تاريخچه پيل سوختي

اگر چه پيل‌سوختي به تازگي به عنوان يكي از راهكارهاي توليد انرژي الكتريكي مطرح شده است ولي تاريخچه آن به قرن نوزدهم و كار دانشمند انگليسي سرويليام گرو بر مي‌گردد. او اولين پيل‌سوختي را در سال 1839 با سرمشق گرفتن از واکنش الکتروليز آب، طي واکنش معکوس و در حضور کاتاليست پلاتين ساخت.

واژه "پيل‌سوختي" در سال 1889 توسط لودويک مند و چارلز لنجر به كار گرفته شد. آنها نوعي پيل‌سوختي که هوا و سوخت ذغال‌سنگ را مصرف مي‌کرد، ساختند. تلاش‌هاي متعددي در اوايل قرن بيستم در جهت توسعه پيل‌سوختي انجام شد که به دليل عدم درک علمي مسئله هيچ يک موفقيت آميز نبود. علاقه به استفاده از پيل سوختي با کشف سوخت‌هاي فسيلي ارزان و رواج موتورهاي بخار کمرنگ گرديد.

فصلي ديگر از تاريخچه تحقيقات پيل‌سوختي توسط فرانسيس بيكن از دانشگاه كمبريج انجام شد. او در سال 1932 بر روي ماشين ساخته شده توسط مند و لنجر اصلاحات بسياري انجام داد. اين اصلاحات شامل جايگزيني كاتاليست گرانقيمت پلاتين با نيكل و همچنين استفاده از هيدروكسيدپتاسيم قليايي به جاي اسيد سولفوريك به دليل مزيت عدم خورندگي آن مي‌باشد. اين اختراع كه اولين پيل‌سوختي قليايي بود، “Bacon Cell” ناميده شد. او 27 سال تحقيقات خود را ادامه داد تا توانست يك پيل‌سوختي كامل وكارا ارائه نمايد. بيكون در سال 1959 پيل‌سوختي با توان 5 كيلووات را توليد نمود كه مي‌توانست نيروي محركه يك دستگاه جوشكاري را تامين نمايد.

تحقيقات جديد در اين عرصه از اوايل دهه 60 ميلادي با اوج گيري فعاليت‌هاي مربوط به تسخير فضا توسط انسان آغاز شد. مركز تحقيقات ناسا در پي تامين نيرو جهت پروازهاي فضايي با سرنشين بود. ناسا پس از رد گزينه‌هاي موجود نظير باتري (به علت سنگيني)، انرژي خورشيدي(به علت گران بودن) و انرژي هسته‌اي (به علت ريسك بالا) پيل‌سوختي را انتخاب نمود.

تحقيقات در اين زمينه به ساخت پيل‌سوختي پليمري توسط شركت جنرال الكتريك منجر شد. ايالات متحده فن‌آوري پيل سوختي را در برنامه فضايي Gemini استفاده نمود كه اولين كاربرد تجاري پيل‌سوختي بود.

پرت و ويتني دو سازنده موتور هواپيما پيل‌سوختي قليايي بيكن را به منظور كاهش وزن و افزايش طول عمر اصلاح نموده و آن را در برنامه فضايي آپولو به كار بردند. در هر دو پروژه پيل‌سوختي بعنوان منبع انرژي الكتريكي براي فضاپيما استفاده شدند. اما در پروژه آپولو پيل‌هاي سوختي براي فضانوردان آب آشاميدني نيز توليد مي‌كرد. پس از کاربرد پيل‌هاي سوختي در اين پروژه‌ها، دولت‌ها و شركت‌ها به اين فن‌آوري جديد به عنوان منبع مناسبي براي توليد انرژي پاك در آينده توجه روزافزوني نشان دادند.

از سال 1970 فنآوري پيل‌سوختي براي سيستم‌هاي زميني توسعه يافت. تحريم نفتي از سال1973-1979 موجب تشديد تلاش دولتمردان امريكا و محققين در توسعه اين فن‌آوري به جهت قطع وابستگي به واردات نفتي گشت.

در طول دهه 80 تلاش محققين بر تهيه مواد مورد نياز، انتخاب سوخت مناسب و كاهش هزينه استوار بود. همچنين اولين محصول تجاري جهت تامين نيرو محركه خودرو در سال1993 توسط شركت بلارد ارائه شد.

كاربردهاي پيل سوختي نيروگاهي

بازار مولدهاي نيروگاهي پيل‌سوختي بسيار گسترده است و کاربردهاي دولتي، نظامي و صنعتي را شامل مي‌شود. همچنين به عنوان نيروي پشتيبان در مواقع اضطراري در مخابرات، صنايع پزشکي، ادارات، بيمارستان‌ها، هتل‌هاي بزرگ و سيستم‌هاي کامپيوتري به کار مي‌رود.

پيل‌هاي سوختي نسبتاً آرام و بي‌صدا هستند لذا جهت توليد برق محلي مناسبند. علاوه بر کاهش نياز به گسترش شبکه توزيع برق، از گرماي توليدي از اين نيروگاه‌ها مي‌توان جهت گرمايش و توليد بخار آب استفاده نمود.

