دانلود مقاله مدل ‌سازی خاک‌ رس

محققین دانشگاه لندن در انگلستان و دانشگاه Paris Sud در فرانسه ، شبیه‌سازیهایی بر اساس مکانیک کوانتوم برای مطالعه و کامپوزیتهای خاک ‌رس–پلیمر بکار برده‌اند.

امروزه این ترکیبات یکی از موفق‌ترین مواد نانوتکنولوژی هستند، زیرا بطور همزمان مقاومت بالا و شکل‌پذیری از خود نشان می‌دهند؛ خواصی که معمولاً در یکجا جمع نمی‌شوند.

نانو کامپوزیتهای پلیمر–خاک رس می‌توانند با پلیمریزاسیون در جا تهیه شوند؛ فرآیندی که شامل مخلوط کردن مکانیکی خاک معدنی با مونومر مورد نیاز است.

بنابراین مونومر در لایه درونی جای‌گذاری می‌شود (خودش را در لایه‌های درون ورقه‌های سفال جای می‌دهد) و تورق کل ساختار را افزایش می‌دهد.

پلیمریزاسیون ادامه می‌یابد تا سبب پیدایش مواد پلیمری خطی و همبسته گردد.

دانشمندان با بکارگیری Castep (یک برنامه مکانیک کوانتوم که نظریه کارکردی چگالی را بکار می‌گیرد) تحول کشف شده در این روش را که پلیمریزاسیون میان ‌گذار خود کاتالیست نامیده می‌شود مطالعه کردند.

این پروژه ، دانشی نظری در زمینه ساز و کار این فرآیند جدید را بوسیله مشخص کردن نقش سفال در کامپوزیت فراهم نمود.

ضروری است که دانش حاصل از شبیه‌سازیها ، جهت کنترل و مهندسی نمودن فعل و انفعالات پلیمر-سیلیکات به کمک دانشمندان آید.

دانشمندان در شرکت BASF شبیه‌ سازیهای مقیاس میانی را برای بررسی علم و رفتار ریزواره‌ها بکاربردند.

ریزواره‌ها ذراتی کروی شکل با ابعاد نانو هستند که به صورت خود به خود در محلولهای کوپلیمری ایجاد می‌شوند و در زمینه‌هایی مانند سنسورها وسایل آرایشی و دارو رسانی کاربرد دارند.

دانشمندانBASF با بکار گیری esoDyn ، یک ابزار شبیه ‌سازی برای پیش‌بینی ساختارهای مقیاس میانی مواد متراکم محلولهای تغلیظ ‌شده کوپلیمرهای آمفی‌فیلیک را بررسی کردند.

شبیه‌سازیها مشخص نمود که کدام شرایط مولکولی و فرمولی به شکل‌گیری "ریزواره‌های معکوس" مانند نانو ذرات آب در یک محیط فعال منتهی‌ می­شود.

چنین نتایجی برای درک رفتار عوامل فعال سطحی ضروری هستند.

به کمک روشهایی مانند پرتاب محلول در آزمایشگاه می‌توان به نتایجی در این زمینه دست یافت، اما دستیابی به این نتایج ماهها به طول می‌انجامد، درحالی که آزمایشهای شبیه‌سازی شده تنها طی چند روز نتیجه می‌دهند.

محدودیتهای این روشها چیست؟

در حالیکه امروزه ابزار مدلسازی در سطح کوانتومی و مقیاس میانی به خوبی توسعه یافته‌اند، همچنان محدودیتهایی در این عرصه وجود دارد.

برای مثال کاربردهایی در زمینه وسایل الکترونیک مستلزم انجام محاسبات مکانیک کوانتوم برای تعداد اتمهایی بیش از روشهای حاضر می‌باشد که بیش از توان عملیاتی منابع محاسبه‌گر فعلی است.

همچنین مدلسازی کل وسایل امکان‌پذیر نیست، بویژه عملکردها و خواص آنها.

آینده زیر سایه نانو تولید نانو تیوب های کربنی (ساختارهای لوله ای کربنی) ماده ای در اختیار بشر قرار داد که رساناتر از مس، مقاوم تر از فولاد و سبک تر از آلومینیوم است.

نانو فناوری در تعریفی بسیار ساده ، یعنی تکنولوژی هایی که در ابعاد نانومتری عمل می کنند.

نانومتر واحد اندازه گیری است و برابر یک میلیاردم متر یا ۱۰به توان ۹-متر است .

اندازه اتم ها و مولکول ها در این محدوده قرار دارد، بنابراین با ورود به این فضای کوچک بشر می تواند در نحوه چینش و آرایش اتم ها و مولکول ها دخالت کند و به ساخت مواد جدید و ساختارهایی متفاوت با آنچه تاکنون وجود داشته است بپردازد.

تولید نانو تیوب های کربنی (ساختارهای لوله ای کربنی) ماده ای در اختیار بشر قرار داد که رساناتر از مس، مقاوم تر از فولاد و سبک تر از آلومینیوم است.

