بهبودی سریعتر زخم با استفاده از نوعی بانداژ الکتریکی
نوعی پانسمان و باند ارزان قیمت و جدید می‌تواند به طور شگفت انگیزی بهبود زخم را با سرعت چشمگیری همراه سازد. در این شیوه، از انرژی تولید شده از جنبش‌ها و تحرکات بدن خود بیمار، جهت اعمال پالسهای الکتریکی خفیف در محل آسیب دیدگی استفاده میشود. به این معنا که جنبش‌ها و حرکات بدن بیمار انرژی مورد نیاز این وسیله را تأمین می‌سازند.
روزی فراخواهد رسید که باندهای زخم میتوانند با وارد آوردن آرام پالسهای الکتریکی به زخم بهبود آن را تسریع بخشند. این باندها جهت تأمین انرژی مورد نیاز خود حتی به باتری نیز نیاز نخواهند داشت. جنبش‌های بدن خود بیمار این وسیله را به کار خواهد انداخت. و ظهور چنین سیستمی چندان دور از دسترس نیست. پژوهشگران پیش از این، نمونه اولیه آن را تولید کرده‌اند.
به گفته‌ی زودانگ وانگ (Xudong Wang): «احتمال می‌دادیم که این وسیله به درستی کار کند، اما هرگز فکر نمی‌کردیم عملکرد آن به این خوبی باشد». او می‌افزاید: «آنگاه پس از مشاهده نتیجه کار، متوجه شدیم که این وسیله واقعاً جالب و سحرآمیز است». وانگ دانشمند علم مواد از دانشگاه ویسکانسین ـ مدیسون (Wisconsin–Madison) است. او با هدایت گروهی از متخصصین در حال کار بر روی این بانداژ جدید است.
تیم او سالیان زیادی است که در حال توسعه و ساخت یک نانو ژنراتور می‌باشند. (نانو ژنراتور نوعی فناوری است که انرژی مکانیکی یا گرمایی را در ابعاد کوچک به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند). این وسیله از حرکات و فعالیتهای بدن جهت تولید الکتریسیته استفاده می‌نماید. این مهندسین امیدوار بودند که این وسیله را جهت به کار انداختن دستگاه‌های الکترونیکی قابل پوشیدن استفاده نمایند. آنگاه متوجه شدند که حتی می‌تواند فراتر از آن پیش رفته و در امر پزشکی مفید فایده واقع شود.
ده‌ها سال است که دانشمندان نسبت به این موضوع آگاهی دارند که الکتریسیته می‌تواند زخم‌ها را جهت بهبود تحریک سازد. به عنوان مثال، الکتریسیته موجب رشد سلولهای موجود بر روی سطح پوست میشود. این شیوه‌ی «الکتروتراپی یا برق درمانی» نیاز به دستگاه‌های بزرگ همراه با منبع انرژی دارد. به همین دلیل معمولاً تنها در بیمارستانها جهت درمان آسیب‌های جدی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
مهندسان ویسکانسین اکنون موفق به ساخت باند زخم با الکترودهای کوچک شده‌اندمهندسان ویسکانسین اکنون موفق به ساخت باند زخم با الکترودهای کوچک شده‌اند. وانگ عنوان می‌کند که: «وسیله‌ای که ما ساخته‌ایم بسیار ساده است». «این وسیله قابل انعطاف بوده و از قابلیت قرار دادن بر روی بدن یا پوشیده شدن برخوردار است». الکترودهای آن به نانو ژنراتورهای موجود در درون این بانداژ وصل می‌شوند». این نانو ژنراتورها جنبش و حرکت بدن را به الکتریسیته تبدیل می‌سازند. آنگاه این برق از میان الکترودها حرکت کرده و مانند پالسهای الکتریکی خفیف وارد پوست میشود.
برخلاف روش‌های موجود، این پانسمان جدید بسیار آسان‌تر و قابل فهم‌تر است. وانگ عنوان می‌کند که: «طبیعت این پالسهای الکتریکی شبیه به روشی است که بدن یک میدان الکتریکی داخلی را تولید می‌کند». وی همچنین می‌افزاید: «وسیله ما به راحتی بانداژ یا چسب زخمی است که بر روی پوست خود قرار می‌دهید».
گروه وانگ این باند زخم را بر روی بیش از 10 موش صحرایی زخمی امتحان کردند. با هر حرکت دَم و بازدم این «بیماران» (یعنی موش‌های صحرایی)، زخمهای آنها شوک‌های الکتریکی ضعیفی را دریافت می‌کردند. گروه دیگری از موش‌های صحرایی زخمی به عنوان گروه کنترل عمل می‌کردند. به این معنا که هیچ گونه درمانی دریافت نمی‌کردند.
زخمهای موش‌های صحرایی گروه کنترل جهت بهبودی به حدود دو هفته زمان نیاز داشتند. اما زخمهای موش‌های صحرایی که با باندهای الکتریکی تحت درمان قرار گرفته بودند، تنها در سه روز بهبود یافتند. وانگ عنوان می‌کند که «از دیدن چنین سرعت بهبودی در موش صحرایی شگفت زده شدیم». به این دلیل که سرعت بهبودی از دو هفته به سه روز تقلیل یافته بود.
تیم وانگ یافته‌های جدید خود را به صورت آنلاین در تاریخ 29 نوامبر 2018 در مجله ACS Nano منتشر ساختند.
دستاوردی عظیم اما آسان
در حقیقت، پژوهشگران نشان دادند که قرار دادن سلولها در معرض پالسهای الکتریکی با انرژی بالا موجب میشود این سلولها به طور تقریبی پنج برابر بیشتر از سلولهای قرار گرفته در معرض نانو ژنراتورها، گونه‌های واکنش پذیر اکسیژن تولید نمایند که خود از عوامل اصلی خطر ابتلاء به سرطان و پیری سلولی به حساب می‌آید.
به گفته تِیلِر رِی (Tyler Ray): «این فناوری نخستین قدم در راستای رسیدن به رویکردی جالب و امیدوار کننده جهت مراقبت از زخم است». او عنوان می‌کند می‌توانید آن را به عنوان یک «چسب زخم هوشمند» در نظر بگیرید. رِی مهندس مکانیک از دانشگاه هاوایی در مانوآ (Hawaii at Manoa ) است که هیچ نقشی در ساخت این سیستم نوپا نداشته است. او تصریح می‌سازد که دوست دارد این بانداژ بر روی حیوانات بزگتر یا انسان مورد آزمایش قرار گیرد.
ری خاطر نشان می‌کند که فناوری پوشیدنی دارای قدمت چندین ساله است. این فناوری‌ها عموماً دستگاه‌های سفت و سختی مانند فیت بیت (Fitbit) (نوعی دستبند هوشمند) را شامل می‌شوند. پژوهشگران بسیاری از رشته‌های تحصیلی و تخصصی اکنون در حال کار بر روی ساخت دستگاه‌هایی نرم و قابل انعطاف جهت قرار دادن بر روی پوست هستند.
این نانو ژنراتور می‌تواند مؤثرترین رویکرد تحریک الکتریکی در بسیاری اهداف درمانی به حساب آیددر صورت موفقیت این تیم، وسیله آنها می‌تواند به حل چالشی بزرگ در علوم مدرن پزشکی کمک نماید. وانگ تصور می‌کند که نانو ژنراتور آنها می‌تواند مؤثرترین رویکرد تحریک الکتریکی در بسیاری اهداف درمانی باشد. و به این دلیل که این نانو ژنراتورها از مواد نسبتاً معمولی تشکیل شده است قیمت آن مسئله چندانی نخواهد بود. به گفته‌ی وانگ: «تصور نمی‌کنم قیمت این باند بیشتر از باندهای معمولی باشد». «این وسیله به خودی خود بسیار ساده بوده و ساخت آن اسان است».
وانگ در قدم بعدی قصد دارد نانو ژنراتوری طراحی نماید که حتی حساس‌تر از نمونه کنونی باشد. هدف او ساخت نمونه‌ای است که بتواند الکتریسیته را از کوچکترین حرکات و جنبش‌ها مانند جریان خون در زیر پوست تولید نماید. به این ترتیب، باند زخم می‌تواند با جریانی به کوچکی نبض فرد به کار افتد.
این تحقیق با حمایت مؤسسه ملی سلامت (National Institutes of Health) انجام شد.
.jpg)
نانوفناوری در حوزه‌ی پزشکی دارای کاربردهای بسیاری می‌باشد. مشاهده شده که این فناوری دارای مزایای زیادی بوده که اخیرا مورد استفاده قرار می‌گیرد. مزایای مختلف پزشکی نانو در زیر توضیح داده شده است.
نانومتر مقداری معادل با یک میلیاردم متر می‌باشد. کار در چنین سطحی دارای مزایای فراوانی نسبت به فناوری متعارف است. نانوفناوری با کاربرد دستگاه‌ها و ابزارهای دیگری که تقریبا اندازه‌ای در محدوده بین 1 تا 100 نانومتر دارد، سروکار دارد. به نظر میرسد که کارهای غیرممکن به راحتی با استفاده از نانوفناوری قابل انجام می‌باشد. با این‌حال، مهم است که این فناوری برای کاربران متوسط نیز به راحتی قابل دسترس می‌باشد. مقرون به صرفه بودن فاکتوری بوده که نقش مهمی در محبوبیت نانوفناوری ایفاء می‌کند، به طوری که افراد متوسط نیز میتوانند از مزایای مختلف نانوفناوری، بیشتر در حوزه پزشکی لذت ببرند.
به کمک نانوفناوری پزشکی، محصولات دارویی میتوانند مثل ماشین‌های هوشمند برنامه‌ریزی شوند. آنها به حسگرهایی مجهزند که میتوانند قدرت تصمیم‌گیری و تأثیرپذیری از محیط را برای ماشین‌ها فراهم کنند. این ماشین‌ها میتوانند مانع از عوارض جانبی و واکنش‌های حساسیت زا را گردند. داروهای جدید خود را با بدن سازگار می‌کنند و تنها با رسیدن به مقصد نهایی عمل اختصاصی خود را که در واقع همان درمان است انجام می‌دهند که به این عمل دارورسانی هدفمند می‌گویند. اکنون اکثر نگاه‌ها بر مواد نانومتری در حوزه پزشکی بر مبنای کاربردهای آنها به عنوان ایمپلنت یا ساخت ظروف کشت سلولی بوده چرا که خصوصیات مکانیکی مواد نانومتری در این حوزه بسیار چشمگیر می‌باشد. علاوه بر ویژگیهای یاد شده، نانومواد بسترهای دینامیکی مناسبی را فراهم سازند که این بستر بخاطر نیروهای فیزیکی، برهمکنش‌های شیمیایی و توپوگرافی علاوه بر برهمکنش مستقیم سلول سبب تحریک سلول و اختصاصی شدن آن گردند. میکرو و نانو ساختارها سبب ایجاد تغییرات متعددی همچون همترازی، افزایش طول، قطبیت، مهاجرت، تکثیر و بیان ژن در سلولها می‌گردد.