اين نيروگاه‌ها در مصارف کوچک بازدهي الکتريکي بالايي دارند و همچنين در ترکيب با نيروگاه‌هاي گاز طبيعي بازدهي الکتريکي آنها به 70-80% مي‌رسد.

مزيت ديگر اين نيروگاه‌ها عدم آلودگي محيط زيست است. خروجي نيروگاه‌هاي پيل‌سوختي بخار‌آب مي باشد.

نيروگاه‌هاي پيل سوختي قابليت استفاده از سوخت‌هاي مختلف مانند متانول، اتانول، هيدروژن، گاز طبيعي، پروپان و بنزين را دارند و مانند ساير نيروگاه‌ها محدود به استفاده از يک منبع انرژي خاص نيست. از زمانيکه اولين پيل‌سوختي نيروگاهي در دهه 60 توليد گشت، تا کنون در مجموع 650 سيستم کامل با توان بيش از 10 کيلووات (ميانگين آن 200 کيلووات است) ساخته شد. تقريباً 90 درصد از اين واحدها با گاز طبيعي تغذيه مي شود. البته استفاده از سوخت‌هاي جايگزين نظير بيوگاز و گاز ذغال نيز پيشرفت قابل ملاحظه‌اي داشته است. در اين بخش نيروگاه انواع متنوع پيل‌سوختي به کار رفته است. در ابتدا از پيل‌سوختي اسيد فسفريک آغاز گرديد و سپس پيل‌سوختي پليمري و پيل‌سوختي کربنات مذاب جايگزين آن گشتند. در حاليکه پيل‌سوختي اکسيد جامد در آينده بازار را به قبضه در خواهد آورد.

در بخش پيل‌هاي سوختي نيروگاهي کوچک (زير 10 کيلووات) نيز رشد قابل ملاحظه‌اي را شاهد بوديم. تعداد اين واحدها اکنون به 1900 رسيده است. اين سيستم جهت مصارف خانگي و بازارهايي از قبيل UPS ونيروي پشتيبان در اماکن دوردست کاربري دارد. نيمي از محصولات در آمريکاي شمالي توسعه يافته است.

در بخش سيستم‌هاي نيروگاهي کوچک 20 درصد سهم بازار را پيل‌سوختي اکسيدجامد و مابقي را پيل‌سوختي پليمري تشکيل مي‌‌دهد. بازار پيل‌سوختي کوچک در ژاپن که به مصارف خانگي اختصاص دارد، منحصراً با پيل‌سوختي پليمري است و اميد است تا انتهاي سال 2005 محصولات به بازار عرضه گردند.

فروش تعدادي از واحدهاي نيروگاهي کوچک آغاز شده است که از جمله آنها سيستم GenCore شرکت Plug Power مي باشد(توان 5 کيلووات، 15000 دلار)

دولت ژاپن حمايت خود از توسعه پيل‌هاي سوختي نيروگاهي در ابعاد بزرگ را از سال 1980 آغاز نموده است و شرکت هاي ژاپني گاز توکيو و Osaca از بزرگترين شرکت هاي توسعه دهنده اين فن‌آوري مي‌باشند.

انواع پيلهاي سوختي

پيلهاي سوختي در انواع زير موجود مي‎باشند:

پيلهاي سوختي اسيدفسفريكي

پيلهاي سوختي پليمري

پيلهاي سوختي اكسيد جامد

پيلهاي سوختي قليايي

پيلهاي سوختي متانولي

مزاياي پيل سوختي چيست؟

راندمان بالا، حداقل نشر آلاينده‎هاي زيست محيطي،امكان استفاده از سوختهاي فسيلي و پاك، مدولار بودن و قابليت توليد همزمان حرارت و الكتريسيته و استفاده در كاربردهاي توليد غيرمتمركز انرژي از جمله مزاياي پيل سوختي مي‎باشند.

روشهاي توليد پيل سوختي

جديدترين راه توليد پيل سوختي

لوى تامپسون، پرفسور مهندسى شيمى و رئيس تيم تحقيقاتى پيل سوختى جديد در اين مورد چنين مى گويد: «ما به سامانه اى رسيده ايم كه بسيار مشابه سامانه هايى است كه براى توليد ابزارهاى ميكرو الكترونيك مورد استفاده قرار مى گيرد.»

روشى كه پرفسور تامپسون و تيم همكار او به آن رسيده اند، استفاده از ميكروفابريكيشن است. ميكروفابريكيشن خلق ساختارهاى فيزيكي، ابزار و مواد مركبى است كه اجزاى تشكل دهنده آنها در حدود يك ميكرومتر هستند. ميكروالكترونيك ها منبع انرژى كالاهاى بسيار زيادى هستند از كارت تبريك صوتى گرفته تا كامپيوترهاى قابل حمل.

تامپسون يكى از بزرگترين موانع استفاده تجارى و گسترده از پيل هاى سوختى را هزينه بالاى ساخت آن مى داند. براى اينكه از اين منبع در مصارف روزمره استفاده كرد، بايد هزينه توليد آن پايين تر بيايد تا مثلا در يك كامپيوتر قابل حمل مورد استفاده قرار گيرد.