همچنین با استفاده از نانو ذرات می توان سطوح خود تیزشونده یا همیشه تمیز ساخت و ربایش مغناطیسی را چندین برابر کرد.

لاستیک های با عمر بالای ۱۰ سال و دارورسانی به تک سلول های آسیب دیده در بدن از توانایی هایی است که بشر به مدد نانوفناوری به آن دست یافته است.

اگر بپذیریم که نانو فناوری توانمندی تولید مواد، ابزارها و سیستم های جدید، با در دست گرفتن کنترل در سطوح اتمی و مولکولی و استفاده از خواص آن سطوح است آنگاه درخواهیم یافت که کاربردهای این فناوری در حوزه های مختلف اعم از غذا، دارو، تشخیص پزشکی، فناوری زیستی ، الکترونیک، کامپیوتر، ارتباطات، حمل و نقل، انرژی ، محیط زیست و امنیت ملی خواهد بود به گونه ای که به زحمت می توان عرصه ای را که از آن تأثیر نپذیرد معرفی کرد.

هرچند آزمایش ها و تحقیقات پیرامون نانو تکنولوژی از ابتدای دهه ۸۰ قرن بیستم به طور جدی پیگیری شد، اما اثرات تحول آفرین و باورنکردنی نانوفناوری در روند تحقیق و توسعه باعث گردید که نظر همگی کشورهای بزرگ به این موضوع جلب گردد و فناوری نانو را به عنوان یکی از مهم ترین اولویت های تحقیقاتی خویش طی دهه اول قرن بیست و یکم محسوب کنند.

لذا محققان ، اساتید و صنعتگران ایرانی نیز باید در بسیجی همگانی، جایگاه و وضعیت خویش را درباره این موضوع مشخص کنند و با یک برنامه ریزی علمی و کارشناسانه به حضوری فعال و حتی رقابتی دراین جایگاه ابراز وجود کنند.

زیرا بسیاری از صاحب نظران ومحققان، نانوفناوری را مساوی آینده دانسته اند به عبارت دیگر می توان گفت، اولویت کشور، هر صنعت و فناوری که باشد بدون تسلط بر ابعادنانو، در دنیای جدید نمی توان در آن صنعت و فناوری حرفی در دنیا زد.

ماهیت فرارشته ای علوم و فناوری نانو به عنوان توانمندی تولیدمواد، ابزارها و سیستم های جدید با دقت اتم و مولکول، موجب کاربردهای بسیار زیادی در عرصه های مختلف علمی و صنعتی شده است.

برای مثال در بخش پزشکی و بهداشت از زمینه های کاری بسیار مهم نانوفناوری، سیستم توزیع دارو درداخل بدن است .

مصرف دارو در حال حاضر به صورت حجمی است در حالی که سلول های خاصی از بدن نیازمند آن هستند ، در روش جدید دارو با وسایل تزریق متفاوت با امروزه، به صورت مستقیم به سمت سلول های مشخص جهت گیری شد و دارو به محل نیاز تحویل داده می شود.

از نظر دفاعی نیز این فناوری برای کشورها هم فرصت و هم تهدید است.

به لحاظ کاربردهای زیاد این فناوری گرایش زیادی در بخش دفاعی کشورها به تحقیق و توسعه صورت گرفته است.

این کاربردها از لباس های مانع خطر تا پرنده های بسیار کوچک تجهیزات اطلاعاتی و بسیاری موارد دیگر است که هم اکنون با حمایت وزارتخانه های دفاع کشورهایی چون آمریکا ، ژاپن و برخی کشورهای اروپایی به صورت طرح های تحقیقاتی در حال انجام هستند.

نانوفناوری، تغییر بنیانی مسیری است که در آینده موجب ساخت مواد جدیدخواهد شد و انقلابی در مواد ایجادخواهد کرد که محققان قادر به ساخت موادی خواهند شد که در طبیعت نبوده و شیمی مرسوم نیز قادر به ایجادشان نیست.

برخی از مزایای مواد نانوساختار، عبارت است از مواد سبک تر، قوی تر، قابل برنامه ریزی، کاهش هزینه عمر کاری از طریق کاهش دفعات نقص فنی ابزارهایی نوین برپایه اصول و معماری جدید، صنعت خودرو و لوازم خانگی بااستفاده از این فناوری جدید در درازمدت می توان تومورهای مغزی را به درستی تشخیص داد و نیز بدون آسیب زدن به بافت های سالم و با استفاده از پرتو درمانی این بیماری را بهبود بخشید، نانو کپسول های تولیدی با استفاده از فناوری نانو، دارای موادی مانند ویتامین A، رتینول و بتاکاروتن خواهد بود که باید به لایه های عمقی پوست منتقل شوند تا بیشترین خواص ضدپیری و سایر خواص دارویی خود را بروز دهند.

با کارگذاری نانو ذرات فعال نوری در داخل گلبول های سفید خون موفق به شناسایی سلول های آسیب دیده خواهیم شد.

