سفارش تبلیغ
پیشنهاد نام دامنه هاست ایران

سلام
سال 1362 را با گریه آغازیدم و زندگی را بازی کردم.

زندگی صحنه یکتای هنرمندی ماست هرکسی نغمه خود خواند و از صحنه رودصحنه همواره به جاست ای خوش آن نغمه که مردم بسپارند به یاد
 کوه با نخستین سنگ آغاز می شود و. . .انسان با نخستین درد. .. .

http://tlgrm.me/sajjadshafiee_ir

ادامه مطلب...




تاریخ : یادداشت ثابت - دوشنبه 90/9/15 | 8:0 عصر | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()
آیا خوابیدن بعد از یادگیری می‌تواند حافظه را بهبود ببخشد؟

 

مترجم: امین حسین پور

خواب یکی از مهم‌ترین عناصر برای سلامتی است. یک شخص متوسط روزانه به بیش از 7 ساعت خواب نیاز دارد و این مقدار با سن و سلامت فرد تغییر می‌کند. این باور وجود دارد که خواب شبانه خوب حافظه را بهبود می‌بخشد.
خواب و حافظه با یکدیگر متقابلاً ارتباط دارند. محرومیت از خواب ممکن است منجر به تأثیر قابل توجه روی حافظه مانند فراموشی، نوسانات خلق و خو و تحریک پذیری شود در حالی که خواب خوب می‌تواند حافظه را تقویت کند.
این موضوع قابل انکار نیست که خواب حیاتی‌ترین ابزار برای سلامتی است. اختلالات عمده‌ای مانند دیابت، سکته، فشار خون بالا، بیماری‌های قلبی و عروقی و غیره با کمبود خواب ارتباط دارند. در قلب این علل و تأثیرات مرتبط با خواب، شکافی عمده هنگامی رخ داد که تحقیقات مشخص کردند خواب چگونه می‌تواند حافظه را تحت تأثیر قرار دهد. اگر چه بدیهی بود که کمبود خواب ممکن است منجر به فقدان نیروی مغز و حافظه ضعیف شود ولی، عکس این قضیه چیزی نبود که محققان بتوانند به سرعت به آن دست پیدا کنند. اولین مطالعه برای این قیاس این موضوع در قرن بیستم انجام شد. مدتی بعد تحقیقات بعدی وجود مراحل خواب (REM و NREM) و تأثیرات آن‌ها روی حافظه را نشان دادند. بعد از آن، تحقیقاتی انجام نشده است و رابطه میان چرخه خواب و یادگیری مداوماً مورد پرسش قرار گرفته است. تحقیقات انجام شده اثبات می‌کنند که خواب خوب بعد از یادگیری به یادآوری بهتر کمک می‌کند.

نوع حافظه

دو نوع حافظه وجود دارد – حافظه ضمنی و حافظه آشکار. نوع اول حافظه‌ای است که مهارت‌های حرکتی را ذخیره می‌کند در حالی که نوع دوم به ذخیره سازی واقعیت‌ها و شکل‌ها می‌پردازد و خود به دو نوع حافظه معنایی و حافظه رویدادی تقسیم می‌شود. آزمایشات ثابت می‌کنند که یادگیری مهارتی جدید و سپس خوابیدن 7-8 ساعته به یادآوری بهتر مهارت کمک می‌کند.

مطالعه موردی

در نظر داشته باشید که دانش آموز 1 شب را بیدار باقی می‌ماند و خواندن کتابی را تمام می‌کند در حالی که دانش آموز 2 مقداری از همان کتاب را می‌خواند و سپس می‌خوابد. صبح، دانش آموز 2 قادر خواهد بود آنچه را که یاد گرفته است به یاد بیاورد در حالی که دانش آموز 1 احتمالاً گیج خواهد شد. این متداول‌ترین آزمایش انجام شده توسط اکثر محققان است و اکثر اوقات اثبات شده است که خواب خوب به یادآوری بهتر کمک می‌کند. اگر چه تحقیقات بیشتری در این زمینه در حال انجام است ولی، این تقریباً نظریه‌ای مقرر است. از اسکن‌های MRI مشخص است که خواب بعد از یادگیری مخچه را فعال می‌کند که قسمتی از مغز است که مهارت‌های حرکتی را کنترل می‌کند. همچنین، اسکن‌ها نشان می‌دهند که خواب ممکن است سرعت قسمتی از مغز را که با استرس و تنش سر و کار دارد کاهش دهد.

یادگیری کودکان و خواب

خواب شبانه خود به کودکان با هماهنگی حرکتی خوب کمک می‌کند. اگر به کودکان چگونگی راه رفتن، صحبت کردن و غیره آموزش داده شد و سپس بخوابند، با بیدار شدن از خواب مهارت‌های خود را به یاد می‌آورند و بهبود خواهند بخشید. از این کشف برای توانبخشی به افرادی که سکته کرده‌اند و اختلالات مرتبط با نورون‌های حرکتی استفاده می‌شود.

رابطه میان خواب و تقویت حافظه

هنگامی که فرد می‌خوابد، مغز در واقع خاطرات جدیدی را شکل می‌دهد. بهبود یادگیری بعد از خوابیدن را می‌توان به مرحله REM نسبت داد. اینجاست که مغز اطلاعات یادگیری شده قبل از خواب را به دست می‌آورد و پردازش می‌کند. همه مهارت‌هایی که جدیداً به دست آمده‌اند در این مرحله تثبیت و پردازش می‌شوند. به همین خاطر است که گفته می‌شود خواب بعد از یادگیری حافظه را بهبود می‌بخشد.

خواب و تثبیت حافظه

تثبیت حافظه هنگامی رخ می‌دهد که نواحی مختلف مغز با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند مانند ارتباط هیپوکامپ و قشر در مغز. خواب به تقویت این فرآیند کمک می‌کند که منجر به بهبود ارتباط میان سلول‌های مغزی و نواحی دیگر مغز می‌شود. فرض کنید می‌خواهید فلوت زدن را یاد بگیرید. 8 ساعت خواب بعد از 2 ساعت تمرین باعث می‌شود آنچه که از طریق حواس پنج گانه خود ثبت کرده‌اید توسط سلول‌های مغزی جذب و توسط نورون‌هایی که مغز را شکل می‌دهند درک شوند. این نورون‌ها با یکدیگر هماهنگ می‌شوند، سلول‌های مغزی فعال می‌شوند و مهارت‌های یادگیری شده در حافظه ذخیره می‌شوند. این در طی فاز REM اتفاق می‌افتد. به همین دلیل است که هنگام بیدار شدن آنچه که یاد گرفته‌اید در مغز شما تازه باقی می‌ماند. اگر بدون خواب کافی تمرین کنید، این ممکن است اتفاق نیافتد زیرا، کمبود خواب ذهن را غیر فعال می‌کند و به این ترتیب باعث می‌شود آنچه را که یاد گرفته‌اید فراموش کنید.

خواب و از دست دادن حافظه

تحقیقات انجام شده نشان می‌دهند که کمبود خواب ممکن است باعث از دست دادن حافظه خصوصاً در افراد مسن شود. اگر چه هنگام خواب بدن استراحت می‌کند ولی، مغز مشغول فعالیت است و اطلاعات جدید و موجود را پردازش می‌کند. اگر نخوابید مغز قادر نخواهد بود به درستی کار کند و کارکردهای عادی آن مختل می‌شوند، مغز نمی‌تواند خاطرات را پردازش کند یا آن‌ها را در جایی ذخیره کند که ممکن است منجر به از دست دادن حافظه شود.

فدرت غیر عادی مغز هنگام خواب

هنگامی که به یادگیری می‌پردازید و می‌خوابید، مغز آنچه را که یاد گرفته‌اید در حافظه بلند مدت ذخیره می‌کند که باعث می‌شود آن‌ها را به آسانی به یاد بیاورید. این مواد سمی که ممکن است منجر به اختلالات عصبی شوند را از بین می‌برد. این به تصمیم گیری نیز کمک می‌کند. این خاطرات جدید را شکل می‌دهد و همچنین ارتباط با خاطرات گذشته را شکل می‌دهد بنابراین، به شما برای یادآوری آنچه که ممکن است مدت‌ها پیش فراموش کرده باشید کمک می‌کند. در واقع، خواب بعد از یادگیری مطمئناً حافظه را بهبود می‌بخشد. مدارک علمی زیادی دال بر وجود ارتباط میان خواب و حافظه وجود دارد. البته، تحقیقات در این زمینه همچنان در حال انجام است. این بدین معنا نیست که اگر برای زمان طولانی بخوابید حافظه خیلی سریعی خواهید داشت. لازم است چیزی را با تمرکز کامل یاد بگیرید و سپس خواب خوبی داشته باشید تا مغز آنچه را که باید انجام دهد.





تاریخ : چهارشنبه 96/3/17 | 11:50 صبح | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()
ایربگ‌ها چگونه کار می‌کنند؟ جواب آن شما را متحیر خواهد ساخت

 

مترجم : بهروزی
منبع:راسخون

ایربگ‌ها و یا کیسه‌های هوایی، یک اختراع هوشمندانه هستند. آنها از مردم سوار بر وسیله‌ی نقلیه و یا خودرو، در صورت بروز تصادف محافظت می‌کنند. آیا می‌دانید چه چیزی باعث می‌شود که آنها بیرون بیایند و از سر شما در تصادف حفاظت بکنند؟ جواب این سوالات در این مقاله آورده شده است.
آیا می‌دانستید؟
ایربگ‌ها با نام‌های تکنیکی و فنی زیادی مثل سیستم نگهداری مکمل (SRS)، سیستم نگهداری کوسن هوا (ACRS) و نگهداری قابل باد کردن مکمل (SIR) شناخته می‌شوند.
کیسه‌ی هوا یکی از ویژگی‌های ایمنی است که می‌توان در خودرو برای حفاظت از خود در صورت وقوع تصادف، جاسازی کرد. استفاده از ایربگ و کیسه‌ی هوا می‌تواند از مناطق سر، گردن و سینه‌ی شما حفاظت بکند. آنها توسط تولید کنندگان خودرو برای ایمنی راننده و مسافران قرار داده می‌شوند. به طور نرمال آنها از فرمان و یا داشبورد خودرو در طول چند میلی ثانیه‌ی تصادف بیرون می‌آیند. وقتی سر شما به ایربگ و یا کیسه‌ی هوا می‌خورد، کیسه به طور آرام شروع به خالی کردن باد خود می‌کند و به شما اجازه می‌دهد که از خودرو بیرون بیایید. در برخی خودروها، وقتی سرعت از 200 یا 300 مایل بر ساعت تجاوز می‌کند، ایربگ به طور خودکار و اتوماتیک حتی در صورت عدم بروز تصادف باز می‌شود.
اغلب ایربگ‌ها ناکافی به نظر می‌رسند اگر کمربند خود را نبسته باشید. به خاطر افزایش تعداد تصادفات، دولت‌های بسیاری از کشورها استفاده از کمربند ایمنی را اجباری و الزامی ساخته است که گفته می‌شود این موضوع به طور موثر تعداد جراحات و آسیب‌ها را در تصادفات وسایل نقلیه کاهش داده است. اما آخرین طراحی‌ها در ایربگ‌ها می‌تواند فرد را حفظ کند حتی اگر کمربند ایمنی را نبسته باشد.
یک تصور اشتباه رایج وجود دارد که ایربگ‌ها می‌توانند بدن شما را از پرت شدن به جلو بعد از تصادف حفظ ‌کنند. کیسه‌های هوایی در حقیقت به منظور حفاظت سر راننده ایجاد شده‌اند و جلوی برخورد آن با فرمان را می‌گیرند. اما این کمربند است که راننده را در صندلی خودش حتی بعد از تصادف نگه می‌دارد. اگر کمربند و کیسه‌ی هوایی با هم کار کنند می‌توانند به طور کامل امکان جراحت و آسیب را حتی در تصادفات و برخوردهای شدید خودرو از بین ببرند.
نحوه‌ی کار ایربگ یا کیسه‌ی هوایی :
وقتی سنسور تصادف خودرو، برخورد را تشخیص می‌دهد سیگنالی به ماژول کنترل می‌فرستد که این ماژول، ایربگ را باز می‌کند. انواع مختلفی از سنسورهای تصادف و برخورد وجود دارند؛ مثل سنسورهای قدیمی که در قسمت جلویی خودرو (منطقه‌ی ناحیه‌ی برخورد) قرار می‌گرفتند و یا آخرین شتاب سنج‌های ریز ماشین کاری شده که در داخل ماژول کنترل و یا مغز ایربگ تصب می‌شوند. شتاب سنج‌های ریز ماشین کاری شده واقعاً سرعت و شدت برخورد را اندازه می‌گیرند. هم چنین سنسورهایی در درها برای باز شدن کیسه‌های هوای جانبی نصب شده‌اند. سنسورهای جلویی و جانبی فقط با ایربگ‌های جلویی و جانبی کار می‌کنند.
کیسه‌ی هوای نصب شده در داشبورد و یا فرمان، فقط وقتی باز خواهد شد که تصادف جلو – پشت مثل تصادف شاخ به شاخ و یا بین 30 درجه از هر طرف مرکز خودرو رخ دهد. همین قانون به ایربگ‌ها و کیسه‌های هوای نصب شده در طرفین خودرو نیز اعمال می‌شود. کیسه‌ی هوا وقتی باز می‌شود که خودرو با زاویه‌ی مشخصی برخورد ‌کند. اگر تصادف و برخورد در سمت راست وجود داشته باشد، ایربگ‌های سمت چپ باز نخواهند شد و برعکس.
ماژول کنترل و یا مغز ایربگ، یک کامپیوتر کوچک است که داده‌های برخورد را از سنسورهای مختلف دریافت می‌کند و سپس تصمیم می‌گیرد که کدام ایربگ و کیسه‌ی هوایی باید باز شود. آن قادر نخواهد بود ایربگ و کیسه‌ی هوا را باز کند اگر که فقط یک پالس دریافت کند. ماژول کنترل به دو یا چند پالس از سنسورها نیاز دارد تا این کار را انجام دهد. پالس دوم از سنسور مسلح می‌آید که در داخل خودرو قرار گرفته است و کاهش ناگهانی در سرعت را احساس می‌کند و تشخیص می‌دهد. وقتی ماژول کنترل در مورد برخورد شدید مطمئن می‌شود به باد کننده‌ی فشفشه که به عنوان گیرانه نیز شناخته می‌شود، سیگنال می‌دهد. گیرانه یک وسیله‌ی الکتریکی است که یک سیم ارتباطی نازک دارد. وقتی جریان از سیم عبور می‌کند سیم بسیار گرم می‌شود و محرک ایربگ را که از سدیم آزید درست شده است، شعله ور می‌سازد. سدیم آزید سوختی است که سریع می‌سوزد و مقادیر زیادی گاز نیتروژن تولید می‌کند که از درون فیلتر عبور می‌کند و کیسه‌های هوایی نایلونی را پر می‌کند.
بعد از این که سر شما با کیسه‌ی پر از نیتروژن برخورد کرد، باد کیسه با آزاد شدن گاز از طریق سوراخ‌های ریز، خالی می‌شود. ابری از دود که وسیله‌ی نقلیه را پر می‌کند، در حقیقت پودر تالک و یا نشاسته‌ی ذرت است. این پودر از چسبیدن کیسه به خود وقتی که در داخل تا خورده است، جلوگیری می‌کند. گاز نیتروژنی که از طریق سوراخ‌های ریز آزاد می‌شود کاملاً بی‌ضرر است (در واقع نیتروژن 78 % هوایی را که تنفس می‌کنیم، تشکیل داده است). فرد فقط باید درها و یا پنجره‌ها را باز کند تا گاز و پودر از خودرو خارج شوند.
سیستم ایربگ جانبی از سیستم ایربگ جلویی متفاوت است. سیستم ایربگ جانبی از باد کننده‌ی حاوی گاز استفاده می‌کند که از یک سیلندر تشکیل یافته و 3000 تا 4000 psi گاز آرگون فشرده را در خود جای داده است. ماژول کنترل به باد کننده، سیگنال می‌دهد و این باد کننده، کیسه کوچک داخل سیلندر را ذوب می‌کند. سپس گاز آرگون، ایربگ را پر می‌کند و به باد کردن و متورم کردن آن کمک می‌کند. همانند نیتروژن، آرگون نیز یک گاز بی‌ضرر است. اگر تصمیم به خرید خودرو دارید مطمئن شوید خودرویی که می‌خواهید بخرید، سیستم ایربگ و یا کیسه‌ی هوایی دارد. استفاده از کمربند و ایربگ، جراحات و آسیب‌های ایجاد شده در خودروهای تصادفی را به طور قابل توجهی در کل دنیا کاهش داده است.