مزایای نانوفناوری در پزشکی
استفاده از نانوفناوری در جهان پیشرفته امروزی رو به افزایش می‌باشد. این فرم از فناوری دارای مزایای بسیاری نسبت به فناوری‌های موجود در بسیاری از حوزه‌ها بوده و پزشکی یکی از این حوزه‌ها به شمار می‌رود. دستگاه‌ها و مکانیزم‌های متعددی وجود دارد که با کمک نانوفناوری توسعه یافته و می‌تواند به شیوه‌ای بهتر و کارامدتر به درمان بیماری‌ها و اختلالات کمک کند. مفید بودن نانوفناوری می‌تواند به آسانی در درمان سرطان مشاهده شود. پرتو درمانی مورد استفاده در درمان سرطان نیازمند هدف قرار دادن دقیق سلولهای سرطانی می‌باشد. امروزه، نانوفناوری در مراحل ابتدایی توسعه قرار دارد، با این‌حال، این حوزه از علم در بخش پزشکی به سرعت در حال پیشرفت می‌باشد.
ترمیم آسان سلولهای بدن
نانوفناوری در ساخت دستگاه‌های کوچک و ربات‌هایی که قادر به ورود به بدن انسان و انجام انواعی از عملیات‌ها هستند، مورد استفاده قرار می‌گیرد، که ترمیم سلول یکی از این عملیات‌ها به شمار می‌رود. این دستگاه‌های کوچک که با کمک نانوفناوری توسعه یافته‌اند، به عنوان دستگاه‌های مولکولی نیز مورد اشاره قرار می‌گیرند. این دستگاه‌ها میتوانند به صورت کارامدی سلولها را ترمیم کنند، چون میتوانند مولکولهای یک نوع از سلولهای بدن را از نوع دیگر تشخیص دهند. قبلا، امکان ترمیم سلولهای بدن به صورت جداگانه وجود نداشت، با این‌حال، نانوفناوری این امکان را فراهم ساخته است. بافتهای آسیب دیده قلبی می‌تواند با استفاده از نانوبوت‌ها ترمیم شوند. درمان دیگر مربوط به قلب که می‌تواند از طریق نانوفناوری صورت گیرد، شل کردن مویرگ‌های پر از کلسترول می‌باشد. مشاهده شده که بهبود زخمهای استخوان کاری زمان‌بر می‌باشد. در فناوری‌های مرسوم، داربست‌ها ابزارهای مورد استفاده برای کمک به فرایند بهبود استخوان می‌باشند. با این‌حال، با استفاده از داربست‌های پلیمر حاوی سلولهای بنیادی، بهبود سریع آسیب‌های استخوانی امکان پذیر می‌باشد.بافتهای آسیب دیده قلبی می‌تواند با استفاده از نانوبوت‌ها ترمیم شوند. درمان دیگر مربوط به قلب که می‌تواند از طریق نانوفناوری صورت گیرد، شل کردن مویرگ‌های پر از کلسترول می‌باشد.
ارسال کارامد دارو
سیستم‌های متداول ارسال دارو به گونه‌ای بوده که باید به صورت دستی کنترل شوند. با این‌حال، مصرف خوراکی، تزریقات و دیگر حالات ارسال دستی دارو در معرض خطاهای انسانی قرار دارد. داروها باید به موقع مصرف شوند. نانوفناوری می‌تواند برای ارسال به موقع دارو مورد استفاده قرار گیرد، که به موجب آن استفاده از نانوفناوری باعث بهبود تکنیک‌های موجود نیز می‌گردد. سیستم ارسال دارو برای یک بیمار خاص می‌تواند به صورت سفارشی مورد استفاده قرار گیرد و به منظور افزایش اثربخشی، از پیش برنامه ریزی گردد. دستگاه‌های مورد استفاده برای تحویل داروها به عنوان نانوحامل شناخته میشود. برخی مثال‌ها از نانوحامل ، میکروتراشه‌ها، سیستم‌های مونتاژ لایه به لایه، سیستم‌های درمانی درون پوستی مبتنی بر میکروسوزن و غیره می‌باشد. دستگاه‌های مشابه مانند میسل‌های پلیمری، دندریمرها، لیپوزوم‌ها و غیره دستگاه‌های با مقیاس بزرگتر بوده که در دهه 1960 ایجاد شد، با این‌حال، با تحولات اخیر در زمینه نانوفناوری، امکان ایجاد فرم‌های کوچکتر این دستگاه‌ها نیز وجود دارد. سیستم ارسال دارو برای یک بیمار خاص می‌تواند به صورت سفارشی مورد استفاده قرار گیرد و به منظور افزایش اثربخشی، از پیش برنامه ریزی گردد. دستگاه‌های مورد استفاده برای تحویل داروها به عنوان نانوحامل شناخته میشود.???????
جایگزینی ژن های غیرنرمال
اثبات شده که اندازه کوچک دستگاه‌های مورد استفاده در نانوفناوری کمک بزرگی به جایگزینی سلولهای غیرنرمال یا سلولهای ایجاد کننده‌ی بیماری می‌کند. امکان پیشگیری از بروز بیماری های ژنتیکی با پیشرفت های صورت گرفته در این زمینه افزایش یافته است. نانوفناوری می‌تواند برای جایگزینی ژن‌های غیرنرمال مسئوول بیماری‌ها با ژن‌های نرمال و سالم مورد استفاده قرار گیرد. آزمایشات در زمینه استفاده از نانوفناوری برای ژن درمانی اخیرا توسط گروهی از دانشمندان از موسسه فناوری در کالیفرنیا با نام پاسادنا صورت گرفته است. نانوتوب‌ها از پلیمرها ساخته شده و به پروتئینی به نام ترانسفرین تبدیل شده که برای این آزمایشات مورد استفاده قرار می‌گیرد. نوعی از ژن درمانی در طول این آزمایشات مورد تست قرار می‌گیرد که به عنوان اینترفرنس RNA مورد اشاره قرار می‌گیرد. ریبونوکلئیک اسید یا همان RNA در ژن درمانی جهت مسدود کردن پروتئین‌هایی که باعث ایجاد بیماری‌هایی مانند سرطان و کوری میشود، به کار گرفته میشود.
ابزارهای تصویربرداری غیرتهاجمی
تکنیک‌های نانوفناوری برای تصویر برداری نیز به عنوان تکنیک‌های تصویر برداری مولکولی شناخته می‌شوند. این تکنیک‌ها برای جایگزینی روش‌های تصویر برداری موجود مورد استفاده قرار نمی‌گیرند، با این‌حال، تکمیل کننده‌ی تکنیک‌های موجود بوده و باعث بهبود دقت آنها می‌گردد. تخصص تکنیک‌های تصویربرداری که استفاده از نانوفناوری می‌باشد، این است که این تکنیک‌ها فرایندهای واقعی مربوط به بیماری را در سطح مولکولی به تصویر می‌کشند.
تبدیل سلولهای بنیادی
تحقیقات در زمینه‌ی سلولهای بنیادی امکان درمان انواعی از سلولها را فراهم کرده است. پی برده شده که سلولهای بنیادی دارای توانایی منحصر به فردی در زمینه‌ی تبدیل به سلول‌هایی که عملکردهای اختصاصی را بر عهده دارند، می‌باشند. نانوفناوری برای تبدیل سلولهای بنیادی به سلولهای اختصاصی مورد استفاده قرار می‌گیرد. با تبدیل این سلولها به سلولهای اختصاصی، نتایج مطلوبی می‌تواند به دست آید.
حوزه نانوفناوری فرصت‌های زیادی را در زمینه درمان بیماری‌ها، ترمیم سلول، ژن درمانی و غیره فراهم کرده است. از آنجا که تحولات در حوزه‌ی نانوتکنولوژی با سرعت بالایی در حال انجام است، به نظر میرسد که عملا محدوده‌ی توسعه‌ی پزشکی نانو بی‌نهایت می‌باشد.
منبع: Science Struk
مترجم: سهیلا حاجی زاده
مقدمه
کاهش حجم باتری‌ها یکی دیگر از دغدغه‌های تولیدکنندگان آن است. در عصری که روزبه‌روز مصرف انرژی افزایش می‌یابد و در کنار آن تقاضا برای کاهش حجم و وزن لوازم الکترونیک اوج می‌گیرد، کاهش حجم و وزن باتریهای شارژی یک خواست جدی صنعتی است.
نانولوله‌های کربنی و تولید ابرباتری
برای این کار می‌توان از روش مونتاژ لایه به لایه استفاده کرد. برای این کار باید در ابتدا محلول آبی از دو نوع نانولوله تولید کرد که یکی از آنها مولکول‌هایی با بار مثبت و در دیگری مولکول‌هایی با بار منفی باشند در مرحله بعد باید یک‌لایه متل سیلیکون را در محلول فرق برد تا نانولوله‌ها متصل شده متناوباً یکدیگر را جذب کرده و بدون نیاز به هیچ‌گونه ماده چسباننده‌ای در کنار هم قرار گیرند.[1]
افزایش عمر باتریهای لیتیومی با استفاده از نانوسیم‌های سیلیکونی
کاهش حجم باتری‌ها یکی دیگر از دغدغه‌های تولیدکنندگان آن است.
باتری فیلم نازک
نانو باتری بادوام 400ساله
این مهم در طی یک آزمایش دوره‌ای سه‌ماهه به اثبات رسیده و نشان می‌دهد باتری تولیدی در حدود 94 تا 96 درصد در واحد کولومبیک (Coulombic) بازده دارد. یک باتری با دوام ابدی بازده 99 درصدی در واحد کولومبیک خواهد داشت.
این باتری با استفاده از فنّاوری نانو تولید شده است. گروه تحقیق به سرپرستی میا لی تای (Mya Le Thai) به دنبال تولید باتریهای بادوام با استفاده از نانولوله‌های طلا بودند. اما باتری آنها به خاطر شکنندگی نانولوله‌ها در حین سیکل‌های شارژ و دشارژ، تنها تا 8 هزار سیکل دوام می‌آورد. این رقم شاید در مقایسه بادوام کمتر از 1000 سیکل باتری بسیاری از لب‌تاپ‌ها، عالی جلوه کند، اما تا نقطه ایدآل فاصله زیادی دارد.