در زمینه انرژی می تواند به طور قابل ملاحظه ای کارآیی ، ذخیره سازی و تولید انرژی را تحت تأثیر قرار داده و مصرف انرژی را پایین بیاورد.

به عنوان مثال شرکت های موادشیمیایی، موادپلیمری تقویت شده را ساخته اند که می تواند جایگزین اجزای فلزی بدنه اتومبیل ها شود.

استفاده گسترده از این نانوکامپوزیت ها می تواند سالیانه ۱‎/۵ میلیاردلیتر صرفه جویی مصرف بنزین به همراه داشته باشد.

طرح "تولید انبوه نانو لوله های کربنی" در پژوهشگاه صنعت نفت، گامی دیگر برای پیشتازی در فناوری های روزآمد "نانو لوله های کربنی" ساختار جدیدی از کربن است که از سال 1990 در جهان شناخته شده است.

این ماده به سبب برخورداری از خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی و ساختار خاص، کاربردهای بسیاری در صنعت دارد.

هم اکنون "طرح تولید انبوه نانو لوله های کربنی" در پژوهشکده گاز پژوهشگاه صنعت نفت، مراحل آزمایشگاهی را پشت سر گذاشته و تولید آن در مقیاس پایلوت به میزان 8 کیلوگرم در روز با موفقیت به انجام رسیده است.

پژوهشگاه صنعت نفت در نظر دارد تا تولید پیوسته نانو لوله های کربنی را با راه اندازی واحدی نیمه صنعتی با ظرفیت 20 کیلوگرم در مهر ماه امسال آغاز کند.

آنچه در پی می آید، گفت و گوی خبرنگار شانا با دکتر علیمراد رشیدی، مسئول طرح تولید انبوه نانو لوله های کربنی است.

وی در این گفت و گو به تشریح موارد استفاده از نانو لوله های کربنی و به ویژه کاربردهای آن در صنعت نفت پرداخته است.

طرح تولید انبوه نانو لوله های کربنی با چه هدفی در پژوهشگاه تعریف شده و کاربرد این نانو لوله ها چیست؟

تولید نانو لوله های کربن (کربن نانو تیوپ) که در صنایع مختلف و از جمله در صنعت نفت موارد استفاده بسیار دارد، از جمله طرح هایی است که مراکز پژوهشی پیشرو در جهان، در سال های اخیر آن را دنبال کرده اند.

در واقع می توان گفت این یک فناوری نو در جهان است که بسیاری از کاربردهای آن هنوز در مرحله آزمایش و بررسی است.

خوشبختانه پژوهشگاه هم در بسیاری از این کاربردها به ویژه در کاربردهای نفتی این مواد پیشتاز است.

چه نوع کاربردهایی از این مواد بیشتر مد نظر پژوهشگاه قرار دارد؟

یکی از کاربردهای کربن نانو تیوپ که در این طرح بیشتر مد نظر ما بوده، بحث استفاده از آن به عنوان پایه نانو کاتالیست در فرآیندهای شیمیایی و جذب و ذخیره سازی گاز طبیعی و هیدروژن است.

در حال حاضر برای ذخیره سازی گاز طبیعی، برای مثال استفاده از آن به عنوان سوخت در خودروها از فناوری CNG Compressed Natural Gas استفاده می شود.

در این روش گاز در فشار بالا به میزان زیادی فشرده و در دمای پایین ذخیره سازی می شود تا بتوان از آن در خودروها استفاده کرد.

اما فناوری جدیدی به نام Adsorb Natural Gas CNG شناخته و معرفی شده است که می توان آن را جانشین CNG کرد، زیرا در ذخیره سازی به روش ANG از فشار 30 بار استفاده می شود که درقیاس با CNG که به فشاری برابر 100 تا 150 بار نیاز است، فشار به مراتب پایین تری است.

روش کار نیز به این صورت است که گاز ابتدا به سطح جاذب، مثلا لوله های نانو کربنی آورده می شود، سپس روی سطح جامد این کربن ها که تخلخل آنها بسیار بسیار زیاد است، می نشیند و جذب و ذخیره می شود.

سپس با انداختن فشار، گاز ذخیره شده را می توان مصرف کرد.

مزیت های این فناوری نسبت به روش CNG چیست؟

زمانی که از روش ANG استفاده می شود، دیگر به باک های تحت فشار، سنگین و پر حجم نیاز نیست.

به علاوه با استفاده از این تکنیک می توان باک خودرو را طوری طراحی کرد که دارای ضخامت زیاد نباشد و حتی حالت سیلندری و استوانه ای نداشته باشد.

برای مثال آن را در شکل مکعب مستطیل و در هر جای خودرو که مد نظر است قرار داد.

در نقاط دیگر دنیا تا چه اندازه روی فناوری ANG کار شده و فاصله ما با آنها چقدر است؟

این فناوری در دنیا ناشناخته نیست و می توان گفت مراحل توسعه خود را می گذراند.

