بهبود کاتاليست‌هاي پيل سوختي

بهبود کاتاليست‌هاي پيل سوختي

محققان در آمريکا کشف کرده‌اند که نانوذرات پلاتين به صورت انتخابي روي نانولوله‌هاي کربني در مکان‌هاي "DNA" تک‌رشته‌اي شده ("ssDNA") رشد مي‌کنند. آنها شرح داده‌اند که با اتصال "ssDNA" به سطح نانولوله‌ها مي‌توان نانولوله‌هاي تک‌جداره‌ي دسته‌اي‌شده را به صورت نانولوله‌هاي منفرد پراکنده کرد. اين روش براي توليد ديگر انواع ذراتِ (از قبيل پالاديوم و طلا) قرارگرفته روي نانولوله‌ها براي کاربردهايي در پيل‌هاي سوختي و الکترونيک نانومقياس، مناسب است.

ليفنگ‌دانگ، از دانشگاه ايالتي ميسوري و يکي از اين محققان، مي‌گويد: مشکل اصلي براي توسعه کاتاليست‌هاي پلاتين داراي پايه نانولوله کربني، عبارت است از فقدان روش‌هاي مطمئن براي کنترل ريخت‌شناسي، اندازه، چگالي و پيکربندي نانوذرات پلاتين روي نانولوله‌هاي کربني.

نانولوله‌ها بواسطه برهم‌کنش‌هاي آبگريزي در محلول‌هاي آبي و برهم‌کنش‌هاي قوي وانداروالس بين لوله‌ها، تمايل به دسته‌اي شدن دارند. بنابراين دانشمندان هنگام توليد کاتاليست‌هاي پلاتين داراي پايه نانولوله‌اي، با مشکل دسته‌اي شدن نانولوله‌ها مواجه مي‌شوند.

هدف اين محققان توسعه يک روش مؤثر براي توليد نانوذرات پلاتين روي نانولوله‌هاي کربني تک‌جداره، مي‌باشد. انتظار مي‌رود که نانولوله‌هاي تک‌جداره بواسطه سطح ويژهي‌ بزرگ‌شان و قطر کوچک‌شان بعنوان پايه‌هاي کاتاليست، عملکرد بهتري داشته‌باشند. اين دانشمندان توضيح مي‌دهند که يک روش مناسب براي توليد نانوذرات پلاتين روي نانولوله‌هاي تک‌جداره بايد شامل دو مرحله باشد: جداکردن نانولوله‌هاي دسته‌اي شده به صورت نانولوله‌هاي منفرد و توليد نانوذرات پلاتين روي اين نانولوله‌ها.

اين محققان براي پراکنده‌کردن نانولوله‌هاي تک‌جداره در محلول آبي از مولکول‌هاي "ssDNA" استفاده کرده‌اند. آنها همچنين اين مولکول‌ها را بعنوان قالب‌ها براي اتصال يون‌هاي پلاتين و تشکيل نانوذرات پلاتين روي اين نانولوله‌ها بکار برده‌اند.

نتايج اين تحقيق تحت عنوان "استفاده از "DNA" به‌عنوان قالب براي توليد نانوذرات Pt روي نانولوله‌هاي کربني تک‌جداره" در مجله‌ي Nanotecnology منتشر شده‌است

نانو تكنولوژی و پیل های سوختی

نانو تكنولوژی و پیل های سوختی
گوی های نیكلی در ابعاد نانو می توانند به اقتصاد هیدروژنی توان تازه ای ببخشند و خودروهای هیدروژنی را پربا زده تر سازند. كره شكل شگفت انگیزی است. كمترین مساحت سطحی را كه در میزان معینی می توان به دست آورد، به یقین یك كره خواهد بود. این خاصیت جالب هندسی هنگامی كه می خواهیم به همراه بنزین، میزانی ماده در فضایی محدود داشته باشیم، به كار ما می آید. اما همیشه با این ویژگی سروكار نداریم. گاه به افزایش میزان تماس نیازداریم. به حداكثررساندن میزان تماس برای افزایش كارآیی كاتالیست ها ضرورت دارد.

برای به دست آوردن سطحی بزرگ، تولیدكنندگان گاهی مجبور به ساختن شمایل های پیچیده و به هم تابیده از راه های دشوار تولیدی می شوند. جالب توجه است كه یك كره در بیشتر این موارد كار مورد نظر را انجام می دهد. اگر شما با مقیاس ۱۰۰۰ حجم یك كره را كاهش دهید، سطح آن كره تنها با مقیاس ۱۰۰ كاهش خواهد یافت. «كره ها را به حد كافی كوچك بسازید تا حتی فلزات خیلی معمولی و فراوان در اطراف ما كارهای عجیبی را برای شما انجام دهند». این یكی از نویدهایی است كه ذرات در مقیاس نانو به ما می دهند. ذرات بسیار ریز مواد خواصی دارند كه همان مواد در مقیاس بزرگ تر آن خواص را ندارند. ذرات در مقیاس نانو كه نخستین تحول تجاری در نانو تكنولوژی هستند، امروزه در گستره وسیعی از محصولات از رنگ تاتوپ تنیس یافت می شوند.

