کاربرد نانو در صنعت تولید برق
تکنولوژی برق و کاربرد نانو در آن
کاربرد نانو در محصولات برقی
نانوساخت
نانو مواد در الکترونیک
دستگاه های نانوالکترونیکی
تولید انرژی
تشخیص دارویی
مزایا و معایب
پرهزینه ترین و پرکاربردترین بخش برق، صنعت تولید برق است. این صنعت از قسمت های مختلفی تشکیل شده است. کابرد نانو در هر یک از این بخش ها منجر به بهبود بازدهی، افزایش تولید برق، کاهش هدر رفت انرژی، کاهش آلاینده های زیست محیطی و بهبود اقتصاد یک کشور می شود. صنعت تولید برق یکی از جنبه های تعیین کننده قدرت اقتصادی یک کشور است. هدف از کاربرد نانو در این زمینه افزایش تولید میزان برق تولیدی در یک محل مشخص است.
تاثیر نانو در این زمینه فقط مختص به سوخت های فسیلی نمی شود. سایر روش های تولید برق مثل پیل های سوختی و صفحه های خورشیدی را نیز در بر می گیرد. برخی از کابرد ها و مزایای کاربرد نانو که در تولید برق موثرند؛ در جدول زیر لیست شده اند.
برق و تکنولوژی آن قسمت های مختلفی را در صنعت شامل می شود. از فرایند تولید آن گرفته تا همه وسایلی که از انرژی الکتریسیته استفاده می کنند زیر مجموعه تکنولوژی برق شناخته می شوند. آن چه امروزه بیشتر به این صنعت مربوط می شود، کاربرد آن در صنایع سخت افزاری و نرم افزاری، سیستم های عملیاتی، اطلاعات و کاربردهای شبکه، تلفن و وسایل ارتباطی، تجهیزات ویدیویی و چند رسانه ای و محصولات اداری است. به طور کلی تکنولوژی برق را می توان در دو بخش تولید و مصرف آن پوشش داد. این دو بخش دو بعد کاملا متفاوت از هم دیگر هستند. در ادامه به تاثیر نانو در این دو بخش می پردازیم.
در بخش بالا برخی از کاربردهای تکنولوژی نانو برای تولید برق شرح داده شد. امروزه اکثر کشورهای اروپایی کارخانه ها را ملزم به تولید انرژی مورد نیاز خود کرده است. هزینه های بالای سوخت های فسیلی و آلودگی های وسیع ناشی از آن ها استفاده از این دسته از انرژِ های قدیمی را محدود کرده است. بنابراین شرکت ها و کشورها همواره در تلاش برای تولید انرژی، ذخیره آن و ممانعت از هدر رفت آن هستند. همان طور که در جدول بالا شرح داده شد، کاربرد علم نانو در جنبه های مختلف صنعت برق یکی از مهم ترین اثارت علم نانو در تکنولوژی برق است.
این بخش که با عنوان نانو الکترونیک شناخته می شود؛ عبارت است از استفاده از تکنولوژی نانو در اجزای الکترونیکی. این دسته از دستگاه ها دارای اندازه بین یک تا ۱۰۰ نانومتر هستند.
در سال ۱۹۶۵ جوردن مور مشاهده کرد که با کاهش اندازه ترانزیستورهای سیلیکونی، امکان جاسازی تعداد بیش تری از آن ها در یک تراشه وجود دارد. هرچه تعداد ترانزیستوهای موجود در یک تواشه بیش تر باشد، انرژی مصرفی کاهش و سرعت پردازش افزایش میابد. این موضوع تحت عنوان قانون مور شناخته می شود. از آن زمان تاکنون اندازه ترانزیستورها به ۱۰ نانومتر نیز رسیده است. هدف علم نانوالکترونیک امکان تولید دستگاه های الکترونیکی در مقیاس نانو یا ساخت دستگاه های الکترونیکی که دارای اجزای نانو هستند را مطرح می کند.
هر شی دارای سه بعد است که با طول، عرض و ارتفاع شناخته می شود. حجم یک شی با کاهش ارتفاع کاهش میابد اما سطح مستقل از ارتفاع است (ّرای کاهش آن باید طول را کم کرد). بنابراین، در صورتی که ارتفاع را کاهش دهیم میتوانیم نسبت سطح به حجم را افزایش دهیم. از طرفی توان یک ماشین وابسته به حجم آن است درحالی که اصطکاک تحت تاثیر سطح است. توان یک ماشین معمولی برای غلبه بر اصطکاک آن کافی است. اما هر چه در سطح ثابت حجم دستگاه را کم کنیم، توان آن کاهش میابد و دستگاه را نمی توان استفاده کرد.