کارهایی در نقاط مختلف جهان در این زمینه انجام شده است، اما ما هم نه تنها از این روند عقب نیستیم، بلکه در شمار پیشگامان قرار داریم.

برای مثال هدفی که دپارتمان انرژی آمریکا (DOE) برای این فناوری تعیین کرده، 150 حجم به حجم است، یعنی این که بتوان 150 متر مکعب گاز را در یک متر مکعب از این جاذب ها ذخیره کرد.

در اسپانیا نیز دانشگاه "الیکنته" (Alicante) در این زمینه فعال بوده و پیشرفت هایی داشته است.

اما پژوهشگاه صنعت نفت با کار روی کربن فعالی که از پوست گردو به دست می آید، تا کنون به نتیجه 130 حجم به حجم رسیده است.

به عبارتی می توانیم بگوییم به هدف دپارتمان انرژی آمریکا بسیار نزدیک هستیم.

گام بعدی این است که این کار را با جاذب های نانو ساختار انجام دهیم طرح تولید انبوه نانو لوله های کربنی با چه هدفی در پژوهشگاه تعریف شده و کاربرد این نانو لوله ها چیست؟

گام بعدی این است که این کار را با جاذب های نانو ساختار انجام دهیم، در حالی که جاذب هایی که تا کنون روی آنها کار شده، عموما کربن فعال است.

چنانچه بتوانیم این کار را بکنیم، در آن صورت حتی از هدف دپارتمان انرژی آمریکا، یعنی 150 حجم به حجم، نیز فراتر خواهیم رفت.

هدفی که با این شیوه مد نظر داریم، 180 تا 200 حجم به حجم است که چشم انداز بسیار خوبی است.

در بحث ذخیره سازی گاز هیدروژن چه اقدام هایی انجام شده است؟

گفته می شود هیدروژن سوخت آینده است.

از طرفی یکی از مشکلات این سوخت، مسئله ذخیره سازی آن است.

از جمله تکنیک هایی که برای این کار مد نظر قرار گرفته، استفاده از جاذب ها و بخصوص نانو لوله های کربنی برای ذخیره سازی هیدروژن است.

از نظر تئوری حدود 65 کیلوگرم هیدروژن را در یک متر مکعب از همین لوله ها می توان ذخیره کرد.

یعنی حدود 5/6 درصد وزنی هیدروژن به وزن جاذب.

این 5/6 درصد هدفی است که در نظر گرفته شده است، اما چیزی که ما تا کنون به آن رسیده ایم و در شرایطی که خلوص نمونه ها را نیز هنوز خیلی بالا نبرده ایم، حدود 5/1 درصد است.

در دنیا نیز تا کنون به نتیجه ای بیش از این نرسیده اند.

دستاوردهای این طرح ثبت 3 اختراع بین المللی در اروپا در زمینه کاتالیست ساخت نانو لوله و فرآیند تولید و کاربرد و چندین مقاله در مجلات معتبر بین المللی بوده است.

گویا از نانو لوله های کربنی در فرآِیند سولفورزدایی از نفت های ترش نیز می توان استفاده کرد.

در این باره بیشتر توضیح دهید.

بله این از دیگر کاربردهای مهم نانو لوله های کربنی است که پژوهشگاه روی آن کار می کند و در این زمینه پروژه ای را با مشارکت شرکت پالایش و پخش در دست انجام دارد.

در این پروژه از نانو لوله های کربنی به عنوان پایه کاتالیست برای فرآِیند گوگرد زدایی هیدروژنی (هایدرو دی سولفوریزیشن) استفاده می شود.

کارهای آزمایشگاهی این پروژه انجام شده و قرار است 20 کیلوگرم از این ماده به صورت آزمایشی ساخته شود.

مراحل ثبت اختراع (پتنت) این طرح نیز در دست اقدام است.

در صورت تایید این نانوکاتالیست از سوی شرکت پالایش و پخش می توان نانو کاتالیست به دست آمده را جایگزین کاتالیست های خارجی کرد.

اصولا این فرآیند، گوگرد زدایی هیدروژنی چه نقشی در صنایع پالایشی دارد؟

چنانچه می دانید حذف گوگرد از مواد نهایی و میان مرحله ای در صنایع مختلف پالایشی و پتروشیمی یکی از فرآیندهای مهم را تشکیل می دهد.

این مسئله به ویژه در سوخت های فسیلی مختلف که در وسایل حمل و نقل مانند کشتی و کامیون ها به کار می رود، از اهمیت بیشتری برخوردار است.

علاوه بر آن توجه به قوانین زیست محیطی برای کشورهایی مانند ایران برای حضور در بازارهای جهانی الزامی است، چرا که عدم رعایت این قوانین می تواند محدودیت های زیادی در عرصه صادرات محصولات نفتی به وجود آورد.