اما ذرات در مقیاس نانو بیشترین تاثیرشان در كاتالیست ها و واكنش گرها است. این فلزات در مقیاس نانو هم اكنون به درون سوخت خودروها و مهمات راه یافته اند و این احتمال كه بتوانند با قیمتی ارزان جانشین پلاتین در پیل های سوختی شوند، زیاد است. كاتالیست ها (كاتالیزورها) واكنش های شیمیایی را سریع تر می سازند، بدون این كه خودشان در میان واكنش مصرف شوند. برای كاربردهای بسیاری پلاتین به عنوان كاتالیست بهترین انتخاب خواهد بود. پلاتین در كانورتورهای كاتالكتیكی خودروها و در پالایش گاه های نفت به كار گرفته می شود. پلاتین آن قدر نایاب و گرانبها است كه نسبت كیلو به كیلوی آن از طلا گران تر درمی آید.

این موضوع برای به كارگیری كاتالیست ها در بسیاری پروژه ها عاملی بازدارنده به شمارمی آید. یكی ازچالش های اصلی در پایین آوردن بهای پیل های سوختی همین نیازمندی به كاتالیست های پلاتینی است. لایه نازك پلاتینی كه در پهنای غشایی این پیل ها گسترانیده شده است، پروتون های اتم هیدروژن را از الكترون ها جدا می كند.
تاكنون بهترین كاتالیست پلاتین بوده است، اما موارد دیگری نیز می توانند كاری مشابه انجام دهند. لیتیم، نیكل و مس نیز می توانند در بسیاری واكنش های مشابه به عنوان كاتالیست استفاده شوند.
یكی از راه های افزایش خاصیت كاتالكتیكی مواد، افزایش میزان تماس آنها با عناصر واكنش است. با نگاهی سریع به ارتباط میان حجم و سطح یك كره به راه حل جالب توجهی می رسیم. كاتالیست های پودری با قطرهای بسیار ریز بسازید، هرچه ریزتر بهتر و هم اكنون ما امكان ساخت این كره ها را در مقیاس نانو یافته ایم.

از دهه ۳۰ میلادی محققان كوداك ذراتی چند برابر نانومتر برای فیلم های عكاسی می ساختند. دیگر پژوهشگران در دهه ۷۰ میلادی موادی در مقیاس نانو تولید كردند. روشی كه این محققان از آن استفاده می كردند، روش چگالیدن فاز گازی بود. امروزه از فرآیندهای متفاوتی برای تولید مواد نانومتری در سراسر جهان استفاده می شود. این فرآیندها شامل ته نشست بخار شیمیایی، ته نشست فیزیكی بخار، پرتاب راكتیو مایع، تجزیه شیمیایی با لیزر، تبدیل با اسپری تفنگ پلاسما، آلیاژهای مكانیكی و فرآیندهای مرتبط، آسیاب كردن و solgel می شوند.

بسیاری از مفسران هم عقیده اند كه ساخت ذرات در مقیاس نانو، نخستین تحول عظیم در زمینه نانو تكنولوژی بوده است. شركت كوانتوم راسفر در كوستامسا كالیفرنیا پتانسیل قوی را در این بخش احساس كرد و به تحقیقات جدیدی روی آورد. بسیاری از فرآیندهایی كه شركت های دیگر برای ساخت ذرات در مقیاس نانو به كار می برند، بسیار گران قیمت ا ند یا به تجهیزات پیچیده وكاركنان ماهر و تعمیرات و نگهداری مداوم نیاز دارند. به علاوه، اندازه و شكل ذرات تولید شده با این فرآیندها در بهترین حالت ناپیوسته و ناهمگون هستند.

