دانلود مقاله محاسبه انتقال گرما در سطوح نانومقیاس

دانشمندان با استفاده از یک نانونوک، با منبع گرمایی نانومقیاس، توانسته‌اند یک سطح موضعی را بدون تماس با آن گرم کنند؛ این کشف راهی به سوی ساخت ابزارهای گرمایی ذخیره اطلاعات و نانودماسنج‌ها خواهد بود.

همه ساله نیاز بشر به ذخیره اطلاعات بیشتر و بیشتر می‌شود.

درک چگونگی انتقال گرما در مقیاس نانو لازمه کاربرد این فناوری تأثیرگذار در ذخیره اطلاعات است.

دانشمندان سراسر جهان سعی دارند تا فناوری‌های جایگزینی برای سیستم‌های ذخیره اطلاعات کنونی بیابند تا پاسخگوی نیاز روزافزون جوامع امروزی به ذخیره اطلاعات باشد؛ فناوری گرمایی ذخیره اطلاعات از جمله گزینه‌هایی است که به آن رسیده‌اند.

در این روش، با استفاده از یک لیزر، دیسک مورد نظر برای ذخیره اطلاعات را گرم کرده و به این ترتیب فرایند ثبت مغناطیسی پایدار می‌شود، به طوری که نوشتن داده‌ها روی آن آسان‌تر شده، پس از خنک شدن آن می‌توان داده‌ها را مجدداً بازیابی نمود.

با استفاده از این روش، مشکل بحرانی حد ابرپارامغناطیسی که دستگاه‌های ضبط مغناطیسی با آن مواجه‌اند، برطرف می‌شود.

در روش‌های کنونی دانشمندان بیت‌های اطلاعاتی را که در دمای اتاق کار می‌کنند، تا اندازه معینی کوچک می‌کنند، اما این بیت‌ها با این کار از لحاظ مغناطیسی ناپایدار شده، از محل خود خارج می‌شوند، در نتیجه اطلاعات روی آنها پاک می‌شود.

بررسی‌های اخیر دانشمندان فرانسوی درباره انتقال گرما بین نوک و سطح به پیشرفت مهمی در زمینه ذخیره گرمایی اطلاعات و دیگر کاربردها منجر شده است.

آنها گرمایی را که بیشتر از طریق هوا و به شیوه رسانش، بین نوک سیلیکونی و یک سطح انتقال می‌یابد، محاسبه کردند.

Pierre-Olivier Chapuis از محققان این گروه می‌گوید: ”انتقال گرما در سطح ماکروسکوپی به خوبی شناخته شده است (وقتی برخورد مولکول‌ها در حالت تعادل موضعی ترمودینامیکی باشد با تابع پخش فوریه بیان می‌شود).

همچنین انتقال گرما را می‌توان در یک نظام بالستیک خالص (وقتی که هیچ برخوردی بین مولکول‌ها وجود ندارد) محاسبه نمود.

اما محاسبه انتقال گرما در نظام میانی، وقتی که مولکول‌ها با هم برخورد دارند، همچنان یک چالش به شمار می‌آید.“

دانشمندان در آزمایش خود از یک نوک دارای منبع گرمایی به ابعاد 20 nm که در فاصله بین صفر تا 50 نانومتری بالای سطح قرار می‌گیرد، استفاده کرده‌اند.

مولکول‌های هوای بین نوک و سطح، در تماس با این نوک داغ، گرم شده و روی سطح دیسک قرار می‌گیرند و گاهی هم قبل از آن با دیگر مولکول‌ها برخورد می‌کنند.

این محققان برای اولین بار با استفاده از قانون بولتزمن درباره حرکت گازها، توانستند توزیع گرمایی در این مقیاس و نیز سطوح شارگرمایی را تعیین کنند.

آنها نشان دادند که انتقال و انتشار گرما از نوک به سطح در مدت چند ده پیکوثانیه و بدون آن که تماس بین نوک و سطح برقرار شود، انجام می‌گیرد.

آنها همچنین دریافتند که در فاصله کمتر از 10 nm این نوک داغ می‌تواند ضمن حفظ شکل، ناحیه‌ای به پهنای 35 nm را گرم کند و در بیشتر از این فاصله، شکل از بین رفته و لکه گرمایی به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد.
نانوتکنولوژی در صنایع نیمه‌هادی
صنایع نیمه‌هادی در سیر تکامل خود در حال رسیدن به نقط‌های است که توانایی آن برای تولید نقاط کوچکتر با مشکلاتی جدی همچون اثرات کوانتومی و نوسانات سطوح اتمی روبرو خواهد شد.

مشکلات دیگر در راه پیشرفت CMOS عبارتند از مصرف بالا، اتلاف حرارت و هزینه بسیار بالای ساخت.

