به روز نخواهد شد.

کاربرد نانو در علوم مختلف

صفحات خورشيدي و كيهاني: دي اكسيد تيتانيم و اكسيد روي در اندازه هاي نانو در صفحات خورشيدي براي جذب و يا انكسار پرتوهاي ماوراي بنفش كه شفافيت لازم را براي عبور نور قابل رويت دارند، كاربرد بسياري پيدا كرده است.
تركيبات مركب: يكي از موارد مهم كاربرد نانوتكنولوژي ساخت تركيبات مركب از چند ماده مختلف است. براي مثال با استفاده از لوله، سيم و ذرات نانو محصولات چند منظوره اي توليد مي شود كه هم داراي خواص هر يك از عناصر تشكيل دهنده است و هم ساختار جديدي با كاربردهاي پيشرفته دارد. اين مواد در علوم پزشكي، در وسايل بصري، الكترونيك و مغناطيسي به كار مي روند. هم چنين كربن سياه كه اندازه آن به چند ده نانو مي رسد براي تقويت لاستيك وسايط نقليه مورد استفاده قرار مي گيرد. از يك نوع خاك رس در ابعاد نانو نيز براي ساختن سپرهاي مقاوم وسايط نقليه استفاده
مي شود.
پوشش سطوح: استفاده از پوشش هايي در اندازه نانو و يا چند اتم، امكانات ويژه اي را به وجود آورده است. به تازگي شيشه هايي ساخته شده كه با دي اكسيد تيتانيم بسيار فعال پوشش داده شده است. اين شيشه ها ضد باكتري،
دفع كننده آب و از بين برنده مواد شيميايي بوده و به طور خودكار خود را تميز مي كنند. كاربرد ديگر مواد نانو ساختن پوشش هاي بسيار مقاوم در مقابل خش، به صورت يك يا چند لايه بر روي لايه اصلي است. گروه بيشماري پارچه هاي قابل تنفس، ضد آب و لكه با كنترل منافذ و
ناهمواري هاي سطح آن در حد اندازه هاي نانو از مواد پليمري و غيرآلي ساخته شده ا ند.
ابزار برشكاري بسيار سخت: ابزار ساخته شده از كريستال هاي تنگستن، تانتانيم و تيتانيم در اندازه هاي نانو، منجر به ساخت ابزار برش بسيار سخت تر در مقايسه با همان ماده در اندازه ذرات بزرگتر شده است. كاربرد اين ابزار در سوراخكاري، برش فلزات در ماشين تراش،
قالب سازي، سنگ بري و نظاير آن بسيار وسيع است.
كاربردهاي فناوري نانو در ميان مدت شامل موارد زير مي شود:
رنگها و محلولها: استفاده از رنگها در اندازه نانو مي تواند قابليت هاو توانايي هاي بسيار خوبي را به رنگ بدهد. براي مثال ساختن رنگهاي سبك مي تواند وزن هواپيماها را كاهش داده و باعث صرفه جويي در سوخت آنها شود. كاهش حلال ها مورد ديگريست كه از آلودگي محيط زيست جلوگيري مي كند. محلول هاي ضد باكتري موارد استفاده بسياري در تاسيسات تصفيه آب دارد و ديگر نيازي به استفاده از ضد باكتري مانند كلر نخواهد بود. نانو تكنولوژي در مبدل هاي حرارتي با جذب امواج قرمز باعث صرفه جويي در انرژي شده و با تغييرات دما و يا محيط شيميايي اطراف آن، موجب تغيير رنگ
مي شود. عمده ترين هدف از اجراي اين پژوهشها در مورد رنگها اهداف زيست محيطي است.
محيط زيست: مطالعه و بررسي بر روي تاثيرگذاري مواد نانو بر مواد آلوده كننده خاك و آبهاي زيرزميني و خنثي كردن تاثيرات مخرب آنها، نمونه اي از پژوهشهاي ميان مدت است.
هم چنين تلاش براي ساخت موادي كه سرب و جيوه موجود در محيط زيست را به صورت غيرفعال در آورد، ادامه دارد. اگر اين تحقيقات به صورت كامل انجام شود، مي توان از آلودگي سرب هوا كه از سوخت ماشين هاي درون سوز بوجود مي آيد جلوگيري كرد.
سلولهاي سوختي: سطح سلولي سوختها از نظر مهندسي تاثير مستقيمي بر عملكرد دروني آن دارد. استفاده از هيدروژن به عنوان يك سوخت مياني ممكن است با تغييرات بنيادي هيدروكربورها در كاتاليستهاي يك راكتور به دست آيد. استفاده از علوم نانو براي شدت بخشيدن به عملكرد كاتاليزورها مي تواند به بازدهي بيشتر و توليد سوختهايي با ذرات كوچكتر كمك كند. اين عامل مي تواند در افزايش توليد انرژي برق موثر باشد و در نتيجه براي توليد هيدروژن به جاي استفاده از هيدروكربورها از مواد فراوانتر و سازگارتر با محيط زيست استفاده كرد. امروزه هيدروژن به عنوان جانشين سوخت هيدروكربورها در جهان بسيار مورد توجه قرار گرفته است.