در این زمان بود که لی تای و گروهش بدون اینکه از کار خود مطمئن باشند، نانولوله‌های مورد آزمایش را با روکشی از دی‌اکسید منگنز پوشاندند و این ترکیب را درون ژل الکترولیتی پلکسی گلس مانندی قرار دادند. این کار منجر به تولید یک باتری شد که در طی چند ماه گذراندن سیکل‌های متعدد شارژ ذره‌ای از توانش کم نمی‌شود.
به نظر میرسد ژل به‌کاررفته به‌عنوان الکترولیت، می‌تواند اکسید فلزی روکش نانولوله‌ها را به حالت پلاستیک درآورده و از ایجاد ترک و شکستگی در آنها جلوگیری نماید و بدین‌سان عمر باتری را تا 400 سال افزایش دهد.
البته نانو باتری گروه دانشگاه اروین در مراحل اولیه توسعه خود قرار دارد و هنوز سال‌ها برای تجاری‌سازی آن زمان نیاز است. اما در صورت ورود به بازار می‌تواند راهکاری بسیار مؤثر برای دوام باتریهای پرمصرف خودروهای الکتریکی یا تلفن‌های هوشمند ارائه دهد. به‌خصوص اگر آن را با تکنولوژی کمپانی SolidEnergy برای دو برابر کردن ظرفیت باتری‌ها همراه سازیم.[4]
پی نوشت
[1] نانولوله‌های کربنی و تولید ابرباتری،پریسا امانی،،فضای نانو شماره21،ص47.
[2] "کارایی باتریهای لیتیومی با استفاده از نانوسیم‌های سیلیکونی" سید رضا اسداله پور،فضای نانو شماره21،ص52.
[3] https://www.civilica.com/ نانو باتریهای فیلم نازک و پیشنهاد کاربرد آن در زیردریایی، جواد طاهران ورنوسفادرانی.
[4] https://www.yjc.ir/fa/news/
منابع
نانولوله‌های کربنی و تولید ابرباتری،پریسا امانی،،فضای نانو شماره21.
"کارایی باتریهای لیتیومی با استفاده از نانوسیم‌های سیلیکونی" سید رضا اسداله پور،فضای نانو شماره21.
https://www.civilica.com/ نانو باتریهای فیلم نازک و پیشنهاد کاربرد آن در زیردریایی، جواد طاهران ورنوسفادرانی.
https://www.yjc.ir/fa/news/
توضیح: این انتزاع گرافیکی نشان می دهد که چگونه ذرات قابل تزریق چسبان گیرنده نور با توانایی تبدیل فوتون ها به فرم های با انرژی بالا به موش اجازه می دهند تا دید مادون قرمز را بدون ایجاد اشکال برای دید طبیعی خود و مرتبط با آن ایجاد کند.
موش هایی که با استفاده از فناوری نانو پیشرفت کرده اند قادر به دیدن نور مادون قرمز و همچنین نور مرئی هستند. این مطالعه در 28 فوریه در مجله Cell منتشر شده است. تزریق یکنواخت نانو ذرات در چشمهای موش به مدت 10 هفته با دید مادون قرمزِ همراه با حداقل عوارض جانبی، باعث می شود آنها حتی در طول روز نیز نور مادون قرمز را با ویژگی های کافی برای تمایز بین اشکال مختلف ببینند. این یافته ها می تواند منجر به پیشرفت در فناوری های بینایی مادون قرمز انسان، از جمله برنامه های بالقوه در رمزنگاری غیر نظامی، امنیت و عملیات نظامی شود.
انسانها و دیگر پستانداران محدود به مشاهده طیف وسیعی از طول موجهای نور به نام نور مرئی هستد که شامل طول موجهای نور رنگین کمان است. اما تابش مادون قرمز نیز که طول موجی طولانی دارد، در اطراف ما است. مردم، حیوانات و اشیاء به هنگام گرمای خاموش، نور مادون قرمز منتشر می کنند، و اجسام نیز می توانند از خود نور مادون قرمز را نشان دهند. و اصولاً هر جا حرکت مولکولی وجود دارد انتشار طول موج مادون قرمز نیز وجود دارد. نور مرئی که می‌تواند با دید طبیعی انسان درک شود، فقط بخش کوچکی از کل طیف الکترومغناطیسی را اشغال می کند
Tian Xue از دانشگاه علم و صنعت چین می گوید.: "نور مرئی که می تواند با دید طبیعی انسان درک شود، فقط بخش کوچکی از کل طیف الکترومغناطیسی را اشغال می کند." "امواج الکترومغناطیسی طولانی تر یا کوتاه تر از نور مرئی، اطلاعات زیادی را حمل می کنند."
یک گروه چند رشته ای از دانشمندان به رهبری Xue و جین Bao در دانشگاه علوم و فن آوری چین و همچنین گانگ هان در دانشکده پزشکی ماساچوست، مشغول توسعه فناوری نانو برای کار با ساختارهای موجود در چشم هستند.
هان می گوید: "هنگامی که نور به چشم وارد می شود و به شبکیه برخورد می‌کند، میله ها و مخروط ها یا سلول های دریافت کننده نور فوتون های دارای طول موج نور قابل مشاهده را جذب می‌کنند و سیگنال های الکتریکی مربوطه را به مغز می فرستند. از آنجا که طول موج های مادون قرمز بیش از آن طولانی است که توسط گیرنده های فتوولتائیک جذب شود، ما قادر به درک آنها نیستیم."
در این مطالعه، دانشمندان نانو ذراتی را ساخته اند که می توانند به سلول های جذب کننده نور کاملاً نزدیک شوند و به عنوان مبدل های نور مادون قرمز کوچک عمل کنند. وقتی که نور مادون قرمز به شبکیه برسد، نانو ذرات طول موج مادون قرمز را جذب می کنند و طول موج های کوتاه تر را در محدوده نور مرئی منتشر می کنند. سپس میله و یا مخروط نزدیک طول موج کوتاه تر را جذب می کند و یک سیگنال نرمال را به مغز می فرستد، به طوری که گویی نور مرئی به شبکیه می رسد.
Bao می گوید: "در آزمایش ما، نانو ذرات، نور مادون قرمز را در طول موج 980 نانومتر جذب کرده و آن را به نوری که در 535 نانومتر قله دار شده است مبدل می کنند که این باعث می شود نور مادون قرمز آن به رنگ سبز ظاهر شود."
محققان نانو ذرات را در موش آزمایش کرده اند، که نمی تواند در حالت طبیعی مادون قرمز را ببیند همان طور که انسان نمی تواند. موش هایی که تزریق روی آنها صورت گرفت، علائم فیزیکی غیر ارادی‌ای را نشان دادند که نشان می‌داد آنها نور مادون قرمز را تشخیص می‌دهند، علائمی مثل تنگ شدن مردمک چشم، در حالی که موش هایی که فقط با محلول بافر تزریق می شدند، به نور مادون قرمز پاسخی نمی دادند.
محققان مجموعه ای از وظایفی پیچیده را برای نشان دادن اینکه موش ها می توانند در شرایط نور روز، مادون قرمز را به طور همزمان با نور مرئی ببینند، برای آزمایش اینکه آیا موش ها می توانند نور مادون قرمز را حس کنند، پیگیری کردند.
توضیح: این تصویر نانوذرات را در رنگ سبز، در حال اتصال به میله ها (بنفش) و مخروطها (قرمز) از شبکیه چشم نشان می‌دهد. اعتبار: Ma et al./ Current Biology
در مواردی نادر، عوارض جانبی ناشی از تزریق مانند قرنیه ابری رخ داده است، اما در کمتر از یک هفته ناپدید شده‌اند. این ممکن است فقط به علت فرآیند تزریق به وجود آمده باشد زیرا موشهایی که فقط تزریق محلول بافر را دریافت کرده بودند نیز میزان مشابهی از این عوارض جانبی را داشتند. سایر تستها پس از تزریق زیر شبکیه نشان داد که آسیب در ساختار شبکیه یافت نشده است.دانشمندان نانو ذراتی را ساخته اند که می توانند به سلول های جذب کننده نور کاملاً نزدیک شوند و به عنوان مبدل های نور مادون قرمز کوچک عمل کنند
"در مطالعه ما نشان داده شده است که هر دو میله ها و مخروط ها این نانوذرات را به یکدیگر متصل می کنند و توسط نور مادون قرمز نزدیک فعال می شوند. بنابراین ما اعتقاد داریم که این تکنولوژی همچنین در چشم انسان کار خواهد کرد، نه تنها برای تولید اَبَر تصویر، بلکه برای راه حل های درمانی در نقص دید انسان در رنگ قرمز".
استفاده از تکنولوژی مادون قرمز در حال حاضر بر شناساگرها و دوربین هایی متمرکز است که اغلب با نور محیطی روز در محدودیت قرار دارند و نیاز به منابع قدرت خارجی‌ای برای گسترش دید دارند. محققان معتقدند که استفاده از نانو ذرات زیستی یکپارچه برای کاربردهای مادون قرمز بالقوه در عملیات رمز گذاری، امنیت و عملیات غیر نظامی مطلوب تر است. هان می گوید: " ما فکر می کنیم که ممکن است در آینده جایی برای بهبود تکنولوژی با نسخه جدیدی از نانوذرات مبتنی بر اسیدهای ساخته شده از ترکیبات تایید شده FDA وجود داشته باشد، که به نظر می رسد حتی منجر به درخشانی بیشتر مادون قرمز نیز می شوند."
محققان همچنین فکر می کنند که می توان کار بیشتری را انجام داد تا طیف انتشار نانو ذرات را با توجه به چشمان انسان تنظیم نمود که از مخروط های بیشتری نسبت به میله ها برای دید مرکزی انسان در مقایسه با چشم های موش استفاده شود.
