كنترل شده اطراف المنت های حرارتی درون محفظه خلأ می توان خروجی را برحسب نیاز تحویل گرفت.
این فرآیند می تواند گوی های فلزی بسازد كه بسیار ریز هستند. برای كاربردهای خاص، ذراتی ساختیم كه تنها دو نانومتر پهنا دارند و تنها از چند صد اتم تشكیل شده اند.
سال ها است كه ذرات نانو در تایرها، لوازم آرایشی و پوشش های محافظتی خاص استفاده می شوند، اما تولید انبوه گوی های فلزی هم شكل، افق های جدیدی را به روی ما می گشاید. حتی در مقیاس میكرونی بیشتر فلزات با اكسیژن واكنش نشان می دهند. هنگامی كه به قطرهای بسیار ریز می رسیم، ذرات فلز سطح كافی خواهند داشت تا به صورت استثنایی راكتیو (واكنش دهنده) باشند. ذرات نانویی تولید شده به وسیله كوانتوم اسفیر آن قدر كوچك هستند كه هر اتم موجود در ذره می تواند در واكنش ها شركت كند. نیكل نانویی و دیگر ذرات نانویی باید در ظرف های عاری از هوا نگهداری شوند و گرنه به طور طبیعی خواهند سوخت.
اگر در محیطی كنترل شده نانو آلومینیوم را آزاد كنیم، همانند دینامیت عمل خواهد كرد. در ضمن برای سوخت راكت نیز قابل استفاده خواهد بود؛ از این رو، وزارت دفاع آمریكا برای مهمات نسل آینده و ناسا برای افزودنی ها به سوخت های راكت ها روی این موضوع تحقیقات گسترده ای انجام می دهند.
نیكل كاتالیستی ارزان قیمت است و برای هیدروژنیزه كردن روغن سبزیجات به كار می رود. پژوهشگران علوم فضایی راكتورهایی برپایه نیكل را برای تبدیل دی اكسیدكربن و یخ به سوخت راكت ها پیشنهاد می كنند.
برتری نیكل به دلیل فراوانی هزار برابری آن و پانصد برابر ارزان تر بودن از پلاتین است. با این تغییر شگرف می توان نیكل را با پلاتین موجود در پیل های سوختی تعویض كرد؛ در نتیجه پیل های سوختی هیدروژنی به لحاظ هزینه فناوری، اقتصادی خواهند بود.
ذرات نانویی نیكل نیروی كاتالكتیكی بیشتری درقیاس به صفحات نیكلی معمولی دارند. این توان آن قدر زیاد است كه می توان از نانو ذرات نیكل در غشای الكترولیتی انواع پیل های سوختی استفاده و پلاتین را حذف كرد. براساس قیمت های موجود این كار تا ۵۰ درصد هزینه تولید پیل های سوختی را پایین خواهد آورد.
با جانشینی پلاتین و ذرات نانویی نیكل، شاهد تغییرات عمده ای روی موتورهای احتراق داخلی نیز خواهیم بود. پلاتین در مواد كاتالكتیكی موتور دیزل و در مدل های كاتالكتیكی كنترل گازهای خروجی نیز به كار برده می شود و نانو نیكل در همه این موارد كارساز است.
با گسترش استفاده از نانو، نیكل فرآیندهای كاتالكتیكی بیشتر به كار گرفته خواهند شد، زیرا قیمت فرآیند توجیه پذیر خواهد بود. این فناوری می تواند در بخش های متفاوت تولید، بهره برداری، توسعه و مصرف انرژی به كار گرفته شوند و بخشی از كسری بودجه ایالات متحده به دلیل واردات فراوان نفت را جبران كنند. به گزارش مركزملی انرژی، واردات نفت هفته ای یك میلیارد دلار از درآمد اقتصاد آمریكا را می بلعد.
تغییراتی كه در ساختار طبیعی فلزات معمولی داده می شود، گواهی است بر پتانسیل عظیم نهفته در علم نانوتكنولوژی در مقیاس نانو تقریباً همه چیز متفاوت است. یافتن راه های متفاوت برای به خدمت گرفتن این تفاوت ها، نیروی عظیم را در اختیار ما خواهد گذارد.
برای به دست آوردن سطحی بزرگ، تولیدكنندگان گاهی مجبور به ساختن شمایل های پیچیده و به هم تابیده از راه های دشوار تولیدی می شوند. جالب توجه است كه یك كره در بیشتر این موارد كار مورد نظر را انجام می دهد. اگر شما با مقیاس ۱۰۰۰ حجم یك كره را كاهش دهید، سطح آن كره تنها با مقیاس ۱۰۰ كاهش خواهد یافت. «كره ها را به حد كافی كوچك بسازید تا حتی فلزات خیلی معمولی و فراوان در اطراف ما كارهای عجیبی را برای شما انجام دهند». این یكی از نویدهایی است كه ذرات در مقیاس نانو به ما می دهند. ذرات بسیار ریز مواد خواصی دارند كه همان مواد در مقیاس بزرگ تر آن خواص را ندارند. ذرات در مقیاس نانو كه نخستین تحول تجاری در نانو تكنولوژی هستند، امروزه در گستره وسیعی از محصولات از رنگ تاتوپ تنیس یافت می شوند.