نمايشگرها: درخواست بسياري براي توليد نمايشگرهاي بزرگ، شفاف و تخت در تلويزيون، كامپيوتر و نظاير آن وجود دارد. نانو كريستال هاي سلنيوم روي، سولفات روي و سولفور كادميم با روش ژل به صورت تنها(تبديل ژل مايع به جامد) از مواديست كه براي ساخت نور متصاعد از فسفر مورد استفاده قرار مي گيرند. همچنين استفاده از CNTs نيز در ساخت اين وسايل با درخشش فوق العاده و مصرف انرژي و تشعشعات زيانبار كمتر و طول عمر بيشتر، نسل آينده نمايشگرهاي پيشرفته را بوجود خواهد آورد.
باطري ها: توسعه وسايل الكترونيكي قابل حمل مانند تلفن هاي همراه، دستگاههاي ناوبري، كامپيوترهاي كوچك و قابل حمل، سنسورهاي كنترل از راه دور و نظاير آنها، نياز به داشتن باطري هاي سبكتر با انرژي و دوام بيشتر را دو چندان ساخته است. مواد كريستالي نانو با استفاده از روش كاربرد ژلها در صفحات جداكننده باطريها مي تواند انرژي بيشتري در مقايسه با باطريهاي متداول امروزي ذخيره كند. باطري هاي ساخته شده از نانو كريستال هاي نيكل نياز به شارژ مجدد را كاهش و ذخيره انرژي در باطريها را در حد قابل توجهي افزايش داده است.
مواد افزودني سوختها: هم اكنون تحقيقات براي افزودن ذرات نانوي اكسيد سديم به سوختهاي ديزل در دست اقدام است كه باعث بالا رفتن بازدهي، صرفه جويي اقتصادي و كاهش ميزان مصرف آنها در بلند مدت خواهد شد.
كاربردهاي بلند مدت فناوري نانو شامل موارد زير مي باشد:
مواد مغناطيسي: ساخت ابزارهاي مغناطيسي از نانوكريستال هاي يوتريوم، ساماريوم و كوبالت خواص بسيار منحصر بفردي را با توجه به كوچك بودن ذرات كريستالها بوجود مي آورد. اين مواد در ساخت موتورها، ماشين هاي تحليلي مانند MRI و همچنين در علوم پزشكي كاربرد وسيعي دارند. ميكروپروسس ها، حافظه هاي كامپيوتر، ديسك هاي سخت، با استفاده از فناوري نانو مي تواند اطلاعات بسيار زيادي را در خود جاي دهند.
وسايل پزشكي: به طور معمول اعضا قابل كاشت در بدن، مانند دريچه هاي قلب، ساخت اندام هاي مورد نياز در ترميم هاي ارتوپدي ساخته شده از تيتانيوم و فولادهاي ضد زنگ با ساير اعضاي بدن سازگاري دارند ولي متاسفانه ممكن است در طول عمر بيماران دچار خوردگي شده و كارآيي خود را از دست بدهند.