به عنوان نمونه ای از این قوانین می توان به مصوبه اتحادیه اروپا اشاره کرد که بر اساس آن تا سال 2005 میلادی مقدار غلظت مواد گوگردی در سوخت های فسیلی باید به مقدار 50 ppm و تا سال 2009 میلای به میزان 10 ppm کاهش یابد.

البته فرآیند گوگرد زدایی هیدروژنی (هایدرو دی سولفوریزیشن) دارای کاربردهای زیادی در صنایع مختلف شیمیایی است که هم به صورت مستقیم و نیز به عنوان نتایج تحقیقات در این زمینه، می توان به مهم ترین موارد مصرف آن مثل حذف مواد گوگردی از محصولات نفتی مانند تیوفن ها (C4H4S) و تیول ها (R-SH) و همچنین حفظ محیط زیست از اثرات خطرناک مواد شیمیایی گوگردی اشاره کرد.

پس از دستیابی به دانش فنی ساخت نانو کاتالیست HDS، از آن در بقیه فرآیندهای گوگردزدایی و نانو کاتالیست ها فرآیندهای دیگر مانند هیدروکراکینگ، ایزومریزاسیون و غیره می توان استفاده کرد و در نهایت نانو کاتالیست حاصله جایگزین کاتالیست های صنعتی به خصوص در فرآیندهای گوگردزدایی دیزل، نفتا و سوخت کوره می شود.

چنانچه طرح "تولید انبوه نانو لوله های کربنی" به هدف خود برسد، این مواد تا چه اندازه در داخل کشور مصرف خواهند داشت و تا چه اندازه می توان آنها را به خارج از کشور صادر کرد؟

همان طور که اشاره شد، نانولوله های کربنی کاربردهای بسیاری در صنعت دارد و در کشور هم کارهای تحقیقاتی روی کاربردهای آن شروع شده است.

در حال حاضر نیز این ماده در کشور مصرف روزانه دارد.

برای طرح تولید سوخت GTL در خود پژوهشگاه نیز که اکنون در مقیاس نیمه صنعتی در حال پیشرفت است به این پایه کاتالیستی به عنوان ماده اولیه نیاز خواهد دبود.

کاربرد دیگر نانولوله های کربنی ساخت فیلتر و غشا برای تصفیه آب آشامیدنی است که در مقیاس آزمایشگاهی انجام گرفته است.

غشاهای موجود که از خارج وارد می شوند، غشاهای پلیمری و سرامیکی هستند.

مشکل پلیمری ها این است که توان تحمل دما را ندارند، اما غشاهایی که از نانو کربن ساخته می شوند، پایداری حرارتی و طول عمر آنها بسیار بالا است و بارها می توان با یک عملیات حرارتی آنها را مجددا مورد استفاده قرار داد.

استفاده از نانو لوله های کربنی در لایه های پلیمری و تلق های شفاف که در اصطلاح فیلم های پلیمری خوانده می شوند، یکی دیگر از موارد کاربرد این مواد است.

البته این فیلم ها بیشتر در خارج از کشور مصرف دارد و ما برای فروش آن اقدام کرده ایم.

قیمت این مواد چقدر است و ارزش افزوده ای که از تولید آنها ایجاد می شود تا چه اندازه است؟

قیمتی که اکنون ما به مراکز مختلف داخلی و خارجی سفارش می دهیم، از 5 دلار برای هر گرم تا حدود 50 دلار در هر گرم است که به تک دیواره یا چند دیواره بودن نانو لوله ها و خلوص آنها بستگی دارد.

به هر حال چنانچه واحد نیمه صنعتی پژوهشگاه با ظرفیت 20 کیلوگرم در روز مهر ماه امسال برای تولید این نانو لوله ها راه اندازی شود، دیگر این فناوری اثبات شده است.

بنا بر این آیا می توان به تولید تجاری این ماده امیدوار بود؟

بله.

مقیاس بعدی پژوهشگاه در این زمینه 25 کیلوگرم در ساعت است، یعنی چیزی حدود 600 کیلوگرم در روز که رسیدن به آن دیگر زیاد مشکل نیست چون فناوری و دانش فنی آن فراهم است.

اما این کار به سرمایه گذاری بیشتری نیاز دارد و ادامه آن از سوی پژوهشگاه بستگی به این دارد که این ماموریت به خود پژوهشگاه داده شود یا شرکت های تابع وزارت نفت یا بخش خصوصی این وظیفه را به عهده بگیرند.

چنانچه بخش خصوصی این وظیفه را بر عهده گیرد، آن وقت نقش پژوهشگاه چه خواهد بود؟

طبیعی است که در آن صورت پژوهشگاه به عنوان یک "لایسنسور" و دارنده امتیاز است که سرمایه گذار یابد امتیاز استفاده از این فناوری را از پژوهشگاه بخرد.

به هر حال این کار سود آوری است، زیرا مبلغ 20 تا 30 دلار به طور میانگین برای هر گرم نانو لوله کربن مبلغ قابل توجهی است، به ویژه این از گاز طبیعی به عنوان خوراک و ماده اولیه برای تولید این نانو لوله ها استفاده می شود که در منابع آن در ایران ارزان و فراوان است.