این مسائل در آینده مانعی سخت برای تولید نیمه‌هادی‌های کارآمد خواهد بود.

به گفته NanoMarkets ، نانوتکنولوژی به ادامه پیشرفت و تولید CMOS کمک خواهد کرد و همچنین فناوری‌های جدید را قادر خواهد ساخت تا گوی سبقت را در جلب رضایت بازار از CMOS بربایند.غول‌های بزرگ صنعتی همچون فری‌اسکیل ‌، آی‌بی‌اِم، اینفینئون و اینتل پشتوانه مهمی برای نانوحافظه‌ها به حساب می‌آیند.

یک گزارش جدید از NanoMarkets بیانگر این مطلب است که همان‌طورکه روش‌های کنونی لیتوگرافی به پایان راه خود رسیده‌اند، ابزار‌هایی که برای توسعه، تولید و آزمایش CMOS به کار می‌روند، نیز باید بر پایه نانوتکنولوژی طرح‌ریزی گردند.

پرتوافکن مستقیم الکترونیکی که در تولید ASIC به کار می‌رود، نمونه‌های از ابزاری است که به کمک نانوتکنولوژی بوجود آمده‌است.

اما نانومارکتز معتقد است که کاربرد واقعی نانوتکنولوژی در تولید محصولات جدید، با توجه به خصوصیات مواد مقیاس نانو می‌باشد.

بخش‌هایی از صنعت نیمه‌هادی که بیشترین تأثیر نانوتکنولوژی در آنها دیده می‌شود خارج از مقوله CMOS قرار دارند.

به گفته نانومارکتز این موضوع در موارد زیر به وضوح دیده می‌شود.

حافظه غیرفرار: حافظه غیرفرار یکی از عوامل تقویت محاسبات سیار است.

اما با توجه به اینکه حجم و سرعت فناوری Flash محدود می‌باشد، حافظه‌های جدید که در طراحی آنها از نانوتکنولوژی بهره گرفته شده است، کارایی بهتری را از خود نشان داده‌اند.

FRAM و MRAM نمونه‌هایی از این نوع حافظه‌ها هستند.

الکترونیک پلیمری: سونی، زیراکس و سایرین آماده‌اند که محصولات الکترونیک لایه نازک را وارد بازار کنند.

الکترونیک پلیمری، برخلاف CMOS، از خصوصیات حرارتی بسیار خوبی برخوردار است و هزینه‌ تولید در حجم کم را پایین می‌آورد.

این خصوصیات امکان تولید محصولات جدیدی را به وجود می‌آورد.

در سال 2006 نمایشگر‌های بزرگ رولی و همچنین برچسب‌های RFID با قیمت پایین تولید خواهد شد که امکان استفاده از آنها برای اجناس یک‌بار‌مصرف فراهم خواهد شد

نانوحسگر: نانوحسگرها نسبت به رقبای خود از آستانه تشخیص بسیار پایین‌تری برخوردارند.

آنها قادرند در زمینه کشف امراض بیولوژیک نقش مهمی را ایفا کنند.

به گونه‌ای که در مورد اعلام وجود سرطان، از سرعت بسیار زیادی برخوردارند

گزارش NanoMarkets بیانگر این مطلب است که نانوتکنولوژی به‌زودی می‌تواند در مدیریت حرارتی و اتصالات داخلی پر‌سرعت، به میزان قابل‌توجهی کمک نماید.

در زمینه اتصالات داخلی پرسرعت می‌توان از نانولوله‌ها استفاده نمود زیرا توانایی آنها در انتقال جریان از مس خیلی بیشتر است و می‌توان آنها را به روش‌های قابل انطباق با CMOSها رشد داد (اینفینئون در سال 2002 این قابلیت را نشان داد).

از نانولوله‌ها می‌توان خنک‌کننده‌های بسیار خوبی برای رفع مشکلات حرارتی ساخت (همانند قطعاتی که اینتل از سال 2002 به بعد به کارشان گرفت) و یا می‌توان با ایجاد جرقه بین آنها جریانی از هوای خنک تولید نمود

از این گزارش چنین نتیجه گرفته می‌شود که فرصت‌های قابل توجهی در نانوالکترونیک وجود دارد.

به‌گونه‌ای

که در سال 2006 نانوحافظه‌ها به تنهایی 1/3 میلیارد دلار سودآوری خواهند داشت.

همان‌گونه که در بالا توضیح داده‌شد، این امر هم‌اکنون در قالب روش‌های جدید برای تکمیل CMOSها آغاز شده‌است.

این گزارش نشان می‌دهد که سازندگان نیمه‌هادی‌ها از هم‌اکنون باید به فکر طرح ریزی برای به‌کارگرفتن نانوتکنولوژی در تولیدات خود باشند.