كوانتوم راسفیر، اكنون یكی از تولیدكنندگان پیشرو در زمینه ذرات نانومتری و پودرهای فلزی نانو متری كه شامل ذرات نانویی پودرنیكل با كیفیت بالا نیز می شود، راهی برای استفاده مناسب از روش چگالیدن فاز گازی یافته است كه خود یكی ازنخستین فناوری های تولید ذرات نانویی بوده است و با این روش فرآیندی پیوسته و تمام خودكار را برای تولید پودرهای فلزی به كار می گیرد. مفتول فلزی به درون محفظه خلأ خورانده می شود و روی كامپوزیت های بین فلزی كه با الكتریسیته تا دماهای بالایی گرم می شوند، ذوب می شود.
فلز تبخیر می شود و بخار با گاز بی اثر خنك می شود، سپس به صورت ذراتی از مایع چگالیده می شود كه با جامد شدن این ذرات، گوی های نانویی خواهیم داشت. سپس اكسیژن به جریان گازافزون می شود تا پوسته ای اكسیده شده گوی ها را در برگیرد.
ذرات نانو جمع آوری می شوند و در ظرف هایی كه از گاز بی اثر پر شده اند، ذخیره و بسته بندی می شوند. بنا به میزان افزودنی ها به فلز، فشار محفظه، دما و جریان گاز خواص ذرات تغییر می كند. برای مثال، تكنسین ها می توانند اندازه ذرات نانویی را با كنترل جریان لایه ای منطقه اطراف محدوده مغشوش بخارفلز تعیین كنند. این فرآیند پایین به بالا تكنیك ها را قادر می سازد تا پیش از فرونشاندن گاز، قطر مورد نظرشان را به دست آورند.
نتیجه توزیع یكنواخت و كنترل اندازه ذرات خواهد بود و با به كارگیری جریان لایه ای كنترل شده اطراف المنت های حرارتی درون محفظه خلأ می توان خروجی را برحسب نیاز تحویل گرفت.
این فرآیند می تواند گوی های فلزی بسازد كه بسیار ریز هستند. برای كاربردهای خاص، ذراتی ساختیم كه تنها دو نانومتر پهنا دارند و تنها از چند صد اتم تشكیل شده اند.

سال ها است كه ذرات نانو در تایرها، لوازم آرایشی و پوشش های محافظتی خاص استفاده می شوند، اما تولید انبوه گوی های فلزی هم شكل، افق های جدیدی را به روی ما می گشاید. حتی در مقیاس میكرونی بیشتر فلزات با اكسیژن واكنش نشان می دهند. هنگامی كه به قطرهای بسیار ریز می رسیم، ذرات فلز سطح كافی خواهند داشت تا به صورت استثنایی راكتیو (واكنش دهنده) باشند. ذرات نانویی تولید شده به وسیله كوانتوم اسفیر آن قدر كوچك هستند كه هر اتم موجود در ذره می تواند در واكنش ها شركت كند. نیكل نانویی و دیگر ذرات نانویی باید در ظرف های عاری از هوا نگهداری شوند و گرنه به طور طبیعی خواهند سوخت.

اگر در محیطی كنترل شده نانو آلومینیوم را آزاد كنیم، همانند دینامیت عمل خواهد كرد. در ضمن برای سوخت راكت نیز قابل استفاده خواهد بود؛ از این رو، وزارت دفاع آمریكا برای مهمات نسل آینده و ناسا برای افزودنی ها به سوخت های راكت ها روی این موضوع تحقیقات گسترده ای انجام می دهند.
نیكل كاتالیستی ارزان قیمت است و برای هیدروژنیزه كردن روغن سبزیجات به كار می رود. پژوهشگران علوم فضایی راكتورهایی برپایه نیكل را برای تبدیل دی اكسیدكربن و یخ به سوخت راكت ها پیشنهاد می كنند.
برتری نیكل به دلیل فراوانی هزار برابری آن و پانصد برابر ارزان تر بودن از پلاتین است. با این تغییر شگرف می توان نیكل را با پلاتین موجود در پیل های سوختی تعویض كرد؛ در نتیجه پیل های سوختی هیدروژنی به لحاظ هزینه فناوری، اقتصادی خواهند بود.

ذرات نانویی نیكل نیروی كاتالكتیكی بیشتری درقیاس به صفحات نیكلی معمولی دارند. این توان آن قدر زیاد است كه می توان از نانو ذرات نیكل در غشای الكترولیتی انواع پیل های سوختی استفاده و پلاتین را حذف كرد. براساس قیمت های موجود این كار تا ۵۰ درصد هزینه تولید پیل های سوختی را پایین خواهد آورد.

با جانشینی پلاتین و ذرات نانویی نیكل، شاهد تغییرات عمده ای روی موتورهای احتراق داخلی نیز خواهیم بود. پلاتین در مواد كاتالكتیكی موتور دیزل و در مدل های كاتالكتیكی كنترل گازهای خروجی نیز به كار برده می شود و نانو نیكل در همه این موارد كارساز است.

با گسترش استفاده از نانو، نیكل فرآیندهای كاتالكتیكی بیشتر به كار گرفته خواهند شد، زیرا قیمت فرآیند توجیه پذیر خواهد بود. این فناوری می تواند در بخش های متفاوت تولید، بهره برداری، توسعه و مصرف انرژی به كار گرفته شوند و بخشی از كسری بودجه ایالات متحده به دلیل واردات فراوان نفت را جبران كنند. به گزارش مركزملی انرژی، واردات نفت هفته ای یك میلیارد دلار از درآمد اقتصاد آمریكا را می بلعد.