استفاده از نانو كريستالهاي اكسيد زير كانيوم،‌به عنوان يك عنصر بسيار سخت، غيرخورنده و مقاوم در مقابل واكنشهاي بدن و سازگاري با آن جايگزين بسيار خوبي براي روش هاي متداول است. نانو كريستالهاي »سيليكون كربيد« به علت وزن كم، مقاومت بسيار عالي و سازگاري با اعضاي بدن براي ساخت دريچه هاي مصنوعي قلب در آينده بكار خواهد رفت. ساخت رباط هايي با كاربردهاي بسيار متفاوت در بدن در اندازه هاي كوچك بخش مهمي از كاربردهاي وسيع اينگونه مواد را شامل مي شود.
سراميك هاي ماشين آلات: سراميك ها بسيار سخت، شكننده و غيرقابل ماشينكاري بوده و كوچك شدن ذرات آنها در حد نانو كريستالها باعث شكنندگي بيشتر آن مي شوند. امروزه نانوكريستالهاي نيترات و يا »كربيد سيليكون« در ساخت قطعات ماشين‌ آلات مختلف مانند فنرهاي بسيار مقاوم، بلبرينگها، سوپاپ هاي موتور، اجزاي كوره ها و نظاير آن به علت آنكه به آساني قابل ساخت بوده و مقاوم در مقابل حرارت و واكنش هاي شيميايي مقاوم هستند كاربرد وسيعي دارند. در صورتيكه اين مواد توسط پرس فشرده شوند،‌مقاومت حرارتي بسيار زيادي را در مقايسه با ساير سراميك ها به دست مي آورند.
تصفيه آب:‌ فناوري نانو باعث صرفه جويي در مصرف انرژي براي تصفيه آب در سيستمهاي تقطير مي شود. همچنين اين فناوري منجر به بالا بردن تكنولوژي مورد استفاده كنوني خواهد شد.
لباس هاي جنگي: به تازگي استفاده از فناوري نانو براي ساخت لباس هاي ويژه ميدان هاي جنگ توسط گروه تحقيقات دانشگاه MIT انجام شده است. هم اكنون برنامه اي براي ساخت موادي كه بتواند در كوتاه مدت جاذب انرژي شوكهاي امواج انفجاري و موادي كه در بلند مدت بتواند در برابر مواد شيميايي و بيولوژيكي از خود مقاومت نشان دهند بصورتي كه در مقابل اين مواد حساس بوده و پس از شناسايي مواد روزنه هاي لباس مسدود شوند در حال بررسي است. گونه اي ديگر از اين مواد براي كشف آسيب هاي وارده به بدن به صورت خودكار عمل خواهد كرد. براي مثال به كمك اين مواد شكستگي استخوانها را بسرعت شناخته و گچ گيري متداول امروزه را انجام مي دهند.
پژوهش و ترجمه: مهندس سعيد صالحي

کابرد نانو در صنایع پتروشیمی

مواد نانو

صنعت نفت تقریباً در تمام فرآیندها احتیاج به موادی مستحکم و مطمئن دارد. با ساخت موادی در مقیاس نانو می‌توان تجهیزاتی سبکتر، مقاومتر و محکم‌تر از محصولات امروزی تولید نمود. شرکت نانوتکنولوژی GP در هنگ‌کنگ یکی از پیشگامان توسعة کربید سیلیکون، یک پودر سرامیکی در ابعاد نانو می‌باشد.

با استفاده از این پودرها می‌توان مواد بسیار سختی تولید نمود. این شرکت در حال حاضر مشغول مطالعه و تحقیق بر روی سایر مواد مرکب می‌باشد و معتقد است که می‌توان با نانوکریستال‌ها تجهیزات حفاری بادوامتر و مستحکم‌تری تولید کرد. همچنین متخصصان این شرکت یک سیال جدید حاوی ذرات و نانوپودرهای بسیار ریز تولید نموده‌اند که به‌طور قابل توجهی سرعت حفاری را بهبود می‌بخشد. این مخلوط آسیب‌های وارده به دیوارة مخزن در چاه را حذف نموده و قابلیت استخراج نفت را افزایش می‌بخشد.

آلودگی

آلودگی توسط مواد شیمیایی و یا گازهای آلاینده یک مبحث بسیار دشوار در تولید نفت و گاز می‌باشد. نتایج بدست‌آمده از تحقیقات دانشمندان حاکی از آن است که نانوتکنولوژی می‌تواند تا حد مطلوبی به کاهش آلودگی کمک کند. در حال حاضر فیلترها و ذراتی با ساختار نانو در حال توسعه می‌باشند که می‌توانند ترکیبات آلی را از بخار نفت جدا سازند. این نمونه‌ها علیرغم اینکه اندازه‌ای در حدود چند نانومتر دارند، دارای سطح بیرونی وسیعی بوده و قادر به کنترل نوع سیال گذرنده از خود می‌باشند. همچنین کاتالیست‌هایی با ساختار نانو جهت تسهیل در جداسازی سولفید هیدروژن، آب، مونوکسیدکربن، و دی‌اکسید کربن از گاز‌طبیعی در صنعت نفت بکار گرفته می‌شوند. در حال حاضر مطالعاتی بر روی نمونه‌هایی از خاک رس در ابعاد نانو و جهت ترکیب با پلیمرهایی صورت می‌پذیرد که بتوانند هیدروکربن‌ها را جذب نمایند. بنابراین می‌توان باقیمانده‌های نفت را از گل حفاری جدا نمود.