در شيوه معمول كنوني، پيل هاى سوختي، مشابه خودروها توليد مى شوند يعنى قطعات مختلف آنها به صورت جداگانه ساخته مى شوند و سپس روى هم سوار مى شوند تا يك پيل سوختى توليد شود. اين كار گستره بسيار زيادى دارد و علاوه بر هزينه بالاى آن، كه به آن اشاره شد نياز به زمان بسيار زيادى دارد. اما گروه تحقيقاتى تامپسون با استفاده از فرآيند پيشرفته ميكروفابريكيشن، نسل جديد پيل هاى سوختى را مى سازد. اين بار به جاى توليد جداگانه پيل سوختي، آنها به صورت لايه لايه ساخته مى شوند، روشى كه در حال حاضر براى ساخت ابزارهاى ميكروالكترونيك مورد استفاده قرار مى گيرد.

با اين قيمت، پيل هاى سوختى مى توانند با باترى هاى يون لتييوم كه در سطح وسيع مورد استفاده قرار مى گيرند رقابت كنند.

دانشگاه ميشيگان استفاده از ميكروفابريكيشن براى توليد پيل سوختى را دو سال و نيم پيش آغاز كرد. اولين بازار آنها وسايل برقى است، ولى آنها در گام بعدى مى خواهند از پيل هاى سوختى در اتومبيل ها استفاده كنند.

سوخت تازه براي پيل هاي سوختي

 با استفاده از اسيدفرميك به عنوان سوخت غيرقابل اشتعال در پيل هاي سوختي محصولات الكترونيكي قابل حمل بدون اتصال به شبكه برق كار مي كنند. شركت هاي BASE و Tekion توسعه دهنده پيل هاي سوختي مينياتوري براي محصولات قابل حمل به منظور توسعه اسيدفرميك به عنوان سوخت براي فناوري پيل سوختي Tekion تفاهم نامه اي امضا كردند.BASE بزرگترين توليد كننده اسيدفرميك در دنيا محسوب مي شود و قصد دارد با همكاري Tekion، فرمولاسيون مناسبي را براي اسيدفرميك تهيه و آزمايش كند. اين دو شركت همچنين در زمينه توسعه كدها و استانداردهاي مرتبط با اين موضوع نيز فعاليت خواهند داشت و تجربه هايشان را در زمينه سازگاري اين مواد براي پيل هاي سوختي به اشتراك مي گذارند. بر اساس اين گزارش، اولين كاربرد تجاري محصولات Tekion، يك نمونه «بسته انرژي» است كه درون دستگاه هاي الكترونيكي قابل حمل جاي گرفته يا به آنها متصل مي شود تا اين دستگاه ها بتوانند بدون اتصال به شبكه برق كار كنند. اين بسته يك سيستم هيبريدي باتري پيل سوختي مينياتوري است كه با نام تجاري بسته انرژي Formira در بازار موجود است و سوخت گيري آن با تعويض كارتريج اسيدفرميك صورت مي گيرد.

ساخت پيل سوختي با نيروي باكتري

تيمي متشكل از ميكروبيولوژيست‌ها، مهندسين و متخصصان شيمي زمين از دانشگاه‌هاي كاليفرنياي جنوبي و رايس به منظور ساخت پيل‌هاي سوختي ( به اندازه يك كف دست) با نيروي محركه باكتري براي تامين انرژي هواپيماهاي جاسوسي همكاري مشترك خود را آغاز كردند. نيروي هوايي آمريكا از مدتها قبل در پي توليد وسايل نقليه هوايي در مقياس مينياتوري (به اندازه حشرات) بود، اما تاكنون اين خواسته به دليل نداشتن منبع انرژي فشرده مناسب ناكام مانده است.

اين گروه تحقيقاتي اميدوار است با سرمايه‌گذاري 4/4 ميليون دلاري مركز تحقيقات دانشگاهي در وزارت دفاع (MURI) بتواند با توليد نخستين نمونه بدون سرنشين، طي پنج سال آينده اين انديشه را محقق سازد. بر اساس اين گزارش، در دانشگاه رايس به منظور درك چگونگي اتصال و اثر متقابل باكتري Sewanella بر سطوح آند در پيل سوختي، تحقيقاتي در حال انجام است.

آند در پيل سوختي و باتري‌ها، وظيفه جمع‌آوري الكترون اضافي را بر عهده دارد و اين تيم قصد دارد شرايط بهينه انتقال الكترون‌ها در سطح آند در شرايط مختلف را تعيين كند.

اجزاي اصلي اين سيستم باكتري، سطح و محلول هضم كننده باكتري است كه تغيير هر يك از اين عوامل روي دو عامل ديگر مؤثر بوده و هدف، يافتن شرايط بهينه عملكرد سيستم كلي است.