تغییراتی كه در ساختار طبیعی فلزات معمولی داده می شود، گواهی است بر پتانسیل عظیم نهفته در علم نانوتكنولوژی در مقیاس نانو تقریباً همه چیز متفاوت است. یافتن راه های متفاوت برای به خدمت گرفتن این تفاوت ها، نیروی عظیم را در اختیار ما خواهد گذارد.

پيل‌هاي‌سوختي اتانولي مستقيم (DEFC)

پيل‌هاي‌سوختي اتانولي مستقيم (DEFC)، زير مجموعه‌اي از پيل‌هاي‌سوختي تبادل پروتون مي‌باشند كه سوخت (اتانول) بهسازي شده و مستقيماً به پيل خورانده مي‌شود.

مزايا
DEFC به جاي متانول بسيار سمي ار اتانول استفاده مي‌نمايد. همچنين اتانول براي مصرف‌كنندگان داراي استفاده شايع‌‌تري مي‌باشد.
اين ماده مايعي غني از هيدروژن و داراي دانسيته تواني بالا (8kwh/kg) نسبت به متانول (1.6kwh/kg ) مي‌باشد. اتانول مي‌تواند در مقادير زياد از طريق تخمير منابع قابل تجديدي چون نيشكر، گندم، ذرت، يا حتي كاه توليد شود.
در پيل‌هاي‌سوختي، اكسيداسيون هر سوخت نياز به استفاده از يك كاتاليزور مناسب براي ايجاد دانسيته جرياني دارد. در اكثر موارد مؤثرترين كاتاليزور براي اكسيداسيون مولكول‌هاي كوچك آلي،‌ كاتاليزرورهاي بر مبناي پلاتين مي‌باشند. اما با توجه به هزينه بالاي اين كاتاليزورها، بهره‌برداري كاربردي از اتانول به عنوان سوخت پيل‌هاي‌سوختي PEM، نياز به ايجاد كاتاليزورهاي جديد دارد. الكتروكاتاليزورهاي نانو ساختارهاي جديد (براي مثال HYPERMEC توسط ACTA Sp A) بر مبناي فلزات non- nobel و ترجيحاً به صورت مخلوط Fe، Co، Ni در آند و Ni، Fe يا Co به تنهايي در كاتدي مي‌باشند. اين كاتاليزور داراي هيچ فلز گران قيمتي نمي‌باشد و در عمل با تثبيت نمودن ذرات بسيار ريز فلز بر روي جزء مورد عمل،‌ يك كاتاليزور بسيار فعال ايجاد مي‌شود.
با استفاده از اتانول به عنوان سوخت براي پيل‌هاي خود تنفسي شامل غشاء‌هاي تبادل آنيون، دانسيته تواني بزرگي با مقدار140mw/cm2  در 25ºC  با ولتاژ0.5V   حاصل مي‌شود.

عملكرد
در اين پيل‌ها پليمر به عنوان الكتروليت عمل نمده و بار الكتريكي توسط يون هيدروژن (پروتون) حمل مي‌شود. اتانول مايع (OH- C2H5) در حضور آب در آند، اكسيد شده و توليد CO2، الكترون و يون‌هاي هيدروژن مي‌نمايد. در ادامه يون‌هاي هيدروژن توليدي از طريق الكتروليت پليمري جابه‌جا مي‌شوند و در كاتد با اكسيژن هوا و الكترون‌هاي مدار خارجي ناشي از آب تشكيل شده واكنش مي‌دهند.

نمونه‌هاي ساخته شدهTechnofil يك نمونه آزمايشي پيل‌سوختي اتانولي مستقيم را با توان w 1.5 توليد نموده است. اين نمونه آزمايشي شامل دو پيل‌سوختي بوده كه بسته به ميزان بار ايجاد ولتاژ خروجي v 0.9- 0.5 را مي‌نمايد.
علاوه‌بر آن در ماه مي سال 2007 ميلادي، يك تيم تحقيقاتي از دانشگاه علوم كاربردي در Offenburg، اولين خودروي جهاني با نيروي DEFC را در Shell's Eco- marathon فرانسه ارائه نمود. تست موفقيت‌آميز اين خودرو روي Nagaro Circuit با ولتاژ خروجي V 45-20 همراه بود

پيل سوختي چيست؟

پيل سوختي چيست؟

پيل سوختي يك سيستم الكتروشيميايي است كه انرژي شيميايي سوخت - عموما" هيدروژن (و يا متانول) و هوا را به طور مستقيم به انرژي الكتريكي تبديل مي‌كند. اين مولد انرژي داراي بازده بالايي است. بازده بالاي اين سيستم منتج از دوري جستن از چرخه كارنو است. در پيل سوختي هيدروژن در قسمت آند اكسيد شده و به پروتون و الكترون تقسيم مي‌شود. الكترون توليدي جريان الكتريسيته را موجب مي‌گردد. پروتون با عبور از غشاء تبادل يون به سمت كاتد رفته و در حضور كاتاليزور با اكسيژن هوا و الكترون بازگشتي از پيل به آب تبديل مي‌شود و بدينترتيب هيچ آلودگي به وجود نمي‌آيد. اين واكنش در دماي  80 درجه سانتیگراد (در پيل سوختي دماي پايين PEMFC) انجام مي‌پذيرد. واكنش‌هاي صورت گرفته در آند، كاتد و ماحصل نهايي بصورت زير است:

برای مشاهده کامل به ادامه مطلب مراجعه نمایید

ادامه نوشته

نانو کامپوزیت های پلیمری

خلاصه :
اين گزارش به معرفي اجمالي نانوکامپوزيت هاي پليمري مي پردازد. سيليکات هاي لايه اي تا به امروز بيشترين کاربرد را در ساخت نانوکامپوزيت ها داشته اند اخيرا به شدت از نانولوله هاي کربني نيز در ساخت اين نانوکامپوزيت ها استفاده مي شود. از انواع رزين هاي مورد استفاده به عنوان زمينه ناوکامپوزيت ها رزين هاي ترموپلاستيک و ترموست مي باشد. در حال حاضر از موضوعات بسيار با درجه اهميت بالا در تحقيقات مطالعه فصل مشترک فاز تقويت کننده مانند نانولوله ها و فاز زمينه مانند پليمرها مي باشد.

مواد و توسعه مواد از پايه‌هاي تمدن و فرهنگ انسان مي‌باشد. بشر حتي دوره‌هاي تاريخي را با مواد نامگذاري كرده است. مثل عصر سنگي، عصر برنز، عصر آهن، عصر فولاد (انقلاب صنعتي)،‌ عصر سيليكون و عصر سيليكا (انقلاب ارتباطات از راه دور) . اين نشان مي‌دهد كه مواد چقدر براي ما اهميت دارد. ما همواره در كوششيم كه از دنياي اطراف خود آگاهي داشته باشيم و آن را بهبود دهيم و ببينيم دنياي ما از چه چيزي ساخته شده است.

عصر جديد با شناخت يك ماده مشخص بوجود نخواهد آمد بلكه با بهينه‌كردن و مشاركت‌دادن تركيبي از چند ماده بوجود خواهد آمد. دنياي نانومواد و هيجانات همراه آن،‌ فرصت‌هاي استثنايي براي توليد انقلاب در مواد كامپوزيتي بوجود آورده است.

كامپوزيت‌هاي پليمري به علت خواصي مانند استحكام، سفتي و پايداري حرارتي و ابعادي، چندين سال است كه در ساخت هواپيماها به كار مي‌رود. با ظهور و به‌كارگرفتن نانوتكنولوژي، كامپوزيت‌هاي پليمري بسيار جذاب‌تر خواهند شد.

فرصت‌هاي نانوكامپوزيت‌هاي پليمري

تقويت پليمرها با استفاده از مواد آلي و يا معدني بسيار مرسوم مي‌باشد. برخلاف تقويت‌كننده‌هاي مرسوم كه در مقياس ميكرون مي‌باشند، در كامپوزيت‌هاي نانوساختاري فاز تقويت‌كننده در مقياس نانومتر مي‌باشد. توزيع يكنواخت اين نانوذرات در فاز زمينه پليمري باعث مي‌شود فصل مشترك فاز زمينه و فاز تقويت‌كننده در واحد حجم، مساحت بسيار بالايي داشته باشد. براي مثال مساحت فصل مشترك ايجاد شده با توزيع سيليكات لايه‌اي در پليمر بيشتر از 700 خواهد بود. علاوه بر اين فاصله بين ذرات فاز نانومتري تقويت‌كننده با اندازه ذرات قابل مقايسه خواهد بود. براي مثال براي يك صفحه با ضخامت nm 1 فاصله بين صفحات در حدود 10 نانومتر در فقط 7 درصد حجمي از فاز تقويت‌كننده مي‌باشد. اين مورفولوژي از ويژگي‌هاي ابعاد نانومتري مي‌باشد.

هم از جنبه تجاري و هم از جنبه نظامي، ارزش نانوكامپوزيت‌هاي پليمري فقط به خاطر بهبود خواص مكانيكي نمي‌باشد. در كامپوزيت‌ها كارايي مورد نياز، خواص مكانيكي، هزينه و قابليت فرآوري از موضوعات بسيار مهم مي‌باشد. نانوكامپوزيت‌هاي پليمري بر اين محدوديت‌ها غلبه كرده است. براي مثال پيشرفت سريع نانوكامپوزيت‌هاي پليمر- سيليكات لايه‌اي را درنظر بگيريد. تلاش‌هاي ده سال اخير باعث شده است كه مدول كششي و استحكام اين كامپوزيت‌ها دوبرابر شود، بدون اينكه مقاومت به ضربه آنها كاهش يابد. مثلاً براي تعداد زيادي رزين‌هاي ترموپلاستيك مثل نايلون و اولفين و همچنين رزين‌هاي ترموست مثل اورتان، اپوكسي و سيلوگزان با افزايش مقدار كمي مثلاً 2% حجمي از سيليكات لايه‌اي مي‌توان به اين خواص رسيد.