 سنسورهای هیدروژن خود تمیز کننده

خواص فوتوکاتالیستی نانوتیوب‌های تیتانیا در مقایسه با هر فرمی از تیتانیا بارزتر می‌باشد، بطوری‌که آلودگی‌های ایجادشده تحت تابش اشعة ماوراء بنفش به‌طور قابل توجهی از بین می‌روند. تا اینکه سنسورها بتوانند حساسیت اصلی خود نسبت به هیدروژن را حفظ نماید. تحقیقات انجام‌گرفته در این زمینه حاکی از آن است که نانوتیوب‌های تیتانیا دارای یک مقاومت الکتریکی برگشت‌پذیر می‌باشند، بطوری‌که اگر هزار قطعه از آن‌ها در مقابل یک میلیون‌ اتم هیدروژن قرار بگیرند، مقاومت الکتریکی آن در حدود یکصد میلیون درصد افزایش می‌یابد.

سنسورهای هیدروژن بطور گسترده‌ای در صنایع شیمیایی، نفت و نیمه‌رساناها مورد استفاده قرار می‌گیرند. از آنها جهت شناسایی انواع خاصی از باکتری‌های عفونت‌زا استفاده می‌گردد. به‌ هر حال محیط‌هایی نظیر تأسیسات و پالایشگاه‌های نفتی که سنسورهای هیدروژن از کاربردهای ویژه‌ای برخوردار می‌باشند، می‌توانند بسیار آلوده و کثیف باشند این سنسورهای هیدروژن نانوتیوب‌های تیتانیا هستند که توسط یک لایة غیرپیوسته‌ای از پالادیم پوشانده شده‌اند.

 محققان این سنسورها را به مواد مختلفی نظیر اسید استریک ( یک نوع اسید چرب )، دود سیگار و روغن‌های مختلفی آلوده نمودند و سپس مشاهده کردند که تمام این آلوده‌کننده‌ها در اثر خاصیت فوتوکاتالیستی نانوتیوب‌ها از بین می‌روند. حد نهایی آلودگی‌ها زمانی بود که دانشمندان این سنسورها را در روغن‌های مختلفی غوطه‌ور ساخته و سنسورها توانستند خواص خود را بازیابند. محققان سنسورها را در دمای اتاق به مقدار هزار قطعه در مقابل یک میلیون ‌اتم هیدروژن در معرض این گاز قرار دادند و مشاهده نمودند که در طرح‌های اولیة سنسور مقاومت الکتریکی آن به میزان 175000 درصد تغییر می‌کند. سپس سنسورها را توسط لایه‌ای به ضخامت چندین میکرون از روغن موتور پوشاندند تا بطور کلی حساسیت آن‌ها نسبت به هیدروژن از بین برود. سپس این سنسورها را در هوای عادی به ‌مدت 10 ساعت در معرض نور ماوراء بنفش قرار دادند و پس از یک ساعت مشاهده نمودند که سنسورها مقدار قابل توجهی از حساسیت خود را بدست آورده‌ و پس از گذشت 10 ساعت تقریباً بطور کامل به وضعیت عادی خود بازگشتند.

علیرغم قابلیت بازگشتی بسیار مناسب این سنسورها نمی‌توانند پس از آلودگی به انواع خاصی از آلوده‌کننده‌ها حساسیت خود را باز یابند برای مثال روغن WQ -40 به علت دارابودن مقداری نمک خاصیت فوتوکاتالسیتی نانوتیوب‌ها را تا حد زیادی از بین می‌برد.

با افزودن مقدار اندکی از فلزات مختلف نظیر قلع، طلا، نقره، مس و نایوبیم، یک گروه متنوعی از سنسورهای شیمیایی بدست می‌آیند. این فلزات خاصیت فوتوکاتالیستی نانوتیوب‌های تیتانیا را تغییر می‌دهند. به هر حال سنسورها در یک محیط غیرقابل کنترل در دنیای واقعی توسط مواد گوناگونی نظیر بخار‌های آلی فرار، دودة کربن و بخارهای نفت و همچنین گرد و غبار آلوده می‌گردند. قابلیت خودپاک‌کنندگی این سنسورها طول عمر آن‌ها را افزایش و از همه مهمتر خطای آنها را کاهش می‌دهد.