 دانشگاه كاليفرنياي جنوبي در زمينه روش‌هاي ژنتيكي، حفظ متابوليسم تنفسي ميكروب‌ها در محيط‌هاي با اكسيژن كم، تحقيقاتي انجام داده است. Sewanella يكي از اين باكتري‌ها براي متابوليسم كامل غذا به جاي اكسيژن از فلز استفاده مي‌كند و از آنجا كه اين ارگانيسم قادر است مستقيما الكترون‌ها را به اكسيد فلزي جامد انتقال دهد، مي توان آن را در آند پيل سوختي مورد استفاده قرار داد.

در مطالعه پيل سوختي به منظور ارزيابي رفتار باكتري در شرايط مختلف از مدل‌هاي رايانه‌اي استفاده شده است كه انجام اين آزمايش‌ها توسط رايانه، موجب تمركز آزمايش‌هاي تجربي روي روش‌هاي مناسب‌تر و صرفه‌جويي در زمان و هزينه خواهد شد.

 

کروماتوگرافی راهی است برای تشخیص اجزا در ابعاد نانومتری، با دقتی در حد و اندازة مولکولی و مدتها پیش از شکل گیری فناوری نانو، برای شناسایی مواد به کار می رفت. اگر چند مولکول با هم داشته باشیم، کروماتوگرافی تشخیص می دهد غلظت آنها چقدر است. اساس کار کروماتوگرافی جداسازی اجزای مخلوط با استفاده از سرعت متفاوت حرکت مولکولهای مختلف در محیط یکسان و با انرژی اولیة مشابه است. دستگاههای کروماتوگرافی پیشرفته، میلیون ها مولکول مختلف را در یک میلیمتر مخلوط براحتی شناسایی می کنند و پژوهشگران فناوری نانو می توانند به کمک این روشها قسمت عمده ای از مشکلات خود را در شناسایی مواد مورد استفاده رفع کنند.

کروماتوگرافی به عنوان یکی از روشهای آزمایشی کارآمد در نانو فناوری، شامل چند روش است: کروماتوگرافی کاغذی، کروماتوگرافی ژلی و کروماتوگرافی گازی از جمله روشهایی هستند که در اینجا با آنها آشنا می شویم. دقت کنید که زمان، عامل کنترل ما بر انتخاب ذراتی است که با سرعت های مختلف در محیط کروماتوگرافی توزیع مکانی می یابند.

ریشه لغوی کروماتوگرافی

در زبان یونانی chroma به معنی رنگ و grophein به معنی نوشتن است.

اطلاعات اولیه

کروماتوگرافی پُرکاربردترین شیوه جداسازی تجزیه ای است که در تمام شاخه های علوم به کار می رود. کروماتوگرافی گروه گوناگون و مهمی از روش های جداسازی را شامل می شود و امکان می دهد تا اجزای سازندة نزدیک به همِ مخلوط های کمپلکس را جدا، منزوی و شناسایی کند. بسیاری از این جداسازی ها به روش های دیگر نا ممکن است.

سیر تحولی رشد

اولین روش های کروماتوگرافی در سال 1903 توسط میخائیل سوئت ابداع و نام گذاری شد. او از این روش برای جداسازی مواد رنگی استفاده کرد.ریچارد لارنس و جان آرچر در سال 1952 به پاس اکتشافاتشان در زمینة کروماتوگرافی جایزة نوبل گرفتند.

توصیف کروماتوگرافی

کروماتوگرافی را به علت اینکه دربرگیرندة سیستم ها و تکنیک های مختلفی است نمی توان به طور مشخص تعریف کرد. اغلب جداسازی ها بر مبنای کروماتوگرافی و بر روی مخلوط هایی از مواد بی رنگ از جمله گازها صورت می گیرد.

کروماتوگرافی متکی بر حرکت نسبی دو فاز است. یکی از این فازها بدون حرکت است و فاز ساکن نامیده می شود و دیگری را فاز متحرک می نامند. اجزای یک مخلوط به وسیلة جریانی از یک فاز متحرک از داخل فاز ساکن عبور داده می شوند و جداسازی بر اختلاف در سرعت مهاجرت اجزای مختلف نمونه استواراست.

مثال

اگر به طور ساده بخواهیم عمل کروماتوگرافی را انجام دهیم، یک لیوان حاوی آب را برمی?داریم و یک قطره جوهر در آن می?چکانیم. سپس تکه کاغذی را برمی داریم و قسمتی از آن را در لیوان آب قرار می دهیم. پس از مدتی مشاهده می شود که جوهر از کاغذ بالا می رود و پخش می شود.

روش های کروماتوگرافی

روش های کروماتوگرافی، بر حسب ماهیت فاز متحرک و سپس بر حسب ماهیت فاز ساکن، ممکن است جامد، مایع و گاز باشند. بدین ترتیب، فرآیند کروماتوگرافی به چهار بخش اصلی تقسیم می شود. باید گفت که اگر فاز ساکن، مایع باشد کروماتوگرافی را تقسیمی می نامند.