تاریخ : چهارشنبه 96/3/17 | 11:48 صبح | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()
فرایندهای کنترل شده برای رشد ساختارهای نانوتیوب کربنی (1)
مترجم: حبیب الله علیخانی

چکیده

نانوتیوب های کربنی (CNTs)، فلرن هایی هستند که دارای نسبت طول به عرض بسیار بالایی هستند. این مواد به طور گسترده از زمان کشف یعنی سال 1991، مورد مطالعه قرار گرفته اند. علت اصلی استفاده از این مواد، خواص فیزیکی فوق العاده ی آنهاست. این خواص موجب بروز خواص الکترونیکی، مکانیکی و گرمایی ممتاز در این مواد شده است. برای کاربردهای مختلف، خواص و ساختارهای مختلف بسیار مهم می باشند. نانوتیوب های کربنی کامل دارای مدول یانگ بالایی هستند اما سایر نانوتیوب های کربنی ممکن است عیوب زیادی داشته باشند که در این شرایط، امکان ایجاد عملکردهای کوالانسی و غیر کوانسی وجود ندارد. نانوتیوب های منفرد دارای اثرات کوانتمی هستند و ساختارهای سازماندهی شده ای ایجاد می کنند که دارای میلیون ها نانوتیوب هستند و می توان با این سازماندهی، هماهنگی این اجزا را افزایش داد. این ویژگی های ساختاری دارای اهمیت بالایی هستند مثلا خواص الکتریکی نانوتیوب ها به طور ناگهانی به عنوان تابعی از قطر و خواص تیوب، تغییر می کند.
در این مقاله، ما به طور خلاصه تاریخچه و مهم ترین دستآوردهای چند دهه ی گذشته در زمینه ی رشد نانوتیوب های کربنی را مورد بررسی قرار می دهیم. در این مقاله بر روی روش های رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار (CVD) تمرکز داریم. در این روش های رسوب دهی، کاتالیست در طی فرایند رسوب دهی، به داخل بخار وارد می شود. ما نشان داده ایم که روش هنرمندانه ی ارائه شده در این مقاله می تواند هم برای تولید نانوتیوب های کربنی تک دیواره و هم چند دیواره، کاربرد دارد. برای بیان کاربردهای ممکنه برای نانوتیوب های کربنی و ساختارهای آنها، ما در مورد فیلترهای با بازده بالا، فنرها و جاروبک های با اندازه ی نانو، وسایل بر پایه ی نشر میدانی، سنسورهای تفکیک گاز با فشار پایین و استفاده از نانوتیوب ها به عنوان تقویت کننده ی کامپوزیتی.
فرایندهای کنترل شده برای رشد ساختارهای نانوتیوب کربنی (1)

خواص اصلی و کاربردهای الکتریکی نانوتیوب های کربنی

یک نانو تیوب تک دیواره (SWNT) ممکن است به عنوان یک مولکول عظیم یک بعدی در نظر گرفته شود که به طور کامل از کربن با هیبریداسیون فرایندهای کنترل شده برای رشد ساختارهای نانوتیوب کربنی (1) تشکیل شده اند؛ این در حالی است که خواص نانوتیوب های چند دیواره (MWNTs) به گرافیت نزدیک ترند. برای تولید ساختارهای گرافیتی با انتهای بسته، نیاز است تا عیوب کریستالی توپولوژیک در داخل ساختار هگزاگونال صفحات گرافیتی ایجاد شود. خواص فیزیکی و شیمیایی فوق العاده و کاربردهای ممکنه می تواند به خاطر وجود یک بعدی بودن و نحوه ی قرارگیری صفحه ی گرافیتی می باشد. علاوه بر خواص فوق العاده ی نانوتیوب های منفرد، رفتار تجمعی آنها نیز در بیشتر سیستم ها مهم می باشد. همچنین برهمکنش آنها با همدیگر و محیط آنها نیز مهم می باشد برای مثال، یک زمینه ی پلیمری. در شکل 1 چند کاربرد نانوتیوب های کربنی نشان داده شده است. برای مثال، مورد اول که در سمت بالا- چپ نشان داده شده است، نانوتیوب های کربنی چند دیواره را نشان می دهد که با الکترودهای فلزی در تماس هستند. این ساختارهای نانوتیوبی ممکن است به عنوان بخش های اتصال دهنده ی الکتریکی داخلی یا به عنوان وسایل نیمه رسانای فعال، مورد استفاده قرار گیرند، اما پی بردن به خواص ویژه و تعریف شده ی نانوتیوب به صورت منفرد، کاری سخت است. آزمون الکتریکی این ساختارها و ساختارهای مشابه، نشان می دهد که دانسیته ی کنونی نانوتیوب های کربنی می تواند تا فرایندهای کنترل شده برای رشد ساختارهای نانوتیوب کربنی (1) تا فرایندهای کنترل شده برای رشد ساختارهای نانوتیوب کربنی (1) افزایش یابد (شکل سمت راست- بالا) بدون آنکه آسیبی ایجاد گردد. نانوتیوب های کربنی چند دیواره ی مورد استفاده در این آزمایشات با استفاده از روش تخلیه ی قوس الکتریکی، تولید شده اند. قطر دو نمونه از این نانوتیوب ها برابر با 8.6 و فرایندهای کنترل شده برای رشد ساختارهای نانوتیوب کربنی (1) می باشد. مقاومت های 2 و 4 ترمینالی در هوا و در دمای محیطی فرایندهای کنترل شده برای رشد ساختارهای نانوتیوب کربنی (1) ، اندازه گیری شد. اندازه گیری به مدت 334 ساعت ادامه یافت و نانوتیوب هایی که این جریان های بالا را دریافت کردند، تخریب شدند.
به عبارت دیگر، وقتی دانسیته جریان در پوسته ای خاصی از نانوتیوب کربنی چند دیواره یا در یکی از نانوتیوب های کربنی تک دیواره موجود در گروهی از نانوتیوب ها، افزایش یابد، آن پوسته از نانوتیوب چند لایه یا نانوتیوب تک دیواره، تخریب می شود. با انجام این کار، بخش باقی مانده از نانوتیوب تک دیواره یا چند دیواره، به طور کامل نیمه رسانا یا فلزی می شود. یک روش جالب، ایجاد آرایه ای از نانوتیوب ها به صورت عمودی است. در این روش، نانوتیوب ها کربنی به عنوان بخش های اتصال دهنده ی داخلی و یا المان های فعال عمل می کنند. دو کاربرد آخر که در شکل 1 نشان داده شده است، در بخش پایینی قرار گرفته اند. در این کاربردها، از نانوتیوب های کربنی برای تولید فیلامنت هایی استفاده می کنند. این فیلامنت ها، برای تولید لامپ های برق معمولی، استفاده می شود (شکل پایین سمت چپ). خواص مکانیکی و مقاومت به اکسیداسیون این نانوتیوب ها بهتر از هر نوع فلزی است. نانوتیوب های چند دیواره ممکن است به صورت نخ های نانوتیوبی خالص و یا پارچه ایجاد شوند. یک کاربرد ممکنه از پارچه های تولید از این نانوتیوب ها، تولید دستگاه های تابش نور صفحه ای است. این صفحات دارای کاربردهای جالبی است. موفقیت اخیر در این زمینه، تولید فیلم های نازک شفافی است که از نانوتیوب های چند دیواره ی کربنی تولید می شوند. این وسایل دارای کاربردهای بالقوه ای در وسایل تابش نور می باشد.

روش های مختلف در تولید نانوتیوب های کربنی

روش های تولید نانوتیوب های کربنی می تواند بر اساس نوع نانوتیوب (تک دیواره و چند دیواره)، طبقه بندی شوند. این مسئله باید تذکر داده شود که هر دو نوع نانوتیوب تک دیواره و چند دیواره می تواند از طریق روش تخلیه ی الکتریکی قوسی، تولید شوند. این قوس میان دو الکترود کربنی انجام می شود که الکترودها دارای کربن و مواد کاتالیسیتی است و بین الکترودها، گاز خنثی قرار گرفته است. امروزه نانوتیوب ها و مواد مشتق شده از آنها از طریق روش های مختلفی تولید می شوند. این روش ها عبارتند از روش های تخلیه ی قوسی در دمای بالا، تبخیر لیزری هدف های گرافیتی و تکنیک های رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار. تولید با روش های قوس الکتریکی و لیزری عموما با سختی بیشتری افزایش مقیاس پیدا می کنند. به هر حال، حتی این روش ها نیز به طور متداول برای تولید مقادیر در حد گرم از نانوتیوب ها مورد استفاده قرار می گیرند. نمونه های نانوتیوب تولید شده با روش های مختلف هم اکنون مورد استفاده قرار می گیرند. در این مقاله، به دلیل اهمیت تولید نانوتیوب های کربنی با استفاده از روش های رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار (CVD) در سال های اخیر، ما بر روی این روش های تولید تمرکز می کنیم.

رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار به عنوان یک ابزار آسان برای رشد نانوتیوب ها

رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار یک ابزار قدرتمند در شیمی، مهندسی شیمی، مهندسی مواد و نانوتکنولوژی است. این روش، روشی متداول در تولید نانوتیوب های کربنی و روشی شناخته شده در تولید فیلترهای کربنی است. برخلاف سایر روش ها، رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار می تواند در مقیاس تولید بالا مورد استفاده قرار گیرد. هم اکنون از این روش به صورت تجاری در تولید نانوالیاف استفاده می شود. نانوالیاف نیز موادی هستند که در اندازه ی نانوتیوب ها هستند. علاوه بر این، رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار می تواند برای تولید آرایه هایی از نانوتیوب های مسطح، زیرلایه های سه بعدی و غیره، استفاده شود.
روش رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار برای رشد نانوتیوب های کربنی، روشی ساده است. در این روش، یک گاز هیدروکربنی به مخزن وارد می شود و یک گاز خنثی دیگر مانند هلیوم یا آرگون نیز به عنوان گاز حامل به داخل مخزن وارد می شود. واکنش در داخل مخزنی انجام می شود که توانایی حرارت دهی آن وجود دارد. سایر مزیت های روش رسوب دهی شیمیایی این است که این روش نیازی به استفاده از تمپلیت ندارد و در واقع رسوب دهی بر روی زیرلایه انجام می شود. در واقع با استفاده از این روش، امکان رسوب دهی مستقیم نانوتیوب های کربنی بر روی محل های پیش تعیین شده، وجود دارد. نانوتیوب ها می توانند همچنین بر روی Si، فرایندهای کنترل شده برای رشد ساختارهای نانوتیوب کربنی (1) ، SiC، MgO، فرایندهای کنترل شده برای رشد ساختارهای نانوتیوب کربنی (1) ، زئولیت، کوارتز و شیشه، فلزات کاتالیستی مانند Fe، Co، Ni و Mo و یا ترکیبی از آنها، رسوب دهی شوند. پارامترهای اصلی برای کنترل فرایند رشد، منبع هیدروکربنی، سرعت جریان گازها، دمای واکنش، کاتالیست مورد استفاده و زیرلایه می باشد. در دماهای پایین، استیلن یا اتیلن، ممکن است به عنوان منبع کربن در تولید نانوتیوب های کربنی چند دیواره، مورد استفاده قرار گیرند در حالی که، در دماهای بالاتر، متان یا مونوکسید کربن ممکن است برای تولید نانوتیوب های تک دیواره مورد استفاده قرار گیرند. ورود مواد آلی گوگرد دار یا بخار آب، تولید نانوتیوب های تک دیواره را تسهیل می کند. برای تولید نانوتیوب های کربنی تک دیواره، الکل نیز مورد استفاده قرار می گیرد. به دلیل اینکه قطر نانوتیوب های تولید شده، به طور قابل توجهی به اندازه ی ذرات کاتالیستی مورد استفاده بستگی دارد، سنتز نانوتیوب های کربنی تک دیواره، نیازمند استفاده از لایه های فلزی کاتالیستی نازک و مناسب می باشد. لایه های فلزی کاتالیستی ضخیم معمولا موجب تولید نانوتیوب های چند دیواره و یا تولید الیاف کربنی می شود. یکی دیگر از مزیت های روش رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار، امکان تولید لایه های تشکیل شده از نانوتیوب های موازی می باشد. چند مثال از رشد کنترل شده ی لایه های نانوتیوب کربنی در شکل 2 و 3 نشان داده شده است. در حال حاضر، هم لایه های تولیدی از نانوتیوب های تک دیواره و هم چند دیواره، با میزان موازی بودن بالا، تولید شده اند. شکل 2، تصاویر SEM از فیلم های تولیدی از نانوتیوب های کربنی چند دیواره، را نشان می دهد. شکل 3 مثال هایی از رشد نانوتیوب های کربنی چند دیواره با استفاده از روش اصلاح تمپلیت را نشان می دهد. در این روش، اندازه ی ذرات کاتالیست کنترل می شود.
فرایندهای کنترل شده برای رشد ساختارهای نانوتیوب کربنی (1)
فرایندهای کنترل شده برای رشد ساختارهای نانوتیوب کربنی (1)
نتایج اخیر نشان دهنده ی قابلیت انعطاف پذیری بالای روش رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار است. با قرار دادن ذرات کاتالیست بر روی زیرلایه و کنترل شرایط رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار، می توان کنترل دقیقی بر روی معماری نانوتیوب، ایجاد کرد. با کنترل های بیشتر بر روی این فرایند، می توان ساختارهایی با تعداد نانوتیوب معین، نانوتیوب هایی با قطر معین و خواص دیگر تولید کرد.

رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار با فراهم آمدن کاتالیست از فاز بخار

علارغم انجام کارهای فراوان بر روی بهینه سازی میزان کاتالیست و نسبت کاتالیست به زیرلایه در فرایند سوب دهی شیمیایی از فاز بخار، کنترل دقیق و استحاله های انجام شده در لایه ی کاتالیستی، قبل و در طی فرایند رشد، هنوز هم به عنوان یک چالش مطرح می شود. یک روش دیگر که در آن، رشد نانوتیوب ها انجام می شود، این است که زیرلایه تحت مخلوط بخاری فروزن- زایلن قرار گیرد. این فرایند در دمای فرایندهای کنترل شده برای رشد ساختارهای نانوتیوب کربنی (1) انجام می شود. در عمل، نانوتیوب ها به صورت گرمایی بر روی ویفرهای سیلیکونی اکسید شده، رشد داده می شوند. این کار با استفاده از زایلن به عنوان منبع کربن و فروزن به عنوان کاتالیست آهن، انجام می شود. یک مثال از این نوع مواد تولید شده در شکل 2 (پایین- سمت راست) نشان داده شده است. برای انجام فرایند رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار، فروزن در داخل زایلن و با غلظت 0.01 گرم بر میلی لیتر حل می شود و در دمای فرایندهای کنترل شده برای رشد ساختارهای نانوتیوب کربنی (1) پیش گرم می شود. همراه با این فرایند، فرایند تبخیر انجام می شود و بخارات حاصله به داخل محفظه ی رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار وارد می شود. این محفظه به طور تدریجی تا دمای مناسب تا 800 الی فرایندهای کنترل شده برای رشد ساختارهای نانوتیوب کربنی (1) حرارت دهی می شود. در این روش، ذرات کاتالیستی به طور مستقیم به داخل نقطه ی رشد، وارد می شود و از چسبیدن آنها به همدیگر جلوگیری می شود.