اخيراً جنرال موتورز و شركايش مثل Basel و Southarn Clay Products و Black hawk Automotive در قسمت‌هاي خارجي اتومبيل از نانوكامپوزيت‌هاي با زمينه اولفين ترموپلاستيك و تقويت‌كننده سيليكات لايه‌اي استفاده كرده‌اند.

يك نانوكامپوزيت اولفيني با 5/2% سيليكات لايه‌اي بسيار مستحكم‌تر و سبكتر نسبت به ذرات مرسوم تالك كه در ساخت كامپوزيت‌‌هاي مرسوم به كار مي‌رود، مي‌باشد. باتوجه به نوع قطعه و ماده تقويت‌كننده در يك نانوكامپوزيت اولفيني مي‌توان كاهش وزني درحدود 20% را بدست آورد.

علاوه بر اين مقدار مواد مصرفي نيز نسبت به كامپوزيت‌هاي مرسوم كاهش خواهد يافت. اين مزايا باعث خواهد شد كه تأثيرات مثبتي بر مسائل زيست ‌محيطي و بازيافت آنها داشته باشد. به عنوان مثال گزارش شده است كه استفاده از نانوكامپوزيت‌هاي پليمري با لايه هاي سيليكاتي در صنايع خودرو آمريكا باعث صرفه‌جويي در مصرف 5/1 ميليارد ليتر گازوئيل در طول عمر خودرو توليدشده در يك سال خواهد شد و درنتيجه چيزي در حدود 10 ميليارد پوند دي‌اكسيد كربن كمتر نشر خواهد يافت.

باتوجه به گسترده‌بودن پليمرها و رزين‌ها و همچنين نانومواد تقويت‌كننده و كاربردهاي فراوان آنها موضوع نانوكامپوزيت هاي پليمري بسيار گسترده مي‌باشد.

در توسعه مواد چند جزئي چه در مقياس نانو و يا ميكرو سه موضوع مستقل بايد مورد توجه قرار گيرد: انتخاب اجزاء، توليد، فرآوري و كارايي

در مورد نانوكامپوزيت‌هاي پليمري هنوز در اول راه مي‌باشيم و باتوجه به كاربرد نهايي آنها زمينه‌هاي بسياري براي توسعه آنها وجود دارد.

دو روش اساسي توليد اين نانوكامپوزيت‌هاي پليمري "روش‌هاي درجا" و روش " ورقه‌اي کردن " Exfoliation) ) مي‌باشد. در روش درجا فاز تقويت‌كننده در زمينه پليمري توسط روش‌هاي شيميايي و يا جداسازي فازها توليد مي‌شود. زمينه پليمري به عنوان محلي براي تشكيل اين اجزاء مي‌باشد. به عنوان مثالي از اين روش ها مي‌توان تجزيه و يا واكنش شيميايي مواد پيش‌سازه در زمينه پليمري را نام برد.

در حال حاضر ورقه‌اي‌كردن لايه‌هاي سيليكاتي و نانوفايبرها/ نانولوله‌هاي كربني توسط صنايع بسياري مورد مطالعه و بررسي قرار گرفته است. همچنين مؤسسات دولتي و دانشگاهي بسياري بر روي اين موضوع كار مي‌كنند. درباره اين موضوع در ادامه صحبت خواهيم كرد.

سيليكات‌هاي لايه‌اي

سيليكات‌هاي لايه‌اي (آلومينوسيليكات‌هاي 2 به 1، فيلوسيليكات‌ها، رس‌هاي معدني و اسمكتيت‌ها) تا به امروز بيشترين كاربرد را در تحقيقات نانوكامپوزيت‌هاي پليمري داشته است. سيليكات‌هاي لايه‌‌اي ويژگي هاي ساختاري مانند ميكا و تالك دارد و از آلومينوسيليكات‌هاي هيدراته تشكيل شده است. در شكل (1 ) ساختار كريستالي آنها را مشاهده مي‌كنيد.

نيزوهاي واندروالس در بين لايه‌ها كه حامل كاتيون‌ها مي‌باشند ( M + ) لايه‌ها را كه توسط پيوند كووالانسي به هم متصل‌اند را از هم جدا مي‌سازد. اين لايه‌ها ضخامتي در حدود 96/0 نانومتر دارند.