بر گرفته از سایت phys.org
فناوری نانو در لاستیک سازی
فناوری نانو در لاستیک سازی
مقدمه
بازار نانوکامپوزیت در 2005 به میزان 200 میلیون یورو و در سال 2015 بر اساس آمارBSF به میزان 1200 میلیون یورو پیش‌بینی‌شده است. در سال 2002 کشوری مثل ژاپن 1500 میلیون یورو در تحقیقات در زمینه فناوری نانو صرف کرده است.همچنین صنایع خودرو در دنیا به سمت استفاده از نانو PP نانوپلی پروپیلن سوق پیدا کرده است و علت اصلی آن خواص مناسب از جمله سبکی، مقاومت حرارتی و مقاومت ضربه اینگونه مواد است. بنابراین رسیدن به خواص مطلوب ضرورت توجه به آن را بیش از هر چیز دیگر برای ما نمایان می‌سازد. در این مقاله به بعضی از نانومواد رایج در صنعت خودروسازی می‌پردازیم.
کاربرد اکسیدروی نانومتری (NanoZnO) در لاستیک
1-زیبایی و ظرافت بخشیدن به لاستیک
2-افزایش استحکام مکانیکی لاستیک
3-افزایش مقاومت سایشی لاستیک
4-پایداری دمایی بالای لاستیک
5-افزایش طول عمر لاستیک
کاربرد نانوکربنات کلسیم در لاستیک
نانوکربنات کلسیم سختی لاستیک و حد گسیختگی پلیمرهای لاستیک را افزایش داده و حداکثر توانی که لاستیک می‌تواند تحمل کند تا پاره شود را بهبود می‌بخشد. همچنین مقاومت لاستیک را در برابر سایش افزایش می‌دهد. به کار بردن نانوکربنات کلسیم هزینه‌ها را پایین می‌آورد و سود زیادی را به همراه دارد.
کاربرد ساختارهای نانومتری الماس در لاستیک
1) 4 الی 5 برابر شدن خاصیت انعطاف‌پذیری لاستیک
2) افزایش 2 الی 5/2 برابری درجه استحکام
3) افزایش حد شکستگی تا حدود 2 Kg/cm700-620
4) 3 برابر شدن قدرت بریده شدن آنها
5) بهبود زیاد خاصیت ضد پارگی آنها در دمای بالا و پایین
کاربرد ذرات نانومتری خاک رس در لاستیک
1) افزایش مقاومت لاستیک در برابر سایش
2) افزایش استحکام مکانیکی
3) افزایش مقاومت گرمایی
4) کاهش قابلیت اشتعال
5) بهبود بخشیدن اعوجاج گرمایی[1]
6)کاهش نفوذپذیری لاستیک[2]
استفاده از گرافن در صنعت لاستیک
1)افزایش استحکام لاستیک
2) کاهش اصطحکاک و افزایش سرعت دوچرخه
3) ترمزی نرم
4) افزایش انعطاف‌پذیری لاستیک[3]
مزایای بیشتر
حسگر لاستیک
این حسگر با استفاده از روش‌های مختلف و مواد متفاوت قابل‌تولید است. اما بهترین نتیجه زمانی به دست می‌آید که از نانولوله‌های کربنی فلزی که درون یک فیلم انعطاف‌پذیر به‌کاررفته، استفاده شود.[4]
نانو ژنراتوری برای تولید انرژی از اصطکاک لاستیک خودرو
اصطکاک میان لاستیک خودرو و کف خیابان تقریباً 10 درصد آر سوخت خودرو را مصرف می‌کند. این انرژی هدر می‌رود، بنابراین اگر ما بتوانیم این انرژی را تبدیل به شکل دیگری کنیم می‌توان از آن برای افزایش کارایی سوخت استفاده کرد. انرژی تولیدشده با این روش به وزن و سرعت خودرو بستگی دارد.[5]
واکس لاستیک
پی نوشت
[1] http://khodroha.com/nano-lastik.htm
[2] سرمستی امامی, محمد رضا و حمید رضا برادران، 1392، بررسی تجربی خواص نفوذ پذیری نانو کامپوزیت لاستیک هایپالون، دومین همایش ملی فناوری نانو از تئوری تا کاربرد، اصفهان، موسسه آموزش عالی جامی، https://www.civilica.com/Paper-NCNTA02-NCNTA02_149.html
[3] http://news.nano.ir/53828
[4] http://news.nano.ir/58931
[5] http://news.nano.ir/50666
[6] تقوایی, سعید و محمود میاه نهری، 1380، بررسی تاثیر توزیع جرم مولکولی و میزان روغن موجود در واکس های محافظ تایر بر کیفیت عملکرد آنها، پنجمین همایش ملی لاستیک، مشهد، شرکت مهندسی و تحقیقات صنایع لاستیک، https://www.civilica.com/Paper-RUBBER05-RUBBER05_009.html
منابع
http://khodroha.com/nano-lastik.htm
سرمستی امامی, محمد رضا و حمید رضا برادران، 1392، بررسی تجربی خواص نفوذ پذیری نانو کامپوزیت لاستیک هایپالون، دومین همایش ملی فناوری نانو از تئوری تا کاربرد، اصفهان، موسسه آموزش عالی جامی، https://www.civilica.com/Paper-NCNTA02-NCNTA02_149.html
http://news.nano.ir/53828
http://news.nano.ir/58931
http://news.nano.ir/50666
تقوایی, سعید و محمود میاه نهری، 1380، بررسی تاثیر توزیع جرم مولکولی و میزان روغن موجود در واکس های محافظ تایر بر کیفیت عملکرد آنها، پنجمین همایش ملی لاستیک، مشهد، شرکت مهندسی و تحقیقات صنایع لاستیک، https://www.civilica.com/Paper-RUBBER05-RUBBER05_009.html
گرافن و کاربرد آن در صنعت لاستیک سازی و پلاستیک سازی
.png)
گرافن
در گرافیت هر کدام از اتم‌های چهارظرفیتی کربن، با سه پیوند کووالانسی به سه اتم کربن دیگر متصل شده‌اند و یک شبکه گسترده را تشکیل داده‌اند. این لایه خود بر روی لایه‌ای کاملاً مشابه قرار گرفته‌است و به این ترتیب، چهارمین الکترون ظرفیت نیز یک پیوند شیمیایی داده است، اما پیوند این الکترون چهارم، از نوع پیوند واندروالسی است که پیوندی ضعیف است. گرافن مادهای است که در آن تنها یکی از این لایه‌های گرافیت وجود دارد و به عبارتی چهارمین الکترون پیوندی کربن، به عنوان الکترون آزاد باقی مانده است. در این حالت، اتم‌های کربن در وضعیتی قرار می‌گیرند که شبکه‌‌ای از شش ضلعی‌های منتظم را ایجاد می‌کنند. البته این ایده آل‌ترین حالت یک صفحه گرافن است. در برخی مواقع، شکل این صفحه به گونه ای تغییر می‌کند که در آن پنج‌ضلعی‌ها و هفت‌ضلعی‌هایی نیز ایجاد میشود. گرافن ورقه ای دو بعدی 2D از اتم های کربن در یک پیکربندی شش ضلعی (لانه زنبوری) است. اتم های کربنی در گرافن با هیبرید SP2 به هم متصل شده اند. گرافن جدید ترین عضو خانواده مواد کربنی گرافیتی چند بعدی می باشد. این خانواده شامل فولرن به عنوان نانوماده ی صفر بعدی0D، نانولوله های کربنی به عنوان نانوماده ی یک بعدی 1D و گرافیت به عنوان یک ماده سه بعدی 3D می باشد. اصطلاح گرافن برای اولین بار در سال 1986 معرفی شد که از ترکیب کلمه گرافیت و یک پسوند (ان) که به هیدروکربن های آروماتیک چند حلقه‌ای (Polycyclic) اشاره دارد ایجاد شد. غیر از گرافن تک لایه و دولایه، لایه‌های گرافنی از 3 تا 10 لایه را به نام گرافن کم لایه (Few Layer Graphene) و بین 10 تا 30 لایه را به نام گرافن چند لایه، گرافن ضخیم (Thick Graphene) و یا نانو بلورهای نازک گرافیتی، مینامند.[1]
این ماده جدید ویژگیهای منحصر به فرد زیادی دارد که این امر باعث می شود آن را برای مطالعات اساسی و کاربردهای آینده به مادهای جالب مبدل سازد. از گرافن به عنوان مادهای برای افزایش استحکام، هدایت الکتریکی و نیز هدایت حرارتی استفاده میشود. چند سالی است که گرافن به یکی از جالب توجه‌ترین سوژه‌های دنیای فناوری تبدیل شده است؛ مادهای سخت‌تر از الماس، رساناتر از مس و با شفافیتی بالا که می‌تواند به بسیاری از عرصه‌های علم و فناوری نفوذ کند.
گرافن ماده ای منحصربه فرد با پایه‌ی کربنی و دانسیته‌ی اتمی بالاست. ترکیب غیرعادی خواص آن نظیر سختی و استحکام مکانیکی بسیار بالا، رسانایی الکتریکی و حرارتی بالا و قابل تنظیم، خصوصیات عالی نوری وسطحی است و از طریق عامل‌دار کردن شیمیایی ،موردتوجه خاص محققان قرارگرفته است و این حقیقت که شیمیدانان به سختی میتوانند جایگزینی برای گرافن پیدا کنند، سبب شده که این ماده دارای کاربردهای فراوانی در نانوالکترونیک، پیلهای خورشیدی و ابزارهای ذخیره انرژی مثل باطری ها و ابرخازن‌ها باشد.
گرافن سخت‌ترین و نازک‌ترین مادهای است که بشر تاکنون به‌آن دست یافته‌‌است. این ماده با وجود اینکه ساختار متراکمی دارد، به علت ضخامت بسیار اندکش که برابر با ضخامت یک اتم کربن است، نور را از خود عبور می‌دهد و از شفافیت 97,3 درصد برخوردار است.
در آینده از این ماده در ساخت نمایشگرهای لمسی بسیار ظریف و مقاوم استفاده خواهد شد.هم اکنون گرافن درحال نفوذ به کاربرد های الکترونیکی می باشد وممکن است بزودی پایه واساس تجهیزات الکترونیکی را عوض کند.با استفاده از گرافن ،ساخت وسایل برقی کوچک،قابل انعطاف وکم هزینه ،ممکن خواهد بود.