رشد انتخابی با روش تحویل کاتالیستی

در حالی که روش تحویل کاتالیستی فاز بخار، مشکل کنترل اندازه ی کاتالیست را برطرف می کند، این روش قابلیت کنترل محل قرارگیری کاتالیست را ندارد و از این رو الگوی نانوتیوب ها به طور انتخابی بر روی زیرلایه ها ایجاد می شود. به هر حال، بسته به الگوهای لایه ی کاتالیستی قرار گرفته بر روی زیرلایه که با استفاده از لیتوگرافی نوری ایجاد شده اند، محل قرارگیری نانوتیوب های کربنی تولید شده با روش رشد کاتالیستی فاز بخار، می تواند با ایجاد تفاوت در زیرلایه، قابل کنترل می باشد. این مسئله باید تذکر داده شود که رشد نانوتیوب ها به طور قابل توجهی به زیرلایه وابسته است. این به طور واضح نشان داده شده است که نانوتیوب های کربنی می تواند بر روی زیرلایه های سیلیسی رشد داده شود ولی این رشد بر روی زیرلایه های سیلیکونی مشاهده نشده است. رشد نانوتیوب ها بر روی سیلیس به صورت موازی با هم انجام می شود. آنالیز TEM نشاندهنده ی این است که نانوتیوب های تولید با این روش دارای قطری بین 30 تا 50 نانومتر و طول آنها چند صد میکرون می باشد.

خواص رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار با روش تحویل کاتالیستی فاز بخار

رشد انتخابی بر روی زیرلایه های سیلیکونی و سیلیسی

این تمپلیت دارای نقش غریبی در فرایند رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار می باشد. و به دلیل انتخابی بودن رشد بر روی سیلیکون و سیلیس، این فرایندها به طور جزئی مورد آنالیز قرار گرفته است. یک تصویر بسته از سطح نمونه ها بعد از رشد با استفاده از روش رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار، نشان می دهد که بسیاری از ذرات (مواد فلزی که از پیش ماده ی فروزنی ایجاد شده اند)، بر روی سطح سیلیکون تشکیل شده اند، اما این ذرات ظاهرا به رشد نانوتیوب های کربنی، کمک نمی کنند. به عبارت دیگر، یک لایه ی پر دانسیته از نانوذرات آهن بر روی سطح اکسید سیلیکون مشاهده شده است که موجب می شود تا نانوتیوب ها به صورت موازی قرار گیرند. اندازه ی ذرات مشاهده شده در ناحیه ی اکسید سیلیکون در حدود 20 تا 40 نانومتر بود اما در ناحیه ی سیلیکون، قطر این نانوتیوب ها بزرگتر است. تصاویر TEM از سطح مقطع نمونه ها اطلاعات بیشتری در مورد ذرات آهن دار به ما می دهد. تصاویر TEM از سطح مقطع این بخش ها، نشاندهنده ی زیرلایه ی نانوتیوبی و ذرات دارای آهن است. در اینجا مهم ترین ویژگی، حضور ذرات با اشکال غیر منظم با قطری بین 20 تا 40 نانومتر بر روی سطح ناحیه ی اکسیدی و بخش های داخلی نانوتیوب می باشد. بر روی سطح تمپلیت های سیلیکونی، هیچ اثری از نانوتیوب ها مشاهده نشده است. به هر حال، ذرات بزرگتر و زیرمیکرونی در زیر سطح مشاهده شده است. نتایج حاصل از تفرق اشعه ی الکترونی نشان داده است که این ذرات نانومتری و با شکل غیر منظم که بر روی سطح اکسید سیلیکون قرار دارند، از آهن گاما (FCC) تشکیل شده اند؛ اما بر روی سطح سیلیکون، الگوهای تفرق نشاندهنده ی تشکیل آهن سیلیسید و آهن سیلیکات است.
بر روی تمپلیت سیلیسی، کربن از فاز گازی در داخل ذرات آهن حل می شود. ذرات آهن از تجزیه ی فروزن تشکیل می شوند. ذرات آهن ممکن است به سهولت از کربن اشباع یا فوق اشباع شوند. و بعد از آن، رسوب دهی کربن از سطح ذرات آهن منجر به تشکیل ساختارهای کربنی تیوبی مانند با پیوند SP^2 می شود. تشکیل نانوتیوب ها نیز ممکن است زیرا ذرات آهن به صورت شیمیایی پایدار است و در طی فرایند رشد، اندازه ی مناسبی دارند. در همین زمان، در سطح سیلیکون، یک واکنش شیمیایی میان سیلیکون، آهن و اکسیژن باقیمانده ایجاد می شود و موجب تشکیل ترکیباتی می شود که از لحاظ شیمیایی برای رشد نانوتیوب ها، غیر فعال هستند.

استفاده از زیرلایه های مختلف

همانگونه که در بخش قبل نشان داده شد، در روش تحویل کاتالیستی، تمپلیت نقش حیاتی در رشد نانوتیوب ها ایفا می کند. علاوه بر این، همانگونه که قبلا گفته شد، یک گستره ی وسیعی از زیرلایه ها برای اهداف مختلف مورد استفاده قرار می گیرد. برای بدست آوردن ویژگی های رشد مختلف، ما از زیرلایه های MgO با جهت گیری های کریستالی مختلف، صفحات SiC، تمپلیت های سه بعدی و صفحات طلا با ضخامت های مختلف، استفاده می کنیم. همانگونه که از طبیعت انتخابی بودن سیلیکون و سیلیس، می توان پیش بینی نمود، سرامیک های پایدار گزینه های مناسبی برای استفاده در ساخت تمپلیت هستند. این مواد واکنش اندکی با کاتالیست می دهند. به عنوان یک روش ثانویه، ما فهمیدیم که تفاوت های میان فعالیت رشد بر روی جهات کریستالی مختلف MgO، مشکل است. مثلا صفحات (111) فعال تر از صفحات (100) هستند. مهم ترین تفاوت میان دو صفحه ی کریستالی از این نقطه نظر این است که (100) یک صفحه ی طبیعی است در حالی که (111) از لحاظ اکسیژن غنی است.

ساختارهای شگفت آور تولید شده از رشد چند لایه

با استفاده از روش های توصیف شده در بالا، تولید ساختارهای مورد نظر، ممکن می شود. برای مثال، می توان با این روش، مواد چند لایه تولید کرد. در مطالعه ی ما، ما قادریم تا لایه های جدید از جنگل های نانوتیوبی تولید کنیم. به هر حال، این شگفت آور است که لایه ی جدید بر بالای لایه ی قبلی رشد داده نمی شود اما این لایه به عنوان یک لایه ی جدید در زیر آن، تولید می شود. در بخش پایینی شکل 4، ما تصاویر SEM از ستون هایی را نشان دادیم که در آنها فرایند رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار به تعداد 8 بار انجام می شود و بنابراین، 8 لایه از جنگل های نانوتیوبی قابل تمیز دادن است. لایه ی بالایی ابتدا رشد داده شده است و لایه های دیگر در زیر آن رشد داده می شوند. این مکانیزم رشد شگفت آور در هر فرایند رشد از فاز بخار بر روی زیرلایه، قابل پیش بینی نمی باشد. چیزی که ما در طی رشد مشاهده می کنیم، این است که هر لایه شامل آرایه های منظمی از نانوتیوب های میکرونی است و رشد از صفحات زیرلایه ای اولیه، آغاز می شود. این رشد حتی بعد از پوشیده شدن کامل زیرلایه با لایه های پیوسته و چند گانه از نانوتیوب ها، ادامه می یابد. برای این که این مسئله رخ دهد، این ضروری است که هیدروکربن و پیش ماده ی فلزی کاتالیستی از طریق فیلم نانوتیوبی چند میکرونی، نفوذ کند و رشد از بالای زیرلایه، انجام شود. این مسئله همچنین بدین معناست که هر زمان، یک لایه ی جدید از عمق جوانه زنی و رشد کند و لایه های دیگر از زیرلایه به سمت بالا حرکت داده می شوند و به سمت لایه های نانوتیوبی که اخیرا ایجاد شده اند، حرکت می کنند. وقتی یک لایه ی جدید به سمت لایه ای قدیمی تر حرکت می کند، یک واکنش که عمدتا بر اساس نیروهای واندروالس می باشد، در میان لایه های مجاور ایجاد می شود و بدین صورت تمام ساختار پا بر جا می ماند. در همین زمان، این لایه ها ممکن است به آسانی از همدیگر جدا شوند و این نشاندهنده ی این است که نانوتیوب های منفرد به طور مداوم از یک لایه به لایه ی بعدی، رشد نمی کنند. اخیرا چندین گزارش در مورد اثبات این نظریه ارائه شده است.
فرایندهای کنترل شده برای رشد ساختارهای نانوتیوب کربنی (1)

رشد نانوتیوب های چند دیواره نسبت به نانوتیوب های تک دیواره

هدف از کنترل رشد نانوتیوب ها، قرار دادن نانوتیوب ها بر روی جهات ترجیحی با جهت گیری خاص، با حفظ خواص ساختاری، ابعادی و مولکولی نانوتیوب ها و نوع نانوتیوب (تک دیواره یا چند دیواره) می باشد. برخی از این ویژگی ها هم اکنون نیز قابل کنترل می باشند مثلا دانسیته، جهت گیری و اندازه ی دسته های نانوتیوب. پارامترهای کنترلی اصلی عبارتند از دما و کاتالیزور. برای تولید نانوتیوب های تک دیواره، عموما نیاز به دماهای بالاتر (در حدود 1000 تا فرایندهای کنترل شده برای رشد ساختارهای نانوتیوب کربنی (1) ) و استفاده از منابع کربنی است که در آنها نسبت کربن به هیدروژن کم تر باشد. نیاز است تا ذرات کاتالیست در اندازه ی نانومتری باشند تا بدین صورت بتوان نانوتیوب های تک دیواره ای با گستره ی قطر بین 0.7 تا 2 نانومتر تولید کرد. برای حفظ اندازه ی کاتالیست در دمای بالا، نیاز است تا لایه های بسیار نازکی از فلز بر روی زیرلایه ایجاد شود یا از فاز کاتالیستی استفاده شود که در دخل ساختارهای خاصی مانند کوپلیمرها یا کامپوزیت های پلیمری، جای داده شده اند. این کار از آگلومره شدن نانوذرات جلوگیری می کند. با اصلاح پارامترهای غوطه وری در روش کاتالیستی، می توان نانوتیوب های تک دیواره تولید کرد. با افزایش دمای واکنش تا فرایندهای کنترل شده برای رشد ساختارهای نانوتیوب کربنی (1) ، یک مخلوط از نانوتیوب های تک دیواره و چند دیواره تولید می شود. به عبارت دیگر، محصولات این واکنش متنوع هستند. در سال های اخیر، این سطح از کنترل که محققین برای تولید نانوتیوب های با استفاده از روش رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار، بدست آورده اند، شگفت آور است. با استفاده از این روش، امکان رشد انواع مختلفی از ساختارهای نانوتیوبی با ابعاد مختلف وجود دارد.
فرایندهای کنترل شده برای رشد ساختارهای نانوتیوب کربنی (1)

نانوتیوب ها و ساختارهای نانوتیوبی تولید شده از طریق رشد تحویلی کاتالیست در فاز بخار

رشد ساختارها بر روی زیرلایه های صفحه ای

برای استفاده از ویژگی رشد انتخابی در روش رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار، که در آنها از غوطه وری کاتالیستی استفاده می شود، ویفرهای سیلیکونی که بر روی آنها لایه ای نازک از اکسید قرار گرفته اند، با استفاده از روش لیتوگرافی نوری، تولید می شود و الگوهای سیلیکون و سیلیس ایجاد شده، برای رسوب دهی ساختارهای نانوتیوبی کربنی چند دیواره، استفاده می شود. شکل 5 مثال هایی از نانوتیوب های موازی با هم را نشان می دهد که به طور انتخابی بر روی محل های ترجیحی قرار داده شده اند. تصاویر SEM نشان می دهد که نانوتیوب های موازی با هم، به سهولت بر روی جزیره های سیلیسی و در جهت عمود بر سطح، رشد کرده اند. هیچ رشد نانوتیوبی بر روی سطوح دست نخورده ی سیلیس یا لایه ی اکسیدی محلی، مشاهده نشده است. این نانوتیوب ها به خوبی جهت گیری کرده اند و با دانسیته ای یکنواخت قرار گرفته اند. ارتفاع این بلوک ها با دقت بالا می تواند به نحوی کنترل گردد که بین 10 تا 100 میکرون باشد. این کنترل با تغییر زمان رسوب دهی انجام می شود. تنها ابعاد صفحه ی تمپلیت است که تعداد نانوتیوب را در هر بلوک تعیین می کند. جدایش بین بلوک ها با استفاه از فرایند لیتوگرافی انجام می شود. چسبندگی نانوتیوب به زیرلایه درست بعد از رشد، به سهولت انجام می شود. به هر حال، با اعمال عملیات حرارتی بر روی آنها، این نمونه ها در طی استفاده نیز سالم باقی می مانند. ویژگی های رشد که در شکل 5 نشان داده شده اند، بیان کننده ی کنترل بسیار مناسب بر روی قرارگیری نانوتیوب ها در مکان های مناسب و حفظ الگوهای تمپلیت و انتقال آنها به نانوتیوب ها می باشد. این روش می تواند برای ساخت لایه های نانوتیوبی متخلخل با اندازه ی تخلخل های قابل کنترل و با شکل معین مورد استفاده قرار گیرد. ساختارهای متخلخل با استفاده از یک تمپلیت با یک لایه ی سیلیسی تولید می شوند که این لایه دارای حفراتی با شکل های مختلف است. این حفرات با استفاده از فرایند اچ کردن، تولید شده است.





تاریخ : چهارشنبه 96/3/17 | 11:42 صبح | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()
فرایندهای کنترل شده برای رشد ساختارهای نانوتیوب کربنی (2)
مترجم: حبیب الله علیخانی

ساختارهای نانوتیوبی سه بعدی

در مورد بالا، ما به طور مستقیم ساختارهای نانوتیوبی را نشان داده ایم که عمود بر سطح زیرلایه هستند. در این ساختارها ضخامت الگوهای سیلیسی اندک در نظر گرفته شده است و عموما این ضخامت کمتر از 100 نانومتر است. با استفاده از جزیره های سیلیسی با ضخامت بیشتر (مثلا بین 5 تا 8 میکرون)، ما قادر هستیم تا بلوک هایی نانوتیوبی ایجاد کنیم که در جهات چندگانه، جهت گیری کرده اند. این جهات شامل جهاتی می شود که در داخل سطح زیرلایه ی ماکروسکوپیک قرار دارند. ما می توانیم همچنین تشخیص بدهیم که رشد نانوتیوب ها در جهات متعامد و با استفاده از تمپلیت ها، شامل چاله های حاصل از اچ شوندگی است که این چاله ها چندین برج یا خط سیلیسی را از هم جدا کرده است. در شکل 1، آرایه هایی از نانوتیوب هم جهت به صورت عمودی و افقی نشان داده شده اند. در فرایند رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار، این ساختارهای نانوتیوبی در یک مرحله رشد می کنند. در اینجا، ما همچنین قادریم تا ساختارهایی ایجاد کنیم که پیچیده تر هستند. این ساختارها که بر پایه ی سیلیس ساخته می شوند، با استفاده از تکنیک های مختلف، ماشین کاری می شوند. این تکنیک های ماشین کاری، تکنیک های ساخت میکروالکترومکانیکال (MEMs)، شناخته می شوند. برای مثال ساختارهای نانوتیوبی سه بعدی را ببینید که به آنها گل آفتابگردان نانوتیوبی می گویند. برای تولید این ساختارها، نانوتیوب ها با انحراف کم بر روی بخش های سیلیسی مخروطی شکل، رشد داده می شوند. ساختارهای معکوس که بر روی لایه های اکسیدی ناقص رشد داده می شوند، می توانند برای استفاده در تولید غشاء های نازک مورد استفادهل در کاربردهای الکترومکانیکی، مناسب باشند.
فرایندهای کنترل شده برای رشد ساختارهای نانوتیوب کربنی (2)
یک ساختار مهم دیگر که از رشد نانوتیوب ها بر روی سیلیس در جهت نرمال های صفحه، تولید می شوند، نیز در شکل 1 (سمت پایین) نشان داده شده است. در این ساختار، دو لایه از نانوتیوب در جهات مخالف رشد داده شده است. در این روش، لایه ی شفاف دیسکی مانند، نشاندهنده ی غشاء سیلیسی است و ناحیه ی تیره تر نشاندهنده ی پایه های سیلیکونی است که از آن بخش حمایت می کند. با افزایش ضخامت لایه ی سیلیسی معلق و رسیدن این ضخامت به چند میکرومتر، می توان ساختارهای چندلایه و ساختارهای نانوتیوبی هم جهت، ایجاد کرد.