نانولوله هاي کربني

برخلاف تحقيقات 25 ساله بر روي توزيع سيليكات‌هاي لايه‌اي در پليمرها، تحقيقات در زمينه توزيع نانولوله‌هاي كربني در پليمرها بسيار جديد مي‌باشد. نانولوله‌هاي كربني در حين افزايش و بهبود خصوصيات فيزيكي و مكانيكي پليمرها باعث مي‌شوند كه خواص الكتريكي و گرمايي رزين‌ها نيز بهبود يابد. قطر اين نانولوله‌ها مي‌تواند از 1 تا 100 نانومتر باشد و نسبت وجهي (طول به قطر) بيشتر از 100 يا حتي 1000 باشد. مانند سيليكات‌هاي لايه‌اي ماهيت غيرهمسانگردي اين لوله‌ها باعث مي‌شود كه در کسر حجمي کمي از نانولوله ها رفتار جالبي در اين نانوكامپوزيت‌ها پيدا شود.

نانولوله‌هاي كربني در دو گروه طبقه‌بندي مي‌شوند. نانولوله‌هاي تك‌ديواره و نانولوله‌هاي چندديواره. علت علاقه به نانولوله‌هاي كربني تك‌ديواره و تلاش براي جايگزين‌كردن آنها در صنعت براساس محاسبات تئوري و تأييدات آزمايشگاهي بر خصوصيات عالي مكانيكي و رسانايي الكتريكي آنها مانند فلزات مي‌باشد.

رقابت بر روي توسعه روش‌هاي ساخت با هزينه كم، فرآوري نانولوله‌هاي كربني تك‌ديواره و همچنين پايداري خصوصيات اين نانولوله‌ها در حين فرآوري پليمر- نانولوله، از موانعي هستند كه سرعت پيشرفت در توليد نانوكامپوزيت‌هاي پليمري پرشده با نانولوله‌هاي كربني را محدود كرده‌اند.

برعكس در دسترس‌بودن و تجاري‌بودن نانولوله‌هاي كربني چندديواره باعث شده است كه پيشرفت‌هاي بيشتري در اين زمينه داشته باشيم. تاحدي كه محصولاتي در آستانه تجاري‌شدن توليد شده است. به عنوان مثال از نانولوله‌هاي كريني چندديواره (جايگزين Carbon-black ) در پودرهاي رنگ استفاده شده است.

استفاده از اين نانولوله‌ها باعث مي‌شود كه رسانايي الكتريكي در مقدار كمي از فاز تقويت‌كننده حاصل شود و كاربرد آنها در پوشش‌دادن قطعات اتومبيل مي‌باشد.

يكي ازمعايب نانولوله‌هاي چندديواره نسبت به تك‌ديواره‌ اين است كه استحكام‌دهي آنها كمتر مي‌باشد زيرا پيوندهاي صفحات داخلي ضعيف مي‌باشند. در هر حال، درحال حاضر كاربردهايي كه باعث استفاده از نانولوله‌ها در تقويت‌دادن پليمرها مي‌شود، بهبود خواص گرمايي و الكتريكي مي‌باشد تا بهبود خواص مكانيكي. بنابراين كاربرد نانولوله‌هاي كربني چندديواره بسيار زياد مي‌باشد.

از نظر نظامي نيز فراهم‌كردن هدايت الكتريكي، و يا الكتريكي در فيلم‌ها و فايبرهاي پليمري فرصت‌هاي انقلابي بوجود خواهد آورد. به عنوان مثال از پوسته‌هاي الكتريكي-مغناطيسي گرفته تا كامپوزيت‌هاي رساناي گرما و لباس‌هاي سربازهاي آينده.

چالش‌ها

در نانوكامپوزيت‌هاي پليمري هدف نهايي، توزيع يكنواخت فاز تقويت‌كننده نانومتري مي‌باشد. اساساً 4 روش براي توليد نانوكامپوزيت‌هاي يكنواخت وجود دارد: فرآوري محلولي، پليمريزاسيون درجا، فرآوري مزوفازها و فرآوري مذاب. تحقيقات بسياري در مورد اين فرآيندها براي بررسي پارامترهاي كنترل‌كننده مورفولوژي نانوكامپوزيت‌ حاصله با اين روش‌ها وجود دارد.

عملگري سطحي و عناصر نانويي به‌كاررفته در پليمرها بايد به گونه‌اي باشد كه نرخ پليمريزاسيون و محل شروع پليمريزاسيون قابل كنترل باشد. زيرا درحين پليمريزاسيون ممكن است عناصر نانويي تقويت‌كننده آگلومره شوند.