وقتی نیروهای اصطکاک نسبت به نیروی دستگاه افزایش میابند، نمی توان از تکنولوژی های معمول برای ساخت دستگاه ها استفاده کرد. علاوه بر اصطکاک در مقیاس های کوچک تنش سطحی نیز افزایش میابد و نمی توان از آن چشم پوشی کرد. این موضوع تولید ربات های مقیاس نانو را غیر عملی می کند. زیرا حتی اگر بتوانیم بازوها و موتور در این مقیاس تهیه کنیم، هر آن چیزی را که آن ها بلند کنند نمی توانند از خود جدا کنند. بنابراین برای ساخت ماشین های دارای کارایی در مقیاس نانو، نیروهای مذکور باید در نظر گرفته شوند.
نانوساخت
ترانزیستورهای نانو تنها با انتقال یک الکترون کار می کنند. سیستم های نانوالکترومکانیکی نیز در این دسته قرار می گیرند. به جای سنتز تک تک نانو سیم ها به طور جداگانه از نانوساخت برای تهیه الیاف فوق چگال موازی سیم ها استفاده می شود. به علت کاربرد بالای سیلکون در صنعت برق این ماده در مقیاس نانو جهت ذخیره و انتقال انرژی بیش تر از سایر مواد مطالعه شده است. نانوسیم های سیلیکونی را می توان به روش اکسیداسیون حرارتی که امکان کنترل ضخامت وجود دارد، تولید کرد.
نانو مواد در الکترونیک
علاوه بر اندازه کم و امکان جداسازی ترانزیستورهای کوچک در یک چیپ، ساختار یکنواخت و متقارن نانوسیم ها و نانولوله ها تحرک بالاتر الکترونی را فراهم می کند. علاوه بر این ثابت الکترونیکی بالاتر و ویژگی ها الکترونی متقارن از دیگر مزایای این دسته از مواد هستند. از دیگر نانوذرات شناخته شده کوانتوم دات ها هستند که دارای ویژگی های مذکورند.
۲-۳-۱ کامپیوترها
نانوالکترونیک تولید پردازنده های بسیار قوی را با روش های تولید نیمه رساناها فراهم می کند. برخی از این رویکردها شامل استفاده از نانولیتوگرافی، ملکول های کوچک و نانو سیم ها هستند. ترانزیستور اثر میدانی، هم با نانولوله های کربنی نیمه رسانا و هم با نانوسیم های نیمه هادی تهیه و عرضه شده اند.
۲-۳-۲ حافظه ذخیره سازی
در سال های گذشته، طراحی حافظه های الکترونیکی تحت تاثیر ایجاد ترانزیستورهای جدید بوده اند. به منظور ساخت منابع ذخیره سازی حافظه با دانسیته فوق بالا، از اتصالات متقابل قابل تنظیم و منعطف بین سیم پیچی های عمودی و افقی استفاده می شود. دو شرکت که این دسته از رم ها را تولید می کنند نانترو (Nantero) و هیولت پکار (Hewlett-Packard) هستند. نانترو از نانوتیوب های کربنی تحت عنوان نانو رم استفاده می کند. شرکت هیولت از مِمریستر (Memristor) برای جایگزینی کارت حافظه های امروزی استفاده می کند.
تولید تجاری حافظه های نانوالکترونیکی از سال ۲۰۱۰ آغاز شد. شرکت سامسونگ توانست فلش مموری های ناند Nand ۱۰ نانومتری تولید کند. در سال ۲۰۱۷ شرکت تایوانی TSMC حافظه های ۷ نانومتری را عرضه کرد.
۲-۳-۳ دستگاه های اوپتوالکترونیک
دستگاه الکترونیکی آنالوگ قدیمی در حال جایگزینی با نوع نوری یا نوری-الکترونیکی هستند. این دسته پهنای باند و ظرفیت بالاتری دارند. دو نوع از این دستگاه ها کوانتوم دات ها و کریستال های فوتونیک هستند.
۲-۳-۴ نمایشگرها
امروزه تولید نمایشگرهای کم مصرف با استفاده از نانو لوله های کربنی یا نانوسیم های سیلیکونی صورت گرفته است. چنین ساختارهایی رسانا هستند. قطر کوچک این ذرات بازدهی انتشار را به شدت کاهش داده است. این نمایشگرها لامپ های LED را شامل می شود که در تلوزیون های خانگی پر کاربرد شده اند. این لامپ ها نه تنها طول عمر بیش تری دارند بلکه وضوح تصویر و شفافیت بیش تری نسبت به بقیه نمایشگرها دارند.