رشد جهت دار ساختارهای پیچیده

کنترل بیشتر برروی اندازه و جهت گیری ساختارهای نانوتیوب کربنی می تواند با ترکیب کردن روش های اشاره شده در بالا با روش های فلزی کردن متدوال، انجام شود. برای ایجاد هماهنگی در قرارگیری نانوتیوب ها در جهات انتخاب شده، نیاز است تا سطوح سیلیسی سه بعدی ایجاد کرد. برخی از بخش های این سطوح با استفاده از لایه های طلا، پوشش دهی می شود. با این کار رشد نانوتیوب تنها در جهات پیش تعیین شده، انجام می شود (شکل 1). تصاویر SEM در شکل 2 سه ساختار مختلف نشان داده شده است که یکی کلا با نانوتیوب پوشیده شده است، یک نانوتیوب دو بلوک مجاور را به هم متصل کرده است و یک ساختار نانوتیوبی کوچکتر وجود دارد که این نانوتیوب ها تنها به طور جزئی شکاف را پوشانده است. پیکربندی های مختلف برای کاربردهای مختلف، مفید است.
فرایندهای کنترل شده برای رشد ساختارهای نانوتیوب کربنی (2)

ساختارهای سه بعدی تولید شده از نانوتیوب های تک دیواره

با روش های ساده ی رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار، شبکه هایی دو بعدی از نانوتیوب های تک دیواره به آسانی تولید می شود. بررسی های انجام شده با استفاده از SEM نشان داده است که شبکه های نانوتیوبی تک دیواره با دانسیته ی بالا، ممکن است ساختارهایی با اشکال مختلف بر روی سیلیس با الگوهای نانویی، ایجاد کنند. با استفاده از کاتالیست های آهن رسوب داده شده بر سطح بالایی و کناری دیواره های ستون، ما مشاهده کرده ایم که بازده نانوتیوب های تک دیواره ی معلق شده می تواند بسیار بالا باشد (شکل 3 را ببینید). مشاهدات نزدیک تر بر روی شبکه های نانوتیوبی نشان دهنده ی این است که بسیاری از تیوب ها بر روی بخش پایینی زیرلایه و دیواره های کناری ساختارهای الگودار، رشد می کنند. جهات رشد نانوتیوب ها بر اساس محل پایه ها کنترل می شود و موجب می شود تا ساختارهای با سازماندهی بالا از نانوتیوب های تک دیواره بر روی هندسه های پیش تعریف شده از این الگوها، ایجاد شود. در مورد الگوهای خطی، نانوتیوب ها به طور ترجیحی به طور عمود بر توپولوژی سطح زیرلایه، رشد می کنند (بدون توجه به جهت جریان گاز). بررسی های TEM از نانوتیوب های موجود بر روی پایه ها، نشان دهنده ی این است که دسته های کوچک از این نانوتیوب ها شامل چند نانوتیوب تک دیواره هستند که قطر آنها بین 1 تا 1.3 نانومتر است.
فرایندهای کنترل شده برای رشد ساختارهای نانوتیوب کربنی (2)
سایر فلزات انتقالی مانند کبالت ممکن است برای ایجاد شبکه های نانوتیوبی با دانسیته ی بالا، مورد استفاده قرار گیرد. در مقایسه با کاتالیست های آهنی، فرایند رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار که از کبالت برای رشد نانوتیوب ها استفاده می کنند، در دماهای پایین تری کار رسوب دهی را انجام می دهند (حدود فرایندهای کنترل شده برای رشد ساختارهای نانوتیوب کربنی (2) ) و همان دانسیته ی قبلی بدست می آید. در اینجا نیز زیرلایه دارای اثر قابل توجهی بر روی رشد نانوتیوب هاست. در اینجا، شبکه های نانوتیوبی تک دیواره تحت پارامترهای CVD یکسانی بر روی پایه ی سیلیسی تولید می شوند، دارای دانسیته ی بالاتری نسبت به آنهایی دارند که بر روی پایه ی سیلیکونی، رشد داده شده اند. یک نتیجه ی جالب توجه از مطالعه ی این ساختارهای نانوتیوبی تک دیواره، رفتار آنها تحت تابش باریکه ی یونی است. شکل 3 نشان می دهد که چگونه اسکن متوالی باریکه ی یونی، اتم های کربن را از نانوتیوب ها می زداید و موجب می شود تا ابعاد آنها کاهش یابد. با اسکن متوالی، برخی از نانوتیوب ها می توانند به طور انتخابی از نمونه حذف گردند. این کار یکی از کارهایی است که برای آماده سازی ساختارهای نانوتیوبی برای استفاده در کاربردهای خاص، ضروری است.

استفاده از ساختارهای نانوتیوبی بزرگ

فیلترهای نانوتیوبی ماکروسکوپیک

ساختارهای ماکروسکوپیک تشکیل شده از نانوتیوب های کربنی هم جهت، می توانند سنتز شوند. کار تولید با استفاده از کنترل مناسب بر روی فرایند تولید، انجام می شود. این کار نه تنها بر روی زیرلایه های مسطح و دارای الگو قابل انجام است، بلکه همچنین این کار بر روی زیرلایه های خمیده نیز قابل انجام می باشد. برخی از محققین ساخت سیلندرهای توخالی ماکروسکوپیکی را گزارش داده اند که از قرار گیری پیوسته ی نانوتیوب ها تشکیل شده اند. این ساختارها برای استفاده به عنوان فیلتر مورد استفاده قرار می گیرند. این نوع از فیلترها قابلیت استفاده در التراسونیک و اتوکلاو را دارای می باشند. در شکل 4 و 5 مثال هایی از این فیلترها آورده شده است. پایداری گرمایی و مکانیکی خارق العاده ی نانوتیوب ها و مساحت سطح بالای این مواد، سهولت و اقتصادی بودن هزینه های تولید غشاء های نانوتیوبی، این مواد توانایی رقابت با انواع غشاء های سرامیکی، پلیمری و ... را دارا می باشد.
فرایندهای کنترل شده برای رشد ساختارهای نانوتیوب کربنی (2)
فرایندهای کنترل شده برای رشد ساختارهای نانوتیوب کربنی (2)
یک مزیت اصلی فیلترهای نانوتیوبی نسبت به فیلترهای متداول، پایداری بالای آنها و تمیز شدن آنها بعد از هر بار اعمال فرایند فیلتراسیون می باشد. یک فرایند ساده برای تمیزکاری این فیلترها، استفاده از التراسونیک یا اتوکلاو است. با استفاده از این وسایل، تمیزکاری نیز با پاکسازی این فیلترها انجام می شود و فیلترهای پاک سازی شده، سپس دوباره مورد استفاده قرار می گیرند. در فیلترهای آب تشکیل شده از غشاء های سلولز نیتراتی و استاتی، به دلیل جذب قوی باکتری ها بر روی سطح غشاء، استفاده مجدد از آنها امکان پذیر نمی باشد. همچنین فیلترهایی که برای فیلتراسیون ویروس ها مورد استفاده قرار می گیرد، قابلیت استفاده ی مجدد ندارد. علت این موضوع، پایداری گرمایی بالای نانوتیوب هاست در واقع، فیلترهای نانوتیوبی را می توان در دمایی در حدود 400 درجه ی سانتیگراد مورد استفاده قرار گیرد. این دما چندین برابر دمای عملیاتی فیلترهای غشائی پلیمری متداول است. فیلترهای نانوتیوبی به دلیل پایداری مکانیکی و گرمایی بالا، ممکن است از لحاظ تجاری با فیلترهای سرامیکی قابل رقابت باشند. علاوه بر این، این فیلترها ممکن است عامل دار شوند و برای اهداف خاص مورد استفاده قرار گیرند.

سنسورهای تولید شده با لایه های نانوتیوبی

ولتاژ پایین مورد نیاز برای انتشار الکترون از سری های نانوتیوبی، این مسئله را ممکن می کند که از این سری ها در سنسورهای یونیزه، استفاده شود. مزیت های نانوتیوب های کربنی نسبت به سنسورهای معمولی عبارتند از اندازه ی کوچکتر، عملکرد ساده و تحت تأثیر قرار نگرفتن بوسیله ی شرایط محلی مانند دما و رطوبت می باشد. بخش های مختلف این سیستم مشابه سیستم انتشار میدانی است با این تفاوت که نانوتیوب ها به عنوان آند و یک صفحه ی آلومینیومی به عنوان کاتد عمل می کند. این کاتد و آند بوسیله ی یک بخش خلأ از هم جدا می شوند و فاصله ی آنها در حدود 150 میکرون می باشد. گازی که باید تحت آنالیز قرار گیرد، به داخل محفظه هدایت می شود. ولتاژ و جریان بوسیله ی یک آمپرمتر و ولتمتر، اندازه گیری می شود. با این کار وقتی ولتاژ افزایش یابد، این بدین معناست که گاز اطراف سری نانوتیوبی، یونیزه شده است. این ابر یونی سپس از میدان انرژی دریافت می کند و جفت های الکترون- حفره ی بیشتری تولید می شود. بعدا جفت های الکترون- حفره ی بیشتری تشکیل می شود تا اینکه، این فرایند سرانجام منجر به جدایی میان الکترودها شود. ولتاژی که در آن شکست یا جدایی رخ می دهد، برای گازهای مختلف متفاوت است و به ولتاژ شکست معروف است. این ولتاژ مشخصه ی هر گاز است. اندازه گیری جریان نیز مهم می باشد زیرا این کمیت به غلظت گاز بستگی دارد. اندازه گیری مناسب از ولتاژ شکست می تواند حضور گاز در محفظه را تشخیص دهد. برخی مثال ها از گازهای تشخیص داده شده، عبارتند از هلیوم، آمونیاک، آرگون و اکسیژن. این گازها در غلظت های ثابت فرایندهای کنترل شده برای رشد ساختارهای نانوتیوب کربنی (2) قابل تشخیص هستند (شکل 6). مقادیر ولتاژ شکست برای گازهای منفرد در غلظت های مختلف گازها، ثابت است.
فرایندهای کنترل شده برای رشد ساختارهای نانوتیوب کربنی (2)

کامپوزیت های نانوتیوبی برای استفاده در کاهنده های ارتعاش (Damping)

نانوکامپوزیت های بر پایه ی نانوتیوب به خاطر استحکام ویژه ی آنها، در کاربردهای مختلفی مورد استفاده قرار می گیرند. اخیرا، علاقه ی زیادی برای توسعه ی کامپوزیت های نانوتیوبی- پلیمری به منظور استفاده در کاربردهایی که نیازمند ترکیب استثنایی از خواص وجود دارد، بوجود آمده است. نانوکامپوزیت های نانوتیوب- پلیمری مواد مناسبی در استفاده در کاربردهایی مانند سوئیچ های نوری بسیار سریع و لایه های بیوکاتالیستی، هستند. پتانسیل استفاده از این نانوکامپوزیت ها به دلیل فایق آمدن بر یکی از محدودیت های مواد متداول مورد استفاده در این کاربردها، است. از مشکلات موجود در زمینه ی تولید این کامپوزیت ها، کنترل جهت گیری و نحوه ی پراکنده شدن نانوتیوب ها در داخل زمینه ی پلیمری است. از سایر مشکلات این کامپوزیت ها ایجاد سطح مشترک مناسب میان نانوتیوب و زمینه ی پلیمری است. یک راه برای کنترل همزمان توازی نانوتیوب ها و نحوه ی پراکنده شدن نانوتیوب ها در زمینه ی پلیمری، مونومرهای در آرایه های پیش منظم شده از نانوتیوب ها فرستاده می شود. بعد از این کار، فرایند پلیمریزاسیون به صورت در جا انجام می شود. لایه های کامپوزیتی تولید شده، می توانند توزیع خوبی داشته باشند. این نانوتیوب ها دارای قرارگیری مناسبی در زمینه ی پلیمری هستند و موجب تقویت این پلیمرها می شوند. یک کاربرد مهم برای کامپوزیت های نانوتیوبی به دلیل خواص مکانیکی بی همتای در سطح مشترک پلیمر- نانوتیوب، بوجود آمده است. این رفتار، رفتار کاهندگی ارتعاش (Damping) نامیده می شود. ما فهمیده ایم که با استفاده از لایه های اپوکسی و نانوتیوب در حالت کامپوزیتی، می توان خاصیت سفتی لایه ها را به همراه خاصیت کاهندگی ارتعاش، همراه کنیم (شکل 7). تجربیات بدست آمده بر روی این نانوکامپوزیت ها نشان داده است که میزان کاهندگی ارتعاش 200 % افزایش یافته و همچنین سفتی پیوند نیز 30 % افزایش می یابد. بررسی های انجام شده با SEM که بر روی لایه های نانوتیوبی انجام شده، آشکار ساخته است که یک شبکه ی سحرآمیز از نانوتیوب های با دانسیته بالا و به هم متصل، در این ساختارها وجود دارد. این اتصالات داخلی نانوتیوب ها موجب می شود تا انرژی وارد شده به داخل لایه ی نانوتیوبی، توزیع گردد. اتصالات عرضی میان نانوتیوب ها همچنین موجب بهبود انتقال بار در داخل شبکه می شود و در نتیجه موجب افزایش خواص سفتی نمونه ها می شود. پرکننده های نانوتیوبی دارای خاصیت تداخل اندکی است اما واکنش های لغزشی سطح مشترک و داخل لوله ای کامپوزیت ها می تواند برای افزایش جذب انرژی شود بدون آنکه سایر خواص مکانیکی افت کند. اندازه گیری ها آشکار ساخته است که رفتار ویسکوالاستیک قابل توجه در این مواد تا 1400 % افزایش می یابد. بر اساس تنش های برشی بین سطحی برای این سیستم ها، این مسئله فهمیده شده است که جذب انرژی به توزیع انرژی در طی لغزش سطح مشترک، بستگی دارد.
فرایندهای کنترل شده برای رشد ساختارهای نانوتیوب کربنی (2)
مزیت های چندگانه ای برای استفاده از لایه های اپوکسی- نانوتیوب وجود دارد زیرا یک پلیمر ماده ی است که دارای کاهندگی کامل انرژی است. یکی از این مزیت ها این است که پلیمرهای ویسکوالاستیک سنتی در هنگام استفااده در دماهای بالاتر، تخریب می شوند. گستره ی دمایی برای لایه های جاذب تجاری در گستره ی دمای 0 تا 100 درجه ی سانتیگراد است. نانوتیوب های کربنی می توانند بدون تخریب قابل توجه در دماهای بالا مورد استفاده قرار گیرند و در نتیجه برای کاربردهای دما بالا، فیلم های نانوتیوبی دارای کارایی بالا و قابلیت اطمینان بالایی هستند. دومین مزیت، این است که سفتی پلیمرهای سنتی مورد استفاده، کمتر از کامپوزیت های نانوتیوبی است. همچنین یکپارچگی لایه های جاذب ویسکوالاستیک در داخل سیستم های کامپوزیتی دارای چالش های فنی قابل توجهی است. وقتی مواد جاذب انرژی در این کامپوزیت ها مورد استفاده قرار می گیرند، این ماده دماهای سیکلی دریافت می کند. مواد جاذب انرژی که به طور تجاری موجود می باشند، دارای دماهای کاربری هستند که کمتر از دماهای سیکلی عمل آوری آنهاست. نانوتیوب ها در دماهایی بالاتر از دمای عمل آوری، پایدار هستند و ساختار و خواص آنها تخریب نمی شود علت این مسئله نفوذ رزین می باشد. به همین دلیل است که لایه های نانوتیوب کربنی می توانند به صورت بالقوه در داخل ساختار کامپوزیت های و سیستم های غیر هموژن دوام آورند.