ساخت کاتالیست هم از مواد داخلی است یعنی از سنگ معدن های داخلی می گیریم و به مواد اولیه ای مورد نظر تبدیل می کنیم.

در واقع ماده اولیه این کربن های نانو تیوپ را به صورت ارزان در داخل تولید می کنیم و چیزی از خارج وارد نمی شود؛ بنابر این هزینه کمی صرف می شود که ارزش افزوده زیادی به همراه دارد.

البته دراین طرح فاز دیگری هم هست که قسمت هایی از آن انجام شده و قسمت هایی دیگر در حال انجام شدن است و آن عامل دار کردن این نانو لوله ها است.

برای برخی از کاربردهای نانو لوله های کربنی مانند استفاده از آنها در پزشکی و پلیمر باید این ها را عامل دار کرد، به این معنا که این نانو تیوپ ها باید در آب یا حلالی حل شوند تا بتوان آنها را مورد استفاده قرار داد؛ بنا براین گروه های عاملی را روی آنها می نشانیم و در آب وارد می کنیم.

مثلا برای این که تزریق این ماده به بدن انجام شود، باید عامل دار شود که در خون حل شود و بعد بتوانید از خون جدا و دفع کنید.

علاوه بر آن، این عامل دار کردن خود روشی است برای رسیدن به خلوص بالاتر نانو لوله های کربنی و به عبارتی روشی است برای خالص سازی.

با انجام این کار ارزش افزوده دیگری به این ماده افزوده می شود و قیمت آن افزایش می یابد.

مواد نانو به عنوان موادی که حداقل یکی از ابعاد آن (طول ، عرض ، ضخامت ) زیر 100nm باشد تعریف شده اند ، یک نانومتر یک هزارم میکرون یا حدود 100000 برابر کوچکتر از موی انسان است .

به طور کلی ،در یک تقسیم بندی عمومی ، محصولات نانو مواد را می توان به صورت های زیر بیان کرد : · فیلمهای نانو لایه ( Nano Layer Thin Films ) برای کاربردهای عمدتاً الکترونیکی · نانو پوششهای حفاظتی (Nano Coating ) برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی ، حفاظت در مقابل عوامل مخرب محیطی · نانو ذرات به عنوان پیش سازنده (Precursor) یا اصلاح ساز (Modifier) پدیده های شیمیایی و فیزیکی · نانو لوله ها (Nanotubes) منظور از یک ماده نانو ساختار یا واضح تر یک بدنه نانو ساختار ( Nanostructured Solid ) جامدی است که در آن انتظام اتمی ، اندازه کریستالهای تشکیل دهنده و ترکیب شیمیایی در سراسر بدنه در مقیاس چند نانو متری گسترده شده باشد.

خواص فیزیکی و شیمیایی مواد نانو (در شکل و فرمهای متعددی که وجود دارند از جمله ذرات ، الیاف ، گلوله و .

.

) در مقایسه با مواد میکروسکوپی تفاوت اساسی دارند .

تغییرات اصولی که وجود دارد نه تنها از نظر کوچکی اندازه بلکه از نظر خواص جدید آنها در سطح مقیاس نانو می باشد هدف نهایی از بررسی مواد در مقیاس نانو ، یافتن طبقه جدیدی از مصالح ساختمانی با عملکرد بالا می باشد ، که آنها را می توان به عنوان مصالحی با عملکرد بالا و چند منظوره اطلاق نمود .

منظور از عملکرد چند منظوره ، ظهور خواصی جدید و متفاوت نسبت به خواص مواد معمولی می باشد به گونه ای که مصالح بتوانند کاربردهای گوناگونی را ارائه نمایند .

در مطالب بعدی که خواهد آمد مواد نانو ساختاری معرفی خواهند شد که با توجه به نوظهور بودن چنین موادی می توانند تحولی شگرف در صنعت ساختمان سازی و صنایع وابسته به آن ایجاد کنند .

2.

مواد نانو کمپوزیت: مواد نانو کمپوزیت بر پایه پلیمر (ماتریس پلیمری ) اولین بار در سالهای 70 معرفی شده اندکه از تکنولوژی سول- ژل(Sol-Gel) جهت انتشار (Disperse) دادن ذرات نانو کانی درون ماتریس پلیمر استفاده شده است .

هرچند تحقیقات انجام شده در دو دهه گذشته برای توسعه تجاری این مواد توسط شرکت تویوتا در ژاپن در اواخر سالهای 80 صورت گرفته است ، ولی رشته نانو کمپوزیت پلیمر هنوز در مرحله جنینی و در آغاز راه می باشد .

در این شرایط نانو آلومینا ، بهترین ساختار نانوئی است که افق جدیدی را در صنعت سرامیک نوید می دهد .