در غیر این‌صورت باید از دست دادن تولیدات بزرگ آینده را بپذیرند، که البته پذیرفتن این ریسک بسیار دور از ذهن به‌نظر می‌رسد
که در سال 2006 نانوحافظه‌ها به تنهایی 1/3 میلیارد دلار سودآوری خواهند داشت.

در غیر این‌صورت باید از دست دادن تولیدات بزرگ آینده را بپذیرند، که البته پذیرفتن این ریسک بسیار دور از ذهن به‌نظر می‌رسد کاهش قابل توجه در صورت حساب هاى مربوط به گرمایش، جراحى کم خطرتر و نسل جدید کامپیوترهاى کوچک، همگى از قابلیت هاى بالقوه فناورى جدید نانو است که در دانشگاه لیدز انگلیس توسعه یافته است.

پروفسور ریچارد ویلیامز و دکتر یولونگ دینگ، از طریق معلق کردن نانو ذرات در آب یا مایعات دیگر نانوسیالاتى ساخته اند که حرارت را 400 برابر سریع تر از تمام مایعات دیگر منتقل مى کند.

نانوسیالات مى توانند در یک سیستم حرارتى مرکزى بدون نیاز به استفاده از پمپ هاى قوى تر کارایى را افزایش داده و در نتیجه موجب صرفه جویى انرژى و ایجاد مزایاى زیست محیطى شوند.

در حال حاضر این گروه تحقیقاتى بزرگترین گروه دنیا و تنها گروهى است که در انگلستان بر روى نانوسیالات کار مى کند.

این سیالات مى توانند با غلبه بر یکى از بزرگترین محدودیت هاى موجود بر سر راه توسعه میکروتراشه هاى کوچکتر که پخش سریع حرارت است، راه را براى رسیدن به نسل بعدى کامپیوترها هموار سازند.

همچنین این نانوسیالات مى توانند براى خنک کردن مغز در طول جراحى هاى حساس مورد استفاده قرار گیرند.

این امر موجب مى شود مغز اکسیژن کمترى نیاز داشته باشد و در نتیجه احتمال زنده ماندن بیمار تا حد زیادى افزایش یابد و احتمال آسیب هاى مغزى کم شود.

به علاوه مى توان از این سیالات براى ایجاد حرارت بالا در اطراف تومورها براى کشتن آنها استفاده کرد، بدون اینکه سلول هاى سالم مجاور آسیب ببینند.

دکتر دینگ مى گوید: با وجود یک گروه تحقیقاتى قوى در دانشگاه لیدز، ما تخصص بالایى براى توسعه نانوسیالات داریم و تحقیق بر روى چند نمونه از قبل آغاز شده است.

ما در حال بررسى ویژگى این سیالات هستیم تا بتوانیم خواص هدایتى آنها را در شرایط کاملاً مختلف و مقیاس هاى بسیار کوچک به طور کامل درک کنیم گروهی از محققان بین‌المللی به ساخت نخستین موتور مولکولی خورشیدی موفق شدند Vincenzo Balzani از شیمیدانان دانشگاه ایتالیا می‌گوید: از این موتور که همانند پیستون حرکاتی به جلو و عقب دارد، می‌توان در خواندن اطلاعاتی که به صورت صفر و یک می‌باشند، کمک گرفت.

به عنوان مثال می‌توان از این موتور در الکترونیک و فوتونیک مولکولی که به سرعت رو به رشد می باشند، برای ساخت کامپیوترهای شیمیایی بهره برد.

همچنین این موتورها می‌توانند به عنوان نانوشیرهایی که سطوح نانوذرات متخلخل سیلیسیومی را می‌پوشانند، عمل کنند؛ بدین ترتیب دانشمندان می‌توانند با استفاده از نور، این تخلخل‌ها را از نانوذرات مولکول‌های مختلفی همچون داروهای ضدسرطان خالی و یا پرکنند.

J, Fraser Stoddart از نانوشیمیدانان دانشگاه کالیفرنیا می‌گوید: پس از هدفگیری غدد سرطانی با این نانوذرات تنها کافیست با استفاده از نور شیر نانومقیاس باز شده و دارو در محل مورد نظر رها شود.

این موتور طی شش سال و توسط محققان دانشگاه‌های و UCLA طراحی و ساخته شده است.

این نانوماشین شبیه دمبلی به طول تقریبی 6 نانومتر می‌باشد که حلقه‌ای به پنهای 3/1 نانومتر در اطراف میله آن قرار گرفته است.

این حلقه می‌تواند در طول میله دمبل حرکت کند؛ ولی نمی‌تواند از متوقف کننده‌های توده‌ای دو انتهای آن رد شود.