اما ذرات در مقیاس نانو بیشترین تاثیرشان در كاتالیست ها و واكنش گرها است. این فلزات در مقیاس نانو هم اكنون به درون سوخت خودروها و مهمات راه یافته اند و این احتمال كه بتوانند با قیمتی ارزان جانشین پلاتین در پیل های سوختی شوند، زیاد است. كاتالیست ها (كاتالیزورها) واكنش های شیمیایی را سریع تر می سازند، بدون این كه خودشان در میان واكنش مصرف شوند. برای كاربردهای بسیاری پلاتین به عنوان كاتالیست بهترین انتخاب خواهد بود. پلاتین در كانورتورهای كاتالكتیكی خودروها و در پالایش گاه های نفت به كار گرفته می شود. پلاتین آن قدر نایاب و گرانبها است كه نسبت كیلو به كیلوی آن از طلا گران تر درمی آید.
این موضوع برای به كارگیری كاتالیست ها در بسیاری پروژه ها عاملی بازدارنده به شمارمی آید. یكی ازچالش های اصلی در پایین آوردن بهای پیل های سوختی همین نیازمندی به كاتالیست های پلاتینی است. لایه نازك پلاتینی كه در پهنای غشایی این پیل ها گسترانیده شده است، پروتون های اتم هیدروژن را از الكترون ها جدا می كند.
تاكنون بهترین كاتالیست پلاتین بوده است، اما موارد دیگری نیز می توانند كاری مشابه انجام دهند. لیتیم، نیكل و مس نیز می توانند در بسیاری واكنش های مشابه به عنوان كاتالیست استفاده شوند.
یكی از راه های افزایش خاصیت كاتالكتیكی مواد، افزایش میزان تماس آنها با عناصر واكنش است. با نگاهی سریع به ارتباط میان حجم و سطح یك كره به راه حل جالب توجهی می رسیم. كاتالیست های پودری با قطرهای بسیار ریز بسازید، هرچه ریزتر بهتر و هم اكنون ما امكان ساخت این كره ها را در مقیاس نانو یافته ایم.
از دهه ۳۰ میلادی محققان كوداك ذراتی چند برابر نانومتر برای فیلم های عكاسی می ساختند. دیگر پژوهشگران در دهه ۷۰ میلادی موادی در مقیاس نانو تولید كردند. روشی كه این محققان از آن استفاده می كردند، روش چگالیدن فاز گازی بود. امروزه از فرآیندهای متفاوتی برای تولید مواد نانومتری در سراسر جهان استفاده می شود. این فرآیندها شامل ته نشست بخار شیمیایی، ته نشست فیزیكی بخار، پرتاب راكتیو مایع، تجزیه شیمیایی با لیزر، تبدیل با اسپری تفنگ پلاسما، آلیاژهای مكانیكی و فرآیندهای مرتبط، آسیاب كردن و solgel می شوند.
بسیاری از مفسران هم عقیده اند كه ساخت ذرات در مقیاس نانو، نخستین تحول عظیم در زمینه نانو تكنولوژی بوده است. شركت كوانتوم راسفر در كوستامسا كالیفرنیا پتانسیل قوی را در این بخش احساس كرد و به تحقیقات جدیدی روی آورد. بسیاری از فرآیندهایی كه شركت های دیگر برای ساخت ذرات در مقیاس نانو به كار می برند، بسیار گران قیمت ا ند یا به تجهیزات پیچیده وكاركنان ماهر و تعمیرات و نگهداری مداوم نیاز دارند. به علاوه، اندازه و شكل ذرات تولید شده با این فرآیندها در بهترین حالت ناپیوسته و ناهمگون هستند.
كوانتوم راسفیر، اكنون یكی از تولیدكنندگان پیشرو در زمینه ذرات نانومتری و پودرهای فلزی نانو متری كه شامل ذرات نانویی پودرنیكل با كیفیت بالا نیز می شود، راهی برای استفاده مناسب از روش چگالیدن فاز گازی یافته است كه خود یكی ازنخستین فناوری های تولید ذرات نانویی بوده است و با این روش فرآیندی پیوسته و تمام خودكار را برای تولید پودرهای فلزی به كار می گیرد. مفتول فلزی به درون محفظه خلأ خورانده می شود و روی كامپوزیت های بین فلزی كه با الكتریسیته تا دماهای بالایی گرم می شوند، ذوب می شود.
فلز تبخیر می شود و بخار با گاز بی اثر خنك می شود، سپس به صورت ذراتی از مایع چگالیده می شود كه با جامد شدن این ذرات، گوی های نانویی خواهیم داشت. سپس اكسیژن به جریان گازافزون می شود تا پوسته ای اكسیده شده گوی ها را در برگیرد.