نقطه كليدي در تمام اين فرآيندها مهندسي فصل مشترك بين پليمر و نانوذره مي‌باشد. براي اين فرآيندها عموماً از سورفكتانت‌ها استفاده مي‌شود. براي مثال از مولكول‌هايي كه بصورت يوني با سطح نانوذرات پيوند داشته باشند (در سيليكات‌هاي لايه‌اي) استفاده مي‌شود و درمورد نانولوله‌هاي كربني از پليمرهايي كه بصورت فيزيكي به آنها متصل مي‌شوند استفاده مي‌شود. اين بهسازي‌هاي سطحي باعث مي‌شوند كه عكس‌العمل بين فصل مشترك‌ها بهبود يابد. بيشترين تلاش‌ها در حال حاضر بر روي بهسازهايي شده است كه باعث مي‌‌شود توزيع نانوذرات تسهيل يافته و بصورت يكنواخت توزيع شوند.

در حال حاضر موضوعات با درجه بالاي اهميت در تحقيقات عبارتند از: درك دقيق و عميق از منطقه فصل مشترك‌ فاز تقويت‌كننده و پليمر، وابستگي خصوصيات فصل مشترك به شيمي سطح نانوذره، آرايش اجزاء و ارتباط بين منطقه فصل مشترك و خصوصيات نانوكامپوزيت‌ها. همچنين درك كلي از ارتباط مورفولوژي و خصوصيات حاصله در رفتار مكانيكي، گرمايي و مقاومتي بسيار كم مي‌باشد.
منبع: ستاد توسعه فناوری نانو

فعالیت مجدد :)

سلام دوستان

بازم مثل همیشه قبل از هر چیز امیدوارم حال همگی شما خوب باشه...

میدونم که همتون مثل من به تازگی و باسختی فراوون از دست امتحانا راحت شدید... زیاد غصه نخورید، مهم نیست که چه نتیجه ای می گیرید... مهم اینکه بلاخره تموم شد

همونطور که از عنوان مطلب پیداست قصد دارم تا مجددا وبلاگ رو به روال عادی خودش برگردونم و یکم بیشتر به اینجا برای قرار دادن مطلب سر بزنم...
اما قبل از اینکه مطالب جدید رو قرار بدم بهتره که یکمم اینجا حرف بزنم آخه خیلی وقته چیزی نگفتم

خوب، به ترتیب میگم:
لطفا انتقاد نکنید که چرا نمایش کامنت ها فعال نیست! بنظرم اینطوری بهتره... من به تمام کامنت هایی که محتوای علمی دارن یا سوالی درشون مطرح شده و یا جنبه انتقادی دارن تا جای ممکن پاسخ میدم و اونها رو برای نمایش فعال میکنم و کامنت های دیگه ای که جنبه اسپم دارن رو حذف میکنم، مثل روال گذشته میتونید تمامی سوالات مرتبط با شیمی خودتون رو اینجا مطرح کنید و منم تاجایی که اطلاعات ناچیزم اجازه میده پاسخگو خواهم بود

خوب مورد بعدی اینکه متاسفانه از دیروز تابحال دسترسی به پورت HTTPS و به دنبال اون دسترسی به جیمیل ناممکن شده... از دوستان خواهش میکنم لطف کنند سوالای خودشون رو همینجا مطرح کنند و منم همینجا پاسخگو خواهم بود البته تا زمانی که پورت مجددا فعال بشه.

چندتا از دوستان پرستاری مامائی و بیوشیمی سوالاتی رو پرسیده بودند که با رشته من مرتبط نیست و متاسفانه من سوالات اونها رو بی جواب گذاشتم... برای اطلاع از پاسخ سوالاتتون میتونید به وبلاگ سه تا از دوستای خوبم برید و سوالاتتون رو اونجا مطرح کنید مطمئن هستم تا جای ممکن راهنمای شما خواهند بود...
میتونید به وبلاگ دوستانم در بخش پیوند ها به اسم "ما این سه بیوشیمیست!" دسترسی داشته باشید...

درمورد گزارش کار باید بگم لینکهایی که از روی سرور هاستینگ سایتهای آپلود حذف میشه به هیچ وجه مجددآ بازیابی نخواهد شد و فایل گزارش آزمایشگاه پس از حذف از طرف سرور دیگه برای دانلود قرار داده نخواهد شد! علت اون رو هم قبلا بطور کامل توضیح دادم... پس خواهش میکنم درخواست لینک دانلود نکنید.
یه نکته دیگه اینکه گزارش آزمایشگاه ها فروشی نیست!!!! و استفاده از اون برای عموم رایگانه!!!

و دیگه اینکه من در ازای دریافت هیچ مبلغی حاضر به تهیه گزارش آزمایشگاه، تحقیق، پروژه و یا ترجمه نیستم!

اون دسته از دوستانی که حاضر نیستن زحمت انجام این کارها رو به خودشون بدن بهتره به مراکز یا افرادی که این کار رو انجام میدن مراجعه کنند تا به نتیجه دلخواه خودشون برسن.
درمورد نانو کاتالیزورها هم سعی میکنم مطالب جامع تری قرار بدم.

برای همگی شما آرزوی شادی و سلامتی دارم
موفق باشید.