اگر گرافن را با کاربردهای امروزی پلاستیک مقایسه کنیم، باید به انتظار روزی باشیم که همه چیز، از پاکت میوه گرفته تا لباس‌ها، دیجیتال شوند. کارت‌های ارتباطی آینده، توان پردازشی به اندازه موبایل‌های هوشمند امروزی خواهند داشت. گرافن می‌تواند کاربردهای کاملا جدیدی در ابزارهای الکترونیکی شفاف، انعطاف‌پذیر و بسیار سریعتر از امروز پیدا کند. یک مثال از استفاده‌های دیگر آن می‌تواند افزودن پودر گرافن به تایرها برای قوی‌تر کردن آنها باشد.[2]
کاربرد گرافن در صنعت لاستیک سازی
با افزودن گرافن به لاستیک می توان کارایی این لاستیک‌ها را افزایش داد. زمانی که از این لاستیک استفاده میشود، به دلیل دولایه‌ای که در آن وجود دارد، این لاستیک‌ها مستحکم مانده و در برابر خستگی مقاومت می‌کنند. همچنین این دولایه موجب کاهش اصطکاک لاستیک شده و سرعت دوچرخه را افزایش می‌دهد. زمانی که دوچرخه‌سوار ترمز می‌گیرد یا دور می‌زند، دوچرخه به نرمی عکس‌العمل نشان می‌دهد. علاوه‌بر این، این لاستیک‌های جدید کاملا انعطاف‌پذیر هستند. [3]
لاستیک تقویت شده با گرافن برای تولید واشر صنعتی
گرافن سخت‌ترین و نازک‌ترین مادهای است که بشر تاکنون به‌آن دست یافته‌‌است.
وجود خاصیت مقاومت گرمایی بالا در این لاستیک موجب میشود تا بتوان از آن در حوزه‌های مختلف نظیر خودروسازی و پتروشیمی استفاده کرد. این محصول برای استفاده در واشرها ایده‌آل است و می‌توان از آن برای درز پوشی و ایجاد مقاومت در برابر مواد شیمیایی و سوخت استفاده کرد.[4]
کاربردهای گرافن در صنعت لاستیک
• برچسب‌های لاستیکی حاوی گرافن می‌تواند به‌عنوان بارکد در فروشگاه‌ها مورد استفاده قرار گیرند.
• برچسب‌های گرافنی با حساسیت بالا که با تغییر دما، دچار تغییر رنگ می‌شوند.
• برچسب‌های محافظ که می‌توان آنها را روی کارت‌های اعتباری حاوی RFID قرار داد تا هکرها نتوانند اطلاعات آن را سرقت کنند.
پیش از این شرکت نانوکمپ تکنولوژیز اقدام به استفاده از نوارهای حاوی نانولوله‌کربنی کرده بود؛ نوارهایی که به دلیل وجود نانولوله کربنی از خواص الکتریکی، گرمایی، ساختاری و دوام بالا برخوردار بودند. گرافن نیز می‌تواند چنین ویژگی‌هایی را در محصولات ایجاد کند.[5]
پی نوشت
[1] http://edu.nano.ir/paper/224
[2] https://article.tebyan.net/177223/
[3] http://news.nano.ir/53828/
[4] http://news.nano.ir/56429/
[5] http://news.nano.ir/59757
منابع
http://edu.nano.ir/
https://article.tebyan.net/
http://news.nano.ir/
نانوذرات طلا و اطمینان از سلامت بستههای گوشت
نانو ذرات طلا دارای خصوصیات فیزیکی و شیمیایی منحصربه فردی مانند پایداری بسیار بالاء مقاوم بودن به گرما و توانایی بالا در جذب و انتشار نور هستند و به اندازه‌های گوناگون و شکل‌های مختلف مان کروی, میله‌ای, کریستالی, و مارپیچی ستتز می‌شوند. نانو ذرات طلا کاریرد. گسترده‌ای در زمینه‌های پزشکی مانشد تشخیص و درمان بیماری ها دارد.[2]
نانومواد فلزی نجیب برای حسگرهای رنگ‌سنجی (Colorimetry)
پیشرفت های اخیر در خواص نانومواد فلزی جدید زمینه مناسبی را برای طراحی حسگرهای فلورسانس بیولوژیکی و شیمیایی ایجاد می کنند. به طور کلی نانومواد فلزی براساس حسگرهای فلورسانس به 4 طرح زیر دسته بندی می شوند:
الف) فلورسانسی که براساس مکانیسم خاموشی (Quenching) نانوذرات فلزی القا شده به وسیله هدف بیان می شود. به طور مثال نانوذرات Ag برای تعیین یون های جیوه (Hg+2) با حدتشخیص پایین و گزینش پذیری بالا بکار گرفته می شود (شکل 1)
.png)
ب) فلورسانسی که براساس توانایی خاموشی مؤثر نانوذرات فلزی به واسطه انتقال الکترون/انرژی غیر تابشی (Nonirradiative) است. مانند نانوپروب طلای ژانگ (Zang) که چند رنگ را برای اندازه گیری همزمان 3 آنالیت آدنوزین (A)، یون پتاسیم (+K) و کوکایین (Cocaine) که با هم ترکیب شده اند، به کارگرفته می شود (شکل2)
.png)
ج) فلورسانسی که براساس اثر فیلتر داخلی (Inner filter Effect- IFE) نانوذرات فلزی است که نانوذرات فلزی به عنوان جاذب برای مدوله نشر فلوروفور (عامل ایجاد فلوروسانس) هستند. در همین راستا شانگ و دونگ (Shang و Dong) نشان دادند که نانوذرات طلا می توانند به عنوان جاذب قوی در فلورسانس IFE برای تشخیص سیانید (CN-) و پراکسید هیدروژن (H2O2) به کار گرفته شوند (شکل3).
.png)
د) فلورسانس افزایش یافته با فلز (Metal-enhanced fluorescence-MEF) (یعنی نشر فلوروفور در فاصله مشخصی (10-5 نانومتر) از نانوساختارهای فلزی می تواند افزایش داده شود). این حسگر جالبی برای افزایش حد تشخیص (Limit of Detection-LOD) مولکول های هدف است. [3]
اگر گوشت یخ‌زده‌ای از بازار خریداری شود، چگونه می‌توان مطمئن شد که این بسته گوشت تا پیش از رسیدن به‌دست مصرف‌کننده یخ آن باز نشده و مجددا یخ نزده باشد؟
استفاده از کیتوزان که از چیتن (دومین پلیمر طبیعی) به دست می آید به همراه نانوذرات طلا در بسته بندی گوشت می تواند نشانگر سلامت یا فساد گوشت باشد. کیتوزان با استفاده از آمینواسیدهای دارای بار مثبت به نانوذرات طلا متصل میشود. با محاط شدن نانوذرات توسط این گروه‌ها، تجمع نانوذرات طلا و خوشه‌ای شدن اتفاق نمی‌افتد. اما اگر دما تغییر کند نانوذرات فرصت تجمع پیدا کرده و تغییر رنگ ایجاد میشود. بنابراین رنگ بسته بندی که ابتدا به رنگ سرخ بوده با افزایش دما، ذرات طلا به هم چسبیده و رنگ بنفش ایجاد میشود.
حسگرهای رنگ‌سنجی به علت سادگی، حساسیت بالا، قیمت ارزان جذاب هستند و می توانند با اسپکتروسکوپی مرئی/ فرابنفش کوپل شده و به جای وسایل پیچیده به کار روند.
می‌توان از این زیست‌شناساگر برای تشخیص زدایش یخ از گوشت و دیگر مواد غذایی استفاده کرد. هر قدر زمان گرم شدن گوشت بیشتر شود، رنگ ساختار نانوذرات تیره‌تر میشود[4]. البته از این مکانیسم به عنوان سنجشگر دما در جاهای دیگر هم می توان استفاده کرد.
پی نوشت
[1] http://edu.nano.ir/paper/127
[2] بیوسنتز داخلی و خارجی نانوذرات طلا توسط قارچ رایزوپوس اوریزا، زینب شیخ لو، مجله علمی پژوهشی دانشگاه علوم پزشکی زنجان، دوره 20، شماره78، فروردین و اردیبهشت1391،ص37.
[3] http://edu.nano.ir/paper/127
[4] http://news.nano.ir/65677
منابع
http://edu.nano.ir
بیوسنتز داخلی و خارجی نانوذرات طلا توسط قارچ رایزوپوس اوریزا، زینب شیخ لو، مجله علمی پژوهشی دانشگاه علوم پزشکی زنجان، دوره 20، شماره78، فروردین و اردیبهشت1391.
http://news.nano.ir
آن زنده دل همیشه بیدار حسین (علیه السلام)
احیاگر عشق و روح و ایثار حسین (علیه السلام)
هر سوی که کاروان دل می‌آید
بینی که بود قافله سالار حسین (علیه السلام)
به انتقال حرارتی که همزمان با حرکت سیال اتفاق می‌افتد، انتقال حرارت به روش جابجایی (Convection Heat Transfer) گفته میشود. بسته به نوع فرآیند صورت گرفته، جابجایی حرارتی به دو دسته آزاد و اجباری تقسیم میشود.
بخشی از مبادله حرارت صورت گرفته بین بدن و محیط اطراف در قالب انتقال حرارت جابجایی آزاد اتفاق می‌افتد.
در جابجایی آزاد، انرژی منتقل شده ناشی از عواملی طبیعی همچون نیروی ارشمیدس است. اما در جابجایی اجباری نیروهای خارجی مثل پمپ یا فن منجر به حرکت سیال میشود.
جابجایی اجباری
تحلیل انتقال حرارت جابجایی، به دلیل همزمان بودن فرآیند هدایت حرارتی و حرکت سیال، پیچیده است. توجه داشته باشید که هر‌چه سرعت سیال بیشتر باشد، نرخ انتقال حرارت نیز افزایش خواهد یافت. همچنین می‌توان سرعت انتقال حرارت جابجایی را با استفاده از قانون سرمایش نیوتن و در قالب فرمول زیر بیان کرد.
ضریب انتقال حرارت جابجایی h به خواص سیال، زبری سطح و نوع رژیم جریان (لایه‌ای یا توربولانس) وابسته است.
همان‌طور که در شکل نیز دیده میشود، سرعت سیال در سطح برابر با صفر (شرط عدم لغزش) در نظر گرفته شده. با این فرض می‌توان نتیجه گرفت، در حالتی که سرعت سیال ناچیز باشد، انتقال حرارت صورت گرفته، فقط ناشی از هدایت حرارتی خواهد بود. بنابراین می‌توان معادلات مربوط به انتقال گرما را به صورت زیر بیان کرد:
در حالت کلی ضریب انتقال حرارت جابجایی، در جهت جریان تغییر می‌کند. بنابراین به منظور بررسی حرارتی یک سیستم، از میانگین این ضریب در طول یک صفحه استفاده میشود.