پوسته های پلیمری تقویت شده با نانوتیوب ها

همانگونه که قبلا گفته شد، کامپوزیت های نانوتیوبی- پلیمری، به طور گسترده برای استفاده در کاربردهای مختلفی مورد بررسی قرار گرفته اند. در این کاربردها، نیاز به ترکیبی از خواص الکتریکی، نوری و مکانیکی نانوتیوب ها و پلیمرها، وجود دارد. یکی دیگر از بخش هایی که از کامپوزیت های نانوتیوبی- پلیمری مورد استفاده قرار می گیرند، استفاده از این مواد در الکترونیک است. ما روش جدیدی توسعه دادیم که بوسیله ی آن وسایل الکترونیکی انعطاف پذیر از نانوتیوب ساخته می شوند. در این روش، از ساختارهای نانوتیوبی چند دیواره در زمینه ای پلی دی متیل سیلوکسان (PDMS) استفاده می شود. این ساختارها می تواند به عنوان وسایل سنجش انبساطی، سنسورهای گازی و لمسی و همچنین وسایل انتشار میدانی مورد استفاده قرار گیرند. به طور خاص این ساختارها به عنوان انتشار دهنده ی میدانی انعطاف پذیر استفاده می شوند زیرا این ساختارها سیگنال های الکتریکی در داخل خود، ایجاد می کنند و همچنین توانایی تحمل محیط های سخت را دارند.
فرایندهای کنترل شده برای رشد ساختارهای نانوتیوب کربنی (2)
شکل 8 شماتیکی برای طراحی و ساخت ساختارهای نانوتیوبی هم جهت در داخل زمینه ی PDMS را نشان می دهد. ابتدا، الگوگذاری بر روی زیرلایه های سیلیسی و سیلیکونی با استفاده از یک فرایند لیتوگرافی نوری انجام می شود، سپس نانوتیوب های هم جهت شده به طور انتخابی بر روی ناحیه ی الگودار، رشد داده می شود و سپس، یک محلول پلیمری PDMS به داخل این ساختارها وارد می شود. در نهایت PDMS تحت عملیات آماده سازی قرار می گیرد و سپس، لایه های نانوتیوبی- PDMS با استحکام مناسب، تشکیل می شود. این لایه ی تشکیل شده به طور دقیق از زیرلایه ی سیلیسی جدا می شوند. تصویر SEM از ساختارهای نانوتیوبی کربنی چند دیواره، بعد از ورود PDMS بداخل آنها، در شکل نشان داده شده است. ساختارهای نانوتوبی- PDMS نسبت به تغییر شکل های فیزیکی بزرگ، مقاوم هستند. یک زمینه ی نانوتیوب- PDMS الگودار با شکل سیلندری که قطری برابر با 500 میکرون هستند، برای بررسی خواص انتشار میدانی، مورد استفاده قرار گرفته اند. بررسی انجام شده با SEM نشان داده است که نانوتیوب های کربنی چند دیواره ای که به طور عمودی هم جهت شده اند، به طور کامل بوسیله ی PDMS احاطه شده اند. انتهای نانوتیوب ها در پشت نمونه با تیتانیوم یا طلا پوشش دهی می شود و بر روی کاتدهای با پوشش طلا یا پلاتین ثابت می شود. این ساختارها دارای انتشار میدانی استثنایی در یک خلأ متوسط ( فرایندهای کنترل شده برای رشد ساختارهای نانوتیوب کربنی (2) ) می باشند. شکل 8 (پایین) نشاندهنده ی جریان انتشار به عنوان تابعی از ولتاژ برای دو نمونه ی مختلف می باشد. جریان انتشار یافته از مکانیزم فولر- نوردهیم تبعیت می کند. در این مکانیزم، دانسیته ی جریان تقریبا با مربع میدان مؤثر در ارتباط است. نانوتیوب های کربنی که دارای نسبت طول به قطر بالایی هستند و همچنین انحنای بالایی در بخش های بالایی هستند، دارای میدان مؤثر بالایی هستند. فاکتور افزایش میدان ( فرایندهای کنترل شده برای رشد ساختارهای نانوتیوب کربنی (2) ) ممکن است برابر با مقادیری چند هزار باشد.
فرایندهای کنترل شده برای رشد ساختارهای نانوتیوب کربنی (2)

قلم های نانوتیوبی

ما به طور موفقیت آمیز قلم های چند عملکردی تولید کردیم که شامل شاخک های نانوتیوبی کربنی هستند که بر روی الیاف خاصی قرار داده شده اند (شکل 9). ما همچنین نشان داده ایم که چندین وظیفه ی استثنایی برای این قلم ها وجود دارد. با استفاده از این قلم ها می توان نانوذرات را از فضاهای باریک، تمیز کنیم، بر روی حفرات پوشش ایجاد کنیم و جذب شیمیایی انتخابی ایجاد کنیم. این نانوتیوب ها بر روی نواحی انتخابی الیاف سیلیکون کاربید میکرویی رشد داده شده اند. انتهای این نانوتیوب ها با استفاده از پوشش های نازک طلا، پوشش کاری می شوند. قرارگیری مختلف این الیاف موجب ایجاد پیکربندی های مختلف در این سری ها می شود. برای مثال، قرارگیری عمودی الیاف سیلیکون کاربید معمولا ایجاد چنگال های نانوتیوبی سه تایی می شود. تشکیل این مورفولوژی های چنگالی به دلیل رشد خود به خودی آرایه های نانوتیوبی با دانسیته ی بالا می باشد و به دلیل اینکه آنها از سطح استوانه ای رشد داده شده اند، دارای سطح مقطع مدور است. ساختارهای چنگک دار با نصب کردن این الیاف بر روی یک سطح صاف در طی فرایند رسوب دهی فیزیکی از فاز بخار، تولید می شوند. با این کار از رشد نانوتیوب ها در چندین جهت، جلوگیری شود. این قلم ها برای خارج کردن گرد و غبار از آرایه های میکروکانالی مورد استفاده قرار می گیرد. این کار معمولا یک وظیفه ی مهم تلقی می شود. انعطاف پذیری این قلم ها این مسئله را تأیید می کند که این ساختارهای نانوتیوبی سطح را خش دار نمی کنند، در حالی که تخلخل موجود بر روی قلم ها که در نزدیکی انتهای ساختار وجود دارد، امکان از بین رفتن نانوذره های موجود در تخلخل ها، بوجود می آید. سایر کاربردهای دیگر مانند تمیزکاری انتخابی، نقاشی و ایجاد میکرو تخلخل ها نیز از جمله کاربردهای این قلم هاست.

فنرهای نانوتیوبی

با در نظر گرفتن ساختارهای غشاء مانند متخلخل تولید شده با نانوتیوب های کربنی هم جهت، این غشاء ها می تواند به عنوان ساختارهای شبه سلولی مورد استفاده قرار گیرد. ما نشان دادیم که یک لایه ی نانوتیوبی کربن، هموژن بودن خود را از دست می دهد و وقتی حلال های مختلف بر روی آن ریخته می شود، ساختارهای سلول مانندی تشکیل می دهند. بدون تشکیل این ساختارهای سلول مانند، لایه های خود ایستا، تحت فشار، دارای رفتار شبه فومی هستند. لایه ی نانوتیوبی مانند یک فنر جمع شونده عمل می کند و نانوتیوب های موجود در لایه، بخش های زیگ زاگ مانندی تشکیل می دهند که بعد از رها شدن نیروی اعمالی بر روی آنها، به حالت اولیه باز می گردد. در مقایسه با سایر فوم های انعطاف پذیر و با دانسیته ی پایین، لایه های نانوتیوبی دارای استحکام فشاری، سرعت بازگشت و فاکتور افت بالاتری هستند.
ما سیکل های فشاری را برای این لایه های فنر مانند برای هزاران بار تکرار کردیم. لایه های تولید شده از نانوتیوب های کربنی چند دیواره تا میزان 15 % از ضخامت خود، فشرده می شود و بعد از برداشتن نیرو، به اندازه ی اولیه باز می گردد. تخلخل لایه های نانوتیوبی بسیار بالاست و نانوتیوب های کربنی تنها 20 % از حجم فیلم را به خود اختصاص می دهد. در شکل 10 شماتیکی ارائه شده که سیکل های بارگذاری و باربرداری را با تصاویر SEM توصیف می کند. نانوتیوب ها شکسته و بریده نمی شوند. نانوتیوب ها همچنین تحت فشار، فروپاشیده نمی شود. در حالت غیر دینامیک، ما متوجه شده ایم که سرعت بازگشت این نوع فنر نسبت به فنرها و اسفنج های دیگر بیشتر است. این نوع از ساختارهای نانوتیوبی ممکن است دارای کاربردهای زیادی داشته باشد. از این نوع ساختارها می تواند در سیستم های الکترومکانیکی، اتصالات داخلی، فعال کننده های مکانیکی و ... استفاده کرد.
فرایندهای کنترل شده برای رشد ساختارهای نانوتیوب کربنی (2)

نتیجه گیری

در این مقاله، ما خلاصه ی کوتاهی در مورد کارهای انجام شده در زمینه ی رشد ساختارهای نانوتیوبی با استفاده از روش های CVD، ارائه کرده ایم. پیشرفت های انجام شده در این زمینه، قابل توجه است و امروزه ما می توانیم ساختارهای دو و سه بعدی را با استفاده از نانوتیوب های تک دیواره و چند دیواره، تولید کنیم. ساختارهای نانوتیوبی را می توان به عنوان بلوک های ساختاری در بسیاری از کاربردها استفاده کرد. مثلا از این ساختارها می توان در تولید وسایل الکترونیکی، MEMS، صنایع شیمیایی و مواد ساختاری، استفاده کرد. چالشی که در این زمینه وجود دارد، کنترل ساختارهای مولکولی از نانوتیوب می باشد. پیشرفت های سریع در این زمینه بوجود آمده است و این به نظر می رسد که به زودی از این ساختارها در نمونه های آزمایشی وسایل الکترونیکی استفاده شود.





تاریخ : چهارشنبه 96/3/17 | 11:41 صبح | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()
ابر شبکه های تولید شده از نانو تیوب های کربن- بور
مترجم: حبیب الله علیخانی

چکیده:

رفتار ابر شبکه های پایدار، تولید شده از نانو تیوب های کربن- بور( BCNTSLs) که از اتصال متناوب نانو تیوب های کربنی( CNT) و نانوتیوب های بور( BNT) با طول ها و قطرهای مختلف تولید شده اند، بوسیله ی محاسبات قوانین مقدماتی دانسیته، پیش بینی شده است. ساختار هندسی و الکتریکی و همچنین رسانایی کوانتمی این BCNTSL ها مورد مطالعه قرار گرفته است. این فهمیده شده است که ابرشبکه ها می توانند فلزی یا نیمه رسانا باشند. این موضوع به قطر نانوتیوب و نسبت بخش BNT به CNT در بخش تکرار شونده، بستگی دارد. حالات محدود شده در این ابر شبکه ها مشاهده شده است. مطالعات کنونی یک راه مفید برای طراحی برخی از وسایل نانویی عامل دار، ارائه کرده است.

مقدمه

نانوتیوب های کربنی( CNT) یکی از مواد جالب هستند. زیرا از زمان کشف آنها، کاربردهای باقوه ای در نسل جدید نانوالکترونیک به خود اختصاص داده اند. این مواد به دلیل نزدیک شدن وسایل میکروالکترونیکی به محدودیت تعیین شده بوسیله ی قانون موهر، بیشتر مورد توجه قرار گرفته اند. مطالعات نشان داده است که CNT ها می توانند خاصیت فلزی یا نیمه رسانا داشته باشند. این مسئله به قطر و کایرالیتی آنها بستگی دارد. با اتصال دو نانوتیوب کربنی کامل به همدیگر می توان یک ابر شبکه ایجاد نمود. این کار با ایجاد جفت های پنتاژن- هپتاژن در سطح مشترک این مواد، انجام می شود. با دنبال روی از این ایده، یک تعداد از ابر شبکه های CNT، اتصالات و نانووسایل تولید شده است. اخیرا همسایه نزدیک کربن در جدول تناوبی یعنی بور نیز توجه زیادی را به خود اختصاص داده است و برخی نانوساختارهای بر پایه ی فلرن های بور، صفحات بور، نانوتیوب های بور، و ... پیشنهاد شده اند. بررسی های دیگر نشان داده است که ساختار هندسی BNT ها می تواند از CNT ها مشتق شود این کار بوسیله ی استحاله ی پله پله ی اصلاح شده، انجام شود. یک چنین مشابهت ساختاری میان BNT ها و CNT ها، نشانه ای از این موضوع است که ساخت نانوتیوب های کربن- بور وجود دارد. این کار به طور بالقوه بوسیله ی اتصال متناوب CNT ها و BNT ها انجام می شود. این CNT ها و BNT ها می توانند دارای طول و قطر متفاوتی باشند.
در این مقاله، بر اساس محاسبات مقدماتی در زمینه ی دانسیته، ما روشی ارائه کرده ایم که بوسیله ی آن،CNT ها و BNT ها به هم متصل گشته و BCNTSL های پایدار ایجاد می شود. و بر اساس محاسبات هندسی، نوار انرژی و رسانایی کوانتمی، مطالعه بر روی خواص الکتریکی BCNTSL ها انجام شده است. نتایج نشان داده است که BCNTSLها می توانند فلزی یا نیمه رسانا باشند این مسئله به قطر و نسبت طولی بخش های BNT و CNT بستگی دارد. رسانایی کوانتمی اتصالات CNT-BNT-CNT نشان داده است که یک رفتار نوسانی در حول سطح فرمی رخ می دهد.

روش محاسباتی

تمام محاسبات با استفاده از تئوری اساسی دانسیته( DFT) و بوسیله ی کدهای SIESTA اجرا شده است. معیار حفظ پتانسیل کاذب با استفاده از روش Troullier-Martins ، ایجاد می شود. یک گروه مبنای پلاریزه شده DZP برای توصیف الکترون های والانس مورد استفاده قرار می گیرد. تقریب دانسیته ی محلی به شکل Perdew-Zunger برای تغییر پتانسیل همبسته مورد استفاده قرار می گیرد. انتگرال های عددی بر روی شبکه ی فضایی واقعی( با یک میان بر 200 برای ابر شبکه های تولید شده از نانو تیوب های کربن- بور ) اجرا می شود. این هندسه ها وقتی آزاد سازی می شوند که نیروهای پس مانده کمتر از ابر شبکه های تولید شده از نانو تیوب های کربن- بور باشد. فاصله ی بین دیواره ای بزرگتر از 10A بوده است تا بدین صورت اطمینان حاصل شود، سیستم ایزوله است. روش Monkhorst-Pack برای نمونه گیری نقطه ی Brillouin مورد استفاده قرار گرفته است. تنها نقطه ی گاما برای رهاسازی ابر شبکه مورد استفاده قرار گرفته است و یک نمونه گیری k نقطه ای با مش ابر شبکه های تولید شده از نانو تیوب های کربن- بور برای محاسبات ساختار الکترونی مورد استفاده قرار گرفته است. خواص انتقال با کدهای TRANSIESTA محاسبه شده است که در این کدگذاری از توابع غیر تعادلی Green( NEGF) استفاده شده است( بوسیله ی این توابع، سیستم باز از همیلتونی های DFT حل می شود).