انواع کروماتوگرافی

هر یک از 4 نوع اصلی کروماتوگرافی انواع مختلفی دارد:

کروماتوگرافی مایع ـ جامد

کروماتوگرافی جذب سطحی

کروماتوگرافی لایة نازک

کروماتوگرافی تبادل یونی

کروماتوگرافی ژلی

کروماتوگرافی گاز ـ جامد

کروماتوگرافی مایع ـ مایع

کروماتوگرافی تقسیمی

کروماتوگرافی کاغذی

کروماتوگرافی گاز ـ مایع

کروماتوگرافی گاز ـ مایع

کروماتوگرافی ستون موئین

مزیت روش?های کروماتوگرافی

مزیت کروماتوگرافی نسبت به ستون تقطیر این است که به آسانی می توان به آن دست یافت. با وجود اینکه ممکن است چندین روز طول بکشد تا یک ستون تقطیر به حداکثر بازده خود برسد، ولی یک جداسازی کروماتوگرافی می تواند در عرض چند دقیقه یا چند ساعت انجام گیرد.

یکی از مزایای برجستة روشهای کروماتوگرافی این است که آنها آرام هستند. به این معنی که احتمال تجزیة مواد جداشونده به وسیلة این روش ها در مقایسه با سایر روش ها کمتر است.

مزیت دیگر روش های کروماتوگرافی این است که تنها مقدار بسیار کمی از مخلوط برای تجزیه لازم است. به این علت، روشهای تجزیه ای مربوط به جداسازی کروماتوگرافی می توانند در مقیاس میکرو و نیمه میکرو انجام گیرند.

روش های کروماتوگرافی ساده، سریع و وسایل مورد لزوم آنها ارزان هستند. اجزای مخلوطهای پیچیده را به کمک این روشها می توان از یکدیگر جدا کرد.

انتخاب بهترین روش کروماتوگرافی

انتخاب نوع روش کروماتوگرافی بجز در موارد واضح (مانند کروماتوگرافی گازی در جداسازی گازها) عموماً تجربی است. زیرا هنوز هیچ راهی برای پیش بینی بهترین روش برای جداسازی اجسام، مگر در چند مورد ساده وجود ندارد.

در ابتدا روش های ساده تری مانند کروماتوگرافی کاغذی و لایه نازک امتحان می شوند. در صورتی که با این روشها مستقیماً قادر به جداسازی باشند، جداسازی را باید به وسیلة آنها صورت داد. در غیر این صورت، از روش های پیچیده تر استفاده می شود.

کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا (HELC)، وقتی که روش های ساده فاقد کارایی لازم هستند، می تواند جوابگو باشد. ولی دانشمندان دریافتند که بهترین نوع به خاطر دقیق تر بودن کروماتوگرافی ژلی است.

 

فن آوری نانو نقطه همگرایی علوم مختلف در آینده است. در این میان یکی از پرکاربردترین شاخه ها نانو الکترونیک می باشد. امروزه افزایش ظرفیت ذخیره داده، افزایش سرعت انتقال آن و کوچک کردن هر چه بیشتر وسائل الکترونیکی و به خصوص ترانزیستورها دارای اهمیت بسیاری است زیرا کوچک تر شدن ابعاد وسائل الکترونیکی علاوه بر افزایش سرعت پردازش، توان مصرفی را نیز کاهش می دهد و نانو الکترونیک می تواند در رسیدن به ابعاد هر چه کوچک تر راهگشا باشد. برای آشنایی بیشتر با این فن آوری و درک عمیق تر پدیده های گوناگونی که در ابعاد نانو متر روی می دهد و در نتیجه تحلیل دقیق نتایج و اصلاح اصولی روش های آزمایش، باید علوم پایه ای نظیر فیزیک کوانتوم و مکانیک کوانتومی و فیزیک حالت جامد مورد مطالعه قرار بگیرند.

 

اهداف:

در دهه‌های اخیر شاهد پیشرفت‌های زیادی در زمینه افزایش قابلیت ذخیره اطلاعات روی حافظه‌ها و همچنین کاهش اندازه آن‌ها بوده‌ایم که نتیجه آن دو برابر شدن سرعت پردازش در عرض هر 18 ماه بوده است و این، انتظار تحولی عظیم در صنعت میکروالکترونیک را طی 15 سال آینده از نظر بنیادی و اقتصادی نوید می‌دهد. اکنون نیز تحقیقات ادامه داشته و هدف از آن تولید خواص نمونه و شکل ظاهری جدید و در نتیجه خلق نانوالکترونیک جدید است.

 

کاربرد نانوالکترونیک در صنعت:

با استفاده از این فناوری می‌توان ظرفیت ذخیره‌سازی اطلاعات را در حد ۱۰۰۰ برابر یا بیشتر افزایش داد که این نهایتاً به ساخت ابزارهای ابرمحاسباتی به کوچکی یک ساعت مچی منتهی می‌شود. ظرفیت نهایی ذخیره اطلاعات به حدود یک ترابیت در هر اینچ مربع رسده، و این امر موجب ذخیره‌ سازی ۵۰ عدد DVD یا بیشتر در یک هارد دیسک با ابعاد یک کارت اعتباری می‌شود. ساخت تراشه‌ها در اندازه‌های فوق‌العاده کوچک به‌عنوان مثال در اندازه‌های ۳۲ تا ۹۰ نانومتر، تولید دیسک‌های نوری ۱۰۰ گیگابایتی در اندازه‌های کوچک نیز از دیگر محصولات آن می‌باشد.