لایه مرزی سرعت
جریانی را در طول یک صفحه در نظر بگیرید. فرض کنید سیال مد نظر با دمای ∞T و ∞U روی این صفحه حرکت می‌کند. (مطابق شکل)
توجه داشته باشید که شرط عدم لغزش نیز در نظر گرفته شده؛ بنابراین سرعت سیال روی صفحه جامد برابر با صفر خواهد بود. در چنین سیستمی، ذرات سیال به صورت لایه‌ای روی یکدیگر قرار گرفته‌اند، در نتیجه لایه‌هایی که با سرعت کمتری حرکت می‌کنند به وسیله اصطکاک، به لایه‌های بالاتر نیرو وارد کرده و سرعت آنها را کم می‌کنند. تاثیر این نیرو تا ارتفاع مشخصی از صفحه حس خواهد شد. در این منطقه، سرعت سیال متفاوت با ∞U است. به همین دلیل این ناحیه را «لایه‌مرزی» مینامند.
در لایه‌مرزی، اثرات ویسکوزیته حس می‌شوند. با توجه به مطالب بیان شده، می‌توان تنش برشی روی سطح را با استفاده از رابطه زیر توصیف کرد.
در این معادله، μ ویسکوزیته سینماتیکی سیال است که واحد آن بر حسب kg/m.s یا N.s/m2 بیان میشود. از نظر مفهومی، ویسکوزیته سیال بیان کننده مقاومت آن در مقابل حرکت است. مثلا ویسکوزیته عسل از آب بیشتر در نظر گرفته میشود. از نظر فیزیکی هم می‌توان درک کرد که عسل به نسبت آب، سخت‌تر جریان می‌یابد.
نیروی برشی را می‌توان با تعریف مفهومی تحت عنوان ضریب اصطکاک توصیف کرد. با استفاده از این بیان، تنش برشی با استفاده از معادله زیر قابل بیان است.
در این رابطه، Cf به عنوان ضریب اصطکاک در نظر گرفته میشود. توجه داشته باشید که در حالت کلی، بخش‌های سیال را می‌توان به سه ناحیه لایه‌ای، گذرا و توربولانس تقسیم‌بندی کرد.
گروه‌های بی‌بعد
به منظور ساده‌تر کردن مسائل جابجایی حرارتی از تعاریفی تحت عنوان گروه‌های بی بعد استفاده میشود.
- ناسلت: نسبت انتقال حرارت جابجایی به هدایتی
در این معادله δ طول مشخصه است که در موارد صفحه و استوانه به ترتیب برابر L و D در نظر گرفته میشود. - رینلدز: نسبت نیروی اینرسی به ویسکوز
در رینلدزهای بالا نیروی اینرسی در مقابل نیروی ویسکوز شدت بیشتری دارد؛ بنابراین ویسکوزیته نمی‌تواند از نواسانات سیال جلوگیری کند. [به همین دلیل است که در رینلدزهای بالا، جریان توربولانس میشود.] رینلدز بحرانی عددی است که در آن، جریان شروع به توربولانس شدن می‌کند. این مقدار برای جریان روی یک صفحه تخت برابر با 500000 است. - پرانتل: نسبت ضخامت لایه مرزی سرعت به حرارت
در این معادله خواص سیال عبارتند از:
لایه مرزی حرارتی
مشابه با لایه‌مرزی سرعت، لایه‌مرزی حرارتی نیز زمانی به وجود می‌آید که سیالی رو یک سطح جریان یابد. در این حالت ضخامت این لایه را با δt نشان می‌دهند.
ضخامت نسبی لایه‌مرزی سرعت و حرارت توسط عدد پرانتل توصیف میشود. برای نمونه، موادی همچون فلزات مایع از عدد پرانتل پایینی برخوردار هستند.
جریان روی سطح تخت
ضرایب انتقال حرارت و اصطکاک را می‌توان با حل معادلات پایستگی جرم، مومنتوم و انرژی بدست آورد. همچنین این مشخصات را می‌توان به صورت آزمایشگاهی تعیین کرد. عدد ناسلت به صورت زیر تعریف میشود.
در این معادله C، m و n ثابت هستند و L به عنوان طول صفحه در نظر گرفته میشود. خواص سیال در دمایی تحت عنوان «دمای فیلم» در نظر گرفته می‌شوند. در واقع این دما برابر با میانگین دمای سیال و محیط است.
جریان لایه‌ای
ضریب اصطکاک و ناسلت محلی در حالتی که جریان سیالی روی یک صفحه با دمای یکنواخت جریان می‌یابد، به صورت زیر در نظر گرفته میشود. با این فرض که رینلدز بحرانی برابر با 500000 باشد، می‌توان طول بحرانی (xcr) را با استفاده از رابطه زیر محاسبه کرد.
جریان توربولانس
ضریب اصطکاک و ناسلت محلی در مکان x، برای سیالی که روی یک سطح جریان دارد، با استفاده از رابطه زیر محاسبه میشود.
بنابراین مقادیر میانگین ناسلت و ضریب اصطکاک در مکان x به صورت زیر بدست می‌آیند.
لایه‌مرزی جریان لایه‌ای و توربولانس
فرض کنید سیالی روی یک صفحه جریان دارد. تصور کنید طول صفحه انقدر باشد که سیال از حالت لایه‌ای به توربولانس تبدیل شود؛ در این حالت ضریب اصطکاک و ضریب انتقال حرارت جابجایی میانگین را می‌توان به صورت زیر محاسبه کرد:
با فرض این که مقدار بحرانی رینلدز برابر با 500000 باشد، عدد ناسلت و ضریب اصطکاک میانگین، به صورت زیر محاسبه می‌شوند.
معادلات بالا با این فرض حاصل شده که دمای صفحه یکنواخت باشد. با این حال در اکثر مواردی که دما متغیر باشد نیز میتوانند کاربرد داشته باشند.
مثال 1
روغن موتور در دمای 60 درجه، روی یه سطح به طول 5 متر، دمای 20 درجه و با سرعت 2m/s جریان می‌یابد. (مطابق با شکل زیر)
با فرض اینکه رینلدز بحرانی برابر با 500000 در نظر گرفته شود خواص روغن مفروض در دمای فیلم برابر هستند با:
از طرفی عدد رینلدز برای یک صفحه تخت به صورت زیر محاسبه میشود:
توجه کنید که این مقدار بسیار کمتر از عدد بحرانی رینلدز است. با توجه به خواص سیال و دمای فیلم، ضریب اصطکاک و نیروی درگ ناشی از آن برابر هستند با:
از طرفی عدد ناسلت و نهایتا انتقال حرارت را می‌توان به صورت زیر محاسبه کرد.
جریان روی استوانه و کره
طول مشخصه یک لوله دایروی یا کره، همان قطر خارجی آن است. با این فرض، عدد رینلدز به صورت محاسبه میشود.
توجه داشته باشید که ریندلز بحرانی برای استوانه و کره برابر با 200000 است. در رینلدزهای پایین (Re<4) سیال به طور کامل به جسم متصل است و پدیده جدایی هیچ‌گاه اتفاق نخواهد افتاد. این در حالی است که در رینلدزهای بالاتر، جریان پس از اندکی چرخیدن روی استوانه (یا کره) از جسم جدا خواهد شد. پس از جدایی آن، گردابه‌ای در پشت جسم تشکیل میشود که افزایش نیروی درگ را در پی خواهد داشت. به نقطه‌ای که در آن جریان جدا میشود، نقطه جدایی (Seperation Point) گفته میشود.
در طراحی اجسام پرنده همچون هواپیماها تلاش بر این است تا جدایی در زاویه‌ای بیشتر اتفاق بیافتد چرا که دیرتر جدا شدن سیال، درگ کوچکتری را منجر میشود که مطلوب نظر طراحان است. نقطه جدایی در شکل‌های زیر نشان داده شده.
در حالتی که سیالی روی استوانه یا کره عبور می‌کند، زاویه جدایی جریان در حالت لایه‌ای برابر با 80 و در حالت توربولانس این زاویه معادل 140 درجه است. همچنین ناسلت متوسط برای جریان عبوری روی استوانه توسط «چرچیل» (Churchill) و «برنشتاین» (Bernstein)، به صورت زیر ارائه شده.
در این فرمول خواص جایگذاری شده در دمای فیلم (Tf = (Ts + T∞)/2) هستند. «ویتاکر» (Whitaker) نیز رابطه زیر را به منظور محاسبه ناسلت جریان روی کره، ارائه می‌دهد.
این رابطه در رینلدزهای بین 3.5 تا 80000 و پرانتل بین 0.7 تا 380 صادق است. همچنین توجه داشته باشید که خواص جایگذاری شده در دمای ∞T فرض شده و μs در دمای سطح در نظر گرفته میشود.
مثال 2
جریانی از هوا در دمای 23 درجه و با سرعت 10 متر بر ثانیه، روی کره‌ای از جنس مس با قطر 10 میلیمتر و با دمای 75 درجه عبور می‌کند. زمان مورد نیاز به منظور سرد شدن کره تا دمای 35 درجه چقدر است؟
فرضیات:
1. دمای کره به صورت یکنواخت است.
2. از اثرات تابش صرف نظر شده.
خواص سیال و کره مفروض به شرح زیر هستند.
زمان مورد نیاز برای سردن شدن کره تا دمای 35 درجه با استفاده از مفهوم ظرفیت حرارتی و به صورت زیر قابل محاسبه است.
می‌توان از رابطه ویتاکر نیز به منظور محاسبه h حول کره استفاده کرد. بنابراین:
در این حالت، رینلدز نیز به صورت زیر قابل محاسبه است.
بنابراین ناسلت میانگین و ضریب انتقال حرارت جابجایی به صورت زیر بدست خواهند آمد.
با جایگذاری ضریب بدست آمده در رابطه ظریف حرارتی، زمان مورد نیاز برای سرد شدن کره مفروض نیز حساب خواهد شد.
«تابش» (Radiation) عبارت است از انتقال حرارتی که از طریق امواج الکترومغناطیسی صورت می‌گیرد. از آنجایی که این امواج با سرعت نور منتقل می‌شوند، بنابراین سرعت انتقال انرژی در این حالت نیز برابر با سرعت نور است. شاید به همین دلیل است که دستگاه مایکروویو غذا را با سرعت نور گرم می‌کند چرا که مکانیزم آن مبتنی بر انتقال حرارت تابشی است!
ساختار یک موج الکترومغناطیسی
اولین بار مفهوم انتقال انرژی از طریق امواج الکترومغناطیسی توسط «جیمز کلارک ماکسول» (James Clerk Maxwell)، دانشمند اسکاتلندی مطرح شد. او نشان داد که انتقال انرژی نیز با سرعت نور اتفاق می‌افتد. معمولا امواج الکترومغناطیسی را بر اساس فرکانس و طول موجشان دسته‌بندی می‌کنند. ارتباط میان طول موج و فرکانس به صورت زیر است.