ساختار هندسی

قبل از ادامه ی مقاله، باید برچسب های نانوتیوبی را تعریف کنیم. BNT معمولا بوسیله ی دو نوع از بردار کایرالیتی توصیف می شوند( یا بردار شبکه ی گرافنی (n,m) و یا بردار شبکه ی صفحه ی بور (p,q)). بواسطه ی MLT، رابطه ی میان این دو گروه از بردارها می تواند به صورت n=p+2q و m=p-q تعریف شود( این روابط مشابه با روابطی است که در مرجع 12 آورده شده است). برای سهولت، در ادامه ما بردار شبکه ی گرافنی(n,m) را به جای (p,q) در BNT ها انتخاب می کنیم. در این راه، یک BCBTSL می توان به آسانی بوسیله ی ابر شبکه های تولید شده از نانو تیوب های کربن- بور نشان داده شود که در اینجا، (n,m) بردار کایرالیتی تیوب می باشد و S(t) تعداد سلول های واحد BNT( CNT) در ابر سلول است. شکل 1 ساختار ابر شبکه های تولید شده از نانو تیوب های کربن- بور را به عنوان یک مثال در نظر می گیریم. علاوه بر این، بدون وارد شدن به جزئیات، ما بایستی BCNTSL هایی را مورد بررسی قرار دهیم که بوسیله ی تیوب های ایجاد شده در حالت صندلی، اتصال یافته اند. در اینجا، ما باید این مسئله را متذکر شویم که برخی از ابر شبکه هایی که بوسیله ی بخش های BNT و CNT زیگزاگ مانند به هم متصل شده اند، نیز مورد بررسی قرار گرفته است اما این ساختارها ناپایدارند.

خواص الکترونیکی

حال بیایید نحوه ی تأثیر اندازه ی قطر نانو تیوب ها بر روی خواص الکترونیکی آنها را مورد بررسی قرار دهیم. برای این هدف، ما نوارهای انرژی ابر شبکه های تولید شده از نانو تیوب های کربن- بور ، ابر شبکه های تولید شده از نانو تیوب های کربن- بور، ابر شبکه های تولید شده از نانو تیوب های کربن- بورو ابر شبکه های تولید شده از نانو تیوب های کربن- بور را محاسبه کرده ایم( شکل 2). این مشاهده شده است که ابر شبکه های تولید شده از نانو تیوب های کربن- بور و ابر شبکه های تولید شده از نانو تیوب های کربن- بور نیمه رساناهایی با گاف های انرژی کمتر از 0.5 الکترون ولت هستند. به هر حال، وقتی قطر بزرگتر باشد، ابر شبکه های تولید شده از نانو تیوب های کربن- بور و ابر شبکه های تولید شده از نانو تیوب های کربن- بور فلز می شوند. برای روشن ساختن این موضوع، ما سپس نوارهای انرژی ابررساناهای بیشتری( مانند ابر شبکه های تولید شده از نانو تیوب های کربن- بور(n=3,4,…,9; t=1,2,…,7)) را محاسبه کردیم. این ابر شبکه ها دارای قطر و طول مختلفی هستند. نتایج نشان می دهد که برای تیوب های ایجاد شده از حالت صندلی، BCNTSL های با قطر کوچک نیمه رسانا هستند و برای قطرهای بزرگتر، فلزی می شوند. این مسئله به طور کمی با مشاهدات بدست آمده در BNT ها، تطابق دارد. در واقع وقتی BNT ها نیمه رسانا می شوند که قطر آنها کمتر از 17 A باشد. این در حالی است که اگر این قطر بزرگتر باشد، این مواد نیمه رسانا می شوند. این مسئله در مورد CNT ها کاملا متفاوت است. در واقع خواص الکترونی در CNT ها عمدتا به بردار کایرالیتی (n,m) وابسته هستند. وقتی (n,m) مضرب 3 باشد، این ماده فلزی است در غیر این صورت، این مواد نیمه رساناست. علاوه براین، ساختارهای الکتریکی BCNTSL ها دارای رفتارهای پیچیده ای نسبت به CNT ها و BNT های خالص هستند. BCNTSL وقتی نیمه رسانا هستند که قطر بخش BNT کوچکتر یا برابر با BNT(4,4) باشد(BNT(4,4) دارای قطری برابر با 6.5 A است). در غیر این صورت، BCNTSL ها فلزی هستند. ابر شبکه های تولید شده از نانو تیوب های کربن- بور، ابر شبکه های تولید شده از نانو تیوب های کربن- بور، ابر شبکه های تولید شده از نانو تیوب های کربن- بور و ابر شبکه های تولید شده از نانو تیوب های کربن- بور.
نسبت میان تعداد سلول های واحد BNT و CNT در یک واحد تکرار شونده از BCNTSL ها، می تواند همچنین بر روی ساختار الکترونی این ابر شبکه ها، اثر بگذارد. برای تعداد مختلف از سلول های واحد BNT و CNT در یک ابر شبکه، گاف انرژی به عنوان تابعی از تعداد سلول های واحد در یک بخش CNT با نام t (t=1,2,3,…,7)دارای نوسان 0.0 تا 0.6 eV می باشد( برای ابر شبکه های تولید شده از نانو تیوب های کربن- بور و ابر شبکه های تولید شده از نانو تیوب های کربن- بور ( شکل 3). علاو ه براین، B_2 (n,n) C_1 (n,n) برای n برابر با 3و4و5و6 با دو سلول واحد BNT و یک سلول واحد CNT در یک ابر شبکه، نیمه رساناست. برای B_2 (5,5) C_t (5,5) ، وقتی t=1 باشد، تیوب یک نیمه رساناست و وقتی t=2,3,4 باشد، تیوب ها فلزی می شوند. بنابراین، خواص الکترونیک BCNTSL ها می تواند بوسیله ی تغییر قطر تیوب و نسبت میان تعداد سلول های واحد BNT به سلول متناوب CNT، تنظیم می شود.
این مسئله جالب است که بدانید، نوسانات مشابه برای رسانای تفاضلی در طول محور محدود به نانوتیوب های تک دیواره نیز مشاهده شده است. مدل ذره ی داخل جعبه برای توصیف این رفتار پیشنهاد شده است. در اینجا یک رابطه ی ساده میان طول تیوب و طول موج موج در تیوب وجود دارد. نوسانات گاف نواری در CNT های تک دیواره ی محدود شده نیز با استفاده از روشی دیگر، تفسیر می شود. در این روش مکانیزم درگیر می تواند به فعل و انفعالات میان تقارن از بین رفته و شرایط مرزی نسبت داده شوند. این فعل وانفعالات ممکن است خواص الکترونیکی CNT های دارای طول محدود را تغییر دهند. برای مسئله ی BCNTSL، نوسانات گاف نواری ممکن است از فعل و انفعالات هندسه ی انتقالی از بین رفته، اثر سطح مشترک و اربیتال های مرزی، ناشی شوند.
برای یادگیری رفتار مدولاسیون ساختار الکترونیکی در این ابر شبکه ها، دانسیته ی حالات( DOS) محاسبه شده است( شکل 2). این می تواند مشاهده شود که اگر چه ابر شبکه های تولید شده از نانو تیوب های کربن- بور یک فلز است، گاف انرژی در زیر سطح فرمی قرار دارد. ممکن است کسی گمان کند که سطح فرمی در BCNTSL نسبت به BNT های خالص،شیفت پیدا کرده باشد. برای تأیید این موضوع، تجمع بار Mulliken مورد مقایسه قرار گرفته است. نتایج نشان داده است که تمام اتم های بور دارای بار منفی هستند، در حالی که تمام اتم های کربن دارای بار مثبت هستند. و این مسئله منجر می شود تا انتقال الکترون از اتم های کربن به اتم های بور انجام شود. به یاد آورید که یک BNT خالص با قطر کمتر از 17A نیمه رساناست بنابراین، اگر بخش BNT در ابر سلول طولانی تر باشد، خواص BCNTSL عمدتا متأثر از بخش CNT است. در یک ابر شبکه های تولید شده از نانو تیوب های کربن- بور ، تعداد یکسانی از الکترون های والانس برای اتم های کربن و بور وجود دارد، اما دانسیته ی حالات ایجاد شده( PDOS) برای اتم های بور بزرگتر از PDOS ایجاد شده برای اتم های کربن است. این مسئله نشاندهنده ی این است که یک چنین ابر شبکه های نانوتیوبی دارای حالت های محدود شده است هستند که ممکن است بوسیله ی غیر هموژن بودن نانوتیوب های بور و کربن، القا می شود. بر اساس این مشاهدات، می تواند BCNTSL های فلزی و نیمه رسانا را می توان طراحی کرد. اگر ما نسبت میان تعداد سلول های واحد BNT به تعداد سلول های واحد CNT را در یک واحد متناوب، افزایش دهیم، ابر شبکه تمایل دارد تا با توجه به خواص BNT خالص، به یک نیمه رسانا تبدیل شوند. با وجود این، استثناهایی هم وجود دارد. وقتی ابر شبکه ها بسط داده می شوند، زیر نوارها ممکن است در ساختارهای نواری ظاهر شوند. این مسئله می تواند گاف انرژی را کاهش دهد و موجب شود تا انرژی فرمی با برخی از نوارها تلاقی داشته باشد. این مسئله نشاندهنده ی رفتار فلزی است. برای مثال، ابر شبکه های تولید شده از نانو تیوب های کربن- بور یک فلز است اما ابر شبکه های تولید شده از نانو تیوب های کربن- بور یک نیمه رساناست.

رسانایی کوانتمی

حال بیایید رسانایی کوانتمی اتصال نانوتیوبی کربن- بور را مورد بررسی قرار دهیم. به عنوان یک مثال، ما یک چنین اتصالی را در نظر گرفته ایم که ناحیه ی مرکزی ابر شبکه های تولید شده از نانو تیوب های کربن- بور به هر طیف اتصال داده شده اند( این کار با استفاده از یک CNT(6,6) کامل نیمه محدود انجام شده است). نتیجه ی بدست آمده، نشان می دهد که رسانایی( G) ( که بوسیله ی احتمال انتقال و با توجه به فرمول Landauer- Buttiker تعیین شده است) در حوالی سطح فرمی، دارای نوسان است( شکل 4b). برای مقایسه، ما همچنین رسانایی CNT(6,6) خالص را در حدود سطح فرمی بدست آورده ایم. این مقدار برابر است با ابر شبکه های تولید شده از نانو تیوب های کربن- بور. همانطور که دیده می شود، هر دو نمودار کاملا متفاوت هستند و این نشان می دهد که اضافه نمودن بخش های BNT می تواند منجر به تغییر رسانایی کوانتمی شده، شود. این مسئله قبلا در CNT های خالص مشاهده شده است که دلیل بوجود آمدن آن، از بین رفتن تقارن و تفرق چندگانه در دو سطح مشترک، بیان شده بود. DOS در ابر شبکه های تولید شده از نانو تیوب های کربن- بور و CNT(6,6) خالص نیز بدست آمده است( شکل 4c) که این نتایج با نتایج حاصله از رسانایی تطابق دارد. خواص مشابهی نیز در اتصالات نانوتیوبی ابر شبکه های تولید شده از نانو تیوب های کربن- بور کربن- بور نیز مشاهده شده است .

خلاصه

ما این مسئله را گفتیم که با استفاده از محاسبات قوانین مقدماتی، ابر شبکه های نانوتیوبی کربن- بور پایدار، می تواند از طریق اتصال متناوب بخش های BNT به CNT تولید شوند. BCNTSL حاصله می تواند یک فلز یا نیمه رسانا باشد. این مسئله به قطر تیوب ها و نسبت میان تعداد سلول های واحد BNT به CNT بستگی دارد. تجمع بار Mulliken نشان داده است که الکترون ها در یک BCNTSL از اتم های کربن به اتم های بور انتقال می یابند. یک PDOS بزرگ بر روی بخش های BNT مشاهده شده است. این مسئله نشاندهنده ی این است که حالات محدود ممکن است در ابرشبکه وجود داشته باشند. رسانایی کوانتمی اتصال CNT-BNT-CNTدر سطح فرمی دارای نوساناتی است که این مسئله در CNT خالص، متفاوت است. یافته های کنونی نشان می دهد که با تنظیم قطر تیوب ها یا طول بخش های BNT و CNT می توان ابر شبکه های نانوتیوبی فلزی یا نیمه رسانا تولید کرد. این مواد ممکن است در برخی کاربردهای آینده مورد استفاده قرار گیرند.





تاریخ : چهارشنبه 96/3/17 | 11:40 صبح | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()
نانوتکنولوژی و ساختمان های سبز
مترجم: حبیب الله علیخانی

مقدمه
طراحی، ساخت و بهره برداری از ساختمان ها بازار فروش قابل توجهی دارد. این بازار در ایالات متحده آمریکا در حدود 1 تریلیون دلار در سال است. در این بازار هنوز بوسیله ی نانوتکنولوژی لمس نشده است و نانوتکنولوژی در آن نفوذ نکرده است. تقاضا برای نانومواد در ایالات متحده ی آمریکا در سال 2006، کمتر از 20 میلیون دلار بوده است. به هر حال، بر طبق گزارشات انتشار یافته، این نشان داده شده است که حرکت صنعت ساختمان به سمت تولید ساختمان های سبز یک فرصت چند میلیارد دلاری برای محصولات بر پایه ی نانو ایجاد کرده است. برای معماران، مهندسین، توسعه دهندگان، پیمانکاران و صاحبان ساختمان ها، محصولات نانویی و نانومواد مزیت های محیطی قابل توجهی ایجاد می کنند و بوسیله ی این مواد، تقاضای روزافزون برای خانه های سبزتر و با قابلیت تحمل بالاتر، برطرف می شود.
نانوتکنولوژی که در واقع دستکاری ماده در ابعاد مولکولی است، مواد و قابلیت های جدیدی برای صنایعی مانند الکترونیک، پزشکی، انرژی و هوانوردی ایجاد می کند. قابلیت ما برای طراحی مواد جدید از طریق رویه ی پایین به بالا نیز بر روی صنایع ساختمانی اثر گذار است. مواد و محصولات جدید بر پایه ی نانوتکنولوژی می تواند در ساخت عایق ها، پوشش ها و تکنولوژی خورشیدی، مورد استفاده قرار گیرد. کارهای آزمایشگاهی که امروزه در حال انجام می باشد، در آینده ی نزدیک موجب پدید آمدن محصولات جدید خواهد شد.
در صنعت ساختمان، نانوتکنولوژی هم اکنون در زمینه ی تولید پنجره های خود تمیزشونده، بتن های جاذب مه دود (smog-eating concrete) و بسیاری از پیشرفت های دیگر وارد شده است. اما این مزیت ها و محصولات موجود در مقایسه با مباحث نانوتکنولوژی که امروزه، در سطح آزمایشگاه ها مطرح شده است، ناچیز است. در این زمینه، کارهای تحقیقاتی در حال انجام مثلاً محققین بر روی دیوارهایی در حال کار هستند که رنگ آنها با یک ضربه، تغییر می کند، نانوکامپوزیت های با ضخامتی نازک (در حد ضخامت شیشه) هنوز قادر به حمایت از کل ساختمان هستند و سطوح فوتوسنتز نمای هر ساختمانی را به یک منبع انرژی آزاد تبدیل کرده است. این تخمین انجام شده است که در سال 2016، بازار نانومواد در آمریکا میزان 400 میلیون دلار فروش داشته باشد. این مقدار 20 برابر مقدار کنونی است.