دو نقطه روی این شکل دمبلی وجود دارد که حلقه بیشتر در آن نقطاط قرار می‌گیرد.

وقتی یکی از دو انتهای دمبل نور خورشید را جذب می‌کند، الکترونی را به یکی از این دو نقطه انتقال می‌دهد و حلقه را به آن نقطه می‌کشد و سپس با یک چرخش به وضعیت دیگر برمی‌گردد.

پس از آن که الکترون دوباره به سر دمبل برگردد، حلقه نیز به محل سابق خود باز می‌گردد و همچنین چرخه مجدداً تکرار می‌شود.

Stoddart می‌گوید: حرکات این نانوموتور کاملاً سریع است و یک چرخه کامل آن در کمتر از یک هزارم ثانیه صورت می‌گیرد که تقریباً معادل 60000 دور در دقیقه موتور یک خودرو است.

جالب آن که این نانوموتور برای حرکت خود به هیچ سوخت شیمیایی نیاز ندارد؛ این در حالی است که موتورهای مشابهی که قبلاً ساخته شده بودند، از جمله موتورهای بیولوژیکی، به سوخت نیاز داشتند.

اما نیروی این موتور مستقیماً از نور خورشید تأمین می‌شود، بدون آن که نیاز به گردش سوخت و مصرف آن داشته و ماده زایدی تولید کند.

درست همان نسبتی که بین یک خودرو خورشیدی با یک موتور بنزین سوز وجود دارد، در اینجا نیز هست و این گامی مهم و رو به جلو در تلاش‌های شیمیدانان برای ساخت ماشین‌های مولکولی به شمار می‌آید؛ به طوری که دیگر دانشمندان هم تحت تأثیر پیچیدگی ساختار ترکیبی آن قرار گرفته‌اند.

به گزارش ایسنا از ستاد ویژه توسعه فن‌آوری نانو، در حال حاضر این نانوموتورها می‌تواند در محیط محلول به طور تصادفی و نسبتاً مستقل از هم، و بدون آن که به هم بچسبند، حرکت کنند؛ لذا فعلاً نمی‌توان کاری از این سیستم انتظار داشت.

دانشمندان به دنبال آن هستند که بتواند این نانوماشین‌ها را دنبال هم و روی یک سطح و حتی داخل غشاء سلول‌ها قرار دهند به طوری که بتوانند در کنار هم کاری انجام داده و در نهایت یک کار مکانیکی در مقیاس ماکروسکوپیک به ثمر رسد محققان آی بی‌ام آمریکا و دانشگاه طی کاری مشترک موفق به تولید پرتوهای مادون قرمز با درخشندگی فوق‌العاده از نانولوله‌های کربنی تک جداره شدند.

بر اساس گزارش آخرین شماره خبرنامه فناوری نانو، با معلق کردن بخشی از نانولوله و استفاده از عملیات تک قطبی موجب گسیل نور از فصل مشترک قسمت معلق و قسمت نگهداشته شده آن می‌شود.

PHAEDON AVOURIS‬ از محققان آی بی‌ام می‌گوید: نکته اصلی کار ما کشف مکانیسم تحریک الکتریکی گسیل نور از یک تک مولکول نانولوله است.

این مکانیسم شامل تک حامل‌های الکتریکی می‌باشند و گسیل هم در محدوده کوچکی از این نانولوله‌ها در مقیاس نانومتر رخ می‌دهد که دلیل کوچکی ناحیه گسیل چشمه نور بسیار درخشانی تولید می‌شود.

AVOURIS‬ و همکارانش نانولوله‌هایی به قطر دو تا سه نانومتر را به روش رسوب دهی بخار شیمیایی را در شیارهای موجود در پوشش سیلیکا روی بستر سیلیکونی قرار دادند.

سپس چشمه‌ها الکترودهای پالادیم ورودی و منبع را به آن اضافه کردند و تحت شرایط انتقال تک قطبی یعنی ولتاژ گیت کمتر از ‬ یکی دیگر از محققان می‌گوید: برقراری جریان LED است.

به نظر دانشمندان مکان دقیق این گسیل به خمیدگی باند در فصل مشترک بین این دو قسمت بستگی دارد.

به هر حال این جریان‌های شتاب گرفته که بعدا موجب می‌شود که از آنها نور گسیل می‌شود.

به نظر محققان این مکانیسم تحریک حدود هزار بار موثرتر از بار ترکیب الکترون حفره‌های مستقل تزریق شده به داخل نانولوله‌ها است.

بررسی آنها حاکی از وجود یک نیروی ربایش بسیار قوی بین الکترون و حفره‌ها در این سیستم‌ها و ضعف جفت شدگی حامل‌های الکتریکی با ارتعاش اتم‌ها می‌باشد.