λ =c/ν
در رابطه بالا λ و ν به ترتیب برابر با طول موج و فرکانس هستند. همچنین مقدار c سرعت نور را نشان می‌دهد که اندازه آن برابر با 108×2.99 متر بر ثانیه است. رابطه بالا نشان می‌دهد که طول موج و فرکانس رابطه‌ای عکس با یکدیگر دارند. در حقیقت بزرگ بودن یکی از آنها کوچک بودن دیگری را معنی می‌دهد.
عدد بیان شده در بالا، سرعت نور در خلا را نشان می‌دهد. واقعیت این است که این مقدار در محیط‌های مختلف متفاوت است. از این رو برای بدست آوردن سرعت نور در محیطی به جز خلا، از رابطه زیر استفاده میشود.
c = c0/n
در این رابطه n ضریب شکست محیطی است که میخواهیم سرعت نور را در آن بیابیم. برای هوا این ضریب را تقریبا برابر با 1 و برای آب 1.5 در نظر می‌گیرند. توجه داشته باشید که فرکانس یک موج الکترومغناطیسی فقط به منبع انتشار آن وابسته است و به بستری که در آن، موج منتشر میشود، ارتباطی ندارد.
واحد فرکانس برابر با سیکل در ثانیه است. جالب است بدانید که برای بسیاری از پدیده‌ها می‌توان از این مفهوم بهره برد. برای مثال همین الان که در حال خواندن این مطلب هستید، می‌توانید عددی تحت عنوان تعداد کلمات خوانده شده در ثانیه را تعریف کنید. این عدد در حقیقت فرکانس مطالعه شما است! فرکانس یک موج می‌تواند از چند سیکل در ثانیه تا میلیون‌ها سیکل در ثانیه متغیر باشد.
در ابتدای قرن بیستم، انیشتین نظریه جدیدی را در مورد انتشار امواج تابشی ارائه کرد. بر مبنای این تئوری، انتقال انرژی عبارت است از انتقال بسته‌هایی از انرژی، که «فوتون» (Photon) نامیده می‌شوند. برای هر کدام از این بسته‌ها می‌توان فرکانسی برابر با ν [تلفظ این نماد نو است] تعریف کرد. با توجه به فرکانس اختصاص داده شده به آنها می‌توان گفت انرژی هر کدام از این بسته‌ها برابر با مقدار زیر است.
e = h×ν = hc/λ
در رابطه بالا h مقداری ثابت، برابر با34-10×6.625 است که آن را «ثابت پلانک» (Planck’s constant) مینامند. توجه داشته باشید که همواره در این فرض مقادیر c و h اعداد ثابتی هستند. از این رو می‌توان گفت انرژی بسته‌ها یا همان فوتون‌ها، فقط به طول موج آنها وابسته است. از رابطه بالا می‌توان فهمید که طول موج پایین‌تر به معنای انرژی بیشتر فوتون است. برای نمونه «امواج ایکس» (X-rays) و یا «گاما» (Gamma) دارای طول موج بسیار کمی هستند، از این رو دارای انرژی بالایی بوده و میتوانند بسیار مخرب باشند.
شکل زیر طیفی از طول موجهای مختلف را نشان می‌دهد. همان‌طور که در آن پیدا است، طول موج می‌تواند از 10-10 تا 1010 میکرومتر متغیر باشد. جالب است بدانید که امواج کیهانی کمترین طول موج و الکتریکی بیشتر طول موج را دارند.
همان‌طور که در شکل مشخص شده، انتقال امواج حرارتی در طول موج بین 1-10 تا 102 اتفاق می‌افتد. علت اصلی انتقال حرارت به روش تابشی، حرکات دورانی و ارتعاشی مولکول‌ها، اتم‌ها و الکترون‌ها است. در حقیقت مقدار دما برآیند این تحرکات را نشان می‌دهد. از این رو افزایش دما باعث افزایش نرخ انتقال حرارت تابشی میشود.
مفهومی که آن را با عنوان نور می‌شناسیم در حقیقت بخش مرئی از طیف الکترومغناطیسی است. شکل بالا نشان می‌دهد که طول موج نوری زیر مجموعه طول موج حرارتی است.
انتقال حرارت تابشی، پدیده‌ای حجمی است. البته برای اجسام ماتی همچون فلزات، تابش به صورت سطحی اتفاق می‌افتد. توجه داشته باشید که مشخصه‌های تابشی یک سطح می‌تواند با روکش کردن آن با لایه‌های جدید، انجام شود.
تابش جسم سیاه
به جسمی که کامل‌ترین جذب کننده و ساطع کننده انرژی در یک طول موج خاص باشد، «جسم سیاه» (Black Body) گفته میشود. در یک دما و طول خاص هیچ جسمی نمی‌تواند بیشتر از جسم سیاه انرژی ساطع کند. از نظر تئوری یک جسم سیاه، انرژی را در تمامی جهات به طور یکنواخت جذب می‌کند. اما انرژی جذب شده، وابسته به جهت تابش موج رسیده به آن است.
میزان انرژی ساطع شده از یک جسم سیاه، در واحد زمان و در واحد سطح را می‌توان با استفاده از قانون استفان-بولتزمن (Stefan-Boltzman) محاسبه کرد.
قانون استفان بولتزمن
در رابطه بالا T دمای مطلق سطح جسم سیاه است که بر حسب کلوین بیان میشود. همچنین Eb را توان گسیل جسم سیاه مینامند. برای نمونه می‌توان یک محفظه بسته که دارای حفره‌ایی کوچک است را مدل‌سازی خوبی برای جسم سیاه دانست. توان تابشی جسم سیاه برابر با میزان انرژی ساطع شده از آن در واحد زمان، سطح و طول موج است. این کمیت را با نماد Ebλ نشان می‌دهند. قانون توزیع پلانک بیان می‌کند که برای چنین جسمی رابطه میان Ebλ با دما و طول موج به صورت زیر است.
توجه داشته باشید که در واقعیت این رابطه برای محیط خلا و یا گاز صادق است. برای دیگر محیط‌ها می‌توان از C1/n2 به جای C1 استفاده کرد. n نیز همان ضریب شکست محیط است که در بالا به آن اشاره کردیم.
شکل زیر میزان انرژی ساطع شده از جسم سیاه را در دماها و طول موجهای مختلف نشان می‌دهد.
همچنین طول موجی که در آن بیشترین تابش اتفاق می‌افتد را می‌توان با استفاده از «قانون جابجایی وین» (Wien’s displacement law)، از طریق رابطه زیر توصیف کرد.
با انتگرال‌گیری از این معادله در تمامی طول موج‌ها، می‌توان توانایی انتشار انرژی جسم سیاه را بر حسب دمای سطح آن و به صورت زیر بدست آورد.
معادله بالا فرض می‌کند که یک جسم سیاه در دمای ثابت T قرار گرفته و در تمامی طول موجهای ممکن، انرژی ساطع کرده است. اما واقعیت این است که یک جسم خاص در بازه‌ای محدود از طول موج، انرژی ساطع می‌کند. برای اینکه مجبور نباشیم معادله بالا را به صورت عددی حل کنیم، مقداری بی‌بعد را تحت عنوان تابع تابش جسم سیاه تعریف می‌کنیم که با نماد fλ نشان داده میشود. این کمیت که تابعی از دما است را می‌توان با استفاده از انتگرال زیر محاسبه کرد.
کمیت بالا نشان دهنده کسری از انرژی است که در طول موج بین 0 تا λ از جسم سیاهی با دمای T ساطع میشود. با توجه به اینکه صورت رابطه مربوط به fλ به شکل انتگرالی است، می‌توان گفت:
در کتب مختلف مقدار کمیت بالا در طول موجهای مختلف، محاسبه و جداولی برای آن ارائه شده است. برای نمونه جدول زیر مقدار fλ را در بازه بین 200 تا 2000 – میکرومتر.کلوین – ارائه داده است.
همچنین در شکل زیر می‌توانید میزان انرژی ساطع شده در بازه λ1 تا λ2 را مشاهده کنید.
برای درک بهتر بیان بالا، به مثال ارائه شده در ادامه توجه فرمایید.
مثال 1
دمای تنگستن موجود در لامپ در حدود 2500 درجه کلوین است. با فرض جسم سیاه بودن تنگستن، میزان انرژی ساطع شده توسط سیم، در طول موج مرتبط با نور مرئی چقدر است؟
طول موج نور مرئی در بین 0.4 تا 0.76 میکرومتر است. از این رو در ابتدا بایستی حاصلضرب λT را محاسبه کرد، سپس مقدار fλ مرتبط با آن را از جدول بالا خواند. بنابراین می‌توان به ترتیب زیر عمل کرد.
مقدار بالا نشان می‌دهد که تنها 5 درصد از کل انرژی تابشی ساطع شده از سیم تنگستن در بازه نور مرئی است. در واقع نوری که ما از لامپ می‌بینیم، 5 درصد کل انرژی ساطع شده از لامپ است.
ثوابت تابشی
جسم سیاه می‌تواند مرجع خوبی برای بررسی مشخصه‌های تابشی یک سطح واقعی باشد.
گسیلندگی
به نسبت انرژی ساطع شده توسط یک سطح به انرژی ساطع شده توسط جسم سیاه که در دمایی یکسان قرار گرفته‌اند، «گسیلندگی» (Emissivity) گفته میشود که با ε نشان داده میشود. واضح است که این مقدار همواره بین صفر و یک قرار می‌گیرد. این کمیت به ما نشان می‌دهد که خواص تابشی یک سطح واقعی به چه میزان به جسم سیاه نزدیک است [ضریب گسیلندگی برای جسم سیاه برابر با یک است]. از تعریف ارائه شده برای این مقدار پیدا است که می‌توان این عدد را با استفاده از رابطه زیر محاسبه کرد.
رابطه بالا گسیلندگی کلی یک سطح را نشان می‌دهد. اما در بعضی از تحلیل‌ها از توانایی گسیلش سطح، در یک طول موج خاص استفاده میشود. در چنین شرایطی می‌توان از مفهوم گسیلندگی طیفی بهره برد. گسیلندگی سطحی را با نماد ελ نشان می‌دهند و مقدار آن با استفاده از رابطه زیر قابل محاسبه است.