خانه های سبز

ظهور دوران نانو در ساختمان سازی، در دوران مناسبی انجام نشد زیرا در دوره ی ظهور نانو در این صنعت، صنعت ساختمان سازی دوران سختی را می گذراند. خانه های سبز یکی از موضوعات اورژانسی در زمان ماست. سرویس های انرژی و گرمایش که برای ساختمان های مسکونی، تجاری و صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند، تقریباً 43 % از انتشار کربن دی اکسید در آمریکا را به خود اختصاص داده است. در کل جهان، ساختمان ها 30 تا 40 % از برق تولید شده در دنیا را مصرف می کنند. در ایالات متحده ی آمریکا، ضایعات حاصل از ساخت ساختمان 40 % از کل مواد دفن شده را به خود اختصاص می دهد. جنگل زدایی، تخریب خاک، آلودگی های محیط زیستی، اسیدی شدن، تخریب لایه ی اوزن، کاهش میزان سوخت های فسیلی، تغییرات در آب و هوا و ریسک های سلامتی، برخی از عوارض ساختمان سازی و عملیات های مربوطه می باشد. به طور واضح باید گفت: ساختمان ها نقش اساسی در وضعیت نامساعد محیط زیستی کنونی دارند.
اما همچنین ساختمان سازی فرصت قابل توجهی را برای بهبود کیفیت محیط زیست و سلامت انسان ها دارد. ساختمان های سبز یکی از تلاش ها به منظور کاهش میزان ضایعات، مواد سمی و میزان مصرف انرژی و منابع در ساختمان سازی است. پیشرفت در زمینه ی ساختمان های سبز به جایگاهی رسیده است که امروزه در شهرهایی مانند شیکاکو و سیاتل، خانه های جدیدی با استاندارد های محیط زیستی بالا، ساخته شده اند. صاحبان خصوصی و عمومی خانه ها نیازمند این هستند که ساختمان های جدید بتوانند معیارهای سخت گیرانه ای مانند معیارهای محیط زیستی و انرژی مربوط به ساختمان های سبز (LEED) را برطرف کنند. دستورالعمل انرژی برای ساختمان های اداری و مسکونی و استاندارد 90.1 ASHRAE پیشنهادهایی به منظور کاهش مصرف انرژی در ساختمان ها ارائه کرده اند. همچنین این دستورالعمل ها، بخشنامه های در مورد معیارهایی ارائه کرده اند که برای ساخت ساختمان های جدید باید به آنها توجه کرد.
در سال 2007، این پیش بینی شده بود که سهم خانه های سبز از تجارت 142 میلیارد دلاری بازار ساختمان به بیش از 12 میلیارد دلار برسد. و به دلیل اینکه صاحبان خانه ها، معماران و ساختمان سازان سرتاسر دنیا به طور فزاینده ای به این نوع خانه ها علاقه مند شده اند، یک افزایش قابل توجه در زمینه ی استفاده از این ساختمان ها ایجاد شده است. استفاده از این ساختمان ها موجب کاهش تخریب محیط زیست و کاهش ضایعات و انتشار گازهای گلخانه ای می شود. همچنین یکی از نتایج این استفاده، کاهش مصرف انرژی می باشد.
تغییرات آب و هوا مورد آنالیز قرار می گیرد و برنامه های جهانی در مورد کاهش اثرات ساختمان سازی بر روی این تغییرات در حال انجام می باشد. مثلاً یکی از این برنامه ها که "مبارزه با تغییرات آب و هوایی در ایالات متحده ی آمریکا" نامیده می شود، بوسیله ی جامعه ی انرژی خورشیدی آمریکا در حال انجام می باشد. برای مثال این جامعه پیشنهاد کرده است که برای کاهش انتشار دی اکسید کربن به میزان مناسب، باید 40 % در مصرف انرژی بخش ساختمان سازی، صرفه جویی شود. این میزان صرفه جویی در بخش حمل و نقل و صنعت هرکدام به میزان 30 % باید انجام شود. با استفاده از طراحی های بهتر در پوشش ساختمان ها، استفاده ی بیشتر از نور روز و افزایش بازده در وسایل مورد استفاده در ساختمان سازی، مشکلات مربوط به تغییر در آب و هوا از بین می رود و میزان مصرف انرژی نیز کاهش می یابد.
متخصصین ساختمان های سبز در جستجوی توسعه ی پایدار این صنعت هستند. توسعه ای که نیازهای کنونی را بدون به خطر انداختن قابلیت نسل های آینده به منظور برطرف شدن نیازهای خود (در زمینه ی طراحی، ساخت و کارکرد ساختمان ها)، برطرف کند. آنها می کوشند تا استفاده از منابع غیر قابل تجدید پذیری مانند زغال سنگ، نفت، گاز طبیعی و مواد معدنی را به حداقل برسانند و میزان تولید ضایعات و آلودگی ها را نیز به حداقل برساند. مصرف انرژی در ساختمان های سبز، یک مورد حیاتی است زیرا این مسئله هم موجب کاهش مصرف منابع و همچنین کاهش تولید ضایعات و آلودگی ها می شود.
اما برخی موانع سر راه تولید کنندگان خانه های سبز و رسیدن به این اهداف، وجود دارد. آموزش و اقتصاد، دو فاکتور حیاتی محسوب می شوند و تلاش ها در این زمینه برای آگاهی دادن به مشتریان و طراحان این ساختمان ها در حال انجام است. هزینه مربوط به ساخت ساختمان های سبز به طور نمونه وار 5 % بیشتر از هزینه ی ساخت ساختمان های انرژی بر قدیمی است ولی هزینه های دوره ای ساختمان های سبز، واقعاً پایین است. سیاست ها، مقررات و استانداردها نیز نقش مهی ایفا می کنند و این موارد در برخی نواحی، به سرعت تغییر می کند. با ایجاد این تغییرات، امکان سبزتر شدن خانه فراهم می آید.
اما برای اینکه صنعت ساختمان به پتانسیل بالقوه ی خود به عنوان رهبر توسعه ی پایدار دست یابد، مواد جدید واقعاً مورد نیاز می باشند.





تاریخ : چهارشنبه 96/3/17 | 11:39 صبح | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()
نانوتکنولوژی و ساختمان های سبز
مترجم: حبیب الله علیخانی

مقدمه
طراحی، ساخت و بهره برداری از ساختمان ها بازار فروش قابل توجهی دارد. این بازار در ایالات متحده آمریکا در حدود 1 تریلیون دلار در سال است. در این بازار هنوز بوسیله ی نانوتکنولوژی لمس نشده است و نانوتکنولوژی در آن نفوذ نکرده است. تقاضا برای نانومواد در ایالات متحده ی آمریکا در سال 2006، کمتر از 20 میلیون دلار بوده است. به هر حال، بر طبق گزارشات انتشار یافته، این نشان داده شده است که حرکت صنعت ساختمان به سمت تولید ساختمان های سبز یک فرصت چند میلیارد دلاری برای محصولات بر پایه ی نانو ایجاد کرده است. برای معماران، مهندسین، توسعه دهندگان، پیمانکاران و صاحبان ساختمان ها، محصولات نانویی و نانومواد مزیت های محیطی قابل توجهی ایجاد می کنند و بوسیله ی این مواد، تقاضای روزافزون برای خانه های سبزتر و با قابلیت تحمل بالاتر، برطرف می شود.
نانوتکنولوژی که در واقع دستکاری ماده در ابعاد مولکولی است، مواد و قابلیت های جدیدی برای صنایعی مانند الکترونیک، پزشکی، انرژی و هوانوردی ایجاد می کند. قابلیت ما برای طراحی مواد جدید از طریق رویه ی پایین به بالا نیز بر روی صنایع ساختمانی اثر گذار است. مواد و محصولات جدید بر پایه ی نانوتکنولوژی می تواند در ساخت عایق ها، پوشش ها و تکنولوژی خورشیدی، مورد استفاده قرار گیرد. کارهای آزمایشگاهی که امروزه در حال انجام می باشد، در آینده ی نزدیک موجب پدید آمدن محصولات جدید خواهد شد.
در صنعت ساختمان، نانوتکنولوژی هم اکنون در زمینه ی تولید پنجره های خود تمیزشونده، بتن های جاذب مه دود (smog-eating concrete) و بسیاری از پیشرفت های دیگر وارد شده است. اما این مزیت ها و محصولات موجود در مقایسه با مباحث نانوتکنولوژی که امروزه، در سطح آزمایشگاه ها مطرح شده است، ناچیز است. در این زمینه، کارهای تحقیقاتی در حال انجام مثلاً محققین بر روی دیوارهایی در حال کار هستند که رنگ آنها با یک ضربه، تغییر می کند، نانوکامپوزیت های با ضخامتی نازک (در حد ضخامت شیشه) هنوز قادر به حمایت از کل ساختمان هستند و سطوح فوتوسنتز نمای هر ساختمانی را به یک منبع انرژی آزاد تبدیل کرده است. این تخمین انجام شده است که در سال 2016، بازار نانومواد در آمریکا میزان 400 میلیون دلار فروش داشته باشد. این مقدار 20 برابر مقدار کنونی است.

خانه های سبز

ظهور دوران نانو در ساختمان سازی، در دوران مناسبی انجام نشد زیرا در دوره ی ظهور نانو در این صنعت، صنعت ساختمان سازی دوران سختی را می گذراند. خانه های سبز یکی از موضوعات اورژانسی در زمان ماست. سرویس های انرژی و گرمایش که برای ساختمان های مسکونی، تجاری و صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند، تقریباً 43 % از انتشار کربن دی اکسید در آمریکا را به خود اختصاص داده است. در کل جهان، ساختمان ها 30 تا 40 % از برق تولید شده در دنیا را مصرف می کنند. در ایالات متحده ی آمریکا، ضایعات حاصل از ساخت ساختمان 40 % از کل مواد دفن شده را به خود اختصاص می دهد. جنگل زدایی، تخریب خاک، آلودگی های محیط زیستی، اسیدی شدن، تخریب لایه ی اوزن، کاهش میزان سوخت های فسیلی، تغییرات در آب و هوا و ریسک های سلامتی، برخی از عوارض ساختمان سازی و عملیات های مربوطه می باشد. به طور واضح باید گفت: ساختمان ها نقش اساسی در وضعیت نامساعد محیط زیستی کنونی دارند.
اما همچنین ساختمان سازی فرصت قابل توجهی را برای بهبود کیفیت محیط زیست و سلامت انسان ها دارد. ساختمان های سبز یکی از تلاش ها به منظور کاهش میزان ضایعات، مواد سمی و میزان مصرف انرژی و منابع در ساختمان سازی است. پیشرفت در زمینه ی ساختمان های سبز به جایگاهی رسیده است که امروزه در شهرهایی مانند شیکاکو و سیاتل، خانه های جدیدی با استاندارد های محیط زیستی بالا، ساخته شده اند. صاحبان خصوصی و عمومی خانه ها نیازمند این هستند که ساختمان های جدید بتوانند معیارهای سخت گیرانه ای مانند معیارهای محیط زیستی و انرژی مربوط به ساختمان های سبز (LEED) را برطرف کنند. دستورالعمل انرژی برای ساختمان های اداری و مسکونی و استاندارد 90.1 ASHRAE پیشنهادهایی به منظور کاهش مصرف انرژی در ساختمان ها ارائه کرده اند. همچنین این دستورالعمل ها، بخشنامه های در مورد معیارهایی ارائه کرده اند که برای ساخت ساختمان های جدید باید به آنها توجه کرد.
در سال 2007، این پیش بینی شده بود که سهم خانه های سبز از تجارت 142 میلیارد دلاری بازار ساختمان به بیش از 12 میلیارد دلار برسد. و به دلیل اینکه صاحبان خانه ها، معماران و ساختمان سازان سرتاسر دنیا به طور فزاینده ای به این نوع خانه ها علاقه مند شده اند، یک افزایش قابل توجه در زمینه ی استفاده از این ساختمان ها ایجاد شده است. استفاده از این ساختمان ها موجب کاهش تخریب محیط زیست و کاهش ضایعات و انتشار گازهای گلخانه ای می شود. همچنین یکی از نتایج این استفاده، کاهش مصرف انرژی می باشد.
تغییرات آب و هوا مورد آنالیز قرار می گیرد و برنامه های جهانی در مورد کاهش اثرات ساختمان سازی بر روی این تغییرات در حال انجام می باشد. مثلاً یکی از این برنامه ها که "مبارزه با تغییرات آب و هوایی در ایالات متحده ی آمریکا" نامیده می شود، بوسیله ی جامعه ی انرژی خورشیدی آمریکا در حال انجام می باشد. برای مثال این جامعه پیشنهاد کرده است که برای کاهش انتشار دی اکسید کربن به میزان مناسب، باید 40 % در مصرف انرژی بخش ساختمان سازی، صرفه جویی شود. این میزان صرفه جویی در بخش حمل و نقل و صنعت هرکدام به میزان 30 % باید انجام شود. با استفاده از طراحی های بهتر در پوشش ساختمان ها، استفاده ی بیشتر از نور روز و افزایش بازده در وسایل مورد استفاده در ساختمان سازی، مشکلات مربوط به تغییر در آب و هوا از بین می رود و میزان مصرف انرژی نیز کاهش می یابد.
متخصصین ساختمان های سبز در جستجوی توسعه ی پایدار این صنعت هستند. توسعه ای که نیازهای کنونی را بدون به خطر انداختن قابلیت نسل های آینده به منظور برطرف شدن نیازهای خود (در زمینه ی طراحی، ساخت و کارکرد ساختمان ها)، برطرف کند. آنها می کوشند تا استفاده از منابع غیر قابل تجدید پذیری مانند زغال سنگ، نفت، گاز طبیعی و مواد معدنی را به حداقل برسانند و میزان تولید ضایعات و آلودگی ها را نیز به حداقل برساند. مصرف انرژی در ساختمان های سبز، یک مورد حیاتی است زیرا این مسئله هم موجب کاهش مصرف منابع و همچنین کاهش تولید ضایعات و آلودگی ها می شود.
اما برخی موانع سر راه تولید کنندگان خانه های سبز و رسیدن به این اهداف، وجود دارد. آموزش و اقتصاد، دو فاکتور حیاتی محسوب می شوند و تلاش ها در این زمینه برای آگاهی دادن به مشتریان و طراحان این ساختمان ها در حال انجام است. هزینه مربوط به ساخت ساختمان های سبز به طور نمونه وار 5 % بیشتر از هزینه ی ساخت ساختمان های انرژی بر قدیمی است ولی هزینه های دوره ای ساختمان های سبز، واقعاً پایین است. سیاست ها، مقررات و استانداردها نیز نقش مهی ایفا می کنند و این موارد در برخی نواحی، به سرعت تغییر می کند. با ایجاد این تغییرات، امکان سبزتر شدن خانه فراهم می آید.
اما برای اینکه صنعت ساختمان به پتانسیل بالقوه ی خود به عنوان رهبر توسعه ی پایدار دست یابد، مواد جدید واقعاً مورد نیاز می باشند.





تاریخ : چهارشنبه 96/3/17 | 11:38 صبح | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()

 


هنگامی که شیئی سریع‌تر از سرعت صوت حرکت کند، گفته می‌شود که آن شئ دیوار صوتی را شکسته است. در این مقاله، نگاهی به این پدیده خواهیم کرد و علل و اثرات آن را از نزدیک مورد بررسی قرار می‌دهیم.

آیا می‌دانستید؟

مخروطی از مه یا بخار دیده شده در اطراف هواپیمایی که به سرعت صوت نزدیک می‌شود، به علت امواج ضربه‌ای (shock waves) ایجاد شده در اثر سرعت مافوق صوت است که باعث کاهش فشار هوا و تراکم آب جو می‌شود.