این ترکیب منحصر به فرد از این دو عامل است که مشاهده این پدیده را امکان پذیر می‌سازد.

همچنین بررسی دانشمندان برای نخستین بار اهمیت پدیده حامل پرانرژی مانند تحریک تماس بین مولکولی را در این سیستم‌های یک بعدی نشان داد.

به گفته AVOURIS می‌توان طول موج‌های گسیل شده را با تغییر قطر نانولوله‌ها تنظیم کرد و نور مادون قرمز و یا نور مرئی تولید کرد دانش ها و فنون مرتبط با نانو تلاش برای دیدنِ سطوح بسیار نازک‌، از مهم‌ترین فعالیت‌های علمیِ آزمایشگاه‌های جهان است.

این کار، بسیار مشکل و معمولاً غیراقتصادی است.

کدام کار؟

دیدنِ مستقیم سطوح بسیار نازک مانند سطح کف دریا یا سطح اتم.

روش معمول برای دیدن چنین سطوحی غیرمستقیم است؛ یعنی جمع‌آوری داده‌های دقیق و پردازش آنها توسط رایانه‌ها و تبدیلشان به تصاویرِ دیدنی.

در مقاله‌ای که می‌خوانید، شما را با چگونگی کسب اطلاعات از سطوح نادیدنی و تبدیل آنها به مدل‌های دوبُعدی و سه‌بُعدی آشنا می‌کنیم.

این همان کاری است که میکروسکوپ نیروی اتمی انجام می‌دهد.

شبیه‌سازی کف دریا که با استفاده از داده‌ها صورت می‌گیرد، مدت‌هاست که در تحقیقات و مطالعات اقیانوس‌شناسی به کار می‌رود.

اقیانوس‌شناسانِ اولیه به انتهای کابل‌های بلند وزنه‌هایی می‌آویختند و ته دریا می‌‌فرستادند.

این وزنه‌ها کف دریا را می‌پیمودند و ناهمواری‌ها و شیارهای آن را از طریق کابل‌ها روی کاغذهای شطرنجی نقش می‌کردند.

امروزه در فارسی به این قبیل وسایل که می‌توانند اطلاعاتی را از سطوح نادیدنی به ما برسانند، ‌?پیمایشگر‌?

می‌گویند.

این عنوان معادل واژه probe در انگلیسی است.

اقیانوس‌شناسان جدید، کابل و وزنه را به کناری نهاده‌اند و فناوری رادار را به خدمت گرفته‌اند.

آنها امواج صوتی را از یک کشتی اقیانوس‌پیما به کف دریا گسیل می‌کنند و با ثبت فاصله کف با منبع گسیل‌کننده ناهمواری‌های کف را ترسیم می‌نمایند.

ماهواره‌ها هم به همین روش می‌توانند امواجی را به اعماق ناشناخته فضا بفرستند و با محاسبه زمان رفت و برگشت، فواصل را اندازه بگیرند.

در میکروسکوپ نیروی اتمی نیز از این روشِ دیدن استفاده می‌شود.

AFM پیمایشگری را روی سطح ماده حرکت می‌دهد.

همزمان با حرکت این پیمایشگر بر سطح ماده، نیروی مکانیکی بین کاوشگر و ماده محاسبه می‌شود.

این داده‌ها برای به تصویر کشیدن سطح اتم در رایانه مورد استفاده قرار می‌گیرند در اینجا آزمایشی را به شما معرفی می‌کنیم که شما را با رفتار یک میکروسکوپ نیروی اتمی آشنا می‌کند.

با این آزمایش می‌توانید بدون دیدنِ مستقیم، داده‌هایی را از درون یک جعبه دربسته استخراج کنید و با استفاده از آنها تصاویری دو و سه‌بُعدی از سطح درونی آن ترسیم نمایید یک جعبه کفشِ خالی را بردارید و از دوستتان بخواهید که یک وسیله مجهول درون جعبه درست وسط آن بچسباند و در آن را هم محکم ببندد.

حالا کاغذی شطرنجی، مانند تصویر زیر، روی آن بچسبانید.

(اگر چاپگر دارید، روی تصویر کلیک کنید و نسخه با کیفیت بالاتر را داونلود کنید و از آن پرینت بگیرید سپس با یک میل بافتنی صفحه را سوراخ سوراخ کنید و با کمک همان میل بافتنی ارتفاع شیء مجهول از کفِ جعبه را در نقاط مختلف اندازه بگیرید.

حواستان را جمع کنید که فقط ارتفاع میله بافتنیِ فرورفته داخل جعبه را اندازه نگیرید، بلکه ارتفاع جعبه را هم محاسبه کنید.

مثلاً اگر ارتفاع جعبه 14 سانتی‌متر است و میل بافتنی در آن نقطه 7.5 سانتیمتر فرو رفته است.