نمونه هایی از کاربرد فن آوری نانو در الکترونیک:

1) کربن نانو تیوب ها (carbon nanotubes)

نانو تیوب ها دارای فرم لوله ای با ساختار شش ضلعی هستند. نانو تیوب ها را می توان صفحات گرافیتی فرض کرد که لوله شده اند. بر اساس محور چرخش صفحات نانو تیوب ها می توانند رسانا یا نیمه رسانا باشند.

به علت اینکه کربن با سه پیوند همچنان دارای یک اوربیتال خالی p می باشد ، حرکت موجی الکترون ها به راحتی در سطح بیرونی این لوله ها صورت می گیرد. این ساختار کربنی علاوه بر رسانایی بالا دارای استحکام مکانیکی بسیار خوبی نیز است. البته در کنار این مزایا مشکلاتی نیز وجود دارد. اغلب فرآیند های ساخت نانو تیوب ها به گو نه ای می باشند که امکان کنترل و نظارت کامل در طول فرآیند وجود ندارد به عنوان مثال تعیین قطر دقیق و یکسان برای لوله های کشت شده در یک محیط، کنترل تولید نانو لوله های تک دیواره و یا چند لایه و یا ساخت نانو لوله های مستقیم و بدون خم شدگی با طول زیاد از مسائلی است که هنوز در فرآیند بهبود کیفیت تولید نیاز به مطالعه و تحقیقات بیشتری دارد. همچنین به علت پدیده تونل زنی الکترون که یک پدیده کوانتومی است امکان افزایش نشتی جریان و در نتیجه  افزایش تلفات وجود دارد که بررسی روش های کاهش احتمال تونل زنی از جمله کارهایی است که می توان انجام داد. از کربن نانو تیوب ها به دلیل رسانایی بالا و مقاومت کم در دمای محیط در ساخت کانال هدایت ترانزیستورها ، نوک میکروسکوپ های عکسبرداری در ابعاد نانو استفاده می شود.

 2 ) نانو ترانزیستورها (nanotransistors)

 طبق قانون مور( MOORE Law) تعداد ترانزیستورها در واحد سطح تراشه های الکترونیکی در هر بازه 10 تا 18 ماهه دو برابر می شود. نام فن آوری رایج امروز در ساخت ترانزیستورها، MOSFET می باشد که بر پایه استفاده از سیلیکون است. کوچکتر شدن ابعاد ترانزیستورها در MOSFET دارای مشکلاتی است که از جمله آن نشتی های جریان متفاوتی است که ایجاد می شود. یکی از روش های حل این مشکل ساخت تراتزیستورها با استفاده از نانو سختارها و به خصوص نانو تیوب ها می باشد.

  3 ) محاسبه گر ها در مقیاس نانو ( nanocomputers)

 امروزه در زمینه های مختلف از جمله فن آوری نانو پیوند میان رشته های مختلف علوم امری انکار ناپذیر است. از جمله نتایج این همکاری طراحی نانو محاسبه‌گرها می باشد. هیدرو کربن های آروماتیک از ریشه بنزن به علت وجود اوربیتال های p و ابر الکترونی در بالا و پایین آنها و همچنین پدیده رزونانس می توانند محیط انتقال خوبی برای الکترون باشند و بر عکس هیدروکربن های زنجیری مانند نارسانا عمل می کنند. از به هم پیوستن این هیدروکربن ها با هم می توان دیود، گیت های منطقی و مدارهای الکترونیکی را طراحی کرد.

 4 ) MRAMها ( Magnetic Random Access Memories )

  فن آوری های روز حافظه (  RAM, Flash Memory, …) مشکلات متعددی را برای مصرف کنندگان آنها به وجود آورده است که به عنوان نمونه می توان به سرعت پایین خواندن و نوشتن روی Flash Memories و EEPROM و یا محدودیت اقتصادی افزایش فضای RAM اشاره کرد. MRAM   یک فن آوری حافظه پایدار است که علاوه بر سرعت بالا می تواند ظرفیت حافظه بالایی را نیز فراهم کند. اساس کار MRAM بر پایه تفاوت مقاومت الکتریکی لایه های نازک مواد بر اثر قطبیده شدن ذرات آنها در راستاهای متفاوت می باشد؛ که به مقاومت مغناطیسی موسوم است. چون سلول های حافظه MRAM بر پایه ترانزیستور عمل نمی کنند پس در ابعاد کوچک مشکلاتی نظیر تونل زنی رخ نخواهد داد و می توان سلول های حافظه MRAM را تا ابعاد نانو کوچک کرد.

 5 ) C60

از جمله نانو ساختارها که حتی نسبت به نانو لوله های کربنی دارای مزایای بیشتری نیز می باشد C60 است. C60   از 12 پنج ضلعی و 20   شش ضلعی تشکیل شده که به شکل متقارنی در کنار هم قرار گرفته اند.