۲-۳-۵ کامپیوترهای کوانتومی
به کمک این دستگاه ها امکان اعمال الگوریتم های کوانتومی فراهم می شود. در این دسته کیوبیت (qubit) جایگزین بیت (bit) می شود. در دستگاه های نانوالکترونیکی، یک کیوبیت با وضعیت کوانتومی چرخش یک یا چند الکترون تعیین می شود. چرخش با کوانتوم دات های نیمه هادی محدود می شود.
تلاش های صورت گرفته در سال های اخیر برای تولید سلول های خورشیدی سیلیکونی دارای نانوسیم ها منجر به بهبود کارایی و بازدهی استفاده از انرژی خورشیدی شده است.
تولید انرژی از این روش نه تنها آلاینده های زیستی را کاهش می دهند و بازده تولید را افزایش می دهد؛ بلکه امکان دسترسی به آن را تسهیل می کند. همچنین در این روش ها امکان ذخیره سازی موثر انرژی وجود دارد.
تاثیر نانو تنها مربوط به پنل های خورشیدی و توربین های بادی نمی شود. تولید انرژی الکتریسیته با سوخت های فسیلی در صورتی که از ننو ذرات برای پیشبرد فرایند استفاده شود، همان مزیت های مذکور را دارد.
اخیرا استفاده از دستگاه های نانوالکترونیکی برای تشخیص ملکول های زیستی برای تشخیص جایگزین روش های قدیمی تر شده است. همچنین برهمکنش آن ها با تک سلول ها امکان استفاده از آن ها را در تحقیقات زیستی فراهم کرده است. این دستگاه ها با عنوان بیوسنسورها شناخته می شوند.
تلاش های صورت گرفته در سال های اخیر امکان تشخیص برخی از بیماری ها مثل سرطان، ویروس ها و covid رافراهم کرده است. با استفاده از این تکنولوژی علاوه بر کاهش زمان تشخیص، دقت شناسایی و تشخیص بیماری نیز افزایش میابد. کاهش زمان تشخیص بیماری مثل سرطان از چند رو به چند ساعت، تعیین کننده ورود فرد بیمار از فاز اول سرطان به فازهای بعدی است.
معایب
آلودگی های محیطی- با افزایش تکنولوژی نانو آلودگی ها ناشی از آن نیز افزایش میابد. بسیاری از بیماری هایی که این مواد ایجاد می کنند، سلامت بسیاری از موجودات زنده را تحت تاثیر قرار می دهد.
از دست رفتن فرصت های شغلی- با توجه به اثر فناوری بر علم و تکنولوژی بسیاری از مشاغل کاهش میابند و نیاز به کارگر کم میشود.
ناپایداری اقتصادی- ارائه چنین محصولات نوینی منجر به کاهش ارزش نفت و الماس می شود. کاهش ارزش موادی که برای مدت طولانی تعیین کننده اقتصاد هستند؛ همه مشاغل را تحت تاثیر قرار می دهد.
هزینه بر بودن- با وجود تاثیرات مطلوب نانو در زمینه الکتریسیته، کاربرد مواد خام مرغوب و کاربرد آن در تکنولوژی های قدیمی به سرمایه گذاری اولیه بالایی نیاز دارد.
اثرات منفی بر سلامت انسان- سلامت انسان به شدت تحت تاثیر تشعشعات هسته ای و گازهای خطرناک است. هر فناوری که با کمک به تجهیزات جنگی بتواند آن ها را مجهزتر کند، اثرات منفی را در جنگ افزایش می دهد. مانند بمب اتم و یا حادثه چرنوبیل که اثر آن تا چند قرن باقی خواهد ماند.
مزایای کاربرد نانو در برق، هنگام معرفی آن ها بیان شدند. اما به طور خلاصه می توان به موارد مذکور اشاره کرد؛
ایجاد تغییرات عمده در کالاهای برقی: اغلب وسایل الکترونیکی که امروزه استفاده می شوند، با تکنلوژی نانو تکامل یافته اند. تولید چیپ های چند سانتی متری که حاوی هزاران داده است، از مزایای ترکیب دو علم برق و نانو است. برخلاف چند دهه گذشته که از ابر رایانه های برای محاسبات استفاده می شد؛ ما امروزه از تلفن های همراه هوشمند استفاده می کنیم.
ایجاد پیشرفت در زمینه های پزشکی: یکی از مثال های کاربرد این شاخه امکان شناسایی بیماری های مختلف در زمان بسیار کوتاه است.
حفظ و تولید انرژی: بسیاری از نانو سیم ها و نانولوله ها می توانند به ایزوله کردن و ذخیره انرژی کمک کنند.
.webp){kind=icon}
 (1).webp){kind=icon}
.png){kind=logo}