ذرات نانو جمع آوری می شوند و در ظرف هایی كه از گاز بی اثر پر شده اند، ذخیره و بسته بندی می شوند. بنا به میزان افزودنی ها به فلز، فشار محفظه، دما و جریان گاز خواص ذرات تغییر می كند. برای مثال، تكنسین ها می توانند اندازه ذرات نانویی را با كنترل جریان لایه ای منطقه اطراف محدوده مغشوش بخارفلز تعیین كنند. این فرآیند پایین به بالا تكنیك ها را قادر می سازد تا پیش از فرونشاندن گاز، قطر مورد نظرشان را به دست آورند.
نتیجه توزیع یكنواخت و كنترل اندازه ذرات خواهد بود و با به كارگیری جریان لایه ای كنترل شده اطراف المنت های حرارتی درون محفظه خلأ می توان خروجی را برحسب نیاز تحویل گرفت.
این فرآیند می تواند گوی های فلزی بسازد كه بسیار ریز هستند. برای كاربردهای خاص، ذراتی ساختیم كه تنها دو نانومتر پهنا دارند و تنها از چند صد اتم تشكیل شده اند.
سال ها است كه ذرات نانو در تایرها، لوازم آرایشی و پوشش های محافظتی خاص استفاده می شوند، اما تولید انبوه گوی های فلزی هم شكل، افق های جدیدی را به روی ما می گشاید. حتی در مقیاس میكرونی بیشتر فلزات با اكسیژن واكنش نشان می دهند. هنگامی كه به قطرهای بسیار ریز می رسیم، ذرات فلز سطح كافی خواهند داشت تا به صورت استثنایی راكتیو (واكنش دهنده) باشند. ذرات نانویی تولید شده به وسیله كوانتوم اسفیر آن قدر كوچك هستند كه هر اتم موجود در ذره می تواند در واكنش ها شركت كند. نیكل نانویی و دیگر ذرات نانویی باید در ظرف های عاری از هوا نگهداری شوند و گرنه به طور طبیعی خواهند سوخت.
اگر در محیطی كنترل شده نانو آلومینیوم را آزاد كنیم، همانند دینامیت عمل خواهد كرد. در ضمن برای سوخت راكت نیز قابل استفاده خواهد بود؛ از این رو، وزارت دفاع آمریكا برای مهمات نسل آینده و ناسا برای افزودنی ها به سوخت های راكت ها روی این موضوع تحقیقات گسترده ای انجام می دهند.
نیكل كاتالیستی ارزان قیمت است و برای هیدروژنیزه كردن روغن سبزیجات به كار می رود. پژوهشگران علوم فضایی راكتورهایی برپایه نیكل را برای تبدیل دی اكسیدكربن و یخ به سوخت راكت ها پیشنهاد می كنند.
برتری نیكل به دلیل فراوانی هزار برابری آن و پانصد برابر ارزان تر بودن از پلاتین است. با این تغییر شگرف می توان نیكل را با پلاتین موجود در پیل های سوختی تعویض كرد؛ در نتیجه پیل های سوختی هیدروژنی به لحاظ هزینه فناوری، اقتصادی خواهند بود.
ذرات نانویی نیكل نیروی كاتالكتیكی بیشتری درقیاس به صفحات نیكلی معمولی دارند. این توان آن قدر زیاد است كه می توان از نانو ذرات نیكل در غشای الكترولیتی انواع پیل های سوختی استفاده و پلاتین را حذف كرد. براساس قیمت های موجود این كار تا ۵۰ درصد هزینه تولید پیل های سوختی را پایین خواهد آورد.
با جانشینی پلاتین و ذرات نانویی نیكل، شاهد تغییرات عمده ای روی موتورهای احتراق داخلی نیز خواهیم بود. پلاتین در مواد كاتالكتیكی موتور دیزل و در مدل های كاتالكتیكی كنترل گازهای خروجی نیز به كار برده می شود و نانو نیكل در همه این موارد كارساز است.
با گسترش استفاده از نانو، نیكل فرآیندهای كاتالكتیكی بیشتر به كار گرفته خواهند شد، زیرا قیمت فرآیند توجیه پذیر خواهد بود. این فناوری می تواند در بخش های متفاوت تولید، بهره برداری، توسعه و مصرف انرژی به كار گرفته شوند و بخشی از كسری بودجه ایالات متحده به دلیل واردات فراوان نفت را جبران كنند. به گزارش مركزملی انرژی، واردات نفت هفته ای یك میلیارد دلار از درآمد اقتصاد آمریكا را می بلعد.
تغییراتی كه در ساختار طبیعی فلزات معمولی داده می شود، گواهی است بر پتانسیل عظیم نهفته در علم نانوتكنولوژی در مقیاس نانو تقریباً همه چیز متفاوت است. یافتن راه های متفاوت برای به خدمت گرفتن این تفاوت ها، نیروی عظیم را در اختیار ما خواهد گذارد.