مولکول های C60 در محلول های بنزن یافت می شوند که با عمل تبخیر قابل استحصال می باشند. انواع ترکیبات C60 با فلزات، نظیر K3C60 , Cs2RbC60 ، که در آنها فلز فضای خالی درون C60 را پر می کند دارای خاصیت ابر رسانایی در دماهای نسبتاً مناسب می باشند؛ البته تحقیقات برای دستیابی به ترکیباتی با خاصیت ابررسانایی در دماهای بالاتر همچنان ادامه دارد. کاربرد دیگر C60 استفاده از آن به عنوان گیت های منطقی است. با لیتوگرافی طلا روی یک سطح سیلیکونی و عبور جریان از سیم های طلا یک صفحه مشبک ایجاد می شودکه فاصله بین اتصالات آن در حدود نانو متر است. محلول رقیق C60 را بین اتصالات قرار می دهند به طوری که در هر فاصله یک C60 قرار گیرد. با برقرار شدن جریان در سیم های طلا C60 به علت یک پدیده کوانتومی شروع به نوسان می کند و به همین علت جریان در زمان های معینی بر قرار می شود از این خاصیت می توان در طراحی گیت های منطقی استفاده کرد.

 

کارهایی که باید در راستای پیشرفت این علم انجام شود:

نانو الکترونیک زمینه گسترده‌ای با پتانسیل ایجاد تغییرات بنیادی در علوم مختلف حتی در پزشکی است و انجام کارهای زیر برای پیشبرد آن می‌تواند مفید باشد:

1. فهم اصول انتقال در مقیاس نانو

2. گسترش فهم هرچه بهتر روش‌های خودچیدمانی(self assembly) ذرات برای انجام کارها به صورت ارزان‌تر، که این خود مستلزم حل مشکلات ارتباطی و جایگزینی در ترانزیستورهاست

3. یافتن راه‌هایی جدید برای به کار بردن علم الکترونیک و عدم تکثیر ابزار و به جای آن تحقیق راجع به انواع جدیدتر.

مقدمه :

زمان ظهور نانوسراميك ها را مي توان دهة 90 ميلادي دانست. در اين زمان بود كه با توجه به خواص بسيار مطلوب پودرهاي نانوسراميكي، توجهاتي به سمت آنها جلب شد، اما روشهاي فرآوري آنها چندان آسان و مقرون به صرفه نبود. با پيدايش نانوتكنولوژي، نانوسراميك ها هرچه بيشتر اهميت خود را نشان دادند. در حقيقت نانوتكنولوژي با ديدگاهي كه ارائه مي كند، تحليل بهتر پديده ها و دست يافتن به روشهاي بهتري براي توليد مواد را امكان پذير مي سازد.

شكل گرفتن علم و مهندسي نانو، منجر به درك بي سابقة اجزاي اوليه پاية تمام اجسام فيزيكي و كنترل آنها شده است و اين پديده به زودي روشي را كه اغلب اجسام توسط آنها طراحي و ساخته مي شده اند، دگرگون مي سازد.

نانوتكنولوژي توانايي كار در سطح مولكولي و اتمي براي ايجاد ساختارهاي بزرگ مي باشد كه ماهيت سازماندهي مولكولي جديدي خواهندداشت و داراي خواص فيزيكي، شيميايي و بيولوژيكي جديد و بهتري هستند. هدف، بهره برداري از اين خواص با كنترل ساختارها و دستگاهها در سطوح اتمي، مولكولي و سوپرمولكولي و دستيابي به روش كارآمد ساخت و استفاده از اين دستگاهها مي باشد. هدف ديگر، حفظ پايداري واسط ها و مجتمع نمودن نانوساختارها در مقياس ميكروني و ماكروسكوپي مي باشد.

هميشه با استفاده از رفتارهاي مشاهده شده در اندازه هاي بزرگ، نمي توان رفتارهاي جديد در مقياس نانو را پيش بيني كرد و تغييرات مهم رفتاري صرفا" به خاطر كاهش درجة بزرگي اتفاق نمي افتند، بلكه به دليل پديده هاي ذاتي و جديد آنها و تسلط يافتن در مقياس نانو بر محدوديتهايي نظير اندازه، پديده هاي واسطه ا ي و مكانيك كوانتومي مي باشند.

معرفي:

نانوسراميك ها، سراميك هايي هستند كه در ساخت آنها از اجزاي اوليه در مقياس نانو (مانند نانوذرات، نانوتيوپ ها و نانولايه ها) استفاده شده باشد، كه هركدام از اين اجزاي اوليه، خود از اتمها و مولكولها بدست آمده اند. به عنوان مثال، نانوتيوپ يكي از اجزاي اوليه ا ي است كه ساختار اولية كربن c60 را تشكيل مي دهد.