باید 7.5 را از 14 کم کنید تا ارتفاع شیء مجهول از کف جعبه به دست آید پس از اینکه ارتفاع‌های نقاط مختلف را اندازه گرفتید، کافی است تا این فایل را داونلود کنید و به کمک آن حدس بزنید داخل جعبه چه چیزی وجود دارد.

خوب، چطور این حدس را زدید؟

درست است: به کمک شکلی که از سطح شیء مجهول به دست آورده ‌اید.

فایلی که برای این کار در اختیار شما قرار داده شده، یک صفحه گسترده است که توسط نرم‌افزار Excel طراحی شده است و شما هم می‌توانید مشابه آن را تولید کنید جدول 15ױ5 بالای صفحه در واقع همان کاغذ مشبکی است که شما روی جعبه چسبانده‌اید.

حالا کافی است که ارتفاع شیء مجهول را در هر نقطه به کمک میل بافتنی اندازه بگیرید و آن را در خانه متناظر آن در فایل Excel ذخیره کنید.

همانطور که اعداد وارد برنامه می‌شوند، نقشه سطحِ شیء مجهول که اصطلاحاً به آن ?نقشه توپوگرافی?

می‌گویند، کامل‌تر می شود محصولات و بازارِ فناوریِ نانو صنایع آرایشی از اکسیدهای غیرآلی، نظیر اکسید روی و تیتانیم، استفاده می‌کنند، اما استفاده از این اکسیدها به علت خاصیت سفیدکنندگی روی پوست محدود است.

سفیدی به طور مستقیم با پخش نور رابطه دارد.

به طور کلی با کاهش اندازه ذرات، شاهد افزایش جذب نور ماوراء بنفش توسط ذرات (به علت عبور کمترِ اشعه‌ها از بین ذرات) و کاهش پدیده سفیدی (به علت کاهش پدیده پخش نور) هستیم.

به‌تازگی روش‌های گوناگون برای تولید نانوذرات، توسعه یافته‌ و بر صنعت کرم‌های ضدآفتاب اثر گذاشته‌اند یک - سفیدی وقتی ماده نوردهی شود، پدیده‌های زیر دیده می‌شوند یک- عبور نور که منجر به گذشتن آن از ماده بدون هیچ تأثیر متقابلی است؛ دو - نورِ نافذ که منجر به پخش نور می‌شود؛ سه - انعکاس نور از سطح، مانند آنچه در آینه رخ می‌دهد؛ چهار- انعکاس نفوذی که منجر به پخش نور از سطح می‌شود.

دو - پخش نور و اندازه ذرات شدت نور پخش‌شده به وسیله یک تک‌ذره، تابعی از اندازه ذره است.

همان‌طور که در شکل 2 به‌روشنی مشاهده می‌شود، با افزایش اندازه ذرات، نور مرئی به علت برخورد با ذرات پخش می‌شود و با برگشت نور به چشم، ذراتْ سفید دیده می‌شوند.

بنابراین، برای کاهش تأثیر سفیدی، کاهش اندازه دانه راهی است بسیار مؤثر ب.

مواد با ذرات در ابعاد میکرومتر نور را پراکنده می‌کنند.

بنابراین، نسبت به نور مات و نیمه‌شفاف‌اند و سفید دیده می‌شوند.

میزان پخش نور بر حسب اندازه دانه به نمایش درآمده و مشخص است که با افزایش اندازه ذرات، میزان پخش‌شوندگی نور بیشتر می‌شود سه - جذب اشعه ماورای بنفش و بهترین اندازه ذره نور ماورای بنفش(UV) طول موج کمتر از نور مرئی و انرژی بیشتر از نور مرئی دارد.

قرار گرفتن در مقابل تابش ماورای بنفش از مهم‌ترین علل آسیب‌های پوستی و سرطان پوست است.

به همین خاطر، جذب این اشعه و ممانعت از رسیدن آن به پوست بدن موضوع تحقیق بسیاری از مراکز علمی دنیا برای سالیان طولانی بوده است.

جذب UV در مواد غیرآلی نظیر TiO2 و ZnO ناشی از دو اثر است: الف ـ جذب فاصله باند؛ ب ـ پخش نو الف ـ جذب فاصله باندی اکسید روی و اکسید تیتانیم نیمه‌هادی‌اند و به‌شدت نور UV را جذب و نور مرئی را عبور می‌دهند.

سازوکارِ جذب UV در این مواد شامل مصرف انرژی فوتون برای تهییج الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانایی است فاصله باندی یا ?گپ انرژی?