سنسورهای جدید در خدمت بهبود استخراج نفت

براساس آخرین اطلاعات چاپ شده توسط سازمان انرژی آمریکا، استخراج نفت در حدود دو سوم از چاه‌های نفت آمریکا اقتصادی نمی‌باشد. با توجه به دما و فشار زیاد در محیط‌های سخت زیرزمینی، سنسورهای قدیمی الکتریکی و الکترونیکی و سایر لوازم اندازه‌گیری قابل اعتماد نمی‌باشند و در نتیجه شرکت‌های استخراج‌ کنندة‌ نفت در تهیة ‌اطلاعات لازم و حساس جهت استخراج کامل و مؤثر نفت از مخازن با برخی مشکلات مواجه می‌باشند.

در حال حاضر محققان در آزمایشگاه فوتونیک دانشگاه صنعتی ویرجینیا در حال توسعة یک‌سری سنسورهای قابل اعتماد و ارزان از فیبرهای نوری جهت اندازه‌گیری فشار، دما، جریان نفت و امواج آکوستیک در چاه‌های نفت می‌باشند. این سنسورها به‌علت مزایایی نظیر اندازة کوچک ،‌ایمنی در قبال تداخل الکترومغناطیسی ، قابلیت کارآیی در فشار و دمای بالا و همچنین محیط‌های دشوار، مورد توجه بسیار قرار گرفته‌اند. از همه مهم‌تر اینکه امکان جایگزینی و تعویض این سنسورها بدون دخالت در فرآیند تولید نفت و باهزینة‌ مناسب فراهم می‌باشد. در حال حاضر عمل جایگزینی و تعویض سنسورهای قدیمی در چاه‌های نفت میلیون‌ها دلار هزینه در پی دارد. سنسورهای جدید از نظر تولید بسیار مقرون ‌به صرفه بوده و اندازه‌گیری‌های دقیق‌تری ارائه می‌دهند.

انتظار می‌رود که تکنولوژی این سنسورها تولید نفت را با ارائه اندازه‌گیری‌های دقیق و قابل اعتماد و کاهش ریسک‌های همراه با اکتشاف و حفاری نفت بهبود بخشد. همچنین سنسورهای جدید به‌علت برخی کاربردهای ویژه نظیر استخراج دریایی و افقی نفت، جایی که بکاربستن سنسورهای قدیمی در چنین شرایطی بسیار مشکل می‌باشد، از توجه ویژه‌ای برخوردارند.

نتیجه:

علم نانو یک تحول بزرگ در مقیاس بسیار کوچک

بسیاری از محققان و سیاستمداران جهان معتقدند که علم نانو می‌تواند تحولات اساسی در صنعت جهانی ایجاد نماید صنعت نفت نیز از پیشرفت این تکنولوژی بهره‌مند خواهد گشت.

علم نانو می‌تواند به بهبود تولید نفت و گاز با تسهیل جدایش نفت وگاز در داخل مخزن کمک نماید. این کار با درک بهتر فرآیندها در سطوح مولکولی امکانپذیر می‌باشد. با توجه به اینکه نانو مربوط به ابعادی در حدود متر می‌باشد، نانوتکنولوژی به مفهوم ساخت مواد و ساختارهای جدید توسط مولکول‌ها و اتم‌ها در این مقیاس می‌باشد.

خوشبختانه کاربردهای عملی نانو در صنعت نفت جایگاه‌ ویژه‌ای دارند. نانوتکنولوژی دیدگاه‌های جدید جهت استخراج بهبود یافته نفت فراهم کرده است. این تکنولوژی به جدایش موثرتر نفت و آب کمک می‌کند . با افزودن موادی در مقیاس نانو به مخزن می‌توان نفت بیشتری آزاد نمود. همچنین می‌توان با گسترش تکنیک‌های اندازه‌گیری توسط سنسورهای کوچک،‌ اطلاعات بهتری درباره مخزن بدست آورد.

منابع: باشگاه مهندسان ایران

www.iran-eng.com

سايت توسعه فناوري صنعت نفت ايران

برگرفته از : وبسایت مهندسان شیمی ایران  www.irche.com