توجه داشته باشید که در هر دو مفهوم بالا دمای سطح واقعی و جسم سیاه برابر هستند. در رابطه بالا (Eλ(T توانِ تابشِ طیفی یک جسم سیاه است. در شکل زیر این مفهوم در قالب نمودار نشان داده شده. همان‌طور که در آن می‌بینید، توان تابشی یک سطح واقعی همواره کمتر از جسم سیاه است.
مقایسه توان تابشی جسم سیاه و جسم واقعی که در دمای یکسانِ T قرار دارند.
مشخصه‌های تابشی یک سطح
نرخ انتقال حرارت تابشی به ویژگیهای فیزیکی سطح نیز وابسته است. از این رو، به منظور سادگی محاسبات مربوط به تابش، سطوح مختلف در دسته‌‌بندی‌های زیر قرار می‌گیرند.
سطح پخش‌کننده: به سطحی که خواص تابشی آن مستقل از جهت انتشار امواج باشد.
سطح خاکستری: به سطحی گفته میشود که خواص تابشی آن مستقل از طول موج تابش است.
ضریب انتشار یک سطح خاکستری را می‌توان با استفاده از رابطه زیر محاسبه کرد.
ضریب انتشار معرفی شده در معادله بالا به شدت به دمای T وابسته است.
جذب، بازتاب و شفافیت یک سطح
به میزان انرژی تابشی که به یک سطح میرسد، «پرتوافکنی» (Irradiation) گفته میشود که با نماد G نشان می‌دهند.
جذب (α): نسبت انرژی جذب شده به انرژی تابیده شده به یک سطح
بازتاب (ρ): نسبت انرژی بازتاب شده به کل انرژی تابشی وارد شده به سطح
شفافیت: نسبت انرژی عبوری به کل انرژی وارد شده به سطح
تشعشع خروجی (J): عبارت است از نسبت انرژی ساطع شده به کل انرژی وارد شده به یک سطح
می‌توان خصوصیات ارائه شده در بالا را در قالب زیر بیان کرد:
با استفاده از قانون اول ترمودینامیک می‌دانیم که مجموع انرژی‌های جذب شده، بازتاب شده و منتقل شده از سطح بایستی برابر با کل انرژی ورودی به آن باشد. از این رو می‌توان این قانون را به شکل زیر بیان کرد:
با تقسیم عبارت بالا به G، رابطه میان ضرایب بیان شده برای یک سطح، به شکل زیر بدست می‌آید.
در شکلی که در ادامه آمده، هر کدام از این انرژی‌ها، به تفکیک نشان داده شده است.
برای یک سطح مات مقدار τ برابر با صفر است. از این رو معادله بالا به شکل زیر در می‌آید.
توجه داشته باشید که تعاریف ارائه شده در بالا در تمامی جهات و تمامی فرکانس‌ها صادق هستند. ما همچنین می‌توانیم این خواص را بر اساس خواص طیفی آنها بیان کنیم. برای نمونه می‌توان G را به شکل زیر نوشت.
توجه کنید که ضریب جذبی α مستقل از دمای سطح است و به شدت به دمای منبعی وابسته است که امواج تابشی از سمت آن می‌آید. برای نمونه ضریب جذبی سقفی که از بتن باشد، نسبت به تابش خورشید برابر با 0.6 است. اما این ضریب نسبت به تابشی که از محیط اطراف می‌آید، برابر با 0.9 است.
قانون شُهف
مطابق شکل زیر یک محفظه و یک سطح را در نظر بگیرید که در دمای یکنواخت T قرار گرفته‌اند.
با فرض اینکه محفظه مفروض در تعادل ترمودینامیکی باشد می‌توان کل انرژی رسیده به آن را به صورت زیر نوشت.
در این حالت میزان انرژی ساطع شده از آن نیز برابر با مقدار زیر است.
از آنجایی که جسم مفروض در تعادل ترمودینامیکی است بنابراین انرژی وارده شده و خارج شده از آن با یکدیگر برابر هستند. از این رو می‌توان گفت:
با توجه به رابطه بالا نتیجه مهم زیر حاصل میشود.
رابطه بالا بیان می‌کند که انرژی تابیده شده توسط یک سطح که در دمای T قرار گرفته، برابر است با کل انرژی تابشی جذبی که از جسم سیاهی با دمای T دریافت کرده است.
این قانون را می‌توان به فرمت طیفی،به شکل زیر نشان داد.
تابش خورشیدی
به انرژی خورشیدی که به سطح اتمسفر زمین میرسد، ثابت خورشیدی گفته میشود که برابر با مقدار زیر است.
با توجه به این که مدار چرخش زمین به دور خورشید، بیضی‌گون است، مقدار ثابت خورشیدی در سال به میزان 3.4± درصد تغییر می‌کند. این عدد بسیار اندک است، از این رو مقدار تابش را تقریبا ثابت فرض می‌کنند.
سوال: به نظر شما چطور می‌توان با توجه به معلوم بودن ثابت خورشیدی، دمای سطح خورشید را یافت.
از آنجایی که بین خورشید و اتمسفرِ زمین مادهای وجود ندارد، بنابراین تمامی انرژی ساطع شده از سطح خورشید به اتمسفر زمین میرسد. در نتیجه با فرض کردن خورشید به عنوان جسم سیاه می‌توان دمای موثر سطح آن را یافت. بخشی از انرژی دریافت شده، توسط اتمسفر جذب شده و بخش دیگری از آن پراکنده میشود.
پخش شدن و بازتاب انرژی دریافت شده توسط اتمسفر، مقداری از ثابت خورشیدی را کم می‌کند.
ضریب دید
میزان انتقال حرارت تابشی بین دو صفحه، علاوه بر خواص تابشی دو سطح، به زاویه آنها نسبت به یکدیگر نیز مرتبط است. بدین منظور در انتقال حرارت تابشی از مفهومی تحت عنوان ضریب دید استفاده میشود. این عدد فقط به شرایط هندسی دو سطح وابسته است. در محاسبات مربوط به ضریب دید، فرض میشود که انتقال حرارت تابشی به صورتی کاملا یکنواخت در تمامی سطح اتفاق می‌افتد. همچنین فرض بر این است که فضای میان سطوح، انرژی مبادله شده میان دو سطح را جذب و یا منعکس نمی‌کند.
- Fij برابر است با نسبت انرژی برخورد کرده به سطح j به انرژی ساطع شده از سطح i. با توجه به تعریف، می‌توان گذاره‌های زیر را بیان کرد:
- ضریب دیدِ سطوح، بین 0 و 1 قرار دارند.
- 0=Fij به این معنی است که دو سطح یکدیگر را نمی‌بینند. از طرفی 1=Fij به معنای این است که سطح j به طور کامل سطح i را پوشانده است.
- حرارت تابشی که به سطحی برخورد می‌کند، نیاز نیست الزاما توسط سطح مذکور جذب شود.
- Fii عبارت است از نسبت انرژی ساطع شده توسط یک سطح، به انرژی دریافت شده توسط همان سطح. از این رو برای سطوح تخت و محدب این ضریب برابر با صفر و برای سطوح مقعر این مقدار می‌تواند غیرصفر باشد. در شکل زیر مفهوم Fii نشان داده شده. همان‌طور که می‌بینید این مقدار ممکن است برای یک سطع مقعر غیرصفر باشد.
قوانین مربوط به محاسبه ضریب دید
در حالتی که انتقال حرارت تابشی بین N سطح اتفاق می‌افتد، به محاسبه N2 ضریب دید نیازمند هستیم. البته ممکن است یافتن تمامی ضرایب نیاز نباشد، چراکه با استفاده از روابط زیر می‌توان با معلوم بودن چند ضریب، بقیه ضرایب را نیز محاسبه کرد.
قانون عکس ضرایب
می‌توان نشان داد که رابطه بین ضریب Fij و Fji به صورت زیر است.
قانون جمع
در تحلیل مسائل مربوط به تابش، معمولا سطحی کاملا بسته را در نظر می‌گیریم. قانون پایستگی انرژی می‌گوید تمامی انرژی تولید شده توسط سطوح، به یکدیگر برخورد می‌کنند. از این رو برای مجموعه‌ای که سطح بسته‌ای را تشکیل می‌دهند، می‌توان رابطه زیر را نوشت.
از طرفی رابطه بالا را می‌توان برای i از 1 تا N نوشت. در نتیجه این عبارت نشان‌دهنده N معادله است. از طرفی قانون عکس ضرایب نیز 2/(N(N-1 معادله را به ما می‌دهد. بنابراین تعداد ضرایبی که برای چنین سیستمی بایستی محاسبه شود، برابر با عدد زیر است.
مثال 2
ضرایب F12 و F21 را برای شکل‌های زیر بیابید.
1. کره‌ای به قطر D که در جعبه‌ای مکعبی به طول L=D قرار گرفته است.
2. صفحه موربی که درون لوله‌ای با مقطع مربعی قرار گرفته.
پاسخ مربوط به شکل 1
در شکل 1 تمامی انرژی که توسط کره ساطع میشود، توسط جعبه جذب میشود. بنابراین 1 = F12 است. با استفاده از قانون عکس ضرایب و قانون جمع، می‌توان گفت:
پاسخ مربوط به شکل 2
با استفاده از قانون جمع می‌توان گفت:
انرژی از سطح شماره 1 به خودش برخورد نمی‌کند، بنابراین در معادله بالا می‌توان F11 را برابر با صفر فرض کرد. همچنین با توجه به تقارن موجود در مسئله می‌توان رابطه زیر را بیان کرد:
با حل دو معادله بالا مقادیر F12 و F13 برابر با 0.5 بدست می‌آیند. با یافت شدن F12 و استفاده از قانون عکس ضرایب می‌توان F21 را به شکل زیر محاسبه کرد.
جذابیت اصلی انرژی تابشی به این دلیل است که مدلی از انتقال انرژی را ارائه می‌دهد که به وجود مادهای نیاز ندارد. در حقیقت اگر انتقال انرژی به این روش وجود نداشت، احتمالا زمین یخ زده بود!
«استیون هاوکینگ» (Stephen William Hawking)، دانشمند بریتانیایی، در دهه 1970 نظریه‌ای تحت عنوان «تابش هاوکینگ» (Hawking Radiation) ارائه کرد. او میزان انرژی تابشی ساطع شده از یک سیاهچاله و همچنین نتایج آن را توضیح داد. این نظریه نشان می‌دهد که یک سیاهچاله می‌تواند از طریق تابش جرمش را تا حدی از دست بدهد که نهایتا از بین برود.