چیست؟

می?دانیم که اتم?ها از ترازهای انرژی تشکیل شده?اند و این ترازهای انرژیِ حاوی الکترون، در جسم جامد تشکیل نوارهایی را می?دهند که الکترون‌ها در آنها قرار ?گرفته‌اند.

اما فضاهایی بین این نوارهای انرژی وجود دارند که هیچ نوار حاوی الکترونی نمی?تواند در آنها جا بگیرد.

این فضاها را ?فاصله باندی?

یا ?گپ انرژی?

می?گویند.

در جامدهای رسانا نوارهای انرژی می?توانند پر، نیمه‌پر یا خالی از الکترون ــ که در اصطلاح ?نوار رسانایی?

نامیده می?شود ــ باشند.

همچنین گپ انرژی آنها در مقایسه با نیمه‌هادی?ها کوچک‌تر است.

در نیمه‌هادی?ها نوارهای انرژی نیمه‌پر وجود ندارند و گپ انرژی آنها کمی بزرگ‌تر از رساناهاست.

از همین رو، الکترون‌ها در رسانا?ها و نیمه‌رساناها می?توانند با گرفتن مقداری انرژیِ گرمایی ــ برای رساناها کم‌تر، برای نیمه‌رساناها بیش‌تر ــ برانگیختگی گرمایی پیدا کنند و از لایه?های انرژیِ پُر به لایه?های انرژیِ خالی بروند.

این عمل در نارساناها به علت بزرگ بودن گپ انرژی امکان ندارد و TiO2 دارای انرژی باند ev3/3 تا ev4/3 مربوط به طول موج‌های تقریباً 365 نانومتر تا 380 نانومتر هستند.

نورهای زیر این طول موج‌ها انرژی کافی برای تحریک الکترون‌ها دارند.

به بیان ساده، الکترون‌های این ذرات انرژی نور UV را جذب می‌کنند و از رسیدن این امواج به پوست مانع می‌شوند.

پس ZnO و دارای خاصیت شدید در جذب هستند و اگر به اندازه کافی کوچک باشند، شفافیت خوبی در برابر نور مرئی خواهند داشت.

ب ـ اندازه دانه بهینه برای جذب UV با ریزتر شدن ذرات، علاوه بر اینکه در مسیر نور UV ذرات بیشتری برای جذب فاصله باند وجود دارند، نور UV بیشتر پخش خواهد شد.

بنابراین، عبور این نور کاهش می?یابد.

جذب فاصله باند به ‌طور کلی تابعی از تعداد اتم‌هایی است که در مسیر نور UV قرار گرفته‌اند.

بر اساس تحقیقات تجربی، با کاهش اندازه ذرات، به علت کم شدن فاصله بین آنها برای عبور نور UV شاهد عبور کم‌ترِ این اشعه هستیم.

این موضوع در شکل شماره 4 نشان داده شده است.

با توجه به این شکل، در محدوده نور فرابنفش (زیر 400 نانومتر) با کاهش اندازه ذرات، عبور نور کمتر خواهد شد.

همین پدیده است که متخصصان را به تولید محصولات ضدآفتاب با خاصیت جذب (SPF) بالاتر رهنمون شده است SPF چیست؟

کرم‌های ضدآفتاب بر اساس میزان توانایی آنها در جذب و دفع اشعه UV درجه‌بندی می‌شوند.

این معیار Sun Protection Factor یا SPF نام دارد.

درجات SPF ، مانند SPF15 یا SPF20 نشان‌گر آن‌اند که مصرف‌کننده آن قبل از اینکه دچار آفتاب‌سوختگی بشود، تا چه حد می‌تواند زیر نور آفتاب بماند.

برای مثال، شما می‌توانید بدون استفاده از کرم ضد آفتاب ده دقیقه زیر نور خورشید باقی بمانید و احساس سوختگی نکنید.

هنگامی که از کرم ضد آفتاب استفاده می‌کنید، می‌توانید زمان 10 دقیقه را ضرب در میزانSPF کرم کنید و به مقدار زمان به دست آمده زیر آفتاب بمانید.

اگر SPF کرم شما 15 باشد، شما 150 دقیقه یا 2 ساعت و نیم میتوانید در آفتاب بمانید.

اگر پس از مدتی مجددا از کرم استفاده کنید، میزان محافظت آن بیشتر میشود اما، در مقدار زمان ایمن آن تاثیری ندارد نتایج یک- ایجاد پدیده سفیدی در ضد آفتاب ها ناشی از پدیده پخش نوردر محدوده نور مرئی(400-700 نانومتر) است.

با توجه به شکل 4 این پدیده در ضد آفتاب ها با اندازه ذره درشت، بسیار شدیدتر است.به عبارت دیگر کاهش شفافیت باعث افزایش پدیده سفیدی می شود.در شکل 5 با ریزتر شدن ذرات شاهد عبور بیشتر نور مرئی و در نتیجه کاهش سفیدی و افزایش شفافیت هستیم.