دیوار صوتی چیست؟

دیوار صوتی را می‌توان به عنوان یک دیوار فرضی در مقابل حرکت فراتر از سرعت صوت تعریف کرد، بنابراین فرض بر این قرار داده می‌شود که هواپیما دستخوش افزایش ناگهانی نیروی کششی می‌شود که از تراکم هوای اطراف آن به هنگام رسیدن به سرعت نزدیک به سرعت صوت ایجاد می‌گردد. با پیشرفت در تکنولوژی هوانوردی نظامی، هواپیماهایی مانند F / A-18F سوپر هورنت و F-22 رپتور، از سرعت صوت فراتر رفته و با شکستن دیوار صوتی، انفجارهای صوتی بلندی (صدای انفجاری ناشی از شکستن دیوار صوتی) را بر طبق قاعده‌ای منظم بوجود می‌آورند.
امواج صوتی در سطح دریا و در دمای استاندارد 22 درجه سانتیگراد، با سرعتی در حدود 340 متر بر ثانیه (m / s) (760 مایل در ساعت) حرکت می‌کنند. سرعت صوت در نسبتی مستقیم با دمای محیط اطراف و چگالی محیط، افزایش یا کاهش می‌یابد. بر این اساس، سرعت شکستن دیوار صوتی با توجه به شرایط جوی اطراف آن تغییر می‌کند. مثال ساده‌ای از شکسته شدن دیوار صوتی می‌تواند صدایی باشد که شلاق چرمی تولید می‌کند و آن هنگامی است که نوک آن سریعتر از سرعت صوت حرکت کرده و صدایی ناگهانی و بلند ( یک انفجار صوتی کوچک) تولید می‌نماید.
توجه به این مسئله حائز اهمیت است که هرچند عامه‌ی مردم به طور غیر ارادی تصور می‌کنند که سرعت صدا برابر با سرعت صوت در هوا است، اما بایستی گفت که در واقع این سرعت همواره بسته به چگالی و نوع محیطی که از آن عبور می‌کند، متفاوت خواهد بود. به عنوان مثال، سرعت صوت در آب تقریباً چهار برابر سرعت صوت در هوا یعنی در حدود 1500 متر بر ثانیه است.

به هنگام شکسته شدن دیوار صوتی، چه اتفاقی رخ می‌دهد؟

برای آنکه پی ببریم به هنگام شکسته شدن دیوار صوتی به وسیله‌ی یک شی، چه اتفاقی رخ می‌دهد، بایستی صوت را به عنوان موجی با سرعت محدود در نظر بگیریم. همچنین بایستی نظری بیاندازیم به اینکه چگونه جریان هوای اطراف هواپیما با افزایش سرعت آن تغییر می‌کند.

در کمتر از سرعت صوت:

هواپیماهایی که آهسته‌تر از سرعت صوت حرکت می‌کنند، اختلالاتی در فشار هوا ایجاد می‌کنند که به فاصله‌ای از هواپیما با سرعت صوت در حرکتند. جریان هوا زمان کافی جهت متفرق و پراکنده ساختن این اختلال فشار را دارد. در این شرایط، صدای هواپیما پیش از اینکه خود دیده شود، به گوش شخص ناظر می‌رسد.
شکسته شدن دیوار صوتی به چه معناست؟

سرعتی برابر با سرعت صوت:

شکسته شدن دیوار صوتی به چه معناست؟
هنگامی که هواپیما به سرعتی برابر با سرعت صوت می‌رسد، اختلالات فشاری کنار هم در جلوی هواپیما جمع می‌شوند. هواپیما به امواج فشاری که به دلیل نیروی رو به جلو بسیار قدرمتند موتور (نیروی رانش thrust) ایجاد می‌شوند، بسیار نزدیک می‌شود. این امر موجب افزایش ناگهانی و قابل توجهی در نیروى پسا (فشار وارده در جهت‌ عکس‌ حرکت‌ هواپیما بر بال‌ها و تنه‌ى آن) (drag) می‌شود، به گونه‌ای که جریان هوا زمان بسیار کمی برای انطباق داشته و درون دیوار یا مانعی متراکم می‌شود.

بیشتر از سرعت صوت:

شکسته شدن دیوار صوتی به چه معناست؟
همانطور که هواپیما سریعتر از صوت حرکت می‌کند، و به سرعت مافوق صوت می‌رسد، هوا به هیچ وجه شانسی برای انطباق نداشته و موجب به وجود آمدن امواج ضربه‌ای عظیمی شده که می‌تواند مرتبط با صدای مهیبی همچون انفجار باشد به گونه‌ای که صدای خارج شده از هواپیما بسیار دیرتر از خود آن به گوش شنونده و ناظر می‌رسد. صدایی انفجاری تنها زمانی که هواپیما از دید ناظر عبور کند به گوش او خواهد رسید، به گونه‌ای که هوا با عجله قصد پر کردن فضای کم فشار پشت هواپیما را دارد. هنگامی که یک جت دیوار صوتی را می‌شکند، بیشتر صدای انفجاری مانند صدای ناگهانی زودگذر اما بلند رعد و برق شنیده می‌شود. شدت یک انفجار صوتی با شتاب بالاتر یا پایین‌تر تغییر نمی‌کند، در عوض، اندازه و سایز هواپیما بر این شدت انفجار تأثیر می‌گذارد، به این معنی که هواپیمایی بزرگتر، مقدار هوای بیشتری را جابجا کرده و منجر به صدای انفجاری بلندتری خواهد شد.

دستاوردها و سوابق بشر

در اوایل دهه‌ی 1930 محققان توجه خود را متوجه‌ی چالش‌هایی کردند که خلبانان در حین تلاش برای رسیدن به سرعت‌های مافوق صوت با آنها مواجه می‌شوند. اگرچه مشخص شده بود که اشیاء دیگری، مانند گلوله‌ی تفنگ، گلوله‌ی توپ، و شهاب سنگ سریعتر از صوت حرکت می‌کنند، اما بسیار تردید داشتند که آیا یک هواپیما و یا یک فرد می‌تواند فشارهایی از حرکت با چنین سرعتی را تحمل کند یا خیر. نیروی هوایی ایالات متحده تصمیم گرفت که این نظریه‌ها را مورد آزمایش قرار دهد.
در نهایت، در 14 اکتبر 1947 پس از پشت سر گذاشتن تقریباً یک دهه تحقیق، چاک ییگر (Chuck Yeager) کاپیتان نیروی هوایی ایالات متحده نخستین فرد در تاریخ بشر بود که توانست به وسیله‌ی یک هواپیمای پژوهشی با قدرت موشک بنام Bell-X1 با موفقیت دیوار صوتی را بشکند. این رویداد راه را برای فضانوردی و اکتشاف فرازمینی انسان هموار ساخت. تا پیش از پایان دهه‌ی 1950، هواپیماهای جت به طور معمول این رکورد سرعت را می‌شکستند.
در 14 اکتبر سال 2012، دقیقا 65 سال پس از به نتیجه رساندن این شاهکار، فردی دیگر بنام فلیکس بومگارتنر (Felix Baumgartner) دیوار صوتی را شکست. اما، او این کار را به تنهایی و بدون کمک انجام داد، به این صورت که از بالونی هلیومی که در استراتوسفر با ارتفاع 125097 پا (24 مایل) از سطح زمین شناور بود، به بیرون پرید. فلیکس پس از این پرش، به مدت حدود 34 ثانیه به حالت سقوط آزاد باقی ماند و آن هنگامی بود که دیوار صوتی را شکست و به سرعتی در حدود 834 مایل در ساعت (24ر1 ماخ) رسید. این سرعت بالا به دلیل مقاومت هوا و فشار پایین موجود در استراتوسفر امکان‌پذیر بود.
با وجود اینکه امروزه این امر برای بسیاری از هواپیماها عادی شده، اما شکستن دیوار صوتی ارزان تمام نمی‌شود، به این دلیل که فشار و عبور از این دیوار هوایی میزان مصرف سوخت را بالا می‌برد. به همین دلیل است که خطوط هوایی تجاری از پرواز با سرعت مافوق صوت اجتناب می‌کنند. این موفقیت در شکستن دیوار صوتی برای تمام مردم سراسر دنیا الهام بخش بوده، و ثابت نموده است که با اراده و شجاعت هر مانع و سدی می‌تواند در نهایت شکسته شود.





تاریخ : یکشنبه 95/11/17 | 10:18 صبح | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()


به غیر از تجربه منحصر به فردی که سفر به فضا دارد، این سفر ممکن است تاثیرات خاصی را بر بدن داشته باشد که ممکن است مشکلات سلامتی کوتاه مدت و همچنین بلند مدت را در آینده به همرا داشته باشد . این مقاله شما را از مشکلات سلامتی احتمالی و تاثیرات منفی که سفر به فضا ممکن است بر بدن‌تان داشته باشد، آگاه می‌کند.

بیماری فضایی

حدود 60 الی 70 درصد فضانوردان، بیماری ناشی از حرکت را در فضا تجربه کرده‌اند، که این بیماری طی 2 تا 3 روز و به محض آن‌که آن‌ها به محیط فضا عادت ‌کنند، فروکش می‌کند.
همه ما می‌دانیم که بدن‌ ما به طور خاص برای زندگی روی زمین در نظر گرفته شده است. ما به خوبی به محیط زمین عادت کرده‌ایم که حتی کوچک ترین تغییری در این محیط می‌تواند آسیب مخربی بر بدن وارد کند و عملکرد اندام‌های مختلف را دچار اختلال می‌کند. این اختلال زمانی که فضانوردان به خارج فضا، جایی که شرایط محیط کاملا متفاوت از محیط زمین است، حرکت می‌کنند حتی بیشتر هم می‌شود.
لحظه‌ای که فضانورد از جو زمین خارج می‌شود، بدن او با توجه به تغییر در محیط، شروع به تجربه تغییراتی می‌کند. مهم‌ترین تغییری که همه ما می‌دانیم، نبود جاذبه و بی‌وزنی است. در حالی که روی زمین، بدن انسان به طور کلی به شرایط طبیعی زمین واکنش نشان می‌دهد و از این رو با آن سازگاری می‌یابد. از سویی دیگر، زمانی که فضانورد به فضا وارد می‌شود، بدن او شروع به واکنش دادن با شرایط عادی موجود در آنجا می‌کند. در حین انجام آن، انسان شروع به تجربه اثرات شدیدی در بدن خو می‌کند که در زیر مورد بحث قرار گرفته است. نگاهی به آن‌ها بی‌اندازید.

تاثیرات بی‌وزنی بر انسان

افزایش قد

هنگامی که فضانورد به فضا وارد می‌شود، به دلیل عدم وجود نیروی جاذبه، بدن، تراکم را تجربه نمی‌کند. این امر منجر به استراحت و در نهایت گستردگی و انبساط مهره‌ها می‌شود. این مورد بیشتر باعث کشیده شدن ستون فقرات می‌شود و فضانورد تقریبا حدود 0.5 متر بلندتر می‌شود. از آن‌جا که عضلات و رباط کمر کاملا شل می‌شوند، فضانورد ممکن است کمر درد شدیدی را تجربه نماید. با این حال، افزایش در قد موقتی است و هنگامی که فضانورد به زمین باز می‌گردد، قد او به مقدار اصلی خود برمی‌گردد.

تغییرات قلبی و عروقی تغییرات سیالی

بر روی زمین، قلب انسان خلاف نیروی گرانش زمین کار می‌کند و خون را برای پخش کردن به اندام‌های واقع در بدن، از قسمت‌های پایین‌تر بدن به سمت خود می‌کشد. با این حال، در فضا یا در شرایط نیروی گرانش صفر، قلب نباید برای چرخش خون به قسمت‌های بالا‌تر خیلی سخت کار کند، که این امر به تدریج به کاهش اندازه و عدم قرارگیری مناسب آن منجر می‌شود. فضانوردانی که در ماموریت‌های فضایی طولانی مدت از پیش تعیین شده هستند اما مشکلات قلبی عروقی غیر قابل تشخیص دارند در معرض خطر بیشتر ابتلا به عوارض شرایط خود هستند.
از آن‌جا که فضانوردان، ساکن محیطی هستند که فاقد کشش گرانشی است و تغییر عمده‌ای در عملکرد قلبی عروقی وجود دارد، تغییر جهت مایع در بدن آن‌ها رخ می‌دهد. در این وضعیت، خون که معمولا به طرف قسمت‌های پایینی بدن کشیده می‌شود، اکنون تغییر جهت می‌دهد و به سمت بالا، به طرف سر و تنه توزیع می‌شود. بدین دلیل، فضانوردان اغلب چهره پف کرده و سنگینی سر را تجربه می‌کنند. همچنین، یک نوع از عدم تناسب را می‌توان تجربه کرد، که در آن پاها از و سر و نیم‌تنه بالایی کوچکتر می‌شود.

تاثیرات تشعشع

جو زمین و میدان مغناطیسی از نفوذ اشعه‌های فضا بر سطح زمین که به زندگی موجودات زنده آسیب می‌رساند، جلوگیری می‌کند. با این حال، این لایه محافظتی در فضا وجود ندارد و از این رو، فضانوردان به طور مستقیم در معرض مقدار زیادی از تشعشات فضایی قرار دارند. مشکلات حاد مرتبط با سلامتی که به دلیل تشعشع ایجاد می‌شوند عبارتند از حالت تهوع، استفراغ، خستگی، آسیب پوستی، تغییرات درتعداد گلبول‌های سفید خون و سیستم ایمنی بدن. این مشکلات سلامتی ممکن است پس از آن‌که فضانورد به زمین باز می‌گردد، بهبود یابند. تاثیرات بلند مدت اشعه که ممکن است فضانورد آن‌ها را تجربه نماید شامل مشکلات بینایی، دستگاه گوارش، ریه‌ها و سیستم عصب مرکزی می‌باشد. اشعه ممکن است همچنین بر سلول‌های اندوتلیال یا همان پوشش نازک رگ‌های خونی تاثیر بگذارد،که ممکن است به بیماری عروق کرونر قلب منجر شود. علاوه بر این، قرار گرفتن در معرض اشعه برای طولانی مدت ممکن است منجر به اختلال در کارایی فضانورد گردد که خود این امر منجر به شکست ماموریت می‌شود.

بیماری حرکتی

همان‌طور که قبلا هم ذکر شد، بسیاری از فضانوردان، بیماری ناشی از حرکت در فضا را چند ساعت بعد از وارد شدن به فضا به شکل تهوع، استفراغ، سردرد و تشویش تجربه کرده‌اند. معمولا، بیماری ناشی از حرکت به واسطه تغییرات در گردش خون ایجاد می‌شود و علائم می‌توانند در عرض 2 تا 3 روز پس از گذشت پرتاب شدن به فضا، فروکش کند.

تاثیرات بر عضلات و استخوان‌ها

باتوجه به نیروی جاذبه صفر، بدن انسان در فضا شناور است. بنابراین، اگر فضانوردی بخواهد از نقطه‌ای به نقطه دیگر حرکت کند، او تنها باید به دیوارهای فضاپیما در خلاف جهت، مقدار کمی فشار وارد نماید. این کار مانع از کارکرد کافی عضلات است، در نتیجه آن‌ها را ضعیف‌تر می‌کند.
به طور مشابه، حتی استخوان‌ها در فضا خیلی استفاده نمی‌شوند، که ممکن است به بدتر شدن منجر شود و در نهایت، باعث پوکی ستخوان می‌شود. استخوان‌ها در قسمت پایین‌تر تنه وظیفه تحمل وزن بر روی زمین را انجام می‌دهند. زمانی که فردی به فضا وارد می‌شود، استخوان‌های پایین تنه دیگر باید وزن بالا تنه را نیز تحمل نماید و از این رو، شروع به شکننده و ضعیف شدن می‌کنند. با دوره‌های طولانی سفر فضایی، این وضعیت به یک سطح پیچیده پیشرفت می‌کند، تا جایی که افزایش شکست استخوان با آزاد شدن کلسیم و فسفر وجود دارد. کلسیم و فسفر آزاد شده که توسط بدن بازجذب می‌شود، استخوان‌ها را شکننده‌تر می‌سازد. علاوه بر این، آزاد شدن کلسیم می‌‌تواند خطر ابتلا به تشکیل سنگ کلیه و شکستگی‌های استخوانی را افزایش ‌دهد.
سفر فضایی تاثیرات زیادی بر عملکرد فضانورد دارد. بنابراین، برنامه تکنولوژیکی علم وفن‌آوری موسسه زیست پزشکی فضایی بین‌المللی یا به عبارت دیگر NSBRI درحال بررسی راه‌های به حداقل رساندن یا از بین بردن تغییراتی که در فضا در بدن انسان رخ می‌دهند، هستند و افزایش سطح عملکرد فضانوردان را در حالی که بتوانند در ماموریت‌های بلند مدت زنده بمانند را فراهم می‌کنند.






تاریخ : یکشنبه 95/11/17 | 10:18 صبح | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()
.: Weblog Themes By BlackSkin :.