زیرا کاربرد این مواد پدیده ای است که از نظر مکانیکی ، الکتریکی و خواص حرارتی به طور مناسب دارای تعادل بوده و در رشته های مختلف کاربرد دارد .

از جمله می توان به چند نمونه اشاره کرد : · تکنولوژی نانو فلز آرتوناید که اخیراً به طور تجاری ، الیاف نانویی آلومینا ، انقلابی در رشته سرامیک بوجود آورده است .

· ذرات نانویی غیر فلز مانند : نانو سیلیکا ، نانو زیرکونیا و مواد دیگر اصلاح کننده سرامیک ها می باشد .

3.

بتن با عملکرد بالا ([1]HPC) : یکی از چالشهایی که در رشته مصالح ساختمانی بوجود آمده است ، بتن با عملکرد بالا(HPC ) می باشد .

این نوع بتن مقاوم از نوع مصالح کامپوزیت بوده و از نظر دوام جزو مصالح کامپوزیت و چند فازی مرکب و پیچیده می باشد .

خواص ، رفتار و عملکرد بتن بستگی به نانو ساختار ماده زمینه بتن و سیمانی دارد که چسبندگی ، پیوستگی و یکپارچگی را بوجود می آورد.

بنابراین ، مطالعات بتن و خمیر سیمان در مقیاس نانو برای توسعه مصالح ساختمانی جدید و کاربرد آنها بسیار حائز اهمیت می باشد .

روش معمولی برای توسعه بتن با عملکرد بالا اغلب شامل پارامترهای مختلفی از جمله طرح اختلاط بتن معمولی و بتن مسلح با انواع مختلف الیاف می باشد .

در مورد بتن به طور خاص ، علاوه بر عملکرد با دوام و خواص مکانیکی بهتر ، بتن با عملکرد بالای چند منظوره (MHPC) خواص اضافه دیگری را دارا می باشد ، از جمله می توان به خاصیت الکترو مغناطیسی ، و قابلیت به کار گیری در سازه های اتمی (محافظت از تشعشعات ) و افزایش موثر بودن آن در حفظ انرژی ساختمانها و ...

را نام برد .

4.

نانو سیلیس آمورف : در صنعت بتن ، سیلیس یکی از معروفترین موادی است که نقش مهمی در چسبندگی و پر کنندگی بتن با عملکرد بالا (HPC) ایفا می کند .

محصول معمولی همان سلیکیافیوم یا میکرو سیلیکا می باشد که دارای قطری در حدود 1/0 تا 1 میلی متر می باشد و دارای اکسید سیلیس حدود 90% می باشد .

می توان گفت که میکرو سیلیکا محصولی است که در محدوده بالای اشل اندازه نانو متر جهت افزایش عملکرد کامپوزیت مواد سیمانی به کار برده می شود .

محصول نانو سیلیس متشکل از ذراتی هستند که دارای شکل گلوله ای بوده و با قطر کمتر از 100nm یا بصورت ذرات خشک پودر یا بصورت معلق در مایع محلول قابل انتشار می باشند ، که مایع آن معمول ترین نوع محلول نانو سیلیس می باشد ، این نوع محلول در آزمایشات مشخص در بتن خود تراکم([2]SCC) به کار گرفته شده است .

نانو سیلیس معلق کاربردهای چند منظوره از خود نشان می دهد مانند : خاصیت ضد سایش ضد لغزش ضد حریق ضد انعکاس سطوح آزمایشات نشان داده اند که واکنش مواد نانو سیلیس (Colloidal Silica ) با هیدرواکسید کلسیم در مقایسه با میکرو سیلیکا بسیار سریع تر انجام گرفته و مقدار بسیار کم این مواد همان تاثیر پوزالانی مقدار بسیار بالای میکرو سیلیکا را در سنین اولیه دارا می باشد .

تمام کارهای انجام یافته بر روی کاربرد مواد نانو سیلیس کلوئیدی (Colloidal Nano Silica ) در بخش اصلاح خواص ریولوژی ، کار پذیری و مکانیکی خمیر سیمان بوده است .

آنچه که در اینجا مطرح است نتایج اولیه محصولات نانو سیلیس با قطری در محدوده 5 تا 100 نانومتر می باشد 5.

نانو لوله ها : (NANOTUBES) همان گونه که در مقدمه مقاله مطرح شد معمولاً الیاف برای مسلح کردن و اصلاح عملکرد مکانیکی بتن بکار برده می شوند .

امروزه از الیاف فلزی ، شیشه ای ، پلی پروپلین ، کربن و .

در بتن برای مسلح کردن استفاده می شود و لیکن تحقیقات روی بتن مسلح شده توسط نانو لوله کربنی (Carbon Nanotubes ) انتشار نیافته است تا بتوان از نتایج آن برای مسلح کردن بوسیله نانو لوله ها استفاده کرد .

نانو لوله کربنی توسط LIJIMA در سال 1991 کشف شده است و کارهای بسیاری بر روی ساختار نانو در بخش فیزیک کوانتوم انجام یافته است بطوری که تحقیقات نوین بر روی تکنولوژی و مهندسی نانو در سطح جهانی نقش اساسی و اصلی بازی می کند .