دو- بر طبق شکل 5 در محدوده نور UV با توجه به کمتر بودن فاصله بین ذرات در حالت نانومتری شاهد عبور کمتر نور هنگام ریزتر شدن ذرات هستیم CPHبنیاد علمی بعد از نظریه‌های جدید درباره نانوتکنولوژی که خیلی واقعی‌تر از چیزی هستند که خیلی از مردم فکر می‌کنند، زمینه‌های مورد توجه زیادی بوجود آمده است.

متن تحلیل بعد از نظریه‌های جدید درباره نانوتکنولوژی که خیلی واقعی‌تر از چیزی هستند که خیلی از مردم فکر می‌کنند، زمینه‌های مورد توجه زیادی بوجود آمده است.

در زیر بدون هیچ ترتیب خاصی تعدادی از کاربردهای کوتاه مدت نانوتکنولوژی را می‌آوریم: دارورسانی: استفاده از نانوذرات برای جذب از راه پوست و چشمها (خیلی لذت بخش‌تر از تزریقات) و استنشاق، به منظور در امان ماندن از تخریب دارو توسط آنزیمهای معده که خوشبختانه در ششها وجود ندارند؛ نانوکپسولها برای پخش تدریجی دارو در بدن و درختسانها برای دارورسانی.

انرژی خورشیدی: پیلهای خورشیدی با دوام‌تر و کاراتر با امید کاهش واقعی قیمتها هم‌اکنون در حال پیشرفت هستند.

برخی از این پیلها حتی هیدروژن تولید خواهند کرد.

پیلهای سوختی: شرکت NEC امیدوار است که این پیلها را در سالهای 2003 تا 2004 به بازار عرضه کند.

صفحات نمایش و صفحات الکترونیکی کاغذی: انتظار می‌رود که نمایشگرهای صفحات الکترونیکی مبتنی بر گسیل میدان از نانولوله‌های کربنی در دو سال آینده نمایشگرهای کریستال مایع را کنار بزند.

نانولوله‌ها: نانولوله‌های چند جداره ـ نوع پست و ارزان ـ هم‌اکنون در حال ورود به کامپوزیتها هستند؛ البته نه به منظور بهبود خواص بلکه با هدف کاهش وزن این ترکیبات.

نانولوله‌های تک جداره نیز در زمان طولانی‌تر اثر خیلی بزرگتری خواهند داشت.

کاتالیزور: کاتالیزور، که افراد آنرا در صنعت با نام نانوتکنولوژی پیر می‌خوانند، بخصوص پس از پیشرفتهای اخیر که در امر انرژی حاصل شده است، به شدت مورد توجه واقع شده است.

نانوکامپوزیتها: نانوکامپوزیتهایی اغلب بر پایه خاک رس برای کاربردهای ساختاری با استحکام بالا یا خصوصیات تازه به صنایع خودرو و هوافضا راه یافته‌اند.

تکنولوژیهای ذخیره‌سازی: حافظه مغناطیسی با قابلیت دسترسی اتفاقی (RAM) و هارد دیسکهای ترابایتی نانولوله‌ای در چند سال آینده وارد بازار خواهند شد.

مواد توده‌ای نانوکریستالی یا فولادهای شامل نانوذرات: بعضی شرکتها هم‌اکنون فولادهایی را که نانوذرات کربن در طی مرحله رول کردن به آن افزوده شده است را مورد استفاده قرار می‌دهند.

لایــــه نشانی‌: از سازندگان اتومبیل گرفته تا معمارها مشغول تحقیق بر روی لایه‌های خیــــلی محکم با خصـــوصیات ویژه‌ای مثل الکتروکـرومیـک (رنگ‌پذیری الکتریکی) یا خود پاک‌کنندگی هستند.

حسگرها: مطالعات فراوانی در زمینه حسگرهای بیوشیمیایی که از نانوسیمها و نانولوله‌ها ساخته شده‌اند در حال انجام است.

آنالیززیستی: ابزارهایی که از میکروسکوپهای نیروی اتمی استفاده می‌کنند و نقاط کوانتومی هم‌اکنون در حال آماده‌سازی برای عرضه به بازار هستند.

منسوجات: نانوفیبرها هم‌اکنون در پوشش‌های مقاوم در برابر گرما، قابل استفاده هستند.

به زودی نانوفیبرهایی که از طریق الکتریکی بافته شده‌اند و فیبرهایی که با نانولوله‌ها بهبود یافته‌اند نیز به بازار ارائه خواهند شد.

این فقط نمونه‌ای از کاربردهای فراوان و قابل حصول نانوتکنولوژی می‌باشد