مسير تكامل نانوسراميك ها را مي توان در سه مرحله خلاصه كرد :

مرحله1 : سنتز اجراي اوليه

مرحله 2 : ساخت ساختارهاي نانو با استفاده از اين اجزاء و كنترل خواص

مرحله 3 : ساخت محصول نهايي با استفاده از نانوسراميك بدست آمده از مرحلة دوم

ويژگيها :

ويژگيهاي نانوسراميك ها را مي توان از دو ديدگاه بررسي كرد. يكي ويژگي نانوساختارهاي سراميكي، و ديگري ويژگي محصولات بدست آمده است.

ويژگيهاي نانوساختارهاي سراميكي :

كوچك، سبك، داراي خواص جديد، چندكاركردي، هوشمند و داراي سازماندهي مرتبه ا ي.

ويژگيهاي محصولات نانوسراميكي :

- خواص مكانيكي بهتر: سختي و استحكام بالاتر و انعطاف پذيري كه ويژگي منحصربه فردي براي سراميك هاست.

- داشتن نسبت سطح به حجم بالا كه باعث كنترل دقيق بر سطح مي شود.

- دماي زينتر پايين تر كه باعث توليد اقتصادي و كاهش هزينه ها مي گردد.

- خواص الكتريكي، مغناطيسي و نوري مطلوب تر: قابليت ابررسانايي در دماهاي بالاتر و قابليت عبور نور بهتر.

- خواص بايويي بهتر (سازگار با بدن).

 كاربردها :

نانوتكنولوژي باعث ايجاد تحول چشمگيري در صنعت سراميك گشته است. در اين ميان نانوسراميك ها، خود باعث ايجاد تحول عظيمي در تكنولوژي هاي امروزي مانند الكترونيك، كامپيوتر، ارتباطات، صنايع حمل ونقل، صنايع هواپيمايي و نظامي و … خواهندشد. برخي كاربردهاي حال و آيندة نانوسراميك ها در جدول زير آمده است.

نانوساختار	حال	آينده
پوشش ها و ديسپرژن ها	حايل هاي حرارتي حايل هاي اپتيكي (UV و قابل رؤيت) تقويت Imaging مواد جوهرافشان دوغاب هاي روكش ساينده لايه هاي ضبط اطلاعات	نانوروكش هاي چندكاركردي رنگ دانه ها پوليش هاي مكانيكي-شيميايي
سراميك هاي داراي سطح ويژة بالا	غربال هاي مولكولي مواد جاذب و غيرجاذب داروسازي كاتاليست هاي ويژه پركننده ها	سنسورهاي ويژة مولكولي ذخيرة انرژي (پيل هاي خورشيدي و باطري ها)
نانوابزارهاي عملگر	هدهاي ضبط GMR	نوارهاي ضبط مغناطيسي قطعات اتومبيل فعال كننده هاي پيزوالكتريك نيمه هادي ها ليزرهاي كم پارازيت نانوتيوپها براي صفحه نمايشهاي وضوح بالا
سراميك هاي  تقويت شده	مواد مغناطيسي نرم با اتلاف كم ابزارهاي برش WC/Co با سختي بالا سيمان هاي نانوكامپوزيت	شكل دهي سوپرپلاستيك سراميكها مواد ساختاري فوق العاده سخت و مستحكم سرماسازهاي مغناطيسي سيمان هاي انعطاف پذير

استاد زبان درباره اسم هاي فرانسوي توضيح مي داد كه برخي مذكرند و برخي مونث، دانشجويي بي مقدمه پرسيد: استاد رايانه مونث است يا مذكر؟ او كه پاسخ روشني براي اين پرسش نداشت، فكري به ذهنش جرقه زد، دانشجويان كلاس را، به دو گروه دختر و پسر تقسيم كرد تا هر گروه فكرهايشان را روي هم بريزند و براي اين پرسش جوابي پيدا كنند.آن هم جوابي مستدل و منطقي. جالب است دخترها و پسرها به نتيجه اي مغاير با يكديگر دست يافتند، دخترها اعلام كردند رايانه مذكر است و پسرها درست بر خلاف آن ها، جنس رايانه را مؤنث معرفي نمودند. اما دلايل دخترها:رايانه ها مذكرند، به اين دليل كه وقتي به آن ها عادت مي كنيم گمان مي كنيم بدون آن ها كاري از پيش نمي بريم، قرار است مشكلات را حل كنند، اما در بيشتر اوقات معضل اصلي خودشانند، با آن كه داده هاي فراواني دارند اما خيلي نمي توان روي آن ها حساب باز كرد. و سرانجام همين كه پايبند يكي از آن ها شديد، متوجه مي شويد كه اگر صبر كرده بوديد، مورد بهتري نصيبتان مي شد! دلايل پسرها:رايانه ها مونث اند، به اين دليل كه به غير از خالق آن ها كسي از منطق دروني آن ها سر در نمي آورد. احدي از زبان ارتباط ميان آن ها چيزي نمي فهمد. كوچك ترين اشتباهات را در حافظه ي درازمدت خود ذخيره مي كنند تا بعداً تلافي كنند و سرانجام همين كه پايبند يكي از آن ها شديد بايد تمام پولتان را صرف لوازم جانبي آن كنيد