کربن 60 و نانو لوله های نوین دارای ساختاری هستند که آنها را از فولاد قوی تر و بسیار سبک می کند بطوریکه می توانند خمیدگی و کشش را بدون شکستن تحمل نمایند و در آینده جایگزین الیاف کربن خواهند شد که در کامپوزیت ها به کار برده می شوند .

نانو لوله ها با توجه به تحقیقات انجام شده در مرکز تحقیقات بتن( وابسته به موسسه ACI شاخه ایران ) ، دارای مقاومت کششی بیش از هر نوع الیاف بتنی شناخته شده می باشند و نیز نانو لوله ها خواص ویژه قابل ملاحظه حرارتی و الکتریکی از خود نشان می دهند ، بطوریکه هادی بودن حرارت آنها بیش از دو برابر الماس و هادی بودن الکتریکی آنها در حدود 1000 برابر فلز مس می باشد .

نانو لوله ها طبقه جدیدی از محصولات می باشند که انقلابی جدید در زمینه مصالح و مواد پیشرفته را بوجود آورده اند .

یک نسل جدید از نانو کامپوزیت های چند منظوره می توانند به عنوان نانو لوله های کربنی در نقش الیاف مسلح کننده مناسب آن مواد مورد استفاده قرار گیرند .

بنابراین نانو لوله های کربنی از اجزای کلیدی بدست آوردن هدف اصلی ذکر شده در فوق به عنوان مصالح ساختمانی با عملکرد بالای چند منظوره , بازی می کنند .

6.

نتیجه گیری : منظور از مقاله ارائه شده نشان دادن مصالح جدید ساختمانی و بیان مزایای استفاده از این نوع مواد در صنعت ساختمان می باشد ، البته به دلیل نو بودن این نوع مصالح زمینه های فراوانی برای کارهای نظری و عملی در دانشگاههای کشور وجود دارد که امید است که با معرفی مصالح با ساختار نانو راه برای گامهای بلندتر در این زمینه باز شود استفاده از فناوری نانو در ساخت سیمان امروزه سیمان با توجه به کاربردهای مختلف و مصارف گوناگون، نقش مهمی در زندگی بشر ایفا می‌کند.

از سوی دیگر مسأله زمان نیز از موضوعات اقتصادی حائز اهمیت برای صاحبان صنایع به شمار می‌آید و کاهش زمان ساخت و ساز، صرفه اقتصادی قابل توجهی را به دنبال خواهد داشت.

اخیراً تولیدکنندگان سیمان دریافته‌اند که کاهش اندازه ذرات سیمان تا ابعاد نانو مقیاس، موجب تسریع در سفت شدن آن می‌شود؛ لذا گروهی از محققان سوئیسی با استفاده از روش فاز گازی و سنتز به شیوه تزریق شعله‌ای، به روشی برای آماده‌سازی مستقیم و تک‌مرحله‌ای نوعی سیمان نانوذره‌ای از جنس نانوذرات سیلیکات کلسیم(همان ترکیب سیمان پورتلند معمولی) دست یافته‌اند که واکنش‌پذیری اولیه آن ده برابر بیش از سیمان‌هایی است که به روش‌های معمولی تهیه شده‌اند؛ البته این سیمان بسیار متخلخل بوده و پایداری‌اش نسبت به سیمان‌های معمولی کمتر است و هنوز برای کارهای ساختمانی مدرن که مستلزم تحمل بار زیاد است، مناسب نیست.

mW / رهایش انرژی زمان بر حسب ساعت سیمان ساخته‌شده به روش تزریق شعله کل انرژی آزادشده= J/g 372 سیمان تجاری معمولی کل انرژی آزادشده= J/g 377 (سمت چپ) واکنشگر تزریق شعله طی فرایند تولید مخلوط نانوذرات اکسید فلزی که از ترکیبات سیمان پورتلند است.

(بالا سمت راست) سیمان ساخته‌شده از نانوذرات پودری که به رنگ روشن با زمینه قهوه‌ای است.

( سمت راست پایین ) یک میکروگراف الکترونی انتقالی(TEM) که پس از آماده شدن ذرات سیمان از آنها تهیه شده‌است .

در این میکروگراف شکل نانوذرات باقی‌مانده شبیه سیلیکایی است که با شعله ساخته شده‌است.

(سمت راست) نمودار رهایش گرمایی از این ذرات و ذرات سیمان معمولی که با یک کالریمتر هم‌دما اندازه‌گیری شده‌است.

همان‌طور که ملاحظه می‌شود رهایش گرمایی نانوسیمان(حدود یک دقیقه پس از تماس با آب) بسیار سریع‌تر از سیمان معمولی(حدود هفت دقیقه) است.

در این روش یک پیک دیگر هم پس از مدت ده ساعت وجود دارد که در این شکل نشان داده